裝甲防護(hù)襯層及相關(guān)材料研究進(jìn)展

陳東，包睿，李鵬

（1.陸軍裝備部航空軍事代表局駐成都地區(qū)航空軍事代表室，成都 610036；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，導(dǎo)致裝備損毀和人員傷亡的原因80%為破片或其引起的“二次爆炸”所致，而槍彈直接導(dǎo)致的傷亡只占少數(shù)[1-4]。坦克裝甲車輛面臨著各種彈藥的威脅，彈藥擊穿車輛基體裝甲后，基體裝甲和彈頭破碎，產(chǎn)生高速破片或崩落破片，并呈錐形高速前行，從而造成車輛內(nèi)部大面積人員傷亡和裝備損壞[3,5-6]。

在裝甲車輛內(nèi)部安裝防護(hù)襯層是一種重要的防護(hù)方案，在地面機(jī)動(dòng)裝甲綜合防護(hù)體系中占據(jù)重要地位。防護(hù)襯層的作用主要體現(xiàn)在：當(dāng)彈丸穿甲性能處在彈道極限內(nèi)時(shí)，防止彈丸碎片或裝甲材料崩落的破片飛入車內(nèi)，同時(shí)其本身不產(chǎn)生二次破片；當(dāng)彈丸穿透裝甲時(shí)，可以有效降低彈丸破片的動(dòng)能，從而提高乘員的生存能力[5-7]。本文將從裝甲防護(hù)襯層研究現(xiàn)狀、裝甲防護(hù)襯層防護(hù)機(jī)原理以及防護(hù)襯層材料3 個(gè)方面進(jìn)行闡述，并著重總結(jié)裝甲防護(hù)襯層材料研究進(jìn)展。

1 裝甲防護(hù)襯層應(yīng)用現(xiàn)狀

為滿足復(fù)雜戰(zhàn)場中保護(hù)裝甲裝備和士兵安全的需求，國外率先開展了裝甲防護(hù)襯層技術(shù)的研究，現(xiàn)已經(jīng)歷了3 代發(fā)展，相關(guān)研究較為成熟[8-10]。防護(hù)襯層也從單一性能逐漸朝著多功能一體化方向發(fā)展，其核心設(shè)計(jì)思想是綜合應(yīng)用各種防護(hù)/材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)防中子輻射、防彈和防破片等多種功能[11]。

目前，世界各國坦克裝甲車輛均配備了防護(hù)襯層。例如，美國M1A2 主戰(zhàn)坦克、M2/M3 布萊德利戰(zhàn)車、M113 裝甲輸送車等在車體和炮塔乘員艙、戰(zhàn)斗艙內(nèi)壁安裝了防破片襯層（如圖1 所示）；德國的“豹II”A4 坦克炮塔內(nèi)部也裝有防破片襯層，“山貓”履帶式步兵戰(zhàn)車車輛內(nèi)部采用了破片襯層，IBD 戴森羅特工程公司設(shè)計(jì)的模塊化防護(hù)概念中，MAP-L 襯層系統(tǒng)仍是其重要組成部分。

圖1 美國M113 裝甲輸送車車體采用襯層防護(hù)Fig.1 American M113 armored transport vehicle body with liner protection

2 裝甲防護(hù)襯層防護(hù)原理

2.1 防輻射原理

現(xiàn)在戰(zhàn)場中，裝甲車將面臨來自空中和地面各種反裝甲武器的火力攻擊，甚至面臨大規(guī)模戰(zhàn)術(shù)殺傷武器——中子彈的威脅，其爆炸會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)輻射作用，若未采取有效措施，會(huì)對裝甲車輛乘員產(chǎn)生極大的殺傷作用。因此，使用具有中子屏蔽功能的防護(hù)襯層可有效保護(hù)成員免受傷害[12]。

具有中子屏蔽功能的防護(hù)襯層主要通過對快中子減速和慢中子吸收來降低中子能量，其中快中子減速是降低中子能量的主要途徑。中子經(jīng)過減速之后，能量大大降低，當(dāng)能量降低至被特殊元素吸收時(shí)，就完成了對中子輻射的防護(hù)[13-15]。國內(nèi)外大量研究表明，中子屏蔽材料中氫含量越高，防中子輻射的效果會(huì)越好[16-17]。

2.2 抗彈、防破片機(jī)理

作為防護(hù)產(chǎn)品，防彈、防破片性能為防護(hù)襯層最基礎(chǔ)且最重要的功能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行多功能協(xié)同設(shè)計(jì)，確保防彈、防破片性能和防輻射等性能兼具。因此，對防護(hù)性能相關(guān)機(jī)理的研究仍是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

在防彈、防破片方面，裝甲防護(hù)襯層通常采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，層與層間通過粘接或夾層等方式連接起來，防護(hù)機(jī)理更復(fù)雜。為提升防護(hù)襯層的性能，學(xué)者在防護(hù)機(jī)理上做了大量的研究。Naik 等[18]和陳磊等[19]對彈體、破片在侵徹過程中的機(jī)理進(jìn)行了研究。彈體、破片接觸防護(hù)襯層的瞬間，與襯層內(nèi)部纖維觸點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力波，能量會(huì)以沿纖維軸向的橫波和沿厚度方向的縱波2 種形式傳遞[20-21]，傳播形式如圖2 所示。脈沖形式的橫波傳播至基體與纖維交錯(cuò)點(diǎn)，兩者的相互作用使得能量向多個(gè)方向上擴(kuò)散開來，從而大面積損耗更多的能量[22]。厚度方向的縱波首先對防護(hù)襯層起壓縮作用，并在纖維與基體的界面產(chǎn)生使壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化的放射作用，轉(zhuǎn)化后拉伸應(yīng)力波的傳遞會(huì)通過纖維分層、斷裂及界面失效形式將能量消耗[18]。

圖2 沖擊應(yīng)力波在纖維復(fù)合材料中的傳播形式Fig.2 Propagation mode of impact stress wave in fiber composites

隨著彈體、破片對防護(hù)襯層更加深入侵徹，纖維受到拉伸作用，來自彈體、破片的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為纖維彈性勢能，能量被進(jìn)一步消耗。當(dāng)纖維的應(yīng)變大于其極限應(yīng)變時(shí)，則纖維斷裂[20,23]。如彈體、破片動(dòng)能仍未被耗盡，則進(jìn)一步侵徹下一層，直至被完全消耗。從防護(hù)襯層的損傷形式分析，防彈體、破片的過程可分為3 個(gè)連續(xù)的階段，如圖3 所示[24]。首先，防護(hù)襯層出現(xiàn)沖塞剪切破壞；其次，材料局部變形，纖維拉伸斷裂失效；最后，纖維與基體間的部分界面失效，擴(kuò)大后形成分層，同時(shí)纖維受拉斷裂仍然存在[25-26]。

圖3 彈擊后復(fù)合材料的破壞過程Fig.3 Damage process of composite after projectile impact

綜上所述，裝甲防護(hù)襯層的防輻射、抗彈、防破片機(jī)理是通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參數(shù)調(diào)整等方式來實(shí)現(xiàn)的。深入研究其防護(hù)機(jī)理，并針對性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大限度地提升襯層的防護(hù)能力，為裝甲車輛和士兵提供全面的防護(hù)保障。

3 裝甲防護(hù)襯層材料研究進(jìn)展

高性能纖維復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了防護(hù)襯層的升級換代。使用高強(qiáng)、低密度的纖維作為增強(qiáng)體，低彈性模量的韌性樹脂作為基體，復(fù)合制備的襯層可賦予其優(yōu)異的防護(hù)性能[27-28]。由于增強(qiáng)體和樹脂基體之間的力學(xué)性能呈數(shù)量級別差距，增強(qiáng)體性能的少量提升可以顯著提高防護(hù)襯層的防護(hù)性能，因此更多國家和學(xué)者將研究重點(diǎn)聚焦在高性能纖維的研究與開發(fā)上。隨著武器裝備對輕量化、高防護(hù)性能襯層的迫切需求，研究高性能纖維復(fù)合材料迅速成為解決輕量化與高防護(hù)這一矛盾的重要措施之一，也是近幾十年來裝甲防護(hù)材料技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[11,29]。目前，用于制備高性能防護(hù)襯層的纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、聚苯并雙噁唑纖維（PBO）等[8,10,28]。

3.1 玻璃纖維

玻璃纖維是最先應(yīng)用于防彈、防破片領(lǐng)域的纖維，由其制備的復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，兼具優(yōu)異的抗彈、隔熱、降噪等功能[27,30]。因此，廣泛應(yīng)用于裝甲車體和防護(hù)襯層的制造，提高乘員和車內(nèi)設(shè)備的安全性和防護(hù)性能。

劉國權(quán)等[31]使用S-2 型高強(qiáng)玻璃纖維作為增強(qiáng)體，制備了環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，在40 kg/m2面密度情況下，進(jìn)行56 式?jīng)_鋒槍7.62 mm 鋼芯彈侵徹試驗(yàn)。通過對測試后的樣件微觀組織研究分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料主要通過分層和纖維斷裂來吸收能量，纖維與樹脂基體的合理匹配可大幅提升其抗彈性能[32]。Santanu Choudhury 等[33]對低溫下的玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的抗彈性能進(jìn)行了評估，結(jié)果表明，低溫下復(fù)合材料吸收能量和損傷程度相差不大，這一結(jié)果也為玻璃纖維制備的防護(hù)襯層在低溫下的使用提供了依據(jù)。

杜忠華等[34]對玻璃纖維復(fù)合層壓板的抗彈性能進(jìn)行了研究，并給出了此類層合板彈道性能v50的預(yù)測公式，建立了纖維層合板與防護(hù)性能的關(guān)系，見式（1）。

式中：v50為彈道極限速度；μ為材料的泊松比；σT為背板的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力；D和m分別為彈徑和質(zhì)量；E為材料的彈性模量。

李中澤等[35]運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了射流侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲模型，采用測量剩余穿深DOP 的方法分析了復(fù)合靶板在不同夾層厚度、不同傾角的情況下對射流的干擾能力。結(jié)果表明，在增大玻璃纖維層厚度的情況下，抗侵徹性能提升較小，同一角度下不同玻璃纖維層厚度的剩余穿深差值僅為標(biāo)準(zhǔn)穿深的4.2%。同一夾層厚度情況下，復(fù)合裝甲的抗侵徹性能隨著傾角增大顯著提升。傾角為68°時(shí)，防護(hù)性能最佳。同時(shí)，由于玻璃纖維的密度較高，隨著裝備對輕量化需求的提升，一定程度上制約了其在防護(hù)襯層領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2 芳綸纖維

芳綸纖維全稱芳香族聚酰胺纖維（Aramid Fiber，AF），其分子鏈上有超過85%的酰胺鍵與苯環(huán)結(jié)構(gòu)直接相連，特殊的共軛結(jié)構(gòu)賦予了芳綸纖維更高的拉伸強(qiáng)度和耐熱性。

芳綸纖維主要分為2 種，分別為對位芳酰胺纖維以及間位芳酰胺纖維。其中對位芳酰胺纖維具高度取向分子鏈結(jié)構(gòu)以及高結(jié)晶度，所以纖維具有高強(qiáng)度和高模量的特性，在抗彈、防破片材料上得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)式如圖4 所示[36]。此外，相較玻璃纖維，芳綸纖維的密度進(jìn)一步降低，而防護(hù)性能卻進(jìn)一步提高。良好的防碎片性能、優(yōu)異的阻燃性能，且纖維本身較高的含氫量，可以保證由其制備的防護(hù)襯層具備良好的防中子輻射性能[5,10]。這一系列的優(yōu)勢，使得芳綸纖維在提高裝甲車輛的機(jī)動(dòng)性和防護(hù)能力上起著日益重要的作用，是用于裝甲防護(hù)材料的主要選擇之一，也引起了國內(nèi)外防護(hù)學(xué)者的興趣[10]。

圖4 對位芳酰胺纖維分子結(jié)構(gòu)式Fig.4 Molecular structure of para aramid

馬武偉等[37]利用4.5 g 的FSP 破片模擬彈對不同芳綸纖維制備的防護(hù)襯板的防彈性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在破片沖擊下，防護(hù)襯板主要以鼓包和纖維拉伸斷裂破壞的形式吸能，同時(shí)紗線的線密度與織物斷裂強(qiáng)度和樣件防護(hù)性能呈線性關(guān)系[38]。Wang等[39]通過模擬仿真加實(shí)驗(yàn)的形式研究了不同旋轉(zhuǎn)角度下芳綸復(fù)合材料的沖擊吸能情況，結(jié)果表明，隨著纖維鋪設(shè)角度的增加，基于厚度方向上更多主纖維參與沖擊吸能作用，同時(shí)平面內(nèi)的基體以增加纖維相互作用面積有效降低局部沖擊能，并利于能量的吸收耗散。

李英建等[40]對環(huán)氧樹脂增強(qiáng)芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行了抗彈測試，在彈擊的相鄰區(qū)域取樣，研究了彈擊對復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能的影響。結(jié)果表明，彈擊對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能有不同程度的影響，相對于拉伸性能，彎曲性能的下降幅度更大。相對于離彈擊區(qū)域最遠(yuǎn)的部位，材料離彈擊區(qū)域最近的部位，拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量分別降低了14.6%和6.4%，彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別降低了45.3%和57.3%。距離彈擊點(diǎn)30～60 mm 外的區(qū)域，材料的結(jié)構(gòu)性能基本不受影響。

李茂等[41]使用面密度為60 kg/m2的芳綸纖維復(fù)合材料和鋼板組成多種夾心式復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)，并研究了其在初速為1 630 m/s 的破片下的抗侵徹性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳綸復(fù)合材料和鋼板間存在一定間隙時(shí)，可以更有效地分散破片的動(dòng)能，降低破片整體的侵徹力，這一研究結(jié)果為防護(hù)襯層的安裝提供了重要的技術(shù)支撐。楊小兵等[42]研究了影響芳綸復(fù)合材料抗彈性能的主要因素，結(jié)果表明，在等厚度條件下，預(yù)浸料鋪層的層數(shù)與靶板密度成正比。

雖然芳綸纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在裝甲防護(hù)領(lǐng)域，但其存在耐水性較差、耐紫外線照射持久度較低等問題。這些都會(huì)影響裝甲防護(hù)材料的使用壽命，特別是在一些嚴(yán)酷的戰(zhàn)場環(huán)境中（比如陽光暴曬、濕熱等）更會(huì)加速芳綸復(fù)合材料襯層的失效。鑒于此，目前以UHMWPE 纖維作為主要材質(zhì)的裝甲防護(hù)材料逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

3.3 UHMWPE 纖維

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維為聚烯烴纖維的一種，其分子量通常在500 萬到600 萬之間，是繼芳綸纖維之后又一高性能纖維[43]。UHMWPE纖維具有很多優(yōu)點(diǎn)，如纖維密度低，僅0.97 g/cm3，這為裝備輕量化提供了更多可能性；比強(qiáng)度、斷裂伸長率高，具有良好的抗沖擊性能和防彈性能，同等面密度下，其防彈能力比芳綸的裝甲結(jié)構(gòu)高 2.5倍左右[22,29]；穩(wěn)定性良好，耐化學(xué)性好，耐酸耐堿和耐候性也格外優(yōu)異，無論是在日曬下還是在低溫下使用，仍能保持優(yōu)良的力學(xué)性能[44-45]，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，現(xiàn)已在防彈產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。

目前對UHMWPE 纖維織物抗彈、防破片復(fù)合材料的研究主要集中在抗彈材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理方面[44]。UHMWPE 纖維復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理復(fù)雜，主要與織物結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)角度、沖擊速度等因素有關(guān)[46]。高恒等[44]采用UHMWPE 單向無緯布（UD 布）、2D 織物及UD/2D 織物制備了高性能復(fù)合襯板，研究了織物結(jié)構(gòu)對抗彈性能影響。研究發(fā)現(xiàn)，UD/2D 織物復(fù)合結(jié)構(gòu)在彈擊之后，復(fù)合襯板結(jié)構(gòu)完整、背凸較小，同時(shí)背凸位置附近纖維排列有序，利于襯板抗多次打擊。余毅磊等[47]研究了UHMWPE 背板鋪設(shè)角度對抗彈性能的影響，結(jié)果表明，復(fù)合靶板整體結(jié)構(gòu)剛度與鋪設(shè)角度存在相關(guān)性，角度越小，剛度越大，并且隨著鋪層角度的減小，背板能在較大面積上分散吸收能量，表現(xiàn)為錐形角度較大，背凸高度降低。UHMWPE 纖維雖然具有較高的韌性以及比模量，但其自身也存在剛性較差的問題，特別是在較高溫度下的蠕變會(huì)使得制品在受到?jīng)_擊時(shí)的背凸值變大，從而影響士兵生命或裝甲防護(hù)材料的正常使用。

3.4 聚苯并雙噁唑纖維（PBO）

PBO 纖維作為21 世紀(jì)超性能纖維，具有十分優(yōu)異的物理力學(xué)性能和化學(xué)性能，其強(qiáng)度、模量、耐熱性和阻燃性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過UHMWPE 和芳綸纖維，且耐沖擊性能較芳綸纖維和碳纖維要高很多，被視為新一代裝甲防彈纖維[48-49]。另外，PBO 纖維還具有熱穩(wěn)定性高、耐化學(xué)性優(yōu)良、質(zhì)輕而柔軟等特性[50]。PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有可能成為繼玻璃纖維、聚乙烯纖維、芳綸纖維之后的第四代抗彈纖維復(fù)合材料，也是未來最具有競爭力的抗彈纖維之一[51]。由于其價(jià)格高昂及制備復(fù)雜，使得PBO 纖維在裝甲防護(hù)方面的應(yīng)用只是處于實(shí)驗(yàn)性研究階段，具體應(yīng)用還未見報(bào)道，但有可能成為今后裝甲防護(hù)襯層材料的發(fā)展趨勢之一[52]。

3.5 混雜纖維復(fù)合材料

單一纖維在使用過程中存在各種各樣的問題，為了解決這一問題，學(xué)者們開始采用多種纖維混雜編織技術(shù)[53]。將多種纖維復(fù)合，可以彌補(bǔ)單一纖維的性能缺陷，利于提升材料的綜合性能[54]。另外，低成本纖維和高性能、高成本纖維混雜進(jìn)行防護(hù)襯層的制備，可以降低材料成本，更具有實(shí)用性[11,54]。

肖文瑩等[55]利用LS-DYNA 非線性動(dòng)態(tài)顯示有限元軟件建立了芳綸/UHMWPE 混雜纖維單元模型，通過試驗(yàn)加仿真的形式驗(yàn)證了混雜比對抗彈性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳綸和UHMWPE 混雜比為1:1 時(shí)，更能很好發(fā)揮混雜纖維的協(xié)同效應(yīng)。Muhi等[56]對混合E-glass/Kevlar 29 復(fù)合層壓板的彈道性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析研究，結(jié)果表明，加入凱夫拉纖維雜化E-玻璃纖維能有效提高復(fù)合材料層合板的吸能能力。易凱等[54]利用熱壓罐成形工藝制備了幾種具有不同面密度及鋪層結(jié)構(gòu)的混雜纖維層板，并考察了其抗彈沖擊性能。曹俊超等[57]研究了混雜纖維自動(dòng)鋪絲對環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板高速?zèng)_擊時(shí)效行為的影響，并建立了高速?zèng)_擊有限元模型，接著建立了復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明，混雜纖維可以大幅提升環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板在高速?zèng)_擊下的防護(hù)性能。此外，他們還研究了不同混雜比層合板的高速?zèng)_擊模擬，分別得到了相應(yīng)的臨界穿透速度。

4 結(jié)語

從裝甲車輛防護(hù)襯層產(chǎn)品和研究情況來看，仍有很多需要完善和攻關(guān)的技術(shù)問題，建議在以下幾個(gè)方面發(fā)展與提升。

1）加強(qiáng)新型防彈、防破片纖維材料的研發(fā)。裝備發(fā)展，材料先行，高性能纖維研發(fā)是推動(dòng)防護(hù)襯層升級換代的重要抓手。緊跟國外步伐，追蹤PBO 纖維、M5 超級纖維、納米纖維等高性能纖維研發(fā)情況，特別是目前強(qiáng)度最高、綜合性能較好的PBO 纖維，突破其低成本制備難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，加大難點(diǎn)與核心技術(shù)攻關(guān)力度。

2）加強(qiáng)新型防彈、防破片纖維材料工程化應(yīng)用研究。目前可用于防彈和防破片的高性能纖維仍存在力學(xué)性能低、批次穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高等問題，限制了其在防護(hù)領(lǐng)域的廣泛使用。因此，亟需優(yōu)化其制備工藝，持續(xù)突破當(dāng)前其力學(xué)性能極限，提升批次穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。

3）加強(qiáng)新型防護(hù)襯層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。現(xiàn)代坦克裝甲車輛對防護(hù)襯層的功能需求越來越高，從最開始的單一功能發(fā)展到了現(xiàn)在的集多功能于一體。多功能集成對新型防護(hù)襯層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，應(yīng)加強(qiáng)加快層間混雜、旋轉(zhuǎn)鋪層等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度。