輕量化防彈材料應(yīng)用

徐明國(guó)，趙海英，張起明，宋寧軍

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輕量化防彈材料應(yīng)用

徐明國(guó)，趙海英，張起明，宋寧軍

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

輕量化是對(duì)防彈裝備提出的重要要求之一，對(duì)防護(hù)材料要求具有質(zhì)量輕，比強(qiáng)度和比模量高等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到廣泛重視。文章主要介紹了高性能輕量化防彈材料的分類并從防彈車輛的輕質(zhì)透明裝甲和披掛復(fù)合裝甲等與現(xiàn)有材料進(jìn)行對(duì)比分析，為后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供思路。

輕量化；透明裝甲；披掛復(fù)合裝甲

1 引言

傳統(tǒng)的防彈材料多采用防彈鋼板，利用增加材料厚度或疊層使用等手段實(shí)現(xiàn)其防護(hù)效果，這給裝甲裝備造成較大的重量負(fù)擔(dān)，制約戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略有效發(fā)揮。重量是影響裝甲裝備實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)快速反應(yīng)能力的主要因素之一，現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝甲裝備的重量指標(biāo)提出了極為苛刻的要求，即在滿足高抗彈性的前提下，具有輕量化、高性能化、高機(jī)動(dòng)靈活性等，高性能輕質(zhì)防彈材料的出現(xiàn)解決這一問(wèn)題，采用非金屬?gòu)?fù)合材料，減少防彈鋼板厚度，有效降低防彈車的整車整備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。有關(guān)研究表明，高性能纖維防彈復(fù)合材料的體密度一般為0.9~2.0g/cm3，只有防彈鋼密度的1/8~1/4，其比模量是防彈鋼的3~5倍，比強(qiáng)度是防彈鋼的4~10倍。因此，高性能纖維防彈復(fù)合材料用于車輛防護(hù)可以大幅度減輕重量，或在相同重量條件下提供更高的防彈防護(hù)性能[1]。這些復(fù)合材料與防彈車輛常用的防彈鋼板相比，同等防彈防護(hù)能力條件下具有重量輕、加工工藝性好的特點(diǎn)?，F(xiàn)今，利用多種材料配合使用或填加功能填料等手段，制成高性能的組合防彈材料，并通過(guò)材料組成與配比的調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)等途徑，實(shí)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)輕量化并提高其防彈性能。是現(xiàn)代防彈材料研究的重要內(nèi)容。

國(guó)內(nèi)外有許多綜述文章，從不同角度對(duì)防彈材料及其發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹，如對(duì)比介紹幾種防彈材料性能[2,3]、高性能防彈材料的發(fā)展[4,5]、防彈材料的設(shè)計(jì)選材影響因素[6]或分析材料的抗擊過(guò)程[7,8]等方面。本文從輕質(zhì)防彈材料的分類和裝甲車輛的輕質(zhì)透明裝甲和披掛復(fù)合裝甲進(jìn)行對(duì)比分析，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供思路。

2 輕量化防彈材料防彈機(jī)理

輕量化防彈材料主要有陶瓷板防彈材料、高性能纖維復(fù)合防彈材料和組合防彈材料。陶瓷防彈材料主要利用自身的強(qiáng)度、硬度使彈體受挫、毀壞并將碎裂的彈體彈開(kāi)以達(dá)到防彈的目的；高性能纖維為主的軟體防彈材料的防彈機(jī)理主要是在彈頭對(duì)纖維進(jìn)行拉伸和剪切時(shí)，通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)和纖維斷裂等方式，使沖擊能吸收消釋或沿纖維向沖擊點(diǎn)以外的區(qū)域傳播分散，從而達(dá)到防護(hù)效果；組合防彈材料通過(guò)多種材料層疊設(shè)計(jì)配合，可以制備各組分優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，該類防彈材料不僅可以吸收或分散掉全部的沖擊能量，還可以避免由于彈頭的猛烈撞擊使得材料變形而導(dǎo)致的配備人員傷害或裝甲車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，最大限度降低彈體造成的傷害。

3 輕量化防彈材料分類

3.1 陶瓷板防彈材料

陶瓷板材料具有極高的硬度、彈性模量和相對(duì)金屬較低的密度，化學(xué)穩(wěn)定性良好，耐高溫、耐沖擊和耐磨損，能在減輕裝甲質(zhì)量的基礎(chǔ)上很好地抵御高速穿甲彈的侵蝕，用陶瓷材料作夾層板與鋼板組合使用，其防彈性能甚至超過(guò)同等厚度下均質(zhì)鋼裝甲的2倍，該復(fù)合防彈材料已廣泛用于輕型裝甲車輛中。

3.2 高性能纖維復(fù)合板防彈材料

高性能纖維復(fù)合板防彈材料是采用一種或多種高性能纖維織物或其鋪層，在一定的工藝條件下與樹(shù)脂基體復(fù)合而制得的具有一定防彈性能的材料，高性能纖維具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如低密度、高比強(qiáng)度和比模量、適當(dāng)?shù)臄嗔焉扉L(zhǎng)率和良好的耐腐蝕性等。用高性能纖維制成的防彈制品不僅質(zhì)量輕、柔韌性好，而且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、成型工藝簡(jiǎn)單，目前廣泛使用的高性能纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯等可以用于制作武裝直升機(jī)和裝甲戰(zhàn)車的內(nèi)壁襯層，防護(hù)效果極佳。

3.3 組合防彈材料

目前對(duì)防彈材料高抗沖擊、低負(fù)重、舒適耐用及其他特殊防護(hù)性能的要求不斷升級(jí)，單一材料已經(jīng)不能完全滿足使用要求，將以上材料中的兩種或多種組合在一起制成多層組合防彈材料是研究的突破點(diǎn)。組合防彈材料各組分在性能上相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，可使其綜合性能相對(duì)于單一均質(zhì)材料大大提高，如在鋼裝甲上附加一層陶瓷面板，可以顯著降低彈體的侵徹、鈍化及碎裂能，并將其結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低25%基礎(chǔ)上可以將抗沖擊板面密度吸能提高35%以上。

4 防彈裝甲輕量化應(yīng)用對(duì)比

4.1 透明防彈裝甲

4.1.1硬質(zhì)防彈玻璃通常為膨硅玻璃

耐高溫，高壓，耐腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，便于加熱處理，可承受很大的沖擊力，不易破碎等特點(diǎn)。

4.1.2透明陶瓷是有意識(shí)地在玻璃原料中加入一些微量的金屬或化合物

（如金、銀、銅、鉑、二氧化鈦等）作為結(jié)晶的核心，在玻璃熔煉、成型之后，再用短波射線（如紫外線、X射線等）進(jìn)行照射，或者進(jìn)行熱處理，使玻璃中的結(jié)晶核心活躍起來(lái)，彼此聚集在一起，發(fā)育成長(zhǎng)，形成許多微小的結(jié)晶，這樣，就制造出了玻璃陶瓷。透明陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和硬度都很高，能耐很高的高溫。

4.1.3披掛透明裝甲

披掛式透明裝甲包括兩層透明塑料板、夾設(shè)于兩層透明塑料板之間的透明晶體層?？刹鹦兜毓潭ㄓ诜缽棽Ａ?，可以很方便地改變?cè)瓉?lái)裝甲裝備的防護(hù)等級(jí)；同時(shí)將透明晶體以拼接的方式夾設(shè)于兩層所述透明塑料板之間，透明塑料板可以作為透明晶體層的襯板，一方面克服了透明晶體體積小無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品尺寸和形狀的缺點(diǎn)，另一方面利用晶體的防彈性能，可以得到防彈性能好的披掛式透明裝甲。

4.1.4對(duì)比分析

硬質(zhì)防彈玻璃同比GCP防彈玻璃減重10%~20%，透明陶瓷裝甲減重達(dá)到60%。詳見(jiàn)表1：

表1 透明裝甲減中比較

圖2 透明陶瓷彈擊效果

透明陶瓷彈擊后損傷面積小，對(duì)車內(nèi)視野影響小，其彈擊后效果見(jiàn)圖1、圖2。

4.2 披掛復(fù)合裝甲

采用鋼板（防彈鋼板或高強(qiáng)鋼板）與非金屬材料的組合達(dá)到裝甲材料的最輕量化披掛方式有三種：

1）內(nèi)披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強(qiáng)鋼板）內(nèi)側(cè)附有高性能復(fù)合防彈材料；

2）外披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強(qiáng)鋼板）外側(cè)附有高性能復(fù)合防彈材料；

3）夾心披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強(qiáng)鋼板）內(nèi)、外側(cè)附有高性能復(fù)合防彈材料。

圖3

表2 披掛裝甲減重對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代高性能防彈材料已經(jīng)向著質(zhì)輕、舒適、低成本、多功能、高性能等方向發(fā)展，為使用者提供了越來(lái)越可靠的安全保障。未來(lái)的研究應(yīng)兼顧傳統(tǒng)材料的改進(jìn)和新型防彈材料的研究?jī)蓚€(gè)方向，將新型高性能材料與傳統(tǒng)材料配合使用，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。

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Lightweight bulletproof material application

Xu Mingguo, Zhao Haiying, Zhang Qiming, Song Ningjun

（Beijing Automobile Research Insititute Co. Ltd., Beijing 101300）

lightweight is one of the important requirements for bulletproof equipment. It has a series of advantages such as light weight, higher specific strength and higher specific modulus for protective materials, and more and more attention has been paid to it. This paper mainly introduces the classification of high performance lightweight bulletproof materials and compares the light transparent armour and the armoured composite armour of bulletproof vehicles with the existing materials to provide ideas for the development of subsequent products.

lightweight;Transparent armour;Wear composite armor

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1671-7988(2019)03-159-03

U465

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1671-7988(2019)03-159-03

U465

徐明國(guó)，男，高級(jí)工程師，就職于北京汽車研究總院有限公司，主要從事汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.053