鈦合金防護(hù)頭盔研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

李 磊，楊海瑛, 關(guān)洪星，劉 偉

(1. 西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)(2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

防護(hù)頭盔是單兵裝備中非常重要的組成部分，對(duì)作戰(zhàn)人員頭部的防護(hù)起到關(guān)鍵作用。中國(guó)安陽(yáng)殷墟出土的正面鑄有獸面紋的商朝銅盔，被認(rèn)為是我國(guó)迄今為止發(fā)現(xiàn)的最早的金屬防護(hù)頭盔[1]。進(jìn)入鐵器時(shí)代后，頭盔基本采用鐵質(zhì)材料制造。當(dāng)槍炮等熱兵器出現(xiàn)后，普通鐵質(zhì)頭盔已經(jīng)不能滿(mǎn)足防護(hù)需求。第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，法軍首先使用奧氏體高錳鋼制造頭盔，該頭盔只有金屬外殼和襯墊，是現(xiàn)代頭盔的雛形。第二次世界大戰(zhàn)中，美國(guó)研制出M1錳鋼頭盔，其防護(hù)能力有較大提高[2]。但是，隨著武器的不斷發(fā)展，殺傷威力也在不斷增大，錳鋼頭盔亦已不能滿(mǎn)足防護(hù)需求。

20世紀(jì)后半葉，防護(hù)頭盔出現(xiàn)了2種發(fā)展方向：一種是使用芳綸纖維制造的頭盔[3]，其已在美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、西班牙、加拿大、中國(guó)等國(guó)裝備；另一種是使用低密度、高強(qiáng)度鈦合金材料制造的頭盔，這種頭盔受到大量特戰(zhàn)和特警單位的青睞，比如德國(guó)GSG-9特種部隊(duì)和俄羅斯阿爾法特種部隊(duì)等。

本文主要介紹鈦合金頭盔的發(fā)展歷程，以及近年來(lái)我國(guó)鈦合金防護(hù)頭盔的研發(fā)情況，總結(jié)鈦合金頭盔的發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)鈦合金防護(hù)頭盔的研究與應(yīng)用提供借鑒。

1 國(guó)外鈦合金頭盔的發(fā)展歷程

早期的鈦合金頭盔生產(chǎn)廠家有瑞士的Tig Bicord AG公司、奧地利的Ulbrechts公司以及蘇聯(lián)的鋼鐵研究院(NII Stali)。

瑞士Tig Bicord AG公司于20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的PSH-77式頭盔，除裝備本國(guó)陸軍和警察部隊(duì)外，還大量出口。該頭盔的盔殼為3 mm厚鈦合金材料，采用熱加工成形，質(zhì)量約3.5 kg，可防護(hù)各種槍彈、炸彈和手榴彈殺傷破片對(duì)頭部的傷害。PSH-77式頭盔分為警用、通訊兵用及軍用3類(lèi)。PSH-77式警用頭盔配有VS-K-77式面罩和頸部防護(hù)披風(fēng)；通訊兵頭盔配有VS-L-12式面罩；軍用頭盔分為全透明面罩頭盔和金屬面罩頭盔2種，前者裝備于德軍的特種部隊(duì)，稱(chēng)為北約版TIG頭盔，后者主要在蘇聯(lián)等華約部隊(duì)使用，稱(chēng)為華約版TIG頭盔。

蘇聯(lián)在20世紀(jì)70年代從瑞士Tig Bicord AG公司訂購(gòu)重型鈦合金防護(hù)頭盔。之后，蘇聯(lián)鋼鐵科學(xué)研究院以PSH-77頭盔為基礎(chǔ)推出阿爾金(Altyn)頭盔，該頭盔使用4 mm厚鈦材沖壓而成，列裝在阿爾法特種部隊(duì)。20世紀(jì)80年代，蘇聯(lián)推出組合型STSh-81頭盔，裝備在阿富汗的蘇軍特種部隊(duì)。STSh-81頭盔質(zhì)量為2.4 kg，由3片鈦合金裝甲板構(gòu)成，能夠包覆頭的兩側(cè)、上方及后半部，抵御各種角度的攻擊。20世紀(jì)90年代末期，NII Stali公司在阿爾金頭盔的基礎(chǔ)上研發(fā)出K6系列頭盔，其中使用最為廣泛、最負(fù)盛名的為K6-3頭盔。K6系列頭盔的盔體和阿爾金頭盔基本一致，鈦合金盔殼減薄至3 mm，并加裝了芳綸纖維內(nèi)襯，對(duì)邊緣棱角采取了嚴(yán)格的密封處理，具有極佳的防護(hù)性能。K6-3頭盔同時(shí)裝備于俄羅斯內(nèi)務(wù)部(MVD)和聯(lián)邦安全局(FSB)，使用率很高，可見(jiàn)于各種軍事演習(xí)活動(dòng)。應(yīng)俄羅斯內(nèi)務(wù)部的要求，在K6-3頭盔的前臉部分添加了全覆蓋面板，同時(shí)在內(nèi)部安裝通訊系統(tǒng)。這一改動(dòng)使得K6-3頭盔在外觀上更像是電焊所使用的防護(hù)面罩，因此又稱(chēng)“電焊盔”，常用于反恐作戰(zhàn)。該頭盔可以達(dá)到俄羅斯內(nèi)務(wù)部要求的最高防護(hù)等級(jí)——ГБШ-П-5防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 我國(guó)防護(hù)頭盔的研發(fā)

20世紀(jì)70年代末期，我國(guó)研制出第一代軍用頭盔——GK80型防彈頭盔。該頭盔以232防彈鋼為主要材料，質(zhì)量1.10～1.25 kg，抗沖擊能量大于392 J，V50值(抗1.1 g標(biāo)準(zhǔn)模擬破片)為366 m/s[4]。根據(jù)“976”工程的需要，我國(guó)于1993年開(kāi)始研制以芳綸纖維為增強(qiáng)材料的高性能非金屬防彈頭盔，頭盔質(zhì)量1.45 kg，V50值為610 m/s，能夠防護(hù)54式手槍鉛芯彈。1997年，我國(guó)采用高強(qiáng)度高模量芳綸纖維制造QGF02頭盔，其V50值為630 m/s，有效防護(hù)面積達(dá)1266 cm2[5,6]。2004年，我國(guó)研制出QGF03頭盔，其與QGF02頭盔的防護(hù)性能相當(dāng)，但整盔質(zhì)量減少150 g。2011年，總后軍需裝備研究所研制出QGF11頭盔，并得到廣泛應(yīng)用[7]。

雖然目前我國(guó)軍警部隊(duì)未列裝鈦合金頭盔，但國(guó)內(nèi)材料研發(fā)單位、防護(hù)用品生產(chǎn)單位已經(jīng)開(kāi)展大量的鈦合金頭盔研發(fā)工作，在頭盔模具設(shè)計(jì)、外殼功能設(shè)計(jì)、成形工藝等方面申報(bào)了大量專(zhuān)利，見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)鈦合金頭盔相關(guān)專(zhuān)利

西北有色金屬研究院提出一種冷拉伸成形鈦合金防彈頭盔的制備方法[8]。鈦合金防彈頭盔屬于深腔件，對(duì)材料的深沖性能、冷拉成形工藝以及盔殼成形精度的要求較高。研究團(tuán)隊(duì)以強(qiáng)度高且深沖性能良好的TB5和TB8鈦合金板材為原料，首先涂覆防氧化涂料，并通過(guò)固溶處理改善板材的加工性能；一模拉伸使用植物油進(jìn)行潤(rùn)滑，成形時(shí)使用15 MPa液壓固定邊部，拉伸速率為20 mm/s，成形深度為110 mm；二模冷拉伸變形量大，使用石墨乳進(jìn)行潤(rùn)滑，成形時(shí)使用20 MPa液壓固定邊部，拉伸速率為10 mm/s，成形深度為180 mm；最后對(duì)盔殼進(jìn)行表面處理和時(shí)效處理，得到冷成形鈦合金防彈頭盔。該制備方法不僅簡(jiǎn)化了加工流程，而且降低了對(duì)加工模具的要求，使加工成本大大減少。此外，根據(jù)頭盔的不同用途，制備了厚度在0.3～3.0 mm的不同牌號(hào)的鈦合金頭盔。圖1為二模成形后的TB8鈦合金盔殼和頭盔成品照片。

圖1 TB8鈦合金盔殼和頭盔成品照片

沈陽(yáng)中鈦裝備制造有限公司提出了一種鈦合金盔殼制造方法[9],其過(guò)程為：將鈦合金板材進(jìn)行一次模壓獲得具有殼頂?shù)目鴼?；二次模壓獲得具有殼身的盔殼；三次模壓獲得具有局部耳部輪廓的盔殼；四次模壓獲得具有完整耳部輪廓的盔殼。該公司還開(kāi)發(fā)出以鈦合金盔殼為外層，復(fù)合聚乙烯纖維層為內(nèi)層的復(fù)合頭盔，并制造出用于2種材料復(fù)合成形的專(zhuān)用模具[10]。

寶雞歐亞化工設(shè)備制造廠設(shè)計(jì)的鈦合金防彈頭盔，其盔殼采用一體化鈦合金結(jié)構(gòu)，可有效減小頭盔重量。同時(shí)，根據(jù)盔殼各部分的重要性及受攻擊的概率，采用不等重模鍛技術(shù)，對(duì)盔殼正面、頂面等重要部位作增厚處理，對(duì)盔殼側(cè)面、背面等次要部位作減薄處理，綜合提高了頭盔的防彈防護(hù)能力[11]。

西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司設(shè)計(jì)出一種透氣型鈦合金頭盔，采用3D打印技術(shù)成形，頭盔內(nèi)置環(huán)面透氣區(qū)，在不降低頭盔安全性的基礎(chǔ)上，提升了產(chǎn)品的舒適性[12]。陜西雙扶鈦業(yè)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)了一種適用于機(jī)車(chē)駕駛員佩戴的鈦合金頭盔，在盔體的外表面設(shè)有加強(qiáng)筋，以確保外層盔體的保護(hù)性能[13]。青島格林沃德新材料科技有限公司以玻璃鋼為外殼、鈦合金防彈板為內(nèi)防護(hù)層，制備出輕型防爆頭盔[14]。河北森寶新材料科技有限公司等單位也提出了芳綸纖維與鈦合金復(fù)合的頭盔，盔殼外層為T(mén)C4等牌號(hào)的鈦合金[15-17]。

國(guó)內(nèi)多家企業(yè)長(zhǎng)期關(guān)注鈦合金頭盔的研發(fā)，并已經(jīng)完成多項(xiàng)歐盟國(guó)家警用鈦合金頭盔的外貿(mào)訂單。目前，我國(guó)的頭盔需求單位也逐漸關(guān)注到鈦合金頭盔的優(yōu)點(diǎn)，加大了對(duì)鈦合金頭盔加工工藝、性能調(diào)控等方面的研究投入，故鈦合金頭盔有望在未來(lái)得到應(yīng)用。

3 鈦合金頭盔發(fā)展趨勢(shì)

與鋼盔相比，在同等防護(hù)性能下，鈦合金頭盔的重量更輕，耐蝕性更強(qiáng)，且使用壽命長(zhǎng)，至今仍受到俄羅斯等國(guó)家特警部隊(duì)的青睞。但由于鈦合金頭盔原材料和加工成本高，導(dǎo)致無(wú)法大量裝備。另一方面，鈦合金頭盔質(zhì)量往往超過(guò)2 kg，長(zhǎng)期佩戴會(huì)對(duì)頸椎造成傷害。此外，在戰(zhàn)斗中金屬頭盔易產(chǎn)生子彈反彈、跳彈，容易造成二次傷害。

20世紀(jì)60年代，低密度、高強(qiáng)度的芳綸纖維材料出現(xiàn)。之后，以芳綸纖維制備的頭盔逐漸成為各國(guó)部隊(duì)的主流裝備。但是，在強(qiáng)紫外線照射下，芳綸纖維頭盔的部分芳綸材料會(huì)發(fā)生降解；芳綸纖維的吸水能力較強(qiáng)，在潮濕環(huán)境中頭盔的防彈性能會(huì)受到影響。因此，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，芳綸纖維頭盔的防護(hù)效果逐漸減弱，保質(zhì)期約為8年。此外，芳綸纖維頭盔在受到子彈沖擊時(shí)產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)大于鈦合金頭盔，容易造成佩戴者出現(xiàn)顱腦損傷[18]。有限元模擬研究表明，9 mm鉛芯手槍彈以343 m/s侵徹芳綸纖維頭盔，子彈0°入射造成顱骨骨折的概率為23.4%。

由此可見(jiàn)，鈦合金頭盔和芳綸纖維頭盔都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而使用鈦合金與芳綸纖維制造的復(fù)合型頭盔可結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，既能充分利用芳綸纖維輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在不影響防護(hù)性能的前提下減輕頭盔重量，還能利用鈦合金高強(qiáng)度和優(yōu)良抗變形能力的特點(diǎn)，減小頭盔在受到子彈沖擊時(shí)產(chǎn)生的變形。

俄羅斯K6-3頭盔以及我國(guó)沈陽(yáng)中鈦裝備制造有限公司等單位研制的復(fù)合型頭盔，盔殼外層為鈦合金，內(nèi)層為高性能芳綸纖維。手槍彈侵徹試驗(yàn)過(guò)程中，子彈穿過(guò)外層鈦合金，部分能量被吸收，內(nèi)層芳綸纖維層在經(jīng)歷剪切斷裂、拉伸破壞和成層破壞過(guò)程中，則吸收了子彈剩余能量。由于鈦合金的吸能作用，該類(lèi)復(fù)合型頭盔的彈痕高度較芳綸纖維頭盔得到了改善，但是對(duì)于大角度入射子彈仍存在跳彈風(fēng)險(xiǎn)。

西北有色金屬研究院等多家單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)了內(nèi)層為多種厚度的鈦合金盔殼，外層為高性能芳綸纖維層的復(fù)合型頭盔。在手槍彈侵徹試驗(yàn)過(guò)程中，主要由外層芳綸纖維層承擔(dān)防護(hù)作用，吸收子彈能量，而子彈最終停留在盔體中，可有效減少跳彈造成的二次傷害；鈦合金內(nèi)層對(duì)盔體起到支撐作用，能夠有效減小彈擊彈痕高度，提高頭盔保護(hù)能力，降低顱骨骨折概率。但由于鈦合金的支撐作用使芳綸纖維層的變形受限，會(huì)導(dǎo)致分層破壞的吸能效果降低。因此，鈦合金作為內(nèi)層材料時(shí)，該類(lèi)復(fù)合型防護(hù)頭盔的V50值相對(duì)減小。

采用54手槍發(fā)射的51式7.62 mm鉛芯彈彈侵徹鈦合金/芳綸纖維復(fù)合板時(shí)，當(dāng)鈦合金作為迎彈面，彈痕高度平均值為23.3 mm，V50值為768.6 m/s；而當(dāng)芳綸纖維作為迎彈面，彈痕高度平均值降為15.5 mm，V50值降為704.7 m/s。通過(guò)調(diào)節(jié)鈦合金/芳綸纖維復(fù)合板中鈦合金層與芳綸纖維層的厚度，可以調(diào)整復(fù)合頭盔的彈痕高度和V50值。

圖2為西北有色金屬研究院與國(guó)內(nèi)多家防護(hù)裝備單位合作研發(fā)的鈦合金/芳綸纖維復(fù)合頭盔。該復(fù)合頭盔面密度為7～8 kg/m2。使用54手槍發(fā)射的51式7.62 mm鉛芯彈侵徹該頭盔，當(dāng)彈丸速率為445±10 m/s時(shí)，有效命中條件下頭盔未穿透，彈擊彈痕高度小于25 mm。

圖2 鈦合金/芳綸纖維復(fù)合頭盔照片

鈦合金作為一種高比強(qiáng)度金屬材料，已廣泛應(yīng)用于防彈衣及裝甲車(chē)、坦克等戰(zhàn)車(chē)的防護(hù)裝甲。鈦合金/芳綸纖維復(fù)合頭盔可將鈦合金與芳綸纖維材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，不僅重量輕，而且具有優(yōu)異的防護(hù)性能，符合單兵裝備對(duì)頭盔減重和防護(hù)性能升級(jí)的要求，是現(xiàn)代化頭盔的發(fā)展趨勢(shì)之一，有望在未來(lái)得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 語(yǔ)

防護(hù)頭盔重量的減輕、防護(hù)能力的提升、使用功能的完善都要依賴(lài)于防護(hù)材料，因此防護(hù)材料的優(yōu)化升級(jí)是防彈裝備研制領(lǐng)域的重點(diǎn)和根本。各種防護(hù)材料的防彈機(jī)理研究與防護(hù)材料的研究相互補(bǔ)充，可為頭盔的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持[19]。在過(guò)去的50年間，鈦合金頭盔和鈦合金/芳綸纖維復(fù)合頭盔在多次軍事戰(zhàn)役和反恐行動(dòng)中起到了重要作用。隨著新型防護(hù)材料的升級(jí)，防護(hù)頭盔將呈現(xiàn)出高防護(hù)性、高集成性和高匹配性的發(fā)展趨勢(shì)。