裝甲防護技術研究新進展

邱　健，王耀剛

(1.陸軍軍官學院，合肥　230031； 2. 77193部隊，四川 崇州　611200)

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裝甲防護技術研究新進展

邱健1，王耀剛2

(1.陸軍軍官學院，合肥230031； 2. 77193部隊，四川 崇州611200)

摘要：從材料、結構和處理工藝三方面對裝甲防護技術研究進展情況進行綜述，對一些相關研究進行了分析，并簡述了材料技術發(fā)展對裝甲防護的影響和未來裝甲材料發(fā)展趨勢，對學者進一步研究裝甲車輛防護技術有重要參考意義。

關鍵詞：裝甲防護技術；綜述；發(fā)展趨勢

Citation format:QIU Jian，WANG Yao-gang.Research and Development of Armor Protection Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):15-19.

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的高對抗性對裝甲防護技術提出總的要求：不被發(fā)現(xiàn)、不被命中、不被擊穿、不被摧毀，而裝甲防護技術的發(fā)展總伴隨著材料技術的發(fā)展和應用。本文對材料技術在裝甲防護中的研究進展進行評述，對未來裝甲材料研究方向進行簡要分析。

1材料技術在裝甲防護中的研究

近年來，隨著新材料在飛機、船舶 、包裝等領域的發(fā)展和應用，裝甲防護技術領域也開展了大量的相關應用研究。

1.1泡沫夾層材料

泡沫夾層材料具有高比剛度、高比強度、低密度、高吸能性等特點。在有效吸收沖擊載荷的同時又能通過選擇合適的面板、芯材和粘接劑來滿足特定條件下的使用要求，因此在運載火箭、航空、船舶、列車機車、風力發(fā)電機等領域得到了大量應用[1]，同時泡沫夾層材料某些性能也滿足了裝甲防護輕質量、高強度的要求。萬玉敏等[2]采用Instron-Dynatup 9250 HV型落錘沖擊試驗機，分別對以聚甲基丙烯酰亞胺為夾芯的泡沫夾層復合材料和碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料層合板進行不同能量的沖擊試驗。結果表明泡沫夾層復合材料的抗沖擊能力明顯優(yōu)于復合材料層合板。

許多學者在鋁泡沫夾層材料抗爆性能仿真分析及優(yōu)化上做了大量研究。文獻[3]對6種鋁泡沫夾層材料的抗爆炸性能進行了有限元分析，從變形模式、運動響應和吸能特性等方面對比研究了6 種夾層結構的動態(tài)響應特性。從研究結果可看出前面板剛度越小，越利于泡沫材料芯體變形吸能；背板材料剛度越大，對減小背板的變形和加速度影響越有利，對復合裝甲的設計具有很大指導意義。文獻[4]采用動力顯式有限元方法，以面比吸能和背板最大變形量為評價指標，分析了芯體密度梯度排布對材料抗爆性能的影響，并與均勻密度鋁泡沫夾層板進行了對比。結果表明：梯度泡沫芯體的密度排布對夾層板的抗爆性能影響很大；與同質量的均勻密度鋁泡沫夾層板相比，梯度排布材料抗爆性更強。

泡沫夾層材料質量輕、強吸能性，對坦克高爆彈、地雷等依靠能量沖擊彈藥具有較好的防護效果，但對金屬射流和鋼芯穿甲彈防護效果較弱，適合于裝甲車輛的底盤、頂部等非直接打擊部位。

1.2鎂合金材料

金屬鎂及鎂合金是目前應用的最輕的金屬結構材料，具有密度小、比強度和比剛度高，良好的電磁屏蔽能力和易于再生利用等一系列優(yōu)點，被認為是21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧稀５捎阪V合金為hcp結構，滑移系少，室溫成形能力較差、硬度低、生產效率低等種種問題，很大程度上制約了變形鎂合金的發(fā)展和應用[5]。而大量研究結果表明，熱變形工藝可以細化鎂合金晶粒組織并消除鑄造缺陷，提高合金綜合力學性能，從而擴大其使用范圍[6]。

ZK60鎂合金在現(xiàn)有常用鎂合金中強度最高，且密度低、質量小，幾乎是所有金屬結構材料中比強度最高的一種，在不久將來有望成為新型高性能裝甲材料。文獻[7]通過試驗研究了ZK60鎂合金擠壓后的靜態(tài)和動態(tài)力學行為。試驗中先對ZK60鎂合金鑄態(tài)(Mg-Zn-Zr)進行熱處理，爾后通過金相分析發(fā)現(xiàn)ZK60鎂合金的應變率效應明顯:應變率小于等于2 000 s-1時，在300℃擠壓時效后的試樣抗彈性最好；當應變率為2 600 s-1時，340℃擠壓時效后的試樣吸能性最好達到84.56 J/m3。

抗拉強度在抗彈性能中起著非常重要的作用，要提高裝甲防護材料的抗沖擊性能，就需要進一步研究出具有更高抗拉強度的鎂合金。文獻[8]也以ZK60鎂合金為試驗對象，通過對熱變形態(tài)、熱變形+T5態(tài)、熱變形+T6態(tài)3種不同熱加工態(tài)在高速沖擊試驗下數(shù)據(jù)對比，對ZK60鎂合金的抗彈性能進行了研究，其試驗結果表明：300 ℃熱壓縮變形態(tài)和熱變形+T5態(tài)ZK60合金與變形前均勻態(tài)相比，其抗拉強度和伸長率均有所提高，而熱變形+T6態(tài)性能最低；熱變形+T5態(tài)鎂合金靶板對應彈坑形貎較好，光滑，無裂紋，抗彈性能較好；而熱變形+T6態(tài)鎂合金靶板對應彈坑周圍有明顯縱向裂紋，抗彈性能較差，如圖1所示。該試驗建立了ZK60鎂合金常規(guī)力學性能與抗彈性能之間的關系，為擴大ZK60合金在裝甲材料領域中的應用提供理論研究。

圖1　不同熱加工狀態(tài)ZK60合金靶板對應彈坑的形貌圖

鎂合金有塑性成形能力差、鍛造溫度區(qū)間窄、鍛造過程降溫快以及對應變速率敏感等特點。文獻[9]采用空氣錘對ZK21合金進行高應變速率鍛造成形，對比研究單向、雙向和三向鍛造合金的顯微組織和力學性能，發(fā)現(xiàn)鍛造成形時通過改變載荷方向可以提高合金所能承受的累積應變，從而獲得良好的晶粒細化效果和優(yōu)異的綜合力學性能，為鎂合金高應變速率鍛造工藝的制定提供一定的參考。文獻[10]采用納秒脈沖激光對AZ31鎂合金薄板進行激光沖擊強化(Laser shock processing)，采用電子萬能高溫拉伸機測定激光沖擊前后AZ31鎂合金在室溫和300℃時熱拉伸應力-應變曲線和抗拉強度，通過觀察微觀組織、表面形貌和晶粒細化的變化并綜合之前數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，LSP提高了AZ31鎂合金室溫和高溫抗拉強度。

1.3橡膠材料

橡膠基復合材料具有密度低、比強度和比模量高、斷裂安全性好、可設計性強和制作工藝良好等優(yōu)點，作為防護材料可被用于裝甲車輛、飛機、艦船和單兵裝備。國內外學者很早就對此進行了初步探索。早在1992年，Gov N[11]就認為橡膠夾層復合裝甲在抗射流侵徹方面與爆炸反應裝甲有著類似的效果; Yaziv D[12]的研究發(fā)現(xiàn)，與爆炸反應裝甲相比，橡膠復合裝甲具有安全、不受環(huán)境以及局部損傷影響等優(yōu)勢。文獻[13]運用LS-DYNA動力學分析軟件進行仿真計算，采用剩余穿深法進行實驗，針對具有不同天然橡膠夾層厚度的陶瓷/橡膠/鋼復合靶，研究其在不同常用傾角(30°和60°)下的射流侵徹情況。文獻[14]在Bernoulli方程和能量守恒定律的基礎上，以流變學理論為框架，建立了聚能射流垂直侵徹橡膠復合裝甲時面板和背板變形的理論模型，并結合數(shù)值模擬和X光試驗對理論模型進行了對比分析。文獻[15]利用AUTODYN軟件分別模擬傾角或靶板各層厚度不同時射流侵徹橡膠復合靶板的過程，通過對比分析不同傾角時射流速度和偏轉角的變化規(guī)律，得到傾角對橡膠復合靶板防護性能的影響規(guī)律；用正交試驗的方法得到在一定范圍內，復合靶板防護性能相對較強的各層厚度。其試驗仿真、試驗結果證明傾角的存在會使射流破碎的現(xiàn)象更加明顯，對射流的干擾效果更加顯著，同時還指出面板厚度較夾層和背板厚度對防護性能更具有積極影響。

1.4含能材料

當前爆炸反應裝甲含能材料研究的熱點是六硝基六氮雜異伍茲烷(ε-HNIW)，美國代號CL-20，是當前已實現(xiàn)批量合成的能量水平最高的高能量高密度化合物，比奧克托今(HMX)的爆熱高9.2%，密度高7%，爆速高5%，國內外圍繞HNIW的制造合成工藝與改進措施開展了大量工作，取得了顯著成果[16]。但串聯(lián)戰(zhàn)斗部彈藥的發(fā)展十分迅速，理論上可讓現(xiàn)役爆炸反應裝甲喪失作用。文獻[17]指出利用尼龍的低聲阻抗材料特性，將其作為穿-破串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級裝藥的藥型罩材料，可實現(xiàn)對爆炸反應裝甲的穿而不爆，為后續(xù)主射流開辟通道，使戰(zhàn)斗部威力最大化。因此眾多學者一直在探究調節(jié)含能材料敏感度的工藝，以適應不斷發(fā)展的反ERA彈藥。文獻[18]采用溶劑-反溶劑重結晶工藝制備出3種不同粒徑和晶形的ε-HNIW，測試了撞擊、摩擦感度和熱分解性能，結果表明影響ε-HNIW撞擊、摩擦和熱分解的主要因素依次是粒徑、粒度分布和晶形，同時證明溶劑-反溶劑重結晶工藝是一種安全、快捷、高效獲得不同粒徑ε-HNIW晶體的方法。為了制備粒徑更小的ε-HNIW結晶，文獻[19]研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為結晶控制劑對粒徑大小的影響，結果表明PVP的加入效果明顯，粒徑明顯減小，分布變窄，基本消除了團聚現(xiàn)象，粒徑達到1.31μm的水平。文獻[20]提出了一種利用微團化動態(tài)結晶法來制備超細ε-HNIW的方法，并討論了炸藥溶液濃度、溫度和攪拌時間對細化炸藥粒度的影響，與文獻[19]結果相比，其制備平均粒徑只有1.36μm的水平，與前者水平相當。文獻[21]研究了ε-六硝基六氮雜異伍茲烷(ε-HNIW)/F2311界面結構的力學行為，為高聚物黏結炸藥壓制工藝提供了重要參考。

2新結構在裝甲防護中的的研究

在裝甲防護技術研究中，裝甲結構的改變也可以顯著提高防護性能。比如較早的間隙裝甲技術，反應裝甲模塊化技術以及當前美軍最新的V型防爆底盤結構。如今蜂窩結構、點陣金屬結構等在裝甲防護技術的應用研究中逐漸增多。

2.1蜂窩結構

蜂窩材料是一種多孔結構，具有較高的比強度、比剛度和較好的隔音、隔振、耐沖擊等優(yōu)點，因而在航空、航天、航海、包裝、建筑、交通工具、能源等領域得到了廣泛的應用。文獻[22]介紹了蜂窩夾層結構在飛機結構上的應用以及航空用蜂窩夾層結構原材料性能與選擇依據(jù)；文獻[23]提出十字型蜂窩結構在飛機機翼蒙皮上的應用，研究表明該蜂窩結構在減輕質量的同時能有效提高蒙皮面的抗彎剛度。為進一步研究蜂窩結構的抗彈性能，文獻[24]使用LS-DYNA顯式非線性有限元方法模擬蜂窩夾層板(HSPs)的動態(tài)響應，分析3種不同配置下蜂窩結構的抗彈性能，發(fā)現(xiàn)由于HSPs負泊松比效應，增大蜂窩結構凹角可以使HSPs的抗彈性能達到最佳，建立了彈體剩余速度的經驗公式表征結構參數(shù)對速度的影響。蜂窩結構同時具有良好的吸能特性，文獻[25]以蜂窩結構作為復合夾層板芯材料，采用數(shù)值模擬方法對比分析了橫、豎向放置、有無橡膠填充四種結構形態(tài)的變形及吸能特性。結果證明填充橡膠后蜂窩結構吸能效果明顯提升。文獻[26]提出了一種幾何參數(shù)或材料參數(shù)沿厚度方向梯度漸變的蜂窩材料模型，其研究結果表明吸能和壓縮效率都發(fā)生顯著改善。文獻[27]討論了不同沖擊載荷作用下屈服強度梯度對圓形蜂窩材料面內沖擊性能的影響。

2.2點陣金屬結構

點陣金屬材料一般是指由金屬桿、板等微元件按一定的規(guī)則重復排列構成的空間桁架結構，具有體密度小、比表面積大、比力學性能高等特點，如圖2所示。將其作為芯材的夾芯結構在爆炸沖擊載荷作用下因結構動態(tài)失穩(wěn)產生巨大的塑性變形并轉化為熱能，可吸收掉大部分的沖擊能量，因而具有優(yōu)良的緩沖吸能和抗爆炸沖擊性能，故較早就在艦船結構水下抗爆問題的研究中得到重視，如今點陣金屬夾芯結構應用于輕質裝甲以增加其抗爆性能的研究也開始增多。點陣金屬夾芯結構抗爆炸沖擊問題是一個非均質材料結構在動載作用下響應的復雜動力學問題，關于點陣金屬材料的力學特性研究正處于基礎研究階段，主要集中在點陣金屬夾芯梁、板等結構的抗爆炸沖擊和彈道沖擊方面[28]。文獻[29]對三種點陣金屬體芯體的“三明治”板結構抗侵徹性進行了研究，采用顯式動力有限元軟件LS-DYNA進行建模分析，發(fā)現(xiàn)在孔隙中加入陶瓷和環(huán)氧樹脂作為填充材料后加劇了彈丸的偏航和消蝕，有效地提高了結構整體抗侵徹性。

李清遠[30]發(fā)明了一種基于梯度結構和鋁泡沫材料的輕質裝甲結構，其借鑒了高孔隙率多孔金屬結構，在面層與背層上均勻開孔，且相互錯開，不僅有益于改變射彈體的方向，而且極大地減輕了裝甲整體質量，兼顧了輕質和防彈要求。隨著研究的深入，越來越多的結構技術被提出，但其應用發(fā)展還需要做更多進一步的研究。

圖2　點陣金屬材料典型的金字塔型結構[27]

3處理工藝改進在裝甲防護中的研究

在裝甲防護技術研究中，膠粘、焊接等技術的改進也有助于提高其防護水平。大量實踐證明，不同的材料之間的連接工藝也會造成材料整體性能的不同。環(huán)氧樹脂具有穩(wěn)定性好、成型收縮率低、工藝性好、成本低廉等優(yōu)點，被大量應用于膠粘劑、電子儀表、輕工、機械、航天航空等領域。但固化后的環(huán)氧樹脂脆性大，剝離強度低，面對高溫、高沖擊載荷的環(huán)境很容易發(fā)生脫落，使其在裝甲復合材料上應用大大受限。文獻[31]為改善UHMWPEF/CF復合裝甲材料的層間粘接效果，采用α-甲基丙烯酸E-5環(huán)氧樹脂進行改性試驗，通過研究催化劑種類、用量、反應溫度和反應時間對反應程度的影響，發(fā)現(xiàn)改性后平均T剝離強度提高了22.5%。

隨著新型防彈車輛設計的發(fā)展，對防彈車輛焊縫的強度、塑性、低溫韌性和抗彈性能都提出了新要求。而目前高強度防彈鋼板的焊接一直采用較軟的奧氏體或鐵素體焊條焊絲，屈服強度不超過600 MPa，裂紋敏感性很高，在高強度載荷下極易出現(xiàn)起裂和裂紋擴展現(xiàn)象。文獻[32]通過對屈服強度1 500 MPa級以上的30MnCrNiMo防彈鋼板和配套的兩種Ni-Cr-Mo系高強鋼實芯焊絲進行斜Y型抗裂性試驗，研究環(huán)境條件以及不同焊接熱輸入對高強鋼實芯焊絲抗裂性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在不預熱條件下，控制環(huán)境條件和熱輸入可以阻止焊絲裂紋起裂與擴展；含Ni量高的焊絲抗裂性能優(yōu)于含Ni量低的焊絲。

根據(jù)短板效應，裝甲的總體抗彈性能是由焊接區(qū)域的彈道極限決定。文獻[33]對傳統(tǒng)的氣體保護金屬極弧焊(GMAW)工藝進行了研究，引入彈道極限預測模塊，通過焊態(tài)材料的特性預測彈道極限，將原來的五模塊系統(tǒng)提升為六模塊系統(tǒng)。并通過電阻對焊在經典的裝甲材料A46100鋼上進行了性能驗證，結果表明材料的微觀結構分布和A46100上的彈道極限與理論分析一致，大大提高了GMAW工藝。

國外很多學者在探究SiC顆粒大小范圍分布和顆粒特性上做了很多研究，結果顯示：控制顆粒大小的范圍能以一種特有的方式影響材料的斷裂性能。文獻[34]通過研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑在燒結SiC陶瓷過程中可以吸附在SiC表面，從而控制C、B和N的燒結比例，是一種值得考慮的控制C需求量的措施，同時能夠優(yōu)化微觀結構，減少裂紋。而采用聯(lián)合沉淀的方法可以進一步降低燒結溫度，從而更好控制結構顆粒的大小。兩種方法的結合，為改進陶瓷裝甲彈道極限性能提供了可能。

4總結與展望

隨著材料科學的發(fā)展，裝甲防護材料的研究與應用日趨廣泛，結構復合化一直是防護材料的主要發(fā)展趨勢。如功能梯度材料(FGM)是一種集高強度與高耐熱性于一體的復合結構材料，目前主要應用于航空航天、生物醫(yī)藥、核能、汽車制造等對耐磨、耐高溫性能要求苛刻的領域，但憑借其良好的性能，在裝甲防護領域也將會有大的發(fā)展。綜上所述當前裝甲防護材料相關研究十分廣泛，不論在材料選擇還是結構優(yōu)化方面都有大量研究，但成熟應用還需要進行更多理論實踐，獲得更多經驗和數(shù)據(jù)。結構復合化和性能綜合化將是未來裝甲防護材料技術的發(fā)展方向。

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(責任編輯周江川)

Research and Development of Armor Protection Technology

QIU Jian1，WANG Yao-gang2

(1.Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China;2.The No. 77193rdTroop of PLA, Chongzhou 611200, China)

Abstract:The research progress of armor protection technology was summarized from three aspects of material, structure and process, and some co-relational studies were analyzed, and the influence on the armor protection and the armor materials development tendency in the future were briefly described. It has important reference value for the scholars to the further study of the armor protection technology.

Key words:armor protection technology; review; development tendency

文章編號：1006-0707(2016)03-0015-05

中圖分類號：TJ811

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.004

作者簡介：邱健(1987—)，男，碩士研究生，主要從事裝甲車輛故障診斷研究。

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-20

本文引用格式：邱健，王耀剛.裝甲防護技術研究新進展[J].兵器裝備工程學報，2016(3):15-19.

【裝備理論與裝備技術】