復(fù)合材料在地面機(jī)動(dòng)武器裝備上的應(yīng)用*

齊文，趙俊利，劉國志，顏春，王貴民，祝穎丹

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2.浙江省機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201； 3. 247廠，太原 030051）

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復(fù)合材料在地面機(jī)動(dòng)武器裝備上的應(yīng)用*

齊文1，2，趙俊利1，劉國志3，顏春2，王貴民2，祝穎丹2

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2.浙江省機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波 315201； 3. 247廠，太原 030051）

摘要：介紹了先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料的基本特性，討論了其在不同地面武器機(jī)動(dòng)裝備上的應(yīng)用情況與發(fā)展現(xiàn)狀，剖析了其在低成本制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)一體化集成技術(shù)等方面亟待解決的問題。同時(shí)，提出了樹脂基復(fù)合材料在地面武器機(jī)動(dòng)裝備上研究應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：樹脂基復(fù)合材料；地面機(jī)動(dòng)武器；輕量化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化；低成本制造

聯(lián)系人：祝穎丹，研究員，主要從事復(fù)合材料制造相關(guān)研究

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭不斷向信息化戰(zhàn)爭演變，地面武器裝備的技術(shù)密集度越來越高，且武器裝備的精確要求越來越高，同時(shí)，地面打擊力量在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中仍具有相當(dāng)?shù)闹鲗?dǎo)作用。傳統(tǒng)材料的規(guī)格、性能，以及冶煉技術(shù)等已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)高新武器的研發(fā)需求，有時(shí)甚至成為制約其發(fā)展的“瓶頸”。因此，對地面機(jī)動(dòng)武器裝備軍用材料提出了更新、更高的要求。

目前，地面機(jī)動(dòng)武器裝備主要包括坦克、火炮、裝甲車、雷達(dá)、通信裝備等多種類型，服務(wù)于地面突擊、戰(zhàn)略打擊、信息支援、防空反導(dǎo)、海上攻擊和后勤保障等，以構(gòu)建地面攻防一體化作戰(zhàn)平臺(tái)。對大部分地面機(jī)動(dòng)武器裝備，有威力、機(jī)動(dòng)、防護(hù)三大性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的采用炮鋼、裝甲鋼等材料制造的地面武器裝備的三大性能指標(biāo)相互制約，難以同時(shí)提高，而三者的權(quán)重與平衡一直是地面機(jī)動(dòng)武器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題。在這種情況下，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料憑借其優(yōu)良特性被逐漸應(yīng)用到各種常規(guī)武器裝備，在地面機(jī)動(dòng)武器裝備的防護(hù)、輕量化、高性能化等方面發(fā)揮著重要的作用，并促進(jìn)了地面武器裝備的結(jié)構(gòu)一體化和低成本制造，成為了重要的軍用材料。

1　樹脂基復(fù)合材料的特性及應(yīng)用

目前，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的制造與裝備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，是應(yīng)用最為廣泛的一類復(fù)合材料。這種材料以熱固性或熱塑性塑料為基體，以短切或連續(xù)纖維織物為增強(qiáng)材料，經(jīng)過一定的工藝處理復(fù)合而成，具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕、耐磨損、疲勞壽命高、可一體化成型等優(yōu)點(diǎn)［1］，還可以加入一定的阻燃劑等填料以提高阻燃性。隨著研究應(yīng)用的發(fā)展，以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）為代表的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料自問世以來就憑借其優(yōu)良的力、聲、磁、電學(xué)性能（透波、透聲性好，無磁性，介電性能優(yōu)良），良好的耐腐蝕性能（耐酸腐蝕、堿腐蝕、海水侵蝕），良好的設(shè)計(jì)、加工、維護(hù)性能，輕質(zhì)性能，在國內(nèi)外的軍事領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1.1高強(qiáng)耐磨性及應(yīng)用

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有較高的振動(dòng)阻尼和自振頻率，因此有很強(qiáng)的吸振能力，可以幫助地面武器裝備在行進(jìn)過程中保持更好的平穩(wěn)狀態(tài)。此外，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的疲勞極限是其拉伸強(qiáng)度的70%～80%，遠(yuǎn)高于金屬材料的30%～50%。另外，不同的纖維增強(qiáng)材料可以通過不同的內(nèi)部鋪層方式滿足所需載荷要求，應(yīng)用無損檢測等技術(shù)對關(guān)鍵部件及時(shí)檢測、維護(hù)、補(bǔ)修，以延長使用壽命［2］，具有高強(qiáng)耐磨性和良好的可靠性。

對于坦克等地面機(jī)動(dòng)武器裝備，應(yīng)用樹脂基復(fù)合材料高強(qiáng)耐磨性的同時(shí)，還能充分發(fā)揮其良好的耐腐蝕性、耐高溫蠕變性、導(dǎo)電性。在炮塔等結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝具有耐腐蝕性的樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件，可以更好地防止酸雨和鹽分等外部環(huán)境的侵害，對設(shè)備的維修保養(yǎng)十分有利。

1.2高防護(hù)性及應(yīng)用

對于水陸兩棲戰(zhàn)車等地面機(jī)動(dòng)武器裝備，將樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用在武器外罩、翼子板、甲板防護(hù)板上，或?qū)⑵渥鳛閷?dǎo)彈沖擊遮護(hù)板，可以減免榴霰彈和高速射彈的沖擊。日本專家對于以CFRP為代表的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用到武器裝備結(jié)構(gòu)上后在耐爆炸以及耐燃燒性能方面的研究已達(dá)到了軍用武器裝備的使用標(biāo)準(zhǔn)，為樹脂基復(fù)合材料提升地面武器裝備的生存能力提供了一定的研究理論基礎(chǔ)。

以前，為了達(dá)到更高的安全性，裝甲鋼板設(shè)計(jì)得非常厚，但這會(huì)使機(jī)動(dòng)武器車輛裝備整車質(zhì)量增加，影響機(jī)動(dòng)性能。目前，美國、德國、俄羅斯等國已經(jīng)對用復(fù)合材料替代金屬部件進(jìn)行了大量研究。美國、英國等在研究中都將新型樹脂基復(fù)合材料作為車體的首選材料，使得主戰(zhàn)坦克等地面武器裝備的車體在輕量化進(jìn)程中，可同步提高抗彈性［3］、隱身性，減小雷達(dá)反射截面積，這已成為各國的熱點(diǎn)軍備項(xiàng)目之一。美國于20世紀(jì)90年代開始復(fù)合材料裝甲戰(zhàn)車車體的研究，開展了復(fù)合材料裝甲車輛——先進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，設(shè)計(jì)制造的復(fù)合材料驗(yàn)證車在減重達(dá)30%以上時(shí)，還具有良好的隱身效果，另外，美國陸軍采用S2玻璃纖維增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料取代早期的芳綸纖維復(fù)合材料制造的M113A3裝甲人員輸送車車體，不但提高了防火、防煙霧特性，還降低了成本［4］。美國在“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）”研究計(jì)劃中，也將發(fā)展復(fù)合材料原型車樣車。目前，已完成了FCS履帶式和輪式兩種車型的底盤設(shè)計(jì)制造，采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制造了樣車的上車身、下車身及乘員艙。

同時(shí)，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在優(yōu)化外形、改善振動(dòng)及噪聲阻尼、降低腐蝕及凹陷、在高速撞擊下保護(hù)乘員安全等方面有著很大的優(yōu)勢。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用于裝甲板、艙門等方面，由于其具有更低的磁特性、熱傳導(dǎo)性，良好的阻聲性等，在坦克、裝甲車等地面武器裝備受到外來襲擊帶來的熱量及噪聲影響時(shí)，可比傳統(tǒng)的炮鋼等材料制成的裝甲板等構(gòu)件更好地起到隔熱、降噪、阻燃、防碎片的作用［5］，從而更好地保護(hù)炮手和成員［6–7］。表1列出一些美國已經(jīng)成功制備的部分地面武器裝備復(fù)合材料部件。

表1　美國地面武器裝備復(fù)合材料部件

圖1　美國坦克圖

1.3電磁隱蔽性及應(yīng)用

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料可具有特殊的電磁性能。一方面，在其內(nèi)部加入具有透波、吸波功能的聚對苯撐苯并二惡唑纖維等纖維材料或鐵氧體、BaTiO3等納米顆粒，或在其表面噴涂隱身涂料，可以減少武器裝備的雷達(dá)、光電、紅外等觀測特征［8］，提高地面機(jī)動(dòng)武器裝備的生存能力和作戰(zhàn)效能；另一方面，通過對地面機(jī)動(dòng)武器裝備的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)表面引入異型透波、吸波結(jié)構(gòu)，或?qū)C(jī)構(gòu)表面及各連接處進(jìn)行光滑處理，可以降低雷達(dá)散射截面值，同時(shí)提高地面機(jī)動(dòng)武器裝備的電磁隱蔽性。

另外，復(fù)合材料排氣裝置在具有質(zhì)輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具備優(yōu)良的熱絕緣性能，能夠削弱雷達(dá)信號(hào)進(jìn)而有助于提高地面武器裝備的隱身性，并且已經(jīng)在部分武器裝備上成功應(yīng)用。

1.4高輕量化及應(yīng)用

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭既要求裝甲裝備具有高抗彈性，又追求其輕量化、高機(jī)動(dòng)靈活性，以及良好的防護(hù)性等，為了滿足這些要求，各國都在不斷積極探索并深入研究，廣泛采用樹脂基復(fù)合材料以期減輕裝甲裝備質(zhì)量［9］，而復(fù)合材料在裝甲車輛上的應(yīng)用已從簡單的非承力件向結(jié)構(gòu)件、動(dòng)力系統(tǒng)乃至大型整體部件發(fā)展［10］。俄羅斯將纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料成功地應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克的裝甲防護(hù)，以均質(zhì)鋼作為面板和背板，以酚醛復(fù)合材料和抗彈陶瓷作為中間層，制得T–80坦克復(fù)合裝甲；以覆蓋了芳綸纖維復(fù)合材料的均質(zhì)鋼作為面板和背板，以酚醛樹脂復(fù)合材料作為中間層，制得了T–72主戰(zhàn)坦克的輕型復(fù)合裝甲，大幅度提高了頂部防護(hù)能力［11］。

圖2　俄羅斯研制的復(fù)合裝甲

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與常規(guī)金屬和非金屬材料相比，具有優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)性，CFRP的密度為鋁的3／5、鋼的1／5，比強(qiáng)度卻是鋁的4倍、鋼的5倍，同時(shí)，拉伸強(qiáng)度一般都在3 500 MPa以上，是鋼的7～9倍，拉伸彈性模量為230～430 GPa ，也高于鋼［12–13］。因此，CFRP的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）可達(dá)到2 000 MPa／（g·cm–3）以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59 MPa／（g·cm–3）左右，可見其比模量也比鋼高。另外，樹脂基復(fù)合材料還憑借其復(fù)雜部件的可設(shè)計(jì)性，良好的減震性、吸能性、抗疲勞性、耐腐蝕性等，被應(yīng)用到地面機(jī)動(dòng)武器裝備上以有效地減輕整體的質(zhì)量，減少燃油消耗，提高機(jī)動(dòng)性能、運(yùn)載能力和可持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間［14］，進(jìn)而在地面武器裝備上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

英國材料系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對碳纖維復(fù)合材料的減輕質(zhì)量的效果研究表明，CFRP車身質(zhì)量為172 kg，而鋼制車身質(zhì)量為368 kg，減輕質(zhì)量約50%?？梢?，復(fù)合材料可為機(jī)動(dòng)武器的輕量化做出的貢獻(xiàn)毋庸置疑。在地面機(jī)動(dòng)武器裝備的底座設(shè)計(jì)中，一個(gè)復(fù)合材料的底座比同尺寸的鋼底座輕58%，且可以提供足夠的保護(hù)，使機(jī)械和設(shè)備免受或抵抗沖擊損壞。與此同時(shí)，由于它的阻尼性和無磁性，復(fù)合材料底座能夠降低武器裝備的聲音和磁特性。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在輕質(zhì)的同時(shí)，還能同時(shí)保證一定的強(qiáng)度要求。樹脂基復(fù)合材料具有高于鋼幾倍的拉伸強(qiáng)度，可以滿足對機(jī)動(dòng)武器車輛安全性能的需求。

在地面武器裝備推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸?shù)炔考难b備輕量化過程中，當(dāng)要求傳動(dòng)裝置的部件最少、質(zhì)量最輕時(shí)，采用由CFRP等樹脂基復(fù)合材料制備的驅(qū)動(dòng)軸可以輕而易舉地滿足要求，并且軸越長，減重效果越明顯。臨界速度提高，可減免長軸系上布置的軸承，軸承數(shù)量減少，還可以降低成本。另外，復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)軸還具有低噪聲、無磁性、不導(dǎo)電、無摩擦、耐腐蝕等優(yōu)良性能。

1.5整體成型及應(yīng)用

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料通過不同的纖維編織工藝、預(yù)成型體成型工藝等，可以加工成格柵式、蜂窩式等多種形式的層壓板結(jié)構(gòu)，還可以進(jìn)行不同層次的尺寸和形狀優(yōu)化，具有良好的可設(shè)計(jì)性和加工成型性［15］，有利于將部分相關(guān)零件集中生產(chǎn)加工到一個(gè)部件上，對于加工復(fù)雜地面武器裝備上的結(jié)構(gòu)件大有益處。

美國使用CFRP一次成型制造了最大的船體“短劍”，在整體制造成型過程中不使用傳統(tǒng)的焊接、鉚接技術(shù)，使得構(gòu)件外表面十分光滑，船體的質(zhì)量也大大減少。雖然目前的成本相對于普通的鋼和鋁合金偏高，但應(yīng)用這—技術(shù)進(jìn)行綜合構(gòu)件的整體設(shè)計(jì)，使得進(jìn)行批量生產(chǎn)的成本有較大的下降空間。同樣的技術(shù)，目前已被初步應(yīng)用到地面武器裝備的設(shè)計(jì)制造中。這樣的整體成型，在節(jié)約時(shí)間和成本、減輕了構(gòu)件的整體質(zhì)量的同時(shí)，也節(jié)省了燃料，提高了可持續(xù)戰(zhàn)斗的時(shí)間。

目前，還有科研人員采用由聚氯乙烯和碳纖維乙烯基酯層壓板構(gòu)成的夾心結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)材料相比，它不但強(qiáng)度高、耐用性好、而沖擊性強(qiáng)、整體成型性好，還無磁性，有利于降低武器裝備產(chǎn)生的磁場，并有良好的抗震性能。

2　軍用復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

軍用材料經(jīng)過多年發(fā)展，已取得長足進(jìn)步，但在系列化、通用化、維修性等方面還存在一定的問題，影響著軍用材料科研體系的整體效益和武器裝備研制生產(chǎn)的保障能力，因此，亟需建立合適的軍用材料體系標(biāo)準(zhǔn)。另外，地面武器在戰(zhàn)場上需要執(zhí)行各種復(fù)雜的戰(zhàn)略任務(wù)，對復(fù)合材料在武器裝備上的應(yīng)用提出了更加嚴(yán)苛的要求，亟需突破以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)。

（1）低成本制造技術(shù)。

雖然纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)眾多，但目前依舊存在制造和安裝成本比鋼制件高20%～90%的缺點(diǎn)。一方面，纖維增強(qiáng)材料的制備、鋪層，樹脂基體的制備，以及纖維和樹脂兩者的復(fù)合等都需要降低成本；另一方面，就目前來看，地面機(jī)動(dòng)武器裝備的主體依舊是炮鋼等材料，纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制件與周圍鋼結(jié)構(gòu)的連接處需要足夠的抗內(nèi)部沖擊損壞能力，由此使得成本大幅提高。

發(fā)展低成本設(shè)計(jì)與制造，將會(huì)顯著提高纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在地面武器裝備上的應(yīng)用范圍。目前，國內(nèi)外的一些軍工企業(yè)已將軍用復(fù)合材料的發(fā)展重點(diǎn)逐步從材料的性能轉(zhuǎn)到低成本制造技術(shù)，由此帶動(dòng)了自動(dòng)纖維纏繞技術(shù)、自動(dòng)帶料鋪層技術(shù)、預(yù)浸料技術(shù)、樹脂傳遞模塑成型技術(shù)、電子束固化技術(shù)等低成本制造技術(shù)的發(fā)展［16］。

（2）結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)一體化集成技術(shù)。

在地面機(jī)動(dòng)武器裝備的設(shè)計(jì)、制造中需要綜合考慮威力、機(jī)動(dòng)、防護(hù)等多方面要求。因此，需要在多個(gè)層次上開展武器裝備的設(shè)計(jì)、制造、測試、使用和維護(hù)等方面的一體化集成設(shè)計(jì)。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在地面機(jī)動(dòng)武器裝備上的應(yīng)用，一方面，可以通過CAD和CAM仿真為武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化的實(shí)現(xiàn)提供更廣的操作空間；另一方面，可以為阻尼／結(jié)構(gòu)、防熱／結(jié)構(gòu)、隱身／結(jié)構(gòu)等功能／結(jié)構(gòu)一體化武器構(gòu)件的制備提供有效的途徑，進(jìn)而提高地面武器裝備的自適應(yīng)、自診斷和自修復(fù)能力。

（3）損傷容限失效評估與維修技術(shù)。

軍用復(fù)合材料的可靠性和維修性同樣是其得到良好應(yīng)用的必須保障。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為主體或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的地面武器裝備，構(gòu)件若出現(xiàn)微觀損傷，容易演變成宏觀失效，在一定程度上加大了對武器裝備質(zhì)量控制的難度。因此，通過建立相關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而建立軍用樹脂基復(fù)合材料損傷容限失效評估模式、設(shè)備故障評估模式、維修性設(shè)計(jì)與分析模式，進(jìn)而預(yù)估地面武器裝備的使用壽命與維修方案，將對纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在地面武器裝備上的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

3　結(jié)語

世界范圍內(nèi)的軍用新材料每年以5%的速度增長，目前已有上萬種。地面武器裝備用復(fù)合材料正向高功能化、低成本化和輕量化等方向發(fā)展。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在軍用材料領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，隨著其成型工藝及制造技術(shù)的提高，其必將以多功能集于一體的形式更多地應(yīng)用到現(xiàn)代武器裝備領(lǐng)域中，為武器裝備性能的提高起到積極的推動(dòng)作用。

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Application of Composites to Ground Mobile Weapon and Equipment

Qi Wen1， 2， Zhao Junli1， Liu Guozhi3， Yan Chun2， Wang Guimin2， Zhu Yingdan2
（1. The North University of China， Taiyuan 030051， China ； 2. Zhejiang Key Laboratory of Robotics and Intelligent Manufacturing Equipment Technology， Ningbo Institute of Material Technology and Engineering， CAS， Ningbo 315201， China； 3. 247 Armory， Taiyuan 030051， China）

Abstract：Basic properties of advanced resin matrix composites were introduced. Its application and development in a variety of ground mobile weapons were elaborated. The problems demanding prompt solution in the low cost manufacturing and integrated production technology were analysised. Furthermore，the future development trends of resin-matrix composites application in ground mobile weapons were pointed out.

Keywords:resin matrix composite； ground mobile weapon； lightweight； structure designing integration； low cost manufacturing

中圖分類號(hào)：TJ304

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539（2016）05-0126-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.029

收稿日期：2016-02-11

*浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ16E030001），中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（KFJ-EW-STS-080），寧波市重大專項(xiàng)（2014S10004，2015S1004），寧波市國際合作項(xiàng)目（2015D10012）；