復合材料防彈防爆方艙技術發展現狀

何金迎，李曉燕，甄建軍，孫佳春，王小偉，陳 強，胡文閣

(1.山東非金屬材料研究所， 濟南 250031; 2.山東城市建設職業學院, 濟南 250103)

防彈防爆方艙是一種具有特定強度、剛度、可以滿足不同防護等級，能夠最大限度的保障人員及設備安全，獨立可移動的廂體工作間，可以采用多種運輸方式并具備快速裝卸功能。它作為一種裝載體可以廣泛應用于陸軍、海軍、空軍和武警等，具體涉及到武器裝備系統、指揮信息通訊、后勤保障系統和技術支援等方面[1]。隨著戰爭的現代化，對部隊的機動性要求提高，機動作業集成化車輛隨之得到快速發展，軍用防彈防爆方艙作為其組成部分也得到了各國軍方的高度重視，據統計，美國陸軍配備集裝化裝備的四分之一為方艙車輛。軍用方艙的雛形是美國最早在朝鮮戰爭中將作戰設備安裝在機動車輛的集裝箱中，大大提高了作戰的機動性，實現了高效作戰，后來發展為鋁蒙皮夾芯大板。對于鋁蒙皮夾芯大板，由于本身的強度不夠，根本無法抵擋來自子彈的打擊和爆炸沖擊波、碎片的襲擊，很容易被擊穿和摧毀，不能有效保護方艙內工作人員和設備。方艙被破壞，就會失去作戰功能。美軍早在20世紀90年代就提出了防彈防爆方艙的最低要求可承載超壓2.75×104Pa,可防7.62 mm步槍子彈以及40 g,速度為600 m/s彈片垂直擊穿[2]。

軍用方艙作為軍事設備的配套及后勤保障設備，在未來戰場受到先進武器的打擊威脅，它必須緊跟裝甲戰車的步伐，加快在輕型、高效防護方面的研究，以滿足未來戰爭的需求。圖1為車載軍用方艙[3]。

1 防彈防爆方艙發展現狀

方艙是一種“有一定防護能力的、可運輸的箱式工作間，可為人員和裝備提供適宜的工作環境，便于實施多種方式載運的獨立艙室。方艙經過多年的發展，其使用功能不斷增加，從最簡單只能裝載一般的軍事裝備到目前使用范圍基本包含了廂式車的所有功能，并向更高的層次發展，包括：高屏蔽方艙、隱身方艙、防彈方艙、防爆方艙等[3]。

根據使用功能方倉分為：電子類、機械類、電源類和其他類。

電子類方倉主要有：雷達控制方艙、光電干擾方艙、偵察方艙、微波通信方艙、數據通信方艙干擾站方艙、指揮控制方艙、信息處理方艙、情報處理和信息采集方艙、圖像傳輸方艙、引導端方艙、中心站方艙、氣象方艙、機要方艙、演示方艙、監控方艙、試驗方艙、檢驗方艙、測控方艙等；

機械類方艙主要有：艦船器材機動保障方艙、油料裝備修理方艙、機動站裝車方艙、飛機搶修方艙、檢測維修方艙、偵察車維修模擬訓練方艙、野戰維修單元、機動維修設備艙、雷達設備艙等；

電源類方艙主要有：24 kW站與車輛改裝方艙、12電站主機方艙、對空情報雷達配套電站方艙(單、雙機組)、75 kW電站方艙和其他類電站方艙等；

其他類方艙主要有：醫療衛生方艙、戰役快速支援衛勤保障系統方倉、彈藥運載方艙、通用氣源方艙、主、副食加工方艙、野戰炊事方艙、文化宣傳方艙、訓練設備方艙、器材貯運方艙、生活保障方艙、速凍冷藏方艙等。

目前，美國S-658型方艙[4]的大板采用環氧樹脂固化29層芳綸并層壓復合，厚6.35 cm，中間層為蜂窩狀板芯，內層為鋁蒙皮，加強筋為芳綸和玻纖復配復合材料。該防彈防爆方艙可承受69 kPa超高壓，常規彈藥、武器的射擊、攻擊、防止破片洞穿，并可承受持續熱脈沖3S。

美國S-280型電子設備方艙[5]的大板采用49層芳綸層壓復合材料，環氧樹脂固化，中間層為鋁蜂窩狀板芯，厚度為3.2 mm，密度為130 kg/m3，該防彈防爆方艙可承受50 kPa超高壓，可抵御彈著速度600 m/s、重量40 g的破片洞穿和7.62 mm子彈的射擊。

采用ISO標準，6.1 m的德國“泰斯普瑞克”方艙[6]耐候性好(溫度范圍-32～50 ℃)可防7.64 mm×54 mm狙擊步槍子彈的射擊，射擊條件為射擊距離大于30 m，初速度為 890 m/s。

丹麥Composhield公司將防彈防爆材料永久安裝在方艙內壁，研制的防彈防爆方艙性能如表1所示[7]。

表1

2 防彈防爆方艙防護材料發展現狀

目前用于防彈防爆的防護材料主要有防彈金屬板、陶瓷基復合材料、纖維復合材料、石墨復合材料，彈性體材料、防彈玻璃等。由于金屬材料的密度太大，合金材料價格較高，從而限制了其在防護裝甲上的應用。采用先進的防彈防爆材料，軍用方艙重量可大大減輕[9-10]。

2.1 陶瓷基復合材料

陶瓷裝甲板是由增強玻纖作為襯板，將抗彈陶瓷粘結在襯板上而形成，常見的抗彈陶瓷類型有Al2O3、SiC、碳化硼、鋯剛玉、硼化鈦等及其復合材料，抗彈陶瓷具有硬度高、耐磨性好，防護等級高，可以抵抗穿甲彈，瑞典的CV9040步兵戰車采用陶瓷裝甲，可防14.5mm穿甲彈；瑞士的“皮蘭哈”Ⅱ裝甲人員輸送車陶瓷裝甲可防12.7mm穿甲彈[11]。動能破甲彈的侵徹，其復合材料的優點是價格便宜，在單著彈情況下抗彈性能好，缺點是陶瓷易碎，同一陶瓷片不能連續中彈，若在瓦片的結合處中彈，相連的幾塊陶瓷就會破壞，對于這種情況，可以采取縮小陶瓷的尺寸，增加厚度的措施，來提高邊緣粘合處的抗彈能力。厚度增大，陶瓷本身密度較大，整體重量增加，考慮到增重的限制，只能采取將抗彈性能更優異的凱夫拉纖維(芳綸)或者其他高性能纖維襯板取代之前的玻纖襯板，從而大幅度提高整體抗彈性能，而陶瓷易碎的問題有待進一步解決。

2.2 纖維基復合材料

1) 玻纖復合材料

玻纖抗彈復合材料具有很高的抗拉強度和壓縮強度，密度是鋁合金的0.7倍左右[12-13]。使用同一型號的子彈進行測試，玻纖復合裝甲板和鋼進行對比，前者的抗彈性能是后者的3倍多[14]，而缺點是相對其他抗彈纖維其密度最大，復合板受沖擊易碎，可以采取與其他高性能纖維進行混雜復合，進一步提高抗彈性能。

2) 芳綸復合材料

芳綸纖維(AF)又稱為凱夫拉纖維，其具有密度小(約為1.44 g/cm3)、抗拉強度高、斷裂伸長率高，耐火耐熱、抗沖擊性強不易破碎，是一種應用廣泛的抗彈防爆材料[15]。例如俄羅斯BTR-90型號裝甲車、美國M113A3型號兩棲裝甲車和瑞士CV90裝甲車均采用芳綸復合材料作為防護材料，它也是軍用方艙的首選材料，例如美國Craig公司研制的N-1080抗彈防爆方艙，其壁板、頂板和地板均采用芳綸層壓板。此外，該材料也可用于防彈衣和防彈頭盔的制作。

3) 超高分子量聚乙烯纖維復合材料

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)具有密度低、良好的動能吸收性、超高強度、超高模量、抗吸濕性好、耐磨和化學穩定性好等優點，是繼芳綸之后新型第三代高性能抗彈纖維[16]。

Dyneema纖維由荷蘭DSM公司研發，密度是芳綸的三分之二，約為0.97 g/cm3，熔點相對低一些，UHMWPE制備的復合材料在同等面密度情況下，比芳綸復合材料的抗彈性能高約25%，在同等防護級別的情況下，UHMWPE增強樹脂基復合材料制備的抗彈板相對于陶瓷/AF復合材料抗彈板減重30%～40%。相關老化實驗表明，UHMWPE和AF經過18個月戶外暴露，UHMWPE可保留70%的強度，AF僅保留30%的強度。

目前，德國“豹“2坦克和荷蘭輪式裝甲車的防彈板和襯層均采用了Dyneema纖維。UHMWPE成本較高，使用上受到了一定限制，可以使用特殊的加工工藝將防彈鋼板和纖維材料復合成板進行使用。

4) 聚對苯撐苯并二噁唑纖維復合材料

聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維是新一代裝甲防彈高性能纖維，具有優異的力學性能、熱穩定性好、絕熱性好、耐磨和蠕變低等特點，其強度、模量、阻燃耐熱性能遠超過UHMWPE纖維和AF纖維，其中彈性模量大約是AF纖維的2倍，被稱為本世紀超級纖維[17]。最早是由東洋紡織公司研制并實現商品化。因其制備技術和價格的制約，作為裝甲防護材料其應用還在研究階段。

2.3 彈性體材料

“輕質高強”成為防彈材料探索的主要方向，彈性體材料也成為熱點[18]。當彈性體材料受到高速子彈沖擊時，應變速率約為105每秒，彈性體處于高頻作用下，動態力學條件下，會發生玻璃化轉變，出現滯后現象，吸收大量能量，最終起到防彈的目的。美國空軍在建筑物墻體中應用了聚脲涂層，保證了爆炸后建筑物的完整性。美國海軍針對槍擊和炸彈的威脅，開始采用聚脲涂層進行防護[19]。美國海軍陸戰隊輪式戰車，在外鋼板上粘結的橡膠涂層，有效防止了子彈和爆炸的破壞[20]。

圖2為子彈沖擊橡膠/鋼板層壓板測試后的圖片，迎彈面由于彈性體玻璃化轉變的存在，玻璃態形式破壞留下的彈孔與子彈橫截面相匹配[21]。

2.4 防彈玻璃

防彈防爆方艙的觀察窗(采光處)，是防護最薄弱的地方，因其結構復雜、較高的工藝成本，是防護設計的重點和難點。防彈玻璃通常由數層有機玻璃和無機玻璃(普通和鋼化玻璃)通過膠片疊合而成，總厚度一般為20～50 mm，透光率高于70%，在等重的條件下，有機玻璃相對無機玻璃有更好的抗彈性能。其防彈機理是將彈丸的沖擊動能轉化為彈性勢能和玻璃破碎后的表面能，缺點是防爆性能較差[22]。

從材料本身的拉伸強度、拉伸模量、易碎性、耐磨性、經濟性等方面。對陶瓷、玻纖、芳綸、UHMWPE、PBO纖維進行了對比，見表2[21]。

表2 防護材料性能對比

注：▲表示等級

通過性能對比可以看出，UHMWPE和PBO纖維綜合性能最佳，但成本高，處在探索階段，研制成本低、強度高、質量輕、體積小的UHMWPE纖維復合材料成為軍用方艙的研制方向，目前，技術最成熟、性能最突出的為芳綸/環氧復合材料。

3 防彈防爆方艙防護結構設計

防護結構設計主要考慮防彈防爆方艙的防護力應與結構尺寸、質量合理匹配，根據方艙所承受破壞威脅程度，先確定防護等級和防護材料，然后確定方艙結構形式，與此同時必須確保電磁屏蔽、密封和保溫等功能[23-24]。國外防爆防彈方艙結構形式分為兩種：整體式和模塊式附加[25-28]。

3.1 整體式結構

整體式結構是指方艙大板與防彈防爆層完全粘合在一起，這種結構可以提高防彈防爆方艙整體防護性能，其中，方艙大板鋁蒙皮內側粘接防彈防爆層稱為內粘整體式結構，方艙大板鋁蒙皮外側粘接防彈防爆層稱為外粘整體式結構，其中，外粘式是整體式防彈防爆方艙典型的結構，如圖3和圖4[18-21]。

方艙大板一般采用現場發泡成型和粘接壓制成型，整體結構防彈防爆性能優于模塊式附加結構，缺點是制造工藝復雜，成本較高，損壞后難以修復。

3.2 模塊式附加結構

美國在20世紀90年代展開了模塊化附加通用防彈板的研制，該結構具備易裝卸，輕便易運輸，防彈防爆能力強等特點[28]。模塊附加結構有前面板、夾芯層和后面板組成，前面板一般是由芳綸層壓板或者玻纖層壓板，或者是在前兩者的基礎上粘接抗彈陶瓷片等；夾芯結構一般是非易碎的輕型材料，紙蜂窩是目前正在研制的最理想的材料[19]；后面板一般是芳綸層壓板。美軍采用防彈模塊組合披掛結構，提高制式普通方艙防彈防爆性能，進一步提高了整體防彈防爆性能。

該結構通過披掛預先制備好的模塊化防彈防爆板到方艙上，對方艙內人員和設備進行防護，此結構也稱為披掛式結構[28-31]。其優點主要是：(1)模塊化防護系統和方艙系統是分開的，在不需要防彈時，可以拆卸，使用靈活，方便搬運；(2)模塊化結構可以為無防彈能力的方艙或成品方艙提供防護功能；(3)經過標準化設計的披掛防彈板，對于同一尺寸方艙可以實現通用和互換，若出現損壞，可以隨時拆卸更換，通用性好，方便維修，降低了生產成本。其缺點主要有：(1)模塊化結構對方艙整體結構強度的加強幫助不大，履行防彈功能還可以，防爆能力欠佳；(2)方艙披掛防護板拆卸后，用于螺栓固定的螺孔需要保護處理，額外增加了保養成本[32]。

國外防彈防爆方艙大板主要采用4種結構形式，通過圖5可以看出，前2種結構存在重量偏重的缺陷，但成型工藝相對簡單；第3種結構采用聚氨酯泡沫作為中間層，重量減輕，但防護強度降低，第4種結構中間層采用芳綸或纖維增強硬泡沫，防護強度更高。第4種結構形式綜合性能突出，但是成本高，成型工藝相對復雜[33]。

4 結論

通過分析對比防彈防爆方艙的主要防護材料與結構的性能特點，為研制低成本、輕型、高效防護、高機動性的防彈防爆方艙提供了技術支持，可以進一步降低新型高性能纖維復合材料的生產成本，滿足未來戰爭的需求。