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陶瓷装甲的发展(上)
2010-05-18 14:40:04 来源: 作者:孙耀峰 【 】 浏览:5852次 评论:0

 

陶瓷材料具有硬度高、质量轻的优点,其对动能弹和弹药破片的防御能力都很强,目前已成为一种广泛应用于防弹衣、车辆和飞机等装备的防护装甲——

基本特点及早期应用

陶瓷已经有数千年的历史,其是一种经高温烧制的材料,但应用在装甲车辆上的现代陶瓷并不等同于我们日常使用的陶器或瓷砖,主要是强度有很大差别。现代陶瓷的强度非常高,优于目前强度最高的钢(见图表),但其也有弱点,在受拉时很容易断裂,只能承受极小的拉伸变形。如果陶瓷局部受拉力作用,内部将会出现裂纹,进而引起整块陶瓷碎裂。因此,将陶瓷用于车辆装甲板时必须慎重考虑。

大多数装甲系统采用复合材料,即由“分解层”和“吸收层”组成,可以分解和吸收来袭弹头的能量。陶瓷通常充当装甲中的“分解层”,即作为附加装甲使用,使来袭弹头碎裂或迅速分解弹头的能量。弹头碎裂或改变弹头碎片方向后就不会对整个装甲结构产生致命损伤。复合装甲中的其他材料充当“吸收层”,这些材料可以产生较大的塑性变形以吸收弹头动能,将动能转化为其他形式的能量,如热能。例如,要想防御7.62×39mm步枪弹,大约6mm厚的陶瓷层再加上诸如凯夫拉之类的衬层就足以使7.62mm步枪弹弹头碎裂。弹头碎裂的同时向四周飞散,这样就降低了弹头的动能密度,因此,弹头就不会穿透陶瓷和凯夫拉。

陶瓷装甲的最早应用可追溯至一战结束后的1918年,当时内韦尔 ·门罗·霍普金斯少校通过试验发现,钢装甲表面涂上一层厚1.6mm的瓷釉能够大大增强防护性能。

尽管陶瓷材料的发现很早,但多年以后陶瓷材料才开始应用于军事用途。广泛采用陶瓷装甲材料的是前苏联军队,美军也曾在越南战争中大量使用。1965年,UH-1直升机的驾驶员和副驾驶员座椅上安装了硬面复合装甲套件,座椅的底部、侧面和后部均加装了碳化硼陶瓷防护板和玻璃纤维衬层,能够防御7.62mm穿甲弹。

陶瓷的防弹机理

在弹头撞击陶瓷装甲的瞬间,撞击产生的超压冲击波沿着陶瓷装甲和弹头传播,造成两者损坏,尤其是当超压冲击波传播到陶瓷层和衬层的分界面时具有更大的破坏作用。现在,大多数陶瓷装甲与衬层之间用低硬度、低密度的粘性聚合物粘接而成。当超压冲击波传播到陶瓷与聚合物粘合层的分界面时,超压冲击波产生强烈的拉伸作用,破坏陶瓷层,同时强烈的剪切作用破坏聚合物粘合层。在拉伸和剪切作用下,陶瓷层与衬层分离。与此同时,弹头受压而碎裂。在撞击点四周会形成圆锥形的碎裂区。

正是由于陶瓷具有硬度高的优点,才会阻止弹头穿透装甲。高硬度陶瓷可以对弹头产生较大的反作用力,降低弹头速度。

而对于诸如RPG-7火箭弹配用的成型装药战斗部,陶瓷材料的易碎特性使其具有更好的防护作用。当成型装药战斗部爆炸产生的金属射流穿过陶瓷装甲时,受金属射流侵彻的陶瓷立刻碎裂成很小的碎块,造成金属射流侵彻形成的空腔相对不稳定,因此对金属射流有较大的干扰,从而使其穿甲性能大大降低。

           

           应用于“虎”式、AH-64“阿帕奇”、MH-60“黑鹰”直升机(自左至右)座椅的陶瓷装甲

陶瓷作为防护装甲的应用

氧化铝陶瓷

1980年代,应用于装甲系统的陶瓷主要是氧化铝(也称矾土)陶瓷。氧化铝陶瓷性能优良,制造成本相对较低,很薄的陶瓷层就可以防御轻武器弹药。在英国,第一种批量生产的人体护甲采用的就是氧化铝陶瓷防护板。

1995年之后,各国用于提升氧化铝陶瓷性能的投入很大,但其防护性能的提高却始终有限。尽管如此,由于氧化铝陶瓷的质量较轻,其仍广泛应用在一些飞机的防护或人体护甲上。

碳化硼陶瓷

除了氧化铝外,其他陶瓷装甲材料也崭露头角。其中,最引人注目的是1960年代就开始应用的碳化硼陶瓷。碳化硼陶瓷具有超高的硬度,同时也拥有惊人的价格。因此,这种陶瓷只用于某些对防护性能有更高要求的特殊场合,如美军的V22“鱼鹰”旋转翼飞机的机组人员座椅。另外,英军使用的增强型人体护甲(EBA)也采用了碳化硼陶瓷,其可以防御12.7mm钢心穿甲弹。EBA里面还有一层“钝伤”防护层,在陶瓷受到冲击但没有被穿透、衬层发生变形时保护人体免受钝伤,从而保护人体重要器官不受伤害。

英国BAE系统公司先进陶瓷分公司就生产碳化硼陶瓷,并且已经用作美军“拦截者”防弹衣的防护插板。到2002年,共有1.2万套“拦截者”防弹衣投入战场。

碳化硼陶瓷当然也有其不足之处,近几年的事实表明,它对弹心由高密度材料制成的高速弹头的防护能力不尽如人意。这是由于高硬度高速弹头冲击碳化硼陶瓷时会使它的物理性质发生变化所致。

虽然碳化硼陶瓷对硬心穿甲弹的防护作用并不理想,但其对普通钢心穿甲弹的防护还是游刃有余的。

                       

碳化硅陶瓷

最近几年,由英国BAE系统公司和美国赛瑞丹〔(Ceradyne)〕公司推出的热压型碳化硅陶瓷防护效果更胜一筹。碳化硅陶瓷是在高温(达到2000℃)高压条件下烧制,以获得超高的强度,其强度远大于弹头,弹头在撞击后马上碎裂使其动能迅速释放。试验证明,这种陶瓷对轻武器弹药和尾翼稳定脱壳穿甲弹有良好的防护效果,而且价格相对低廉。

采用热压工艺将碳化硅陶瓷与金属压在一起可以制成良好的装甲材料。热压工艺的目的是利用金属和陶瓷受热冷却时产生不同物理变化而使碳化硅陶瓷内部产生较大的应力,从而获得超高的强度。另外,热压碳化硅陶瓷抗多次打击能力也得到提高。

碳化硅陶瓷还可以采用化学反应工艺来生产,这种生产工艺可以精确控制陶瓷尺寸,但由于化学反应生成的一些金属杂质会留在陶瓷中,因此降低了陶瓷的强度。利用化学反应工艺生产出的碳化硅陶瓷可以用于受威胁较小的装甲系统中。

其他陶瓷

除了上述陶瓷外,还有其他一些陶瓷可用于装甲材料,如氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化钨陶瓷、二硼化钛陶瓷等。氮化硅陶瓷和氮化铝陶瓷等在装甲系统中的应用很少。碳化钨陶瓷价格昂贵,但密度大(大约是碳化硅陶瓷的6倍)、强度高,对穿甲弹有良好的防护效果。碳化钨适合用于对装甲材料的体积有要求但对装甲质量无要求的场合。二硼化钛陶瓷的性能也很优良,密度比碳化硅大。与碳化钨一样,二硼化钛具有导电性,可以通过电化学方法加工,而用其他方法很难切割。与碳化钨一样,昂贵的价格限制了二硼化钛陶瓷的应用。(待续)

本文下篇将介绍用于取代防弹玻璃的材料——透明陶瓷,并对提高装甲性能的新方式及陶瓷装甲的未来发展作了描述,敬请期待。

 

 

 

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