增強複合材料:「生死線」上的捍衛者(上)

2022-01-03 中國複合材料學會

今天的戰鬥場所已經從露天戰場轉為城市戰爭,需要裝甲來防護更致命的彈藥,抵抗多發子彈的打擊。從狙擊手射擊到劣質簡易爆炸設備的危險已經在傳統的增強聚合物複合材料裝甲領域促進了裝甲系統的快速發展。材料一定是優化了重量、彈道防禦能力和成本的活動目標。

纖維化學領域的創新同時影響了軟、硬裝甲的發展,儘管每種裝甲對複合材料的需求是不同的。軟裝甲通常是柔軟、堅固和輕質的,具有高彈性模量,可以在儘可能大的裝甲面積上分散衝擊能量。硬裝甲通常是堅硬且更厚的,可能含有以層壓或纖維形式與鋼或陶瓷複合的聚合物複合材料。

軟、硬複合材料裝甲在單一產品中的應用實例是一種堅固柔軟的防彈背心,它帶有一個或多個硬板形式的輕型武器防護插板(SAPI)。較大的複合材料板用作軍用盾牌、車輛裝甲和基礎設施的爆炸防護。

芳綸纖維

杜邦先進纖維系統公司生命防護小組的全球技術經理Bruce Burkholder表示,現在的Kevlar 對位芳綸纖維至少比31年前所測試的防彈背心中的纖維堅固50%。聚對苯甲醯胺中的高定向長鏈具有牢固的鏈間化學鍵,使得Kevlar的強度比鋼高5倍。

他補充說,Kevlar Comfort XLT是杜邦最新的以Kevlar為基礎的彈道產品,與全芳綸防彈背心相比,它將防彈背心的重量減少了25%,同時也減少了背面的層壓層數且降低了變形的可能。

Burkholder說,Kevlar Comfort XLT通過將纖維和織物結合接近了單向結構的性能,因此可以在經緯兩個方向充分利用纖維強度。這就使所有紗線交叉點分擔的載荷達到了最大,同時又以更輕的重量保持了結構的穩定性,提高了彈道性能。

Burkholder所描述的「近來全世界對更高水平的安全防護產品日益增長的需求」使得Kevlar經過了幾次擴產,自2000年以來,已達9300萬歐元(12000萬美元)之多。

他說:「杜邦正與美國國防部緊密合作,以滿足市場對Kevlar防彈衣、頭盔和車輛上層裝甲的巨大需求。」

杜邦2006年第二季度的盈利報告顯示,其安全和防護部門的稅前運營收入較2005年第二季度增長了10%,達24200萬歐元(31000萬美元),其中包括Kevlar裝甲產品。

在今天的戰爭地區,最知名的一種車輛是堅固的高機動多用途輪式車輛(HMMWV或Humvee)。這種2.4噸多用途卡車製造商AM General公司的公共關係總監Craig MacNab確定,杜邦Kevlar和鋼質裝甲正被用於這種自1985年開始大量生產的輕型裝甲Humvee。繼第一輛型號為M1114的 「上部裝甲的」Humvee推出之後,該公司已經生產出M1116、M1151、M1152和M1165幾種型號。這些車使用了多種材料,包括增強複合材料。

荷蘭Arhem市的Teijin Twaron公司向全球供應Twaron對位芳綸纖維和紗,通過幾次擴產,也已經在彈道製品和安全產品市場取得了發展。Teijin報導說,與全鋼材裝甲相比,商業化車輛裝甲中Twaron複合材料和鋼材的複合所導致的重量減輕,只將車輛的最高速度降低了5 km/h。該公司新一代的Twaron纖維Twaron CT含有50%以上的微絲,使得防彈背心具有了較高的彈性模量,而且重量比以前的Twaron纖維低23%。在德國軍用頭盔中,Twaron CT比鋼質頭盔的彈道性能提高了100%。

美國裝甲兵的Interceptor防彈背心目前是最先進的多功能個人裝甲。杜邦的Kevlar、Teijin的Twaron和DSM的Dyneema纖維都已被選定用於其增強型側面防彈插板(ESBI)載體以及輕型武器防護插板(SAPI)和增強型輕型武器防護插板(ESAPI)組件中。

Spectra纖維

霍尼韋爾(Honeywell)國際公司的特殊材料集團位於美國維吉尼亞州的Colonial Heights,該公司使用凝膠自旋拉絲工藝生產Spectra超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維,並在彈道複合材料中使用Spectra防護板(SpectraShield)技術。Spectra比鋼堅固10倍,比大多數芳綸纖維輕,在軟硬裝甲中都起到了很好的增強作用。用Spectra纖維增強的是標準Spectra Shield、Spectra Shield Plus和Spectra Shield II材料;用芳綸纖維增強的是Gold Flex和Gold Shield材料。

Spectra Shield產品適用於Humvee裝甲、美國海軍的Sea Knight直升機、防彈背心、增強型輕型武器防護插板和增強型側面防彈插片板和美國麻薩諸塞州Pittsfield市Protech公司裝甲控股子公司(Amor Holdings)的防爆織物。佔霍尼韋爾整個公司銷售額15%的特殊材料部門今年計劃增加93600萬歐元(12億美元)的銷售額,部門收益將近42800萬歐元(55000萬美元)。

過去十年,只有美國德克薩斯州聖安東尼奧市德克薩斯裝甲公司(Texas Armoring)一直對私人車輛(從豪華轎車到SUV)進行裝甲。該公司CEO Trent Kimball指出了大量增強纖維在公司裝甲產品中的應用,包括Spectra和Spectra Shield、DSM的Dyneema、玻璃纖維和硬化鋼。

「纖維增強複合材料已經從重量方面促進了整個裝甲行業的進步。用複合材料裝甲的車輛減少了磨損和破環,使用壽命可以延長兩到三年。」

Kimball估計,一輛全複合材料車輛裝甲系統的重量大約為136千克(300磅),而一個複合材料/鋼系統的全部重量為680千克(1500磅)。 (未完待續)

來源:復材在線

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