装甲防护技术研究新进展

邱　健，王耀刚

(1.陆军军官学院，合肥　230031； 2. 77193部队，四川 崇州　611200)



装甲防护技术研究新进展

邱健1，王耀刚2

(1.陆军军官学院，合肥230031； 2. 77193部队，四川 崇州611200)

摘要：从材料、结构和处理工艺三方面对装甲防护技术研究进展情况进行综述，对一些相关研究进行了分析，并简述了材料技术发展对装甲防护的影响和未来装甲材料发展趋势，对学者进一步研究装甲车辆防护技术有重要参考意义。

关键词：装甲防护技术；综述；发展趋势

Citation format:QIU Jian，WANG Yao-gang.Research and Development of Armor Protection Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):15-19.

现代战争的高对抗性对装甲防护技术提出总的要求：不被发现、不被命中、不被击穿、不被摧毁，而装甲防护技术的发展总伴随着材料技术的发展和应用。本文对材料技术在装甲防护中的研究进展进行评述，对未来装甲材料研究方向进行简要分析。

1材料技术在装甲防护中的研究

近年来，随着新材料在飞机、船舶 、包装等领域的发展和应用，装甲防护技术领域也开展了大量的相关应用研究。

1.1泡沫夹层材料

泡沫夹层材料具有高比刚度、高比强度、低密度、高吸能性等特点。在有效吸收冲击载荷的同时又能通过选择合适的面板、芯材和粘接剂来满足特定条件下的使用要求，因此在运载火箭、航空、船舶、列车机车、风力发电机等领域得到了大量应用[1]，同时泡沫夹层材料某些性能也满足了装甲防护轻质量、高强度的要求。万玉敏等[2]采用Instron-Dynatup 9250 HV型落锤冲击试验机，分别对以聚甲基丙烯酰亚胺为夹芯的泡沫夹层复合材料和碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板进行不同能量的冲击试验。结果表明泡沫夹层复合材料的抗冲击能力明显优于复合材料层合板。

许多学者在铝泡沫夹层材料抗爆性能仿真分析及优化上做了大量研究。文献[3]对6种铝泡沫夹层材料的抗爆炸性能进行了有限元分析，从变形模式、运动响应和吸能特性等方面对比研究了6 种夹层结构的动态响应特性。从研究结果可看出前面板刚度越小，越利于泡沫材料芯体变形吸能；背板材料刚度越大，对减小背板的变形和加速度影响越有利，对复合装甲的设计具有很大指导意义。文献[4]采用动力显式有限元方法，以面比吸能和背板最大变形量为评价指标，分析了芯体密度梯度排布对材料抗爆性能的影响，并与均匀密度铝泡沫夹层板进行了对比。结果表明：梯度泡沫芯体的密度排布对夹层板的抗爆性能影响很大；与同质量的均匀密度铝泡沫夹层板相比，梯度排布材料抗爆性更强。

泡沫夹层材料质量轻、强吸能性，对坦克高爆弹、地雷等依靠能量冲击弹药具有较好的防护效果，但对金属射流和钢芯穿甲弹防护效果较弱，适合于装甲车辆的底盘、顶部等非直接打击部位。

1.2镁合金材料

金属镁及镁合金是目前应用的最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高，良好的电磁屏蔽能力和易于再生利用等一系列优点，被认为是21世纪最具发展潜力的材料。但由于镁合金为hcp结构，滑移系少，室温成形能力较差、硬度低、生产效率低等种种问题，很大程度上制约了变形镁合金的发展和应用[5]。而大量研究结果表明，热变形工艺可以细化镁合金晶粒组织并消除铸造缺陷，提高合金综合力学性能，从而扩大其使用范围[6]。

ZK60镁合金在现有常用镁合金中强度最高，且密度低、质量小，几乎是所有金属结构材料中比强度最高的一种，在不久将来有望成为新型高性能装甲材料。文献[7]通过试验研究了ZK60镁合金挤压后的静态和动态力学行为。试验中先对ZK60镁合金铸态(Mg-Zn-Zr)进行热处理，尔后通过金相分析发现ZK60镁合金的应变率效应明显:应变率小于等于2 000 s-1时，在300℃挤压时效后的试样抗弹性最好；当应变率为2 600 s-1时，340℃挤压时效后的试样吸能性最好达到84.56 J/m3。

抗拉强度在抗弹性能中起着非常重要的作用，要提高装甲防护材料的抗冲击性能，就需要进一步研究出具有更高抗拉强度的镁合金。文献[8]也以ZK60镁合金为试验对象，通过对热变形态、热变形+T5态、热变形+T6态3种不同热加工态在高速冲击试验下数据对比，对ZK60镁合金的抗弹性能进行了研究，其试验结果表明：300 ℃热压缩变形态和热变形+T5态ZK60合金与变形前均匀态相比，其抗拉强度和伸长率均有所提高，而热变形+T6态性能最低；热变形+T5态镁合金靶板对应弹坑形貎较好，光滑，无裂纹，抗弹性能较好；而热变形+T6态镁合金靶板对应弹坑周围有明显纵向裂纹，抗弹性能较差，如图1所示。该试验建立了ZK60镁合金常规力学性能与抗弹性能之间的关系，为扩大ZK60合金在装甲材料领域中的应用提供理论研究。

图1　不同热加工状态ZK60合金靶板对应弹坑的形貌图

镁合金有塑性成形能力差、锻造温度区间窄、锻造过程降温快以及对应变速率敏感等特点。文献[9]采用空气锤对ZK21合金进行高应变速率锻造成形，对比研究单向、双向和三向锻造合金的显微组织和力学性能，发现锻造成形时通过改变载荷方向可以提高合金所能承受的累积应变，从而获得良好的晶粒细化效果和优异的综合力学性能，为镁合金高应变速率锻造工艺的制定提供一定的参考。文献[10]采用纳秒脉冲激光对AZ31镁合金薄板进行激光冲击强化(Laser shock processing)，采用电子万能高温拉伸机测定激光冲击前后AZ31镁合金在室温和300℃时热拉伸应力-应变曲线和抗拉强度，通过观察微观组织、表面形貌和晶粒细化的变化并综合之前数据分析发现，LSP提高了AZ31镁合金室温和高温抗拉强度。

1.3橡胶材料

橡胶基复合材料具有密度低、比强度和比模量高、断裂安全性好、可设计性强和制作工艺良好等优点，作为防护材料可被用于装甲车辆、飞机、舰船和单兵装备。国内外学者很早就对此进行了初步探索。早在1992年，Gov N[11]就认为橡胶夹层复合装甲在抗射流侵彻方面与爆炸反应装甲有着类似的效果; Yaziv D[12]的研究发现，与爆炸反应装甲相比，橡胶复合装甲具有安全、不受环境以及局部损伤影响等优势。文献[13]运用LS-DYNA动力学分析软件进行仿真计算，采用剩余穿深法进行实验，针对具有不同天然橡胶夹层厚度的陶瓷/橡胶/钢复合靶，研究其在不同常用倾角(30°和60°)下的射流侵彻情况。文献[14]在Bernoulli方程和能量守恒定律的基础上，以流变学理论为框架，建立了聚能射流垂直侵彻橡胶复合装甲时面板和背板变形的理论模型，并结合数值模拟和X光试验对理论模型进行了对比分析。文献[15]利用AUTODYN软件分别模拟倾角或靶板各层厚度不同时射流侵彻橡胶复合靶板的过程，通过对比分析不同倾角时射流速度和偏转角的变化规律，得到倾角对橡胶复合靶板防护性能的影响规律；用正交试验的方法得到在一定范围内，复合靶板防护性能相对较强的各层厚度。其试验仿真、试验结果证明倾角的存在会使射流破碎的现象更加明显，对射流的干扰效果更加显著，同时还指出面板厚度较夹层和背板厚度对防护性能更具有积极影响。

1.4含能材料

当前爆炸反应装甲含能材料研究的热点是六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-HNIW)，美国代号CL-20，是当前已实现批量合成的能量水平最高的高能量高密度化合物，比奥克托今(HMX)的爆热高9.2%，密度高7%，爆速高5%，国内外围绕HNIW的制造合成工艺与改进措施开展了大量工作，取得了显著成果[16]。但串联战斗部弹药的发展十分迅速，理论上可让现役爆炸反应装甲丧失作用。文献[17]指出利用尼龙的低声阻抗材料特性，将其作为穿-破串联战斗部前级装药的药型罩材料，可实现对爆炸反应装甲的穿而不爆，为后续主射流开辟通道，使战斗部威力最大化。因此众多学者一直在探究调节含能材料敏感度的工艺，以适应不断发展的反ERA弹药。文献[18]采用溶剂-反溶剂重结晶工艺制备出3种不同粒径和晶形的ε-HNIW，测试了撞击、摩擦感度和热分解性能，结果表明影响ε-HNIW撞击、摩擦和热分解的主要因素依次是粒径、粒度分布和晶形，同时证明溶剂-反溶剂重结晶工艺是一种安全、快捷、高效获得不同粒径ε-HNIW晶体的方法。为了制备粒径更小的ε-HNIW结晶，文献[19]研究了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为结晶控制剂对粒径大小的影响，结果表明PVP的加入效果明显，粒径明显减小，分布变窄，基本消除了团聚现象，粒径达到1.31μm的水平。文献[20]提出了一种利用微团化动态结晶法来制备超细ε-HNIW的方法，并讨论了炸药溶液浓度、温度和搅拌时间对细化炸药粒度的影响，与文献[19]结果相比，其制备平均粒径只有1.36μm的水平，与前者水平相当。文献[21]研究了ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-HNIW)/F2311界面结构的力学行为，为高聚物黏结炸药压制工艺提供了重要参考。

2新结构在装甲防护中的的研究

在装甲防护技术研究中，装甲结构的改变也可以显著提高防护性能。比如较早的间隙装甲技术，反应装甲模块化技术以及当前美军最新的V型防爆底盘结构。如今蜂窝结构、点阵金属结构等在装甲防护技术的应用研究中逐渐增多。

2.1蜂窝结构

蜂窝材料是一种多孔结构，具有较高的比强度、比刚度和较好的隔音、隔振、耐冲击等优点，因而在航空、航天、航海、包装、建筑、交通工具、能源等领域得到了广泛的应用。文献[22]介绍了蜂窝夹层结构在飞机结构上的应用以及航空用蜂窝夹层结构原材料性能与选择依据；文献[23]提出十字型蜂窝结构在飞机机翼蒙皮上的应用，研究表明该蜂窝结构在减轻质量的同时能有效提高蒙皮面的抗弯刚度。为进一步研究蜂窝结构的抗弹性能，文献[24]使用LS-DYNA显式非线性有限元方法模拟蜂窝夹层板(HSPs)的动态响应，分析3种不同配置下蜂窝结构的抗弹性能，发现由于HSPs负泊松比效应，增大蜂窝结构凹角可以使HSPs的抗弹性能达到最佳，建立了弹体剩余速度的经验公式表征结构参数对速度的影响。蜂窝结构同时具有良好的吸能特性，文献[25]以蜂窝结构作为复合夹层板芯材料，采用数值模拟方法对比分析了横、竖向放置、有无橡胶填充四种结构形态的变形及吸能特性。结果证明填充橡胶后蜂窝结构吸能效果明显提升。文献[26]提出了一种几何参数或材料参数沿厚度方向梯度渐变的蜂窝材料模型，其研究结果表明吸能和压缩效率都发生显著改善。文献[27]讨论了不同冲击载荷作用下屈服强度梯度对圆形蜂窝材料面内冲击性能的影响。

2.2点阵金属结构

点阵金属材料一般是指由金属杆、板等微元件按一定的规则重复排列构成的空间桁架结构，具有体密度小、比表面积大、比力学性能高等特点，如图2所示。将其作为芯材的夹芯结构在爆炸冲击载荷作用下因结构动态失稳产生巨大的塑性变形并转化为热能，可吸收掉大部分的冲击能量，因而具有优良的缓冲吸能和抗爆炸冲击性能，故较早就在舰船结构水下抗爆问题的研究中得到重视，如今点阵金属夹芯结构应用于轻质装甲以增加其抗爆性能的研究也开始增多。点阵金属夹芯结构抗爆炸冲击问题是一个非均质材料结构在动载作用下响应的复杂动力学问题，关于点阵金属材料的力学特性研究正处于基础研究阶段，主要集中在点阵金属夹芯梁、板等结构的抗爆炸冲击和弹道冲击方面[28]。文献[29]对三种点阵金属体芯体的“三明治”板结构抗侵彻性进行了研究，采用显式动力有限元软件LS-DYNA进行建模分析，发现在孔隙中加入陶瓷和环氧树脂作为填充材料后加剧了弹丸的偏航和消蚀，有效地提高了结构整体抗侵彻性。

李清远[30]发明了一种基于梯度结构和铝泡沫材料的轻质装甲结构，其借鉴了高孔隙率多孔金属结构，在面层与背层上均匀开孔，且相互错开，不仅有益于改变射弹体的方向，而且极大地减轻了装甲整体质量，兼顾了轻质和防弹要求。随着研究的深入，越来越多的结构技术被提出，但其应用发展还需要做更多进一步的研究。

图2　点阵金属材料典型的金字塔型结构[27]

3处理工艺改进在装甲防护中的研究

在装甲防护技术研究中，胶粘、焊接等技术的改进也有助于提高其防护水平。大量实践证明，不同的材料之间的连接工艺也会造成材料整体性能的不同。环氧树脂具有稳定性好、成型收缩率低、工艺性好、成本低廉等优点，被大量应用于胶粘剂、电子仪表、轻工、机械、航天航空等领域。但固化后的环氧树脂脆性大，剥离强度低，面对高温、高冲击载荷的环境很容易发生脱落，使其在装甲复合材料上应用大大受限。文献[31]为改善UHMWPEF/CF复合装甲材料的层间粘接效果，采用α-甲基丙烯酸E-5环氧树脂进行改性试验，通过研究催化剂种类、用量、反应温度和反应时间对反应程度的影响，发现改性后平均T剥离强度提高了22.5%。

随着新型防弹车辆设计的发展，对防弹车辆焊缝的强度、塑性、低温韧性和抗弹性能都提出了新要求。而目前高强度防弹钢板的焊接一直采用较软的奥氏体或铁素体焊条焊丝，屈服强度不超过600 MPa，裂纹敏感性很高，在高强度载荷下极易出现起裂和裂纹扩展现象。文献[32]通过对屈服强度1 500 MPa级以上的30MnCrNiMo防弹钢板和配套的两种Ni-Cr-Mo系高强钢实芯焊丝进行斜Y型抗裂性试验，研究环境条件以及不同焊接热输入对高强钢实芯焊丝抗裂性能的影响。研究发现：在不预热条件下，控制环境条件和热输入可以阻止焊丝裂纹起裂与扩展；含Ni量高的焊丝抗裂性能优于含Ni量低的焊丝。

根据短板效应，装甲的总体抗弹性能是由焊接区域的弹道极限决定。文献[33]对传统的气体保护金属极弧焊(GMAW)工艺进行了研究，引入弹道极限预测模块，通过焊态材料的特性预测弹道极限，将原来的五模块系统提升为六模块系统。并通过电阻对焊在经典的装甲材料A46100钢上进行了性能验证，结果表明材料的微观结构分布和A46100上的弹道极限与理论分析一致，大大提高了GMAW工艺。

国外很多学者在探究SiC颗粒大小范围分布和颗粒特性上做了很多研究，结果显示：控制颗粒大小的范围能以一种特有的方式影响材料的断裂性能。文献[34]通过研究发现表面活性剂在烧结SiC陶瓷过程中可以吸附在SiC表面，从而控制C、B和N的烧结比例，是一种值得考虑的控制C需求量的措施，同时能够优化微观结构，减少裂纹。而采用联合沉淀的方法可以进一步降低烧结温度，从而更好控制结构颗粒的大小。两种方法的结合，为改进陶瓷装甲弹道极限性能提供了可能。

4总结与展望

随着材料科学的发展，装甲防护材料的研究与应用日趋广泛，结构复合化一直是防护材料的主要发展趋势。如功能梯度材料(FGM)是一种集高强度与高耐热性于一体的复合结构材料，目前主要应用于航空航天、生物医药、核能、汽车制造等对耐磨、耐高温性能要求苛刻的领域，但凭借其良好的性能，在装甲防护领域也将会有大的发展。综上所述当前装甲防护材料相关研究十分广泛，不论在材料选择还是结构优化方面都有大量研究，但成熟应用还需要进行更多理论实践，获得更多经验和数据。结构复合化和性能综合化将是未来装甲防护材料技术的发展方向。

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(责任编辑周江川)

Research and Development of Armor Protection Technology

QIU Jian1，WANG Yao-gang2

(1.Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China;2.The No. 77193rdTroop of PLA, Chongzhou 611200, China)

Abstract:The research progress of armor protection technology was summarized from three aspects of material, structure and process, and some co-relational studies were analyzed, and the influence on the armor protection and the armor materials development tendency in the future were briefly described. It has important reference value for the scholars to the further study of the armor protection technology.

Key words:armor protection technology; review; development tendency

文章编号：1006-0707(2016)03-0015-05

中图分类号：TJ811

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.004

作者简介：邱健(1987—)，男，硕士研究生，主要从事装甲车辆故障诊断研究。

收稿日期：2015-07-27；修回日期：2015-08-20

本文引用格式：邱健，王耀刚.装甲防护技术研究新进展[J].兵器装备工程学报，2016(3):15-19.

【装备理论与装备技术】