輕量化防彈材料應用

徐明國，趙海英，張起明，宋寧軍

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輕量化防彈材料應用

徐明國，趙海英，張起明，宋寧軍

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

輕量化是對防彈裝備提出的重要要求之一，對防護材料要求具有質(zhì)量輕，比強度和比模量高等一系列優(yōu)點，越來越受到廣泛重視。文章主要介紹了高性能輕量化防彈材料的分類并從防彈車輛的輕質(zhì)透明裝甲和披掛復合裝甲等與現(xiàn)有材料進行對比分析，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供思路。

輕量化；透明裝甲；披掛復合裝甲

1 引言

傳統(tǒng)的防彈材料多采用防彈鋼板，利用增加材料厚度或疊層使用等手段實現(xiàn)其防護效果，這給裝甲裝備造成較大的重量負擔，制約戰(zhàn)術戰(zhàn)略有效發(fā)揮。重量是影響裝甲裝備實現(xiàn)戰(zhàn)場快速反應能力的主要因素之一，現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭對裝甲裝備的重量指標提出了極為苛刻的要求，即在滿足高抗彈性的前提下，具有輕量化、高性能化、高機動靈活性等，高性能輕質(zhì)防彈材料的出現(xiàn)解決這一問題，采用非金屬復合材料，減少防彈鋼板厚度，有效降低防彈車的整車整備質(zhì)量，實現(xiàn)輕量化的目標。有關研究表明，高性能纖維防彈復合材料的體密度一般為0.9~2.0g/cm3，只有防彈鋼密度的1/8~1/4，其比模量是防彈鋼的3~5倍，比強度是防彈鋼的4~10倍。因此，高性能纖維防彈復合材料用于車輛防護可以大幅度減輕重量，或在相同重量條件下提供更高的防彈防護性能[1]。這些復合材料與防彈車輛常用的防彈鋼板相比，同等防彈防護能力條件下具有重量輕、加工工藝性好的特點。現(xiàn)今，利用多種材料配合使用或填加功能填料等手段，制成高性能的組合防彈材料，并通過材料組成與配比的調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設計等途徑，實現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)輕量化并提高其防彈性能。是現(xiàn)代防彈材料研究的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外有許多綜述文章，從不同角度對防彈材料及其發(fā)展狀況進行介紹，如對比介紹幾種防彈材料性能[2,3]、高性能防彈材料的發(fā)展[4,5]、防彈材料的設計選材影響因素[6]或分析材料的抗擊過程[7,8]等方面。本文從輕質(zhì)防彈材料的分類和裝甲車輛的輕質(zhì)透明裝甲和披掛復合裝甲進行對比分析，為產(chǎn)品開發(fā)提供思路。

2 輕量化防彈材料防彈機理

輕量化防彈材料主要有陶瓷板防彈材料、高性能纖維復合防彈材料和組合防彈材料。陶瓷防彈材料主要利用自身的強度、硬度使彈體受挫、毀壞并將碎裂的彈體彈開以達到防彈的目的；高性能纖維為主的軟體防彈材料的防彈機理主要是在彈頭對纖維進行拉伸和剪切時，通過改變織物結(jié)構(gòu)和纖維斷裂等方式，使沖擊能吸收消釋或沿纖維向沖擊點以外的區(qū)域傳播分散，從而達到防護效果；組合防彈材料通過多種材料層疊設計配合，可以制備各組分優(yōu)勢互補，該類防彈材料不僅可以吸收或分散掉全部的沖擊能量，還可以避免由于彈頭的猛烈撞擊使得材料變形而導致的配備人員傷害或裝甲車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，最大限度降低彈體造成的傷害。

3 輕量化防彈材料分類

3.1 陶瓷板防彈材料

陶瓷板材料具有極高的硬度、彈性模量和相對金屬較低的密度，化學穩(wěn)定性良好，耐高溫、耐沖擊和耐磨損，能在減輕裝甲質(zhì)量的基礎上很好地抵御高速穿甲彈的侵蝕，用陶瓷材料作夾層板與鋼板組合使用，其防彈性能甚至超過同等厚度下均質(zhì)鋼裝甲的2倍，該復合防彈材料已廣泛用于輕型裝甲車輛中。

3.2 高性能纖維復合板防彈材料

高性能纖維復合板防彈材料是采用一種或多種高性能纖維織物或其鋪層，在一定的工藝條件下與樹脂基體復合而制得的具有一定防彈性能的材料，高性能纖維具有優(yōu)異的物理化學性能，如低密度、高比強度和比模量、適當?shù)臄嗔焉扉L率和良好的耐腐蝕性等。用高性能纖維制成的防彈制品不僅質(zhì)量輕、柔韌性好，而且可設計性強、成型工藝簡單，目前廣泛使用的高性能纖維主要有玻璃纖維、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯等可以用于制作武裝直升機和裝甲戰(zhàn)車的內(nèi)壁襯層，防護效果極佳。

3.3 組合防彈材料

目前對防彈材料高抗沖擊、低負重、舒適耐用及其他特殊防護性能的要求不斷升級，單一材料已經(jīng)不能完全滿足使用要求，將以上材料中的兩種或多種組合在一起制成多層組合防彈材料是研究的突破點。組合防彈材料各組分在性能上相互取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，可使其綜合性能相對于單一均質(zhì)材料大大提高，如在鋼裝甲上附加一層陶瓷面板，可以顯著降低彈體的侵徹、鈍化及碎裂能，并將其結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低25%基礎上可以將抗沖擊板面密度吸能提高35%以上。

4 防彈裝甲輕量化應用對比

4.1 透明防彈裝甲

4.1.1硬質(zhì)防彈玻璃通常為膨硅玻璃

耐高溫，高壓，耐腐蝕，機械強度高，熱膨脹系數(shù)小，便于加熱處理，可承受很大的沖擊力，不易破碎等特點。

4.1.2透明陶瓷是有意識地在玻璃原料中加入一些微量的金屬或化合物

（如金、銀、銅、鉑、二氧化鈦等）作為結(jié)晶的核心，在玻璃熔煉、成型之后，再用短波射線（如紫外線、X射線等）進行照射，或者進行熱處理，使玻璃中的結(jié)晶核心活躍起來，彼此聚集在一起，發(fā)育成長，形成許多微小的結(jié)晶，這樣，就制造出了玻璃陶瓷。透明陶瓷的機械強度和硬度都很高，能耐很高的高溫。

4.1.3披掛透明裝甲

披掛式透明裝甲包括兩層透明塑料板、夾設于兩層透明塑料板之間的透明晶體層。可拆卸地固定于防彈玻璃上，可以很方便地改變原來裝甲裝備的防護等級；同時將透明晶體以拼接的方式夾設于兩層所述透明塑料板之間，透明塑料板可以作為透明晶體層的襯板，一方面克服了透明晶體體積小無法適應產(chǎn)品尺寸和形狀的缺點，另一方面利用晶體的防彈性能，可以得到防彈性能好的披掛式透明裝甲。

4.1.4對比分析

硬質(zhì)防彈玻璃同比GCP防彈玻璃減重10%~20%，透明陶瓷裝甲減重達到60%。詳見表1：

表1 透明裝甲減中比較

圖2 透明陶瓷彈擊效果

透明陶瓷彈擊后損傷面積小，對車內(nèi)視野影響小，其彈擊后效果見圖1、圖2。

4.2 披掛復合裝甲

采用鋼板（防彈鋼板或高強鋼板）與非金屬材料的組合達到裝甲材料的最輕量化披掛方式有三種：

1）內(nèi)披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強鋼板）內(nèi)側(cè)附有高性能復合防彈材料；

2）外披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強鋼板）外側(cè)附有高性能復合防彈材料；

3）夾心披掛：在鋼板（防彈鋼板或高強鋼板）內(nèi)、外側(cè)附有高性能復合防彈材料。

圖3

表2 披掛裝甲減重對比

5 結(jié)束語

隨著科技進步，現(xiàn)代高性能防彈材料已經(jīng)向著質(zhì)輕、舒適、低成本、多功能、高性能等方向發(fā)展，為使用者提供了越來越可靠的安全保障。未來的研究應兼顧傳統(tǒng)材料的改進和新型防彈材料的研究兩個方向，將新型高性能材料與傳統(tǒng)材料配合使用，優(yōu)勢互補，實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。

[1] 左向春等.防彈無緯布復合材料的現(xiàn)狀[J].玻璃鋼/復合材料2010 (5).

[2] 韓輝,李軍,等.陶瓷-金屬復合材料在防彈領域的應用研究[J].材料導報.2007.21(2):34.

[3] 鐘衛(wèi)虹,張佐光,等.新型防彈材料-超高分子量聚乙烯纖維 [J].兵器材料科學與工程.1995.18(5):60.

[4] 魏忠仁,杜文澤,等.芳綸纖維抗彈復合材料研究進展[J].工程塑料應用.2009.37(1):75.

[5] 鄭震,楊年慈,等.硬質(zhì)防彈纖維復合材料的研究進展[J].材料科學與工程學報.2005.23(6):905.

[6] Grujicie M,Bell W C,et al.Design and material selection guidelines and strategies for transparent armor systems[J].Mater Des,2012, 34: 808.

[7] Appleby-Thomas G J,Hazell P J,et al.Shock propagation in a cemen -ted tungsten carbide [J].J Appl Phys,2009,105（6）:064916.

[8] Richardon MOW, Wisheart M J. Review of low-velocity impact propertites of composite materials [J].Composites:Part A,1996,27 (12):1123.

Lightweight bulletproof material application

Xu Mingguo, Zhao Haiying, Zhang Qiming, Song Ningjun

（Beijing Automobile Research Insititute Co. Ltd., Beijing 101300）

lightweight is one of the important requirements for bulletproof equipment. It has a series of advantages such as light weight, higher specific strength and higher specific modulus for protective materials, and more and more attention has been paid to it. This paper mainly introduces the classification of high performance lightweight bulletproof materials and compares the light transparent armour and the armoured composite armour of bulletproof vehicles with the existing materials to provide ideas for the development of subsequent products.

lightweight;Transparent armour;Wear composite armor

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1671-7988(2019)03-159-03

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徐明國，男，高級工程師，就職于北京汽車研究總院有限公司，主要從事汽車產(chǎn)品開發(fā)、設計與研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.053