鱼和熊掌兼得 新材料让装甲车高防高机动

2016-07-21  来源:复材在线  作者:复材在线  浏览次数:1766 加入收藏   |  分享

近年来,中国维和行动日渐频繁,承担大国责任。不过,派遣的维和部队官兵,自然不是像韩剧那般,而是切实身处错综复杂的战场。就在7月11日,中国驻南苏丹维和部队一辆装甲车被炮弹击中,导致2名士兵牺牲,5人受伤。  被击中的...

  近年来,中国维和行动日渐频繁,承担大国责任。不过,派遣的维和部队官兵,自然不是像韩剧那般,而是切实身处错综复杂的战场。就在7月11日,中国驻南苏丹维和部队一辆装甲车被炮弹击中,导致2名士兵牺牲,5人受伤。


被击中的装甲车是国产92B型6×6轮式步兵战车,此次击中这辆步兵战车的可能是一枚60毫米口径迫击炮,炮弹从战车顶部直接击穿装甲,并在车内发生爆炸。

  只能说,维护士兵的运气并不好。轮式步兵战车从设计上,并不是以高防护,而是高机动。不像坦克,步战车遇上重武器需要借助战车的高机动规避。

  此外,由于在战场中,顶部被击中的概率非常低,所以不管是坦克也好,还是步战车,顶部是防护能力最薄弱的部分。这种步战车顶部基本只能防步枪弹,所以车内乘员想全身而退,就很困难了。

  话说回来,以前的装甲车辆,要高防就没有高机动,要高机动就没有高防。所以就有突出高机动的轻型坦克和突出高防大火力的重型坦克。不过,在各式各样的装甲新材料的努力下,高防高机动也不再是鱼和熊掌。

  金属防弹材料可能是装甲车自诞生起就一直采用的装甲材料。随着武器的发展,金属防弹材料从普通的钢板发展到高硬度钢、双硬度钢,以及铝合金、钛合金,其防护能力不断提升。

 


上图是国外几种典型高硬度、超高硬度装甲钢的性能。

  理论上,要想取得更好的防护能力,把钢板加厚就可以了。但过重的装甲使其不易操作,灵活性降低,发动机故障率升高。二战期间出现的重型、超重型坦克,实战证明机动性太差的怪兽们在战场上发挥的作用有限。既可以让装甲车辆轻起来,又可以“肉”起来,还得靠其他材料帮忙。

  除了钢之外,铝合金、钛合金也是很好的装甲材料。铝比钢轻,使用铝合金装甲代替钢装甲,在不降低抗弹性能的情况下,一般可减重 20% 左右。美国铝业巨头美铝近年来接到美国陆军巨额订单,为其提供铝合金装甲解决方案。但铝合金的熔点低,高温下容易软化,铝颗粒会燃烧,碎裂强度也要低于钢装甲。

  钛合金密度仅是钢装甲的60%,但其强度可与钧质钢媲美,韧度也要优于大多数铝合金装甲。当然,钛合金也有自己的烦恼——太贵,难加工。

  为了提高防护能力,现在经常不使用均质装甲(即该装甲使用同一种材料制作而成),例如铝钛多层复合、铝钢复合以及陶瓷、复合材料与金属材料结合等等。

  陶瓷具有很高的硬度和抗压强度,有利于抵挡高速穿甲弹,而且它的密度较钢小,所以有利于减轻装甲重量。

  但是陶瓷是一种脆性材料,所以它不能作为单独的装甲材料,而是与金属或者纤维一起做成复合装甲。而且,复合装甲通常使用模块化的陶瓷块,如此某块陶瓷被击碎,其他陶瓷仍然有效。

  目前,用于防弹的三大陶瓷材料是氧化铝(Al2O3)、碳 化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。它们的优劣势也非常明显。

  因成本优势而广泛使用的氧化铝装甲,目前最有可能取而代之的是碳化硅。而在不太考虑成本,减重优先的领域,碳化硼复合装甲得以应用。

  不过,用于装甲的陶瓷材料塑性差、断裂强度低,不能二次仿弹,二次成型加工困难,所以使用局限非常大。因此,当前陶瓷装甲研究的重点是解决其韧性差及成本高的问题。例如现今出现的陶瓷梯度材料,通过特殊工艺让陶瓷和金属的复合物组分、结构能连续地变化, 使其由陶瓷侧过渡到金属侧形成一种物性参数也连续变化。陶瓷梯度材料比起陶瓷面板与金属背板组合的复合装甲抗弹性要优异得多了。

  树脂基复合材料也是轻量化装甲材料的良好解决方案。早在二战,美国就已经成功研制了玻纤/聚酯装甲材料。目前树脂基复合材料应用纤维主要是E玻璃纤维、S玻璃纤维及芳纶纤维。

  高性能玻璃钢被看作是第一代复合装甲材料,早在二战就开始装备。它们的抗弹能力可达钢的数倍。最早前苏联研制的T-64主战坦克车体用的是钢-玻璃钢-钢的复合装甲,最早使用复合装甲的装甲车之一。当然,它们的重量相对来说在纤维里边并不占优。

  芳纶纤维,更为人熟知的名字是美国杜邦的品牌——凯夫拉(Kevlar),在减重方面更甚于玻璃纤维。同质量情况下, 芳纶复合材料的抗弹能力是玻纤复合材料的 2~3 倍、 钢的 5 倍左右。 在防护能力相同的情况下, 用其制成的防弹材料重量至少可减少 1/3 以上。

  美国陆军主战坦克M1就是用芳纶纤维层压板与钢板复合作为装甲,可防防破甲厚度约 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。在不仅如此,装甲车内的关键部位也可以装备芳纶纤维复合材料,提供后效装甲防护。

  在已开发的高性能纤维中,UHMWPE(超高分子量聚乙烯) 比水的密度还低,是芳纶的 2/3、 铝的 1/3 和钢的 1/8。除了轻之外,高强度、 高模量、 低伸长,使得它成为目前公认的防弹性能最好的纤维,不过在应用场景不如芳纶纤维多。


同样,上面提到的复合材料,也是不能独立抵抗穿甲弹等反装甲武器的。所以复合材料是作为复合装甲中间材料出现。例如最早前苏联研制的T-64主战坦克车体用的是钢-玻璃钢-钢的复合装甲,最早使用复合装甲的装甲车之一。而后的T-80U坦克采用了钢板与玻璃纤维复合材交替叠加,共5层复合。

  除此之外,装甲车辆还发展了隐身材料、反应装甲、智能装甲体系来提高战场生存能力。

  以后,装甲材料应该仍然会朝着更轻防护性能更好的方向发展。

 

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