科研一角|軍工材料科普:陶瓷複合裝甲材料的應用研究

2021-02-13 中北二院研究生工作

隨著複合裝甲材料技術的迅速發展,陶瓷複合裝甲材料以其在防護領域的卓越表現受到世界各國的密切關注。它具備高硬度,高強度,高韌性、耐腐蝕、耐磨損以及低密度、低重量的優點,是作為防護裝甲材料的理想選擇 。本文對當前陶瓷複合裝甲的主要種類、應用現狀以及研究方向進行了討論。

 彈道性能是衡量防護裝甲性能的關鍵性指標。它主要包括抗侵徹能力、抗衝擊能力和抗崩落能力,而這三種能力的強弱和構成裝甲的材料密切相關。抗侵徹能力是指裝甲對投射物部分貫穿或者完全貫穿的抵抗能力,它和裝甲材料的硬度成正比;抗衝擊能力是指裝甲在保持無裂紋、斷裂的條件下對投射物動能吸收的能力,它和裝甲材料的韌性成正比;抗崩落能力是指裝甲對破裂、層裂、剝離的抗性,它和裝甲材料的抗壓、抗張強度成正比。除了這三個基礎指標,裝甲的設計還必須考慮重量、成本、製備技術是否易於量產等因素。簡而言之,裝甲材料應儘可能滿足「高強度、高硬度、高韌性、低密度、低成本、能量產」的要求。目前已知的所有單一均質材料裝甲都無法滿足或者只能部分滿足這些要求。經過多年研究,陶瓷複合裝甲已被證實為最理想的防護裝甲材料,也是目前世界各國防護裝甲採用的主流材料。本文根據當前陶瓷複合裝甲應用的具體情況作了一定的討論分析,具體如下。

一、陶瓷複合裝甲的主要種類

(一)按陶瓷複合裝甲的複合形式分類

陶瓷面板+金屬背板層狀複合

作為陶瓷複合裝甲的基本複合形式,通常由硬度較高的陶瓷作為面板,韌性較好的金屬作為背板,二者之間用膠粘劑粘接。這種結構充分發揮了陶瓷和金屬各自的優勢,陶瓷的硬度和彈性可以滿足裝甲對抗侵徹能力的要求,金屬的韌性和延展性能滿足裝甲對抗衝擊、抗崩落能力的要求。這種結構的缺陷在於陶瓷和金屬的過度過於直接,粘接層自身無防護能力,對於連續打擊的抵抗能力較弱。

金屬骨架滲入陶瓷顆粒

為了增強陶瓷複合裝甲對連續打擊的抵抗,研究者採用將陶瓷製成顆粒滲入金屬骨架的複合形式。但由於技術所限,陶瓷顆粒只能近似均勻地分布在金屬骨架中,導致複合裝甲各個部位的抗打擊能力不均勻。唯一能夠控制的是陶瓷顆粒的尺寸和相對含量,因此,這種複合形式的陶瓷複合裝甲儘管具備了一定抗連續打擊的能力,其整體強度卻有所下降。

陶瓷骨架滲入金屬顆粒

由於金屬顆粒易於加工,延展性和可塑性好,再加上以陶瓷為骨架硬度比金屬骨架高,在承載負荷能力上優於金屬骨架。研究者採用了將金屬顆粒滲入陶瓷骨架的複合形式。這種複合形式讓陶瓷複合裝甲不僅具備抗連續打擊能力,強度較金屬骨架滲入陶瓷顆粒的複合形式也有所提升。

陶瓷金屬功能梯度複合

面板複合結構和顆粒複合結構各有自己的優劣勢,卻無法同時滿足高硬度、高韌性、抗崩落的要求。隨著現代複合材料製造技術的發展,針對上述三種複合裝甲進行相應處理,產生了陶瓷金屬功能梯度複合裝甲。該裝甲不僅採用了面板形式,而且在面板中滲入對應顆粒,更關鍵的是,每層厚度與顆粒比例呈梯度分布,不僅具備良好的韌性,也能大量消耗投射物的動能。

(二)按陶瓷複合裝甲的複合材料分類

碳化矽基陶瓷複合裝甲是一種高性能裝甲材料,它具有很好的動態壓縮屈服強度,可以有效降低彈的動能,削弱其侵徹能力。但受限於當前技術,該裝甲成本居高不下,難以量產。且碳化矽和陶瓷均屬於脆性較高的材料,導致此複合裝甲在抵抗連發彈時的效果較差。

2. 氧化鋁基陶瓷複合裝甲

氧化鋁基陶瓷複合裝甲的最大優勢在於其低廉的價格,能夠大規模地量產。但其強度性能較差,有待進一步提高。

3.氮化鈦和氮化鋁基陶瓷複合裝甲

該種複合裝甲強度遠超於一般陶瓷複合裝甲,但由於密 度較大,重量較高,只能應用於厚裝甲體系。普遍被使用在主戰坦克、武裝直升機、戰艦等領域。在單兵領域有所欠缺。

二、陶瓷複合裝甲的應用現狀

陶瓷面板+金屬背板複合裝甲作為結構最簡單、成本相對低廉的複合裝甲,被研究最多,多被製造為輕型複合裝甲。面板通常採用 A1203、SiC、B4C 陶瓷等,背板一般採用芳綸、高強度聚乙烯等,粘接一般用橡膠、環氧樹脂等。是製作單兵裝甲、防彈衣、小型關鍵部位防護裝甲的首選。碳化矽基陶瓷複合裝甲受限於其高昂的價格,多被應用於特種作戰領域,例如特種兵防彈衣、軍用特種車輛裝甲、武裝直升機裝甲。它也被看做是最有應用前途的陶瓷複合裝甲之一,只要能夠降低其製造成本並解決其韌性稍差的問題, 將會被大量應用於主戰坦克、輕型裝甲車輛等領域。目前最普遍的陶瓷複合裝甲是氧化鋁基陶瓷複合裝甲,他有著較好韌性、抗熱衝擊性,價格低廉,生產技術簡易。被廣泛應用於民、警單兵防護和民、警用押運車及對裝甲強度要求較低的領域。

三、陶瓷複合裝甲的研究進展

複合裝甲包括兩層含義:一是裝甲用複合材料製成,二 是裝甲採用了古河結構。任何複合裝甲的研究都是為了優化複合材料和複合結構。當前,陶瓷複合裝甲早已不限於兩種複合材料和較為單一的複合結構。在實驗領域,已經出現了陶瓷、金屬、纖維、矽硫等複數複合,且結構方面也出現了複數層數。通過對陶瓷複合裝甲的種類和現今應用情況的分析,不難發現,陶瓷+複合金屬採用功能梯度複合形式的複合材料是較為理想的應用形式。主要研究的方向在於具體組分設計、微觀修飾、製備工藝的改進以及對成本的控制。

四、結束語

不同的裝甲材料對反裝甲武器的攻擊有著不同的反應, 單一均質材料構成的裝甲通常只能防護特定的反裝甲武器。為了能夠應對越來越複雜的實際需求,同時防護多種反裝甲武器,複合裝甲的研究已成為必然趨勢。陶瓷複合裝甲作為其中的佼佼者,將朝著更高強度、更高韌性、更低廉的價格、更簡易的製備工藝等方向發展。隨著陶瓷複合裝甲研究的而不斷推進,能讓我國複合裝甲技術水平得到飛躍提高,也會對我國國防領域技術產生積極影響。

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