應(yīng)對未來戰(zhàn)爭的“光學(xué)盾牌”
——藍(lán)寶石基透明裝甲

王曉亮,趙 鵬,劉發(fā)付,黃友奇,李清連,孫 軍,6,黃存新

(1.北京中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018;2.中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018; 3.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院,寧波 315103;4.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司,北京 100024; 5.南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院, 天津 300071;6.中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所,烏魯木齊 830011)

0 引 言

透明裝甲是一種有效防護(hù)多種彈丸和碎片,保護(hù)士兵生命安全,且能提供士兵隨時且全方位動態(tài)感知觀察外界環(huán)境的疊層復(fù)合材料,主要應(yīng)用于有防護(hù)需求的各種窗口和觀察瞄準(zhǔn)部位,如軍用飛機(jī)的擋風(fēng)、裝甲車輛的視窗等[1-4]。據(jù)報道,2015年,全球的防彈玻璃產(chǎn)值為23.96億美元,2021年,該數(shù)值達(dá)到40億美元[5]。隨著武器裝備的不斷發(fā)展,為了應(yīng)對新的威脅,透明裝甲的厚度和面密度也在不斷增加,然而面密度成為影響裝甲裝備實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場高機(jī)動性的主要因素之一。因此,現(xiàn)代高技術(shù)裝備對透明裝甲裝備的面密度指標(biāo)提出了極為苛刻的要求,即在滿足高抗彈性能的前提下,具有輕量化、高性能化、高機(jī)動靈活性等特點(diǎn)[2-3]。

新型透明裝甲主要由迎彈面層、中間層和背彈面層組成,其中迎彈面層具有使彈丸鈍化、損傷、碎裂等功能,是整個透明裝甲系統(tǒng)的核心部分,它要求材料不但具有較高的光學(xué)性能,同時具有極強(qiáng)的力學(xué)性能和物理化學(xué)穩(wěn)定性。目前國際上普遍公認(rèn)的三種最有潛力的透明裝甲材料為藍(lán)寶石(Al2O3, sapphire)單晶、鎂鋁尖晶石(MgAl2O4, spinel)陶瓷和氧氮化鋁(AlON)陶瓷,這三種材料的部分性能如表1所示。

其中,藍(lán)寶石晶體是硬度僅次于鉆石的一種材料,具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、防輻射等優(yōu)異的性能,同時在紫外、可見、3～5 μm紅外寬波段范圍內(nèi)均具有高的透過率,是理想的紅外窗口和透明裝甲材料[6]。前期受晶體尺寸及成本的限制,藍(lán)寶石透明裝甲大都用在小尺寸的面罩防護(hù)、整流罩等領(lǐng)域,而在大尺寸透明裝甲領(lǐng)域應(yīng)用較少[7-9]。目前,只有圣戈班公司實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)模法產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)大尺寸藍(lán)寶石板材,并且相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)服役于美軍阿帕奇武裝直升機(jī)、F-35和F-22戰(zhàn)斗機(jī)等[10]。近年來,我國在大尺寸藍(lán)寶石板材制備方面也取得了較大的進(jìn)展[6,11-13],2023年,同濟(jì)大學(xué)和南京同溧晶體材料研究院有限公司聯(lián)合報道制備出尺寸為415 mm×810 mm×12 mm的藍(lán)寶石板材晶體[11],前期本團(tuán)隊(duì)采用導(dǎo)模法成功制備出尺寸為480 mm×1 200 mm×12 mm的藍(lán)寶石板材[13],同時還極大地縮減了晶體板材制備成本。本文工作中,采用自主設(shè)計(jì)裝調(diào)的大尺寸導(dǎo)模爐制備了大尺寸藍(lán)寶石板材晶體,經(jīng)過加工后,將其制備為藍(lán)寶石透明裝甲,并進(jìn)行打靶測試。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藍(lán)寶石晶體制備

藍(lán)寶石單晶生長所需的原料是純度為99.99%的Al2O3粉料,采用等靜壓的方式將其壓制為餅狀。單晶生長設(shè)備為本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的大尺寸矩形導(dǎo)模爐[13],其發(fā)熱體為石墨材料,通過兩組獨(dú)立的發(fā)熱體進(jìn)行加熱,在長晶的同時實(shí)現(xiàn)晶體原位退火。晶體生長過程中采用鎢坩堝,坩堝能自動升降。

長晶過程中通過稱重信號及生長界面的視頻監(jiān)控對晶體生長狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。為了抑制石墨發(fā)熱體和碳?xì)直貙訉θ垠w和晶體的污染,晶體生長過程中采用Ar(10 000 mL/min)、CO(500 mL/min)和CO2(0.5 mL/min)三種氣體混合流動降低碳的蒸氣壓。晶體等徑生長過程中,生長速率高達(dá)45 mm/h。

晶體取出后,采用線切割將其切割成面積為350 mm×340 mm的方塊。由于拋光晶體與未拋光晶體的防彈性能相同,為了縮減成本及周期,本文中只對藍(lán)寶石晶體進(jìn)行初步研磨處理,研磨后藍(lán)寶石晶體厚度為10 mm。

1.2 透明裝甲制備

透明裝甲主體結(jié)構(gòu)從迎彈面到背板依次為10 mm厚的藍(lán)寶石單晶,10 mm厚的鋼化玻璃,12 mm厚的聚碳酸酯(PC)板,采用PU膠片作為層間粘合材料。將研磨光后的藍(lán)寶石晶體、玻璃及PC板材料清洗干凈后,進(jìn)行合片處理,每層中間采用0.65 mm的PU膠片。合片完成后將透明材料裝入高壓釜,溫度和壓力分別設(shè)置為110 ℃和1.2 MPa,恒溫恒壓2 h。本次實(shí)驗(yàn)共復(fù)合了兩塊藍(lán)寶石透明裝甲樣品,將其分別標(biāo)記為TM-1#、TM-2#。

采用量程為50 kg、精度為1 g的電子秤對其質(zhì)量進(jìn)行稱量;采用精度為1 mm的鋼板尺測量組裝后透明裝甲的尺寸,并計(jì)算其面密度。

1.3 打靶試驗(yàn)

分別選用7.62和12.7 mm的穿甲燃燒彈進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn)。樣品固定方式如圖1所示,槍口距靶板的距離為100 m,入射角為0°法線角度。射擊實(shí)驗(yàn)中,對每塊靶板進(jìn)行三次射擊實(shí)驗(yàn),若其中有一次靶板被打穿,則認(rèn)為靶板被擊穿,停止后續(xù)實(shí)驗(yàn);若靶板未被擊穿,繼續(xù)射擊,直至三次射擊后,若靶板仍未被擊穿,則認(rèn)為此時靶板未被擊穿。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體質(zhì)量

本文成功制備了尺寸為485 mm×985 mm×12 mm的藍(lán)寶石板材,如圖2所示,晶體形狀規(guī)則。加工去掉表面氣泡層后,在20 mW He-Ne激光照射下檢測,晶坯整體無散射。

2.2 透明裝甲

圖3為組合后的藍(lán)寶石基透明裝甲,用鋼板尺測得兩塊透明裝甲的尺寸分別為352 mm×341 mm×33 mm和351 mm×342 mm×33 mm,二者對應(yīng)的質(zhì)量為9.515和9.529 kg,以打靶面為研究對象,計(jì)算其對應(yīng)的面密度分別約為79.27和79.38 kg/m2,具體數(shù)值如表2所示。

圖2 導(dǎo)模法生長的485 mm×985 mm×12 mm藍(lán)寶石板材Fig.2 Sapphire plate with size of 485 mm×985 mm×12 mm grown by EFG method

圖3 藍(lán)寶石基透明裝甲Fig.3 Transparent armor based on sapphire crystal plate

表2 透明裝甲尺寸及面密度Table 2 Size and surface density of transparent armor

2.3 打靶結(jié)果分析

選用7.62 mm的穿甲燃燒彈對樣品TM-1#進(jìn)行100 m 0°法線角射擊。第一次射擊彈速為795 m/s,子彈打在靶板,但未擊穿,靶板迎彈面形貌如圖4(a)所示。從圖中可以看出,靶板上藍(lán)寶石單晶以子彈加載點(diǎn)為中心形成由徑向和環(huán)向裂紋組成的細(xì)密碎片構(gòu)成的粉碎區(qū)域,這主要是高速的子彈產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力所致。其他部分在抗沖擊后形成部分規(guī)則的破碎裂紋,以著彈點(diǎn)為中心向四周散開,整體裂紋類似蜘蛛網(wǎng)形狀。

繼續(xù)進(jìn)行射擊,第二次射擊穿甲燃燒彈打在靶板邊緣位置,射擊后的迎彈面形貌和靶板背面形貌如圖4(b)和(c)所示,此次彈速為788 m/s。從圖中可以看出,在第二次射擊后樣品仍然出現(xiàn)碎裂,但未被擊穿。

繼續(xù)進(jìn)行第三次射擊,此次彈速為795 m/s,靶板迎彈面形貌如圖4(d)所示。與前兩次射擊后樣品碎裂程度相比,裂紋更密集,碎片面積更小,表明碎裂程度更加嚴(yán)重,且?guī)缀跽麄€靶板都出現(xiàn)裂紋,但是此次射擊后樣品仍然沒有被擊穿。

選用12.7 mm的穿甲燃燒彈對樣品TM-2#進(jìn)行100 m 0°法線角射擊。第一次射擊彈速為509 m/s,此次射擊后樣品的迎彈面和背彈面如圖5(a)和(b)所示,從圖中看出靶板的迎彈面出現(xiàn)明顯的裂紋,裂紋形狀同TM-1# 被射擊后的碎裂形狀,裂紋以著彈點(diǎn)為中心向四周散開,但是背板裂紋并不明顯,更沒有凸起的部分。對該樣品進(jìn)行第二次射擊,本次射擊彈速為511 m/s,射擊后樣品被擊穿,其形貌如圖5(c)和(d)所示,從圖中看出背板PC被撕裂且被擊穿。

圖4 樣品TM-1#被射擊后的形貌圖。(a)第一次射擊后迎彈面;(b)第二次射擊后迎彈面;(c)第二次射擊后背彈面; (d)第三次射擊后迎彈面Fig.4 Morphology of sample TM-1# after being shot. (a) The facing surface after the first shot; (b) the facing surface after the second shot; (c) the rebound surface after the second shot; (d) the facing surface after the third shot

結(jié)合表2數(shù)據(jù)分析,樣品TM-1#的面密度為79.27 kg/m2,該樣品經(jīng)過三次有效射擊后,雖然表面碎裂,但是并未擊穿。與同類型的普通玻璃透明裝甲相比,其面密度減小了65%。對于樣品TM-2#而言,其面密度為79.38 kg/m2,與同類型普通玻璃透明裝甲相比,面密度減小50%以上。上述結(jié)果說明藍(lán)寶石基透明裝甲的抗沖擊性能優(yōu)異,在輕量化防彈領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本團(tuán)隊(duì)對大尺寸藍(lán)寶石單晶的突破,更是拓展了其在大尺寸透明裝甲領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

本文采用導(dǎo)模法制備了尺寸為485 mm×985 mm×12 mm的藍(lán)寶石板材單晶,通過光學(xué)加工后,與玻璃、聚碳酸酯一起復(fù)合為藍(lán)寶石基透明裝甲,經(jīng)過計(jì)算,其面密度小于80 kg/m2,比常規(guī)玻璃透明裝甲面密度減小了65%。分別用7.62和12.7 mm的穿甲燃燒彈對其進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn),槍口距靶板的距離為100 m,入射角為0°法線角度,結(jié)果表明,當(dāng)用7.62 mm穿甲彈燃燒彈三次射擊該透明裝甲后,該透明裝甲均未被擊穿,穿甲燃燒彈的速度分別為795、788和795 m/s。當(dāng)用12.7 mm的穿甲燃燒彈射擊藍(lán)寶石基透明裝甲時,第一次靶板出現(xiàn)裂紋,但未被擊穿,此時的彈速為509 m/s,第二次射擊時靶板被擊穿,對應(yīng)的彈速為511 m/s。