装甲防护衬层及相关材料研究进展

陈东，包睿，李鹏

（1.陆军装备部航空军事代表局驻成都地区航空军事代表室，成都 610036；2.西南技术工程研究所，重庆 400039）

大量统计数据表明，导致装备损毁和人员伤亡的原因80%为破片或其引起的“二次爆炸”所致，而枪弹直接导致的伤亡只占少数[1-4]。坦克装甲车辆面临着各种弹药的威胁，弹药击穿车辆基体装甲后，基体装甲和弹头破碎，产生高速破片或崩落破片，并呈锥形高速前行，从而造成车辆内部大面积人员伤亡和装备损坏[3,5-6]。

在装甲车辆内部安装防护衬层是一种重要的防护方案，在地面机动装甲综合防护体系中占据重要地位。防护衬层的作用主要体现在：当弹丸穿甲性能处在弹道极限内时，防止弹丸碎片或装甲材料崩落的破片飞入车内，同时其本身不产生二次破片；当弹丸穿透装甲时，可以有效降低弹丸破片的动能，从而提高乘员的生存能力[5-7]。本文将从装甲防护衬层研究现状、装甲防护衬层防护机原理以及防护衬层材料3 个方面进行阐述，并着重总结装甲防护衬层材料研究进展。

1 装甲防护衬层应用现状

为满足复杂战场中保护装甲装备和士兵安全的需求，国外率先开展了装甲防护衬层技术的研究，现已经历了3 代发展，相关研究较为成熟[8-10]。防护衬层也从单一性能逐渐朝着多功能一体化方向发展，其核心设计思想是综合应用各种防护/材料技术实现防中子辐射、防弹和防破片等多种功能[11]。

目前，世界各国坦克装甲车辆均配备了防护衬层。例如，美国M1A2 主战坦克、M2/M3 布莱德利战车、M113 装甲输送车等在车体和炮塔乘员舱、战斗舱内壁安装了防破片衬层（如图1 所示）；德国的“豹II”A4 坦克炮塔内部也装有防破片衬层，“山猫”履带式步兵战车车辆内部采用了破片衬层，IBD 戴森罗特工程公司设计的模块化防护概念中，MAP-L 衬层系统仍是其重要组成部分。

图1 美国M113 装甲输送车车体采用衬层防护Fig.1 American M113 armored transport vehicle body with liner protection

2 装甲防护衬层防护原理

2.1 防辐射原理

现在战场中，装甲车将面临来自空中和地面各种反装甲武器的火力攻击，甚至面临大规模战术杀伤武器——中子弹的威胁，其爆炸会产生强辐射作用，若未采取有效措施，会对装甲车辆乘员产生极大的杀伤作用。因此，使用具有中子屏蔽功能的防护衬层可有效保护成员免受伤害[12]。

具有中子屏蔽功能的防护衬层主要通过对快中子减速和慢中子吸收来降低中子能量，其中快中子减速是降低中子能量的主要途径。中子经过减速之后，能量大大降低，当能量降低至被特殊元素吸收时，就完成了对中子辐射的防护[13-15]。国内外大量研究表明，中子屏蔽材料中氢含量越高，防中子辐射的效果会越好[16-17]。

2.2 抗弹、防破片机理

作为防护产品，防弹、防破片性能为防护衬层最基础且最重要的功能。在此基础上，进行多功能协同设计，确保防弹、防破片性能和防辐射等性能兼具。因此，对防护性能相关机理的研究仍是学者们研究的重点。

在防弹、防破片方面，装甲防护衬层通常采用多层复合结构，层与层间通过粘接或夹层等方式连接起来，防护机理更复杂。为提升防护衬层的性能，学者在防护机理上做了大量的研究。Naik 等[18]和陈磊等[19]对弹体、破片在侵彻过程中的机理进行了研究。弹体、破片接触防护衬层的瞬间，与衬层内部纤维触点间会产生强烈的应力波，能量会以沿纤维轴向的横波和沿厚度方向的纵波2 种形式传递[20-21]，传播形式如图2 所示。脉冲形式的横波传播至基体与纤维交错点，两者的相互作用使得能量向多个方向上扩散开来，从而大面积损耗更多的能量[22]。厚度方向的纵波首先对防护衬层起压缩作用，并在纤维与基体的界面产生使压缩应力转化的放射作用，转化后拉伸应力波的传递会通过纤维分层、断裂及界面失效形式将能量消耗[18]。

图2 冲击应力波在纤维复合材料中的传播形式Fig.2 Propagation mode of impact stress wave in fiber composites

随着弹体、破片对防护衬层更加深入侵彻，纤维受到拉伸作用，来自弹体、破片的动能转化为纤维弹性势能，能量被进一步消耗。当纤维的应变大于其极限应变时，则纤维断裂[20,23]。如弹体、破片动能仍未被耗尽，则进一步侵彻下一层，直至被完全消耗。从防护衬层的损伤形式分析，防弹体、破片的过程可分为3 个连续的阶段，如图3 所示[24]。首先，防护衬层出现冲塞剪切破坏；其次，材料局部变形，纤维拉伸断裂失效；最后，纤维与基体间的部分界面失效，扩大后形成分层，同时纤维受拉断裂仍然存在[25-26]。

图3 弹击后复合材料的破坏过程Fig.3 Damage process of composite after projectile impact

综上所述，装甲防护衬层的防辐射、抗弹、防破片机理是通过材料选择、结构设计以及参数调整等方式来实现的。深入研究其防护机理，并针对性进行结构设计可以最大限度地提升衬层的防护能力，为装甲车辆和士兵提供全面的防护保障。

3 装甲防护衬层材料研究进展

高性能纤维复合材料技术的发展推动了防护衬层的升级换代。使用高强、低密度的纤维作为增强体，低弹性模量的韧性树脂作为基体，复合制备的衬层可赋予其优异的防护性能[27-28]。由于增强体和树脂基体之间的力学性能呈数量级别差距，增强体性能的少量提升可以显著提高防护衬层的防护性能，因此更多国家和学者将研究重点聚焦在高性能纤维的研究与开发上。随着武器装备对轻量化、高防护性能衬层的迫切需求，研究高性能纤维复合材料迅速成为解决轻量化与高防护这一矛盾的重要措施之一，也是近几十年来装甲防护材料技术发展的重点[11,29]。目前，用于制备高性能防护衬层的纤维主要有玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、聚苯并双噁唑纤维（PBO）等[8,10,28]。

3.1 玻璃纤维

玻璃纤维是最先应用于防弹、防破片领域的纤维，由其制备的复合材料具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，兼具优异的抗弹、隔热、降噪等功能[27,30]。因此，广泛应用于装甲车体和防护衬层的制造，提高乘员和车内设备的安全性和防护性能。

刘国权等[31]使用S-2 型高强玻璃纤维作为增强体，制备了环氧树脂基复合材料，在40 kg/m2面密度情况下，进行56 式冲锋枪7.62 mm 钢芯弹侵彻试验。通过对测试后的样件微观组织研究分析发现，复合材料主要通过分层和纤维断裂来吸收能量，纤维与树脂基体的合理匹配可大幅提升其抗弹性能[32]。Santanu Choudhury 等[33]对低温下的玻璃纤维增强树脂基复合材料的抗弹性能进行了评估，结果表明，低温下复合材料吸收能量和损伤程度相差不大，这一结果也为玻璃纤维制备的防护衬层在低温下的使用提供了依据。

杜忠华等[34]对玻璃纤维复合层压板的抗弹性能进行了研究，并给出了此类层合板弹道性能v50的预测公式，建立了纤维层合板与防护性能的关系，见式（1）。

式中：v50为弹道极限速度；μ为材料的泊松比；σT为背板的动态屈服应力；D和m分别为弹径和质量；E为材料的弹性模量。

李中泽等[35]运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了射流侵彻玻璃纤维复合装甲模型，采用测量剩余穿深DOP 的方法分析了复合靶板在不同夹层厚度、不同倾角的情况下对射流的干扰能力。结果表明，在增大玻璃纤维层厚度的情况下，抗侵彻性能提升较小，同一角度下不同玻璃纤维层厚度的剩余穿深差值仅为标准穿深的4.2%。同一夹层厚度情况下，复合装甲的抗侵彻性能随着倾角增大显著提升。倾角为68°时，防护性能最佳。同时，由于玻璃纤维的密度较高，随着装备对轻量化需求的提升，一定程度上制约了其在防护衬层领域的应用。

3.2 芳纶纤维

芳纶纤维全称芳香族聚酰胺纤维（Aramid Fiber，AF），其分子链上有超过85%的酰胺键与苯环结构直接相连，特殊的共轭结构赋予了芳纶纤维更高的拉伸强度和耐热性。

芳纶纤维主要分为2 种，分别为对位芳酰胺纤维以及间位芳酰胺纤维。其中对位芳酰胺纤维具高度取向分子链结构以及高结晶度，所以纤维具有高强度和高模量的特性，在抗弹、防破片材料上得到了广泛应用，其结构式如图4 所示[36]。此外，相较玻璃纤维，芳纶纤维的密度进一步降低，而防护性能却进一步提高。良好的防碎片性能、优异的阻燃性能，且纤维本身较高的含氢量，可以保证由其制备的防护衬层具备良好的防中子辐射性能[5,10]。这一系列的优势，使得芳纶纤维在提高装甲车辆的机动性和防护能力上起着日益重要的作用，是用于装甲防护材料的主要选择之一，也引起了国内外防护学者的兴趣[10]。

图4 对位芳酰胺纤维分子结构式Fig.4 Molecular structure of para aramid

马武伟等[37]利用4.5 g 的FSP 破片模拟弹对不同芳纶纤维制备的防护衬板的防弹性能进行了研究，结果表明，在破片冲击下，防护衬板主要以鼓包和纤维拉伸断裂破坏的形式吸能，同时纱线的线密度与织物断裂强度和样件防护性能呈线性关系[38]。Wang等[39]通过模拟仿真加实验的形式研究了不同旋转角度下芳纶复合材料的冲击吸能情况，结果表明，随着纤维铺设角度的增加，基于厚度方向上更多主纤维参与冲击吸能作用，同时平面内的基体以增加纤维相互作用面积有效降低局部冲击能，并利于能量的吸收耗散。

李英建等[40]对环氧树脂增强芳纶纤维复合材料进行了抗弹测试，在弹击的相邻区域取样，研究了弹击对复合材料拉伸性能和弯曲性能的影响。结果表明，弹击对复合材料结构性能有不同程度的影响，相对于拉伸性能，弯曲性能的下降幅度更大。相对于离弹击区域最远的部位，材料离弹击区域最近的部位，拉伸强度和拉伸弹性模量分别降低了14.6%和6.4%，弯曲强度和弯曲弹性模量分别降低了45.3%和57.3%。距离弹击点30～60 mm 外的区域，材料的结构性能基本不受影响。

李茂等[41]使用面密度为60 kg/m2的芳纶纤维复合材料和钢板组成多种夹心式复合装甲结构，并研究了其在初速为1 630 m/s 的破片下的抗侵彻性能。研究发现，当芳纶复合材料和钢板间存在一定间隙时，可以更有效地分散破片的动能，降低破片整体的侵彻力，这一研究结果为防护衬层的安装提供了重要的技术支撑。杨小兵等[42]研究了影响芳纶复合材料抗弹性能的主要因素，结果表明，在等厚度条件下，预浸料铺层的层数与靶板密度成正比。

虽然芳纶纤维复合材料由于其优异的性能被广泛应用在装甲防护领域，但其存在耐水性较差、耐紫外线照射持久度较低等问题。这些都会影响装甲防护材料的使用寿命，特别是在一些严酷的战场环境中（比如阳光暴晒、湿热等）更会加速芳纶复合材料衬层的失效。鉴于此，目前以UHMWPE 纤维作为主要材质的装甲防护材料逐渐成为研究的热点。

3.3 UHMWPE 纤维

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维为聚烯烃纤维的一种，其分子量通常在500 万到600 万之间，是继芳纶纤维之后又一高性能纤维[43]。UHMWPE纤维具有很多优点，如纤维密度低，仅0.97 g/cm3，这为装备轻量化提供了更多可能性；比强度、断裂伸长率高，具有良好的抗冲击性能和防弹性能，同等面密度下，其防弹能力比芳纶的装甲结构高 2.5倍左右[22,29]；稳定性良好，耐化学性好，耐酸耐碱和耐候性也格外优异，无论是在日晒下还是在低温下使用，仍能保持优良的力学性能[44-45]，具有良好的环境适应性，现已在防弹产品中得到广泛应用。

目前对UHMWPE 纤维织物抗弹、防破片复合材料的研究主要集中在抗弹材料的冲击响应和破坏机理方面[44]。UHMWPE 纤维复合材料的冲击响应和破坏机理复杂，主要与织物结构、铺设角度、冲击速度等因素有关[46]。高恒等[44]采用UHMWPE 单向无纬布（UD 布）、2D 织物及UD/2D 织物制备了高性能复合衬板，研究了织物结构对抗弹性能影响。研究发现，UD/2D 织物复合结构在弹击之后，复合衬板结构完整、背凸较小，同时背凸位置附近纤维排列有序，利于衬板抗多次打击。余毅磊等[47]研究了UHMWPE 背板铺设角度对抗弹性能的影响，结果表明，复合靶板整体结构刚度与铺设角度存在相关性，角度越小，刚度越大，并且随着铺层角度的减小，背板能在较大面积上分散吸收能量，表现为锥形角度较大，背凸高度降低。UHMWPE 纤维虽然具有较高的韧性以及比模量，但其自身也存在刚性较差的问题，特别是在较高温度下的蠕变会使得制品在受到冲击时的背凸值变大，从而影响士兵生命或装甲防护材料的正常使用。

3.4 聚苯并双噁唑纤维（PBO）

PBO 纤维作为21 世纪超性能纤维，具有十分优异的物理力学性能和化学性能，其强度、模量、耐热性和阻燃性都远远超过UHMWPE 和芳纶纤维，且耐冲击性能较芳纶纤维和碳纤维要高很多，被视为新一代装甲防弹纤维[48-49]。另外，PBO 纤维还具有热稳定性高、耐化学性优良、质轻而柔软等特性[50]。PBO纤维增强复合材料有可能成为继玻璃纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维之后的第四代抗弹纤维复合材料，也是未来最具有竞争力的抗弹纤维之一[51]。由于其价格高昂及制备复杂，使得PBO 纤维在装甲防护方面的应用只是处于实验性研究阶段，具体应用还未见报道，但有可能成为今后装甲防护衬层材料的发展趋势之一[52]。

3.5 混杂纤维复合材料

单一纤维在使用过程中存在各种各样的问题，为了解决这一问题，学者们开始采用多种纤维混杂编织技术[53]。将多种纤维复合，可以弥补单一纤维的性能缺陷，利于提升材料的综合性能[54]。另外，低成本纤维和高性能、高成本纤维混杂进行防护衬层的制备，可以降低材料成本，更具有实用性[11,54]。

肖文莹等[55]利用LS-DYNA 非线性动态显示有限元软件建立了芳纶/UHMWPE 混杂纤维单元模型，通过试验加仿真的形式验证了混杂比对抗弹性能的影响。研究发现，当芳纶和UHMWPE 混杂比为1:1 时，更能很好发挥混杂纤维的协同效应。Muhi等[56]对混合E-glass/Kevlar 29 复合层压板的弹道性能进行了实验和分析研究，结果表明，加入凯夫拉纤维杂化E-玻璃纤维能有效提高复合材料层合板的吸能能力。易凯等[54]利用热压罐成形工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维层板，并考察了其抗弹冲击性能。曹俊超等[57]研究了混杂纤维自动铺丝对环氧树脂复合材料层合板高速冲击时效行为的影响，并建立了高速冲击有限元模型，接着建立了复合材料层合板的渐进损伤本构模型。研究结果表明，混杂纤维可以大幅提升环氧树脂复合材料层合板在高速冲击下的防护性能。此外，他们还研究了不同混杂比层合板的高速冲击模拟，分别得到了相应的临界穿透速度。

4 结语

从装甲车辆防护衬层产品和研究情况来看，仍有很多需要完善和攻关的技术问题，建议在以下几个方面发展与提升。

1）加强新型防弹、防破片纤维材料的研发。装备发展，材料先行，高性能纤维研发是推动防护衬层升级换代的重要抓手。紧跟国外步伐，追踪PBO 纤维、M5 超级纤维、纳米纤维等高性能纤维研发情况，特别是目前强度最高、综合性能较好的PBO 纤维，突破其低成本制备难点及关键点，加大难点与核心技术攻关力度。

2）加强新型防弹、防破片纤维材料工程化应用研究。目前可用于防弹和防破片的高性能纤维仍存在力学性能低、批次稳定性差、生产成本高等问题，限制了其在防护领域的广泛使用。因此，亟需优化其制备工艺，持续突破当前其力学性能极限，提升批次稳定性，降低生产成本。

3）加强新型防护衬层结构设计的研究。现代坦克装甲车辆对防护衬层的功能需求越来越高，从最开始的单一功能发展到了现在的集多功能于一体。多功能集成对新型防护衬层的结构设计提出了更高的要求，应加强加快层间混杂、旋转铺层等新型结构设计研发进度。