复合材料在装甲装备中的应用浅析

【摘要】介绍了复合材料装甲的优点、防护机理及其在武器装备中的重要性。指出未来先进复合材料装甲的研究发展趋势。

【关键词】复合材料；复合装甲；武器装备

中图分类号：E27 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）07-1921-01

从古到今，被用作装甲防护的材料很多，具有代表性的主要还是金属（主要是特种钢、铝和钛合金等）、陶瓷等无机材料和玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料和陶瓷/复合材料超混杂防护装甲体系。由于先进复合材料的密度小、防护性能高、制造工艺简单，自然成为新型轻质防弹装甲的首选材料。设计得当的先进复合材料装甲，在同等重量的情况下，其防弹能力可达到钢装甲的数倍，即在防护等级相同的情况下，先进复合材料装甲之重量可比钢装甲轻很多。为此很有必要开展防弹复合材料及其在武器装备中的应用研究。

一、先进防护装甲的防护机理

用于装甲结构的纤维复合材料主要包括玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维增强复合材料及由它们组成的混杂纤维增强复合材料。用于制备防弹复合材料的基体可以是热固性树脂，也可以是热塑性弹性体，使用较多的是环氧树脂、聚酯树脂、改性酚醛树脂、乙烯基树脂、离子型聚合物、聚乙烯醇缩丁醛等。通常可以几种树脂基体混合使用，以得到最佳的防护性能。其中混杂纤维增强的复合材料比单一纤维增强的复合材料的抗弹性能要高15%～25%，且具有隐身特性，成本也有较大幅度的下降。这些材料已开始在现代装甲车辆的复合装甲结构中使用。

（一）纤维复合材料装甲的防护机理

纤维复合材料装甲主要采用层压工艺成型，当弹丸侵彻层压板时，层压板经过以下几个破坏阶段：

1.拉伸破坏阶段。纤维受到拉伸变形，弹丸的部分动能转化为纤维的断裂能。

2.剪切破坏阶段。层压板受到弹丸的侵彻作用，沿厚度方向被剪成细小颗粒的“冲塞”。这种剪切破坏吸收了弹丸的大部分动能。

3.分层破坏。垂直于层压板表面的冲击载荷产生了应力波，应力波沿受冲击纤维的轴向及纵向传播，至纤维交叉处又传播给交叉纤维，它们就是以这种方式来传递和吸收能量的。这一过程在某种程度上受到基体树脂的抑制。

4.熔融破坏。玻璃纤维和芳纶纤维的熔点较高（玻璃纤维的熔点约为1200℃，芳纶纤维的熔点约为500℃，在分解温度下不熔融），不会出现熔融现象。而UHWMPE纤维的熔融温度较低（约为138℃），当层压板受到侵彻时，由于摩擦作用产生热量，温度一超过UHWMPE纤维的熔点，纤维即被熔融，导致纤维断裂。以上这四种破坏方式使弹丸的动能转变为层压板的应变能，降低以至全部吸收弹丸的动能，阻挡了弹丸的前进，从而起到防护作用。

（二）超混杂复合材料装甲的防护机理

超混杂复合材料是将片状金属、陶瓷与纤维增强树脂混杂复合的一种抗弹结构材料。可以是层间混杂，也可以夹心混杂。如碳纤维增强环氧一铝层间混杂复合材料。纤维增强树脂一陶瓷超混杂复合材料是目前优异的抗弹材料。欧洲专利公布的一种适用于战车、主战坦克、飞机的防弹装甲结构是一种典型的超混杂复合材料结构。

典型的先进复合装甲结构是以陶瓷为面板，纤维复合材料为背板，中间用胶粘剂粘接，陶瓷表面覆盖一层尼龙布止裂层。这种结构的防护机理是：当弹体侵彻装甲时，首先撞击到陶瓷面板，利用陶瓷的高强度、高模量、高压缩强度来破坏弹体，降低弹体的速度，增大弹丸与装甲的作用面积，同时破坏的陶瓷与弹体相互磨蚀，阻止弹体的进一步侵彻；然后利用复合材料背板良好的冲击性能和变形能力来吸收弹体和破碎陶瓷的剩余能量，使弹体不能穿透背板，从而达到防护的目的。

二、先进复合材料装甲的发展趋势

尽管UHWMPE纤维已在弹道防护领域成为一种非常有竞争力的材料，但在耐热性、界面粘接、热膨胀和阻燃等方面与芳纶纤维相比存在着很大的不足。就目前的实际使用来看，芳纶在弹道防护领域中的使用远大于UHWMPE纤维。

90年代由东洋纺织公司与其他公司合作研制的聚苯纤维，其强度、模量、耐热性和阻燃性都远远超过UHMWPE纤维和芳纶纤维，其比强度和比模量超过了钢丝。预测它将是21世纪是最有竞争力的抗弹纤维之一。

国外发达国家都斥资研究且开发聚酰亚胺纤维及其复合材料，而且将它用于高尖端行业。西欧和美国考虑用它作为装甲部队的防护服和飞行服。防弹用复合材料中的树脂含量一般都较小，以使材料具有较高的防弹效率。复合材料背板既要有足够的刚性支撑面板，又要有本身的高能量吸收，因此，背板设计需采用混杂纤维复合材料进行梯度设计才能达到优化。混杂复合材料是今后防护材料发展的一个方向。复合装甲、间隙装甲、反应装甲和智能装甲中大量使用陶瓷和树脂基复合材料，使装甲水平有了新的飞跃。