复合材料在坦克装甲防护中的应用

1999年 玻璃钢/复合材料 1999第3期 Fiber Rein forced Plastics/C om posites №3

复合材料在坦克装甲防护中的应用

黄　英　刘晓辉　李郁忠

(西北工业大学　西安　710072)

摘要:　坦克装甲防护复合材料是主战坦克防护系统的重要组成部分,本文介绍了几种目前用于主战坦克装甲防护用聚合物基复合材料,着重阐述了其特点及应用现状,并指出了未来的坦克装甲防护系统中复合材料的应用趋势。

关键词:　坦克装甲　复合材料　防护

1　引　言

坦克问世已经80多年,从第一次世界大战中的初露锋芒,到90年代世界各国进行新概念坦克的预研,它的发展史可以看成“甲”与“弹“的斗争史。目前研制的新一代坦克与现有的坦克在许多方面不同,它的装甲防护越来越强,生存力和杀伤力大幅度提高,但未来的地面和空中反坦克火力、穿破甲威力也将有长足的发展,因此,了解目前坦克防护系统的发展状况和未来的坦克装甲防护措施,是提高坦克防护水平的重要前提。

2　几种典型的聚合物基坦克装甲防护复合材料

坦克装甲的作用主要是抵御动能穿甲弹、空心装药破甲弹和核武器的贯穿辐射。坦克某一部位的装甲防护能力,与装甲材料的性能、厚度、结构、形状等因素有关。目前,坦克采用的装甲有均质装甲与非均质装甲两大类。均质装甲是采用化学成分、金相组织和机械性能基本相同的中碳钢与轻合金制成的。非均质装甲又分复合装甲、表面硬化装甲、屏蔽装甲、反应装甲。由于大威力穿甲弹和高能破甲弹的发展,对均质钢穿深已接近650mm,破甲达到1000mm以上,而具有潜力的非均质装甲,如多功能复合装甲的研制日益受到重视,其中聚合物基复合材料的应用也日趋广泛,本文将对其中几种典型材料做一介绍。

2.1　玻璃钢用于坦克装甲防护

美国从二次大战时就已开始进行玻纤增强塑料装甲的研究,并研制成功了玻纤/聚酯装甲材料。80年代出现的S-2玻纤复合材料可作为较廉价的抗弹装甲材料。对于同一口径、同一种类的弹丸,玻璃钢复合装甲的抗弹能力可达到钢的3倍以上。美国陆军材料与力学研究中心(AM MRC)用它制造履带和轮式车辆的结构装甲。美国弗里曼公司用丙烯酸-异氰酸酯互穿网络聚合物(IPN)树脂作复合材料的基体与S-2制造厚层压板,以制造防弹装甲。原苏军用玻璃钢复合装甲装备T-72、T-64Б和

T-80坦克,这些坦克的车首上装甲是钢+钢+玻璃钢+钢+内衬的五层结构,这种复合装甲可以吸收动能弹的大量能量。德国的布洛姆-福斯公司也研制了类似的结构系列,其中一种已装在德国陆军和丹麦陆军的“豹”1A3主战坦克上,它的防护能力达到采用焊接炮塔的“豹”1A4主战坦克的水平,同时也为AMX-30和M48坦克以及M113装甲车研制了此类装甲。玻璃钢、塑料、钢和陶瓷等材料制成的复合装甲除用于坦克装甲车辆外,还可用于各种载重汽车和后勤支援车辆上的模块化装甲,以防枪弹和炮弹破片。在武装直升机、运输机和通信联络直升机上玻璃钢也用于装甲防护复合材料结构中。

图1　弹丸在多层复合材料结构中产生冲击波及其传播示意图复合装甲即为在钢装甲间夹着按一定比例和厚度配置的陶瓷、铝合金和纤维等抗弹材料的多层结构。各层材料、厚度、连接方式、细微结构和形状等的不同组合可获得不同的防护效果。玻璃钢用于复合装甲有下面三种典型的型式:(1)夹层复合装甲,即在面板与背板之间有玻璃钢夹层(图1),当破甲弹引爆后,射流将穿过双板结构,产生的冲击波在双板之间反复反射和透射而发生振荡,从而使背板沿法线方向发生弯曲变形,对射流产生持续的侧向干扰作用,使射流的侵彻

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能力大大降低;(2)蜂窝复合装甲,玻璃钢为基体,基体内的钢筋呈椭圆形截面,此种钢筋起到进一步阻止弹丸侵彻的作用;(3)多层复合装甲(图2),第一层的细钢丝网层可以剥去弹丸的外壳,第二层的高模量钨丝网可使弹芯破裂,并由后三层装甲大量吸收收能丸的能量,以阻止弹丸侵彻

。

图2　多层复合装甲结构图

2.2　工程塑料用于坦克装甲防护

为适应未来战争的需要,除应首先考虑多功能复

合装甲和车体结构材料外,还要求坦克车辆具有多功能内衬与隔舱化防护。因为坦克装甲车辆一旦被击穿,穿甲和射流以及强大的冲击波会引起二次杀伤,并会起火引爆车内的弹药和油料,若遇中子弹袭击还会有核辐射,这将对乘员生命和作战能力构成重大的威胁。在同反装甲武器的竞争中,坦克装甲采用了在间隔中设置水、柴油和弹药等物质的间隔装甲,由纤维、陶瓷和塑料等材料组成的复合装甲,以及钢板中夹炸药的爆炸反应装置。这些装甲组成的材料含有大量氢、碳和氧元素,可吸收中子,在抵御反坦克武器的同时,不同程度降低了中子弹对乘员的危害。据有关方面的研究,约2cm 厚的特制塑料层,能减弱中子攻击1000倍。国外已将含铅泡沫塑料、铝与聚甲基丙烯酸甲酯复合物以及聚氯乙烯等的混合物分别用作前苏联T -72坦克、德“豹”2坦克与英国装甲车辆的中子防护

层。另据报导,在复合装甲的尼龙材料中添加重核元素和快中子慢化剂及慢中子吸收剂,可以吸收、屏蔽中子,取得较好的防中子辐射效果。

坦克车辆中可以利用的空间有限,致使采用金属材料加工形状复杂的油箱比较困难,故可采用工程塑料来成型防弹油箱。如采用泡沫聚氨酯、聚乙烯及玻璃纤维增强环氧树脂制成防弹油箱。以色列的“梅卡瓦”坦克采用玻璃钢制的防火弹药箱,也起到了较好的防护效果。

2.3　K evlar 纤维复合材料用于坦克装甲防护

对于主战坦克的设计来说,坦克重量的限制是一

个棘手的难题。要提高其防护能力,必须加厚装甲,但这样不仅增加坦克重量,影响其机动性能,同时又会妨碍其它装置的设计。由于K evlar 纤维的比重比玻璃纤维约小一半,在防护能力相同的情况下,其重量可减少近一半。在给定重量下的K evlar 纤维层压板防弹能力是钢的5倍左右,并且K evlar 纤维层压薄板的韧性是玻璃钢的3倍,故在受到弹丸攻击时,可吸收大量的冲击动能,是钢、铝、玻璃钢装甲的理想代用品,但价格较高。

近年来,K evlar 纤维复合材料已用于装甲材料,如美M -1主战坦克采用“钢-K evlar -钢”型的复合装甲。它能防中子弹、防破甲厚度约700mm 的反坦克导弹,还能减少因被破甲弹击中而在驾驶舱内形成的瞬时压力效应。在M1A1坦克上的主装甲也采用K evlar 纤维复合材料制造,可防穿甲弹和破甲弹。在美M113

装甲人员输送车内部结构的关键部位装K evlar 装甲衬层,可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击或侵彻提供后效装甲防护。

各国在坦克易中弹的炮塔和车体各部位,普遍安装附加装甲和侧裙板。现也可采用K ev1ar 纤维复合材料制成“拼-挂”式附加装甲的背板,以提高铝装甲或钢装甲防弹及防破片的能力。制造附加装甲的K ev1ar 纤维层压薄板通常含有9%～20%的树脂.在重

量相同的情况下,K evlar 与铝甲板的复合装甲的防护力较铝装甲大一倍。由于K evlar 纤维复合材料具有上述特点,目前美国已订出K evlar 纤维复合装甲的技术规范。

3　复合材料在坦克装甲防护中的应用

　趋势

随着自动化技术和智能技术的不断发展,未来的主战坦克将在更加复杂、恶劣的环境中作战,在这种环境中,主战坦克若要克敌制胜,提高生存力,在考虑基本设计之外,应综合运用各种先进技术,其中装甲防护是坦克获得生存力的主要手段之一,而现代装甲技术的迅速发展,与高技术、新材料的发展息息相关,下面将着重介绍在未来坦克装甲防护中复合材料的应用。3.1　采用复合材料制造坦克车体、炮塔,以提高其机

动性

装甲和反装甲武器之间的激烈竞争,使目前各国的坦克装甲不断加厚、加重,导致坦克的重量剧增。目前,各国现役的新一代主战坦克,重量一般达到50t 左右,影响坦克机动能力的提高。美国己试验成功增强塑料车体的步兵战车,如复合材料“布雷得利”步兵战车的车体重量比常规车体轻27%。据计算,采用复合材料的装甲车装甲重量将减少35%～40%。采用复合材料装甲不但能减轻重量、降低成本,而且可增加战斗负荷,提高战场生存能力。普通坦克常因中弹着火

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