直升機陶瓷復合裝甲發展現狀及新型材料應用前景

武 岳, 王旭東, 劉 迪, 李炯利, 郭建強,李文博, 張海平, 曹 振

（1．中國航發北京航空材料研究院 鋁合金所，北京 100095；2．北京石墨烯技術研究院有限公司，北京 100094；3．北京市石墨烯及應用工程技術研究中心，北京 100095）

在現有立體化作戰模式中，軍用直升機利用它獨特的空氣動力特性，可以不受地形、地物的限制，做到無需起降跑道，垂直上下、空中懸停、貼地飛行，極大地提高了陸軍的機動作戰能力，軍事上有著不可取代的特殊作用[1]。但軍用直升機的作戰特性導致其容易被敵方地面火力擊中，在防護性能不足的情況下極易使直升機損毀。軍用直升機的防彈裝甲配置與其飛行性能是天生矛盾體，裝甲過重將影響飛行性能，而裝甲缺失將導致直升機戰場生存力差，損毀概率增加[2]。在當前國內發動機性能的限制下，解決該矛盾就必須實現最合理的防彈裝甲系統的配置，從趨勢上必須向輕量化、非金屬化、復合化發展，從根本上必須解決“輕”與“強”的問題[3]，采用輕質高強防護材料制備復合裝甲，降低軍用直升機彈擊核心防護區域的防彈裝甲所占用的重量比例，將是可行的發展方向。

1 國內外研究狀況及發展趨勢

1.1 國外研究狀況

受限于空間和自身重量等因素，軍用直升機僅在彈擊核心防護區域敷設防彈裝甲板，次要區域采用輕質的結構防護方式。由于軍用直升機目前受到的最大武力威脅來自地面，因此目前國外大部分軍用直升機的防護區域集中于飛機座艙底板，兩側、駕駛艙座椅、駕駛艙玻璃及發動機艙等位置。防護目標也多以穿甲燃燒彈和高爆燃燒曳光彈為主。在防護材料的選擇方面，西方軍用直升機防護系統側重于輕質結構，偏重于選擇陶瓷防護材料。而俄羅斯主力直升機的防護材料主要是鋼裝甲或鋼鋁復合裝甲[4]。

美軍直升機廣泛采用陶瓷-輕金屬和陶瓷-復合材料[5]，作為黑鷹（UH-60）、阿帕奇（AH-64）和支努干（CH-47）等軍用直升機的防護裝甲，用較輕便的防護重量獲得較高的防護水平。例如UH-60“黑鷹”三軍通用型運輸直升機（海軍型“海鷹”）在設計中非常注重戰場生存力，在座椅和飛機的關鍵部位采用輕質復合裝甲[6]。UH-60“黑鷹”運輸直升機復合裝甲配置如圖1所示。

圖 1 UH60“黑鷹”運輸直升機復合裝甲配置Fig. 1 Compound armor configuration of UH60 "Black Hawk" transport helicopter

美軍AH64“阿帕奇”武裝直升機具有極為突出的攻擊能力，同時也具有較高的防護能力。該直升機防護要求為：機身下半球部位能夠抵擋一發12.7 mm API彈的打擊，機身大部分位置能夠抵擋一發23 mm HEIT彈打擊，直升機經破片打擊后仍具備駕駛能力，受損飛機可維持飛行半小時以上[6]。此外飛機的旋翼槳葉也可防護12.7 mm API彈，在經歷打擊后能保證飛機繼續完成飛行任務。為實現上述高抗彈生存力，AH-64“阿帕奇”武裝直升機座艙周圍及座椅采用了大量的碳化硼/芳綸、氧化鋁/玻璃鋼輕質復合材料裝甲板。圖2為阿帕奇直升機（AH-64）座艙防護主要裝甲配置示意圖。

圖 2 AH64武裝直升機座艙防護裝甲示意圖（紅色剖面線為裝甲區）Fig. 2 Schematic diagram of cockpit protective armor of AH64 gunship（red section line is armor zone）

CH-47是美國海軍陸戰隊的主力運輸直升機機型，其航程超過500 km，在機體座艙下部和兩側配置了復合裝甲（圖3），復合裝甲的運用使其具有較強的抗彈生存力[8]。

相對于西方，俄羅斯的軍用直升機（尤其是武裝直升機）憑借優異的發動機性能，廣泛采用金屬材料作為防護裝甲，裝甲鋼成為了基本的防護材料[9]。米系列（如米-28）和卡系列（如卡50）是俄羅斯兩款主要的軍用直升機。俄羅斯米里設計局所研制的米-28“浩劫”武裝直升機的座艙裝備為鋼制全裝甲，其基本防護材料采用裝甲鋼，可承受12.7 mm API的直接射擊，同時可防護20 mm破片的打擊，其駕駛艙防彈裝甲門如圖4所示，而且包括油箱、主減速器在內，重要部件和系統都配有防彈系統，能夠保障飛機和駕駛員的安全。米-28的設計人員為減輕裝甲質量，極大縮減了駕駛艙空間，以減少裝甲直升機防護面積，所以米-28直升機比西方同類直升機的抗彈效果更為穩定[10-11]。

卡-50武裝直升機是俄羅斯用于替代米-24的新型武裝直升機，如圖5所示。其基本防護材料同樣是能夠抗多次打擊的金屬裝甲—鋼-鋁復合裝甲。由于卡-50僅配備單駕駛艙，可集成大量裝甲重點防護駕駛艙區域，僅駕駛位就敷設了高達350 kg的裝甲板，具有抗 23 mm爆破彈的能力[12-13]。

圖 4 米-28武裝直升機及左側駕駛艙防彈裝甲門Fig. 4 Mi-28 armed helicopter and left cockpit bullet-proof armored door

圖 5 卡-50武裝直升機Fig. 5 Ka-50 armed helicopter

1.2 國內研究狀況

相對于國外直升機而言，國內對于直升機用輕質裝甲材料的研究起步較晚，針對我國軍用直升機用防彈裝甲與發達國家差距較大這一情況，我國曾專門開展包括“輕質高效防彈復合裝甲材料”、“輕質陶瓷/混雜復合材料防彈裝甲技術”等預研項目，對B4C陶瓷復合裝甲材料的制備技術進行了系統研究，并對復合裝甲材料的性能進行了大量的測試分析。目前國內型號上普遍采用B4C防彈復合材料裝甲板作為直升機駕駛員座椅防護設計，具有防12.7 mm穿甲燃燒彈的能力，面密度為45 kg/m2左右，可抵御1次打擊，后續的直升機駕駛員座椅采用的裝甲基本沿襲這一技術。

B4C陶瓷面板復合裝甲雖然初步滿足了軍用直升機駕駛員對來自底部、側部威脅源的基本生命保障應用需求，但因B4C陶瓷的韌性較差，抗多次打擊能力不足；而其復合裝甲背板材料—高密度聚乙烯板雖然有高的強度和韌性，但剛度不足，難以為陶瓷面板提供足夠的支撐，陶瓷的防彈作用無法得到充分發揮。所以非常有必要打破傳統的設計和用材方式，將更輕、更強、更韌的材料應用于直升機防彈系統以提高其抗彈擊能力，滿足提高新一代攻擊直升機及中型艦載直升機駕駛員和承擔主要作戰任務的乘員的生存率這一設計要求。

2 復合裝甲抗彈機理

目前直升機所采用的復合裝甲，通常是以陶瓷等具有高硬度、高彎曲強度的材料作為面板，同時采用具備高拉伸強度、高延伸率的樹脂基高分子纖維復合材料作為復合裝甲的背板[14-16]。相比傳統的均質裝甲材料，這種復合裝甲可利用每一部分材料所具備的特性，針對侵徹過程中彈體與裝甲板相互作用的機理合理排列裝甲材料，以充分發揮材料特性[13,17-18]。在防護能力相當的情況下，復合裝甲大大降低了裝甲的整體質量，使裝甲系統更易于實現輕量化。裝甲的輕量化不僅可以提高直升機的機動性能，更能提升直升機的運載能力，具有極大的實戰價值。陶瓷-高分子纖維材料復合裝甲的抗彈機理如圖6所示。

圖 6 陶瓷-高分子纖維材料復合裝甲的抗彈機理Fig. 6 Bulletproof mechanism of ceramic polymer fiber composite armor

在彈體侵徹復合裝甲的過程中，首先會對復合裝甲中的陶瓷面板產生具有高壓應力的沖擊。在彈體與陶瓷相互接觸時，陶瓷材料表面會發生破碎，并形成破碎錐，材料表面出現裂紋，此時彈速降低20%，彈頭發生形變或破碎，產生壓縮波作用在陶瓷表面；隨后破碎錐內的壓縮波相互作用于陶瓷和彈體，沿彈體侵徹方向產生自由彈性波，陶瓷進一步破碎，并利用反射波使彈體燒蝕變鈍，極大地消耗其動能；最后彈體繼續侵徹，殘余動能使陶瓷裂紋迅速擴展，而作用在陶瓷上的環向應力限制了裂紋擴展，最終形成了頂角60°的破壞倒圓錐[19-22]。在彈頭侵徹過程中僅依靠高硬度的陶瓷材料是遠遠不夠的，因為在沖擊過程中陶瓷會發生彎曲，產生彎曲載荷，使陶瓷表面產生拉伸應力，最終提前發生破壞。只有給陶瓷提供背板的剛性支撐，才能使其發揮優良的壓縮特性。此外，背板不僅要承受來自面板的彈體的沖擊動能，更要吸收殘余動能。樹脂基高分子纖維具有優良的結晶性、高取向結構、高拉伸性能和優良的抗沖擊性能。高分子纖維優良的結晶性、高取向結構使其擁有較高的比模量，這使纖維在承受較高頻率的載荷時，能夠避免因材料共振產生脆性斷裂而引發的失效情況。當彈體繼續侵徹背板的過程中，彈體的速度減小，彈體的燒蝕破碎有助于纖維材料的阻抗。纖維復合材料的層與層之間有樹脂基體，不僅起到黏結作用，而且有利于能量的傳遞，即應變波從纖維織布層傳遞到樹脂基體，再由樹脂基體傳到鄰層。波的傳遞過程會使層合材料吸能的效果不斷加強。這是由于在樹脂基體中傳遞的波，使樹脂基體內產生大量裂紋，并沿著纖維的方向擴展，纖維斷裂拔出，致使聚合物織物發生分層，此過程極大地消耗了沖擊動能[13,22]，形成較大的變形（即鼓包），并最終使彈體停留在高分子纖維背板層，成功抵御子彈的侵徹。

復合裝甲通過層合結構可得到剛性和柔性相統一的防彈背板。并且可以實現靶板對彈體的阻力恒定，使最大的阻力在侵徹的最初階段就作用在彈體上，起到最佳的防彈效果[23-28]。對于防彈裝甲而言，抗侵徹能力、抗沖擊能力和抗崩落能力是決定其抗彈性能的三個關鍵因素，與組成材料自身的性能密切相關，抗彈能力與材料性能的具體關系如表1所示。

表 1 復合裝甲抗彈能力與材料性能的關系Table 1 Relationship between bulletproof property and material property of composite armor

三個關鍵因素中，抗侵徹能力和抗沖擊能力決定了防彈裝甲的抗彈等級，而抗崩落能力則決定了裝甲的抗多次打擊能力。因此，裝甲設計需利用材料自身良好的綜合性能，進行層間設計組合，才能使復合裝甲具備良好的防護能力。

3 防彈材料發展情況

結構防彈材料的分類方法有很多，根據原材料的種類，現有的均質防彈材料主要有金屬板、陶瓷板、高性能纖維復合防彈材料等。金屬和陶瓷防彈材料主要利用自身的強度和硬度對子彈的碎片進行挫折、破壞或破碎，以達到防彈目的；高性能纖維基軟質防彈材料防彈機構主要以彈頭張緊和彈鞘為主。通過改變織物結構和纖維，沖擊能量可以通過尺寸斷裂等方式沿纖維向沖擊點以外的區域吸收、耗散或分散，從而達到防護效果。表2為傳統的均質防彈材料種類及概況[29-30]。

根據防彈需求，將傳統防彈材料中的兩種或多種進行層間設計組合，制備的復合裝甲可充分發揮材料性能，具有抗彈能力高、重量低、結構可設計等優點。復合裝甲材料各組分性能互補，產生協同效應，與單一均質材料相比，可大大提高裝甲的綜合性能。例如，在船舶鋼盔甲上增加一層陶瓷板可以顯著降低彈丸的侵徹效果，并且其結構質量降低1/4的同時，裝甲單位面密度的比吸能值增加了35%。

優異的防彈復合材料不僅需要防住彈體本身的沖擊，還要能夠抵御彈體高速沖擊所產生的沖擊波。因此防彈材料至少需要具備以下三個條件：第一，吸能效果優。若新型復合裝甲材料的比吸能值比目前的防彈材料高10%或更多，則這種防彈材料具備很好的應用前景。第二，減重效果好。軍用裝備的裝甲質量與其機動性是兩個相互矛盾的影響因素，只有實現裝甲的輕量化，才能保證裝備良好的機動性能。第三是成本低廉。低廉的生產成本是復合裝甲實現技術推廣和產業落地的前提[31-32]。目前，在直升機用防護裝甲材料的工程化應用研究方面，國內外的研究發展趨勢主要集中在以下三個方面：

（1）低密度高強度材料的研發，例如微疊層材料，梯度功能陶瓷（材料先進化）；

（2）采用以陶瓷為面板，多種材料層間匹配復合背板結構（結構復雜化）；

（3）擴大應用部位及覆蓋范圍，從單一的座椅防護，到座椅、駕駛艙及乘員艙地板和側面等關鍵部位均配置防護裝甲（應用范圍擴大化）。

材料先進化是目前提升裝甲性能最重要的研究方向，使防彈復合材料提升對彈體沖擊動能的吸收能力，并卸載彈體高速打擊過程中產生的沖擊波。隨著現代戰爭對裝甲抗彈性能及減重程度的提升，傳統的均質防彈材料難以滿足防護需求。因此新型復合材料的研發成為了裝甲的重點研究方向之一。目前新型復合防彈材料主要有石墨烯改性陶瓷材料、功能梯度裝甲復合材料、微疊層裝甲復合材料。

表 2 傳統裝甲材料簡介Table 2 Introduction of traditional armor materials

3.1 石墨烯改性陶瓷材料

近年來出現的石墨烯是一種碳原子呈蜂窩狀排列所構成的二維納米材料，具有十分優異的力學性能，僅斷裂強度就達到130 GPa，是目前人類已知的擁有最高比強度的納米材料。同時由于石墨烯特殊的結構，使其具備良好的導熱性，當石墨烯受到外力作用時，發生形變的是整個碳原子面，而不需要碳原子重排來適應外部壓力，這樣的特性使其結構十分穩定[33-34]。因此，石墨烯是作為復合材料增強相的理想選擇。利用石墨烯的增強增韌特性對現有的材料進行有針對性的增強，同時改善材料的工藝性能，進一步提高其防彈制品的抗沖擊性能，從而實現防彈用材料的更新換代[35-36]。

陶瓷材料具有高熔點、高硬度、高耐磨性、高化學穩定性等優點，但是脆性是其致命的缺點，限制了陶瓷材料的應用范圍，因此，陶瓷材料的強韌化一直是材料學家長期關注的焦點。一維碳纖維、碳納米管以及陶瓷晶須作為傳統的陶瓷基復合材料增強相，存在陶瓷基體中分散不均勻、易團聚的缺陷。石墨烯作為二維納米材料，假如能夠較好地分散于陶瓷基體中，就可以包覆陶瓷顆粒，形成較好的界面結合，可以達到更強的增韌效果。與此同時，石墨烯具備優異的力學性能和出色的物化性能，將其復合到陶瓷基塊體復合材料中，對提高材料綜合性能有很大的幫助[37-40]。目前，北京航空材料研究院、武漢理工大學等單位利用石墨烯對陶瓷材料進行改性，制備了石墨烯改性陶瓷材料。通過石墨烯分散及植入技術，對現有材料進行改性，可有效提高現有材料的強度和韌性，從而提升材料的抗彈性能。

由于近年來石墨烯分散及植入技術的不斷發展，石墨烯制備、化學修飾和分散技術的逐漸成熟，基于石墨烯改性技術所制備的陶瓷復合材料獲得了大量的研究進展。石墨烯在不同的陶瓷基體中（Al2O3、ZTA、ZrO2、Si3N4、HA）均可達到明顯的補強增韌的效果[41-43]，其中增韌的效果尤其突出，其強韌化機制主要包括裂紋的偏轉、分支，石墨烯的橋聯、斷裂、拔出等。

圖7為航材院制備的石墨烯改性B4C陶瓷微觀組織。由圖7可以看出，在斷裂時拔出和分離的石墨烯層片表現出明顯的層片滑移現象，消耗了裂紋擴展過程中的內應力，減少了裂紋擴展的動力。石墨烯的多褶皺結構在陶瓷裂紋擴展的過程中會產生變形，同時石墨烯在晶界處的不連續分布可以產生裂紋偏轉、裂紋分叉、片拉出、裂紋橋接等多種增韌機制，這些都能夠有效的提升B4C陶瓷的抗裂紋擴展性能。

圖 7 石墨烯改性B4C陶瓷微觀組織 （a）裂紋偏轉；（b）石墨烯片拉出Fig. 7 Microstructure of B4C ceramics modified by graphene （a）crack deflection；（b）graphene pull-out machanism

通過石墨烯的改性，B4C陶瓷可以顯著提高自身的斷裂韌度和抗壓強度，同時也提高了陶瓷的抗裂紋擴展性能，在提高復合裝甲抗多次打擊能力方面具有良好的應用前景。與此同時，由于石墨烯改性B4C陶瓷是在現有成熟材料的基礎上分散及植入石墨烯增強相，材料制備工藝及設備條件齊全，成熟度相對較高，可以在短時間內實現在復合裝甲中的實際應用。

3.2 功能梯度材料

功能梯度防彈材料一般是指一種金屬/陶瓷復合材料，材料中陶瓷顆粒體積含量沿厚度連續變化，即從復合裝甲面板到背板，陶瓷材料的含量從高到低，使其面板接近于陶瓷材料的性能、背板類似于金屬材料性能[44-45]（見圖8）。作為一種新型防護材料，由于其承受結構載荷能力強，且金屬部分和陶瓷部分不存在材料之間明顯的離散界面，消除了材料之間的阻抗變化，同時界面剪切耦合特性較好，材料本身易于在金屬表面附著等多項優點，一舉解決了界面問題和阻抗匹配問題對傳統陶瓷/金屬復合裝甲抗彈性能的影響[46-49]。理論上陶瓷/金屬梯度功能材料在受到沖擊時，其破壞程度和受損范圍要小很多[50]。20世紀90年代，美國科學家首次利用梯度功能材料設計裝甲，提出了梯度裝甲的概念，并成為當今裝甲材料的發展趨勢之一。據報道，陶瓷/金屬梯度功能材料已成為美國未來主戰坦克首選的裝甲組成系統材料之一[51]。一般來說，陶瓷/金屬梯度功能材料采用低密度陶瓷和鋁合金、鈦合金等輕金屬作為其主要成分進行復合制備，具有裝甲系統輕量化的應用前景。目前，國內外研究的梯度功能材料裝甲體系包括了Ti/TiB2、Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al和 Si3N4/Al等多種材料，其防御目標主要針對7.62～14.5 mm等小口徑穿甲燃燒彈。美國兵器實驗室[52]采用SHS技術制備了TiB-Ti梯度裝甲板材，采用14.5 mm口徑的鋼芯和鎢芯穿甲彈對TiB2-Ti梯度功能材料進行抗彈性能實驗，結果表明，與目前廣泛采用的高性能陶瓷裝甲材料（Al2O3、SiC、B4C）相比，梯度功能材料的抗侵徹強度提高了1倍以上。瑞典裝甲防護研究中心采用等離子放電燒結工藝制備TiB2-Ti梯度功能材料，并采用7.62 mm口徑槍彈對等離子放電燒結-（Ti）0.05（TiB2）0.95和 HIP-TiB2的抗彈性能進行了比較，發現等離子放電燒結工藝制得的材料具有較好的防護性能。James等[53]報道了日本材料學家采用等離子放電燒結技術制備了層數不同的幾種鈦基梯度功能材料，并對材料進行了抗沖擊性能測試和顯微結構觀察，但在高速沖擊實驗中未取得良好的結果。

圖 8 一種功能梯度裝甲材料Fig. 8 A functionally gradient armor material

功能梯度裝甲材料解決了界面問題和阻抗匹配問題對傳統陶瓷/金屬復合裝甲抗彈性能的影響，結合了陶瓷高硬度、金屬高韌性的優勢，同時提升了陶瓷的抗崩落能力。與均勻成分陶瓷相比，材料抗彈性能取得了較大的提升。但由于其合成主要依賴等離子放電燒結技術，目前所能制備的材料尺寸有限，仍主要處于實驗室研究階段，距離工業化生產尚存在一定的距離。在未來解決了大規模工業化生產問題后，功能梯度材料作為復合裝甲的新一代面板材料，將具有良好的應用前景。

3.3 微疊層裝甲復合材料

微疊層裝甲是一種仿生材料。受自然界中殼體的特殊結構，即高強度脆性層與韌性良好的有機層交疊結構的啟發，設計并應用了“金屬-金屬間化合物-層合復合材料”（metal intermetallic laminate，MIL材料）。金屬間化合物提供高比模量和比強度，利用韌性金屬為體系提供韌性并支撐整個疊層結構。該材料不僅通過較小的層間距和多界面效應使其具有能量耗散結構的應力場，能夠有效提升疊層結構抵抗透射波和反射波的能力，提高裝甲材料的斷裂韌度。同時，由于金屬間化合物層/金屬層界面為通過反應擴散獲得的冶金結合，保證了其微觀結構連續性和良好的界面結合強度。該裝甲材料具有低密度、高強度、高韌性和高比模量等優異性能。20世紀90年代中期，美國奧爾巴尼研究中心的研究人員首次用真空燒結法制備了Ti/Al3Ti[54-56]金屬間化合物基復合材料。21世紀初，美國加州大學圣迭戈分校的科研人員研發出新型材料—金屬間化合物基層狀復合材料（MIL）和新的制備技術—無真空燒結工藝，制備出輕質高強、環境友好、成本低廉、經濟效益好的Ti-Al夾層裝甲復合材料[57-58]。結果表明，在給定的沖擊條件下，該材料比其他密度相近的裝甲材料具有更好的彈性阻力。如圖9所示，為鎢合金（94W7FeCo）侵徹體以900 m/s的初速率垂直入射Ti/Al3Ti復合裝甲靶板（初始厚20 mm）。在相同條件下，最終彈丸在Ti/Al3Ti復合裝甲的侵徹深度小于10 mm，略優于鎢合金彈丸在均質裝甲鋼中的侵徹深度，但MIL材料面密度卻僅為裝甲鋼的40%。由此表明，這種微疊層復合裝甲防護系數是均質裝甲鋼2～3倍，具有良好的應用前景。

圖 9 金屬/金屬間化合物微疊層復合裝甲Fig. 9 Metal/intermetallic compound microlaminated composite armor

微疊層復合裝甲從仿生學角度進行材料設計，具備比梯度功能材料更復雜的微觀結構，并在材料本身的微觀結構方面實現了復合裝甲剛性及柔性的結合，未來應用前景廣闊。目前國內哈爾濱工程大學、大連理工大學、中北大學等單位[59]都針對微疊層復合裝甲材料展開了相關課題的研究，但對于工業化生產方面的進展暫時還未取得較大的突破，材料成熟度相對較低，這也限制了微疊層復合裝甲在武器裝備中的實際應用。

4 結束語

我國直升機用復合裝甲的自主發展，主要需解決裝甲質量增加與動力系統運載能力不足的矛盾。從趨勢上必須按輕量化、非金屬化、復合化發展，從根本上必須解決“輕”與“強”的問題，采用輕質高強防護材料來降低軍用直升機彈擊核心防護區域防彈裝甲所占用的功率載荷比例，將是唯一可行的發展方向?？v觀世界武裝直升機的發展趨勢，西方發達國家軍用直升機防彈裝甲的應用還在逐步擴大，對于梯度功能材料、微疊層材料等新型裝甲材料的開發也有了較大的進展。由于傳統的均質防彈材料目前已難以滿足防護需求，我國對于性能優異的新型先進輕質防護材料的開發需求已刻不容緩。只有開發新型裝甲材料，才能進一步提升復合裝甲抗彈性能。同時，裝甲設計應針對防護部位的特點進行設計和應用研究，才能保證型號安全性的進一步提升，提高我軍直升機的生存能力，滿足我國武器裝備的作戰需求，實現與世界先進直升機水平的同步發展。