陳東,包睿,李鵬
(1.陸軍裝備部航空軍事代表局駐成都地區(qū)航空軍事代表室,成都 610036;2.西南技術(shù)工程研究所,重慶 400039)
大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,導(dǎo)致裝備損毀和人員傷亡的原因80%為破片或其引起的“二次爆炸”所致,而槍彈直接導(dǎo)致的傷亡只占少數(shù)[1-4]。坦克裝甲車(chē)輛面臨著各種彈藥的威脅,彈藥擊穿車(chē)輛基體裝甲后,基體裝甲和彈頭破碎,產(chǎn)生高速破片或崩落破片,并呈錐形高速前行,從而造成車(chē)輛內(nèi)部大面積人員傷亡和裝備損壞[3,5-6]。
在裝甲車(chē)輛內(nèi)部安裝防護(hù)襯層是一種重要的防護(hù)方案,在地面機(jī)動(dòng)裝甲綜合防護(hù)體系中占據(jù)重要地位。防護(hù)襯層的作用主要體現(xiàn)在:當(dāng)彈丸穿甲性能處在彈道極限內(nèi)時(shí),防止彈丸碎片或裝甲材料崩落的破片飛入車(chē)內(nèi),同時(shí)其本身不產(chǎn)生二次破片;當(dāng)彈丸穿透裝甲時(shí),可以有效降低彈丸破片的動(dòng)能,從而提高乘員的生存能力[5-7]。本文將從裝甲防護(hù)襯層研究現(xiàn)狀、裝甲防護(hù)襯層防護(hù)機(jī)原理以及防護(hù)襯層材料3 個(gè)方面進(jìn)行闡述,并著重總結(jié)裝甲防護(hù)襯層材料研究進(jìn)展。
為滿足復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)中保護(hù)裝甲裝備和士兵安全的需求,國(guó)外率先開(kāi)展了裝甲防護(hù)襯層技術(shù)的研究,現(xiàn)已經(jīng)歷了3 代發(fā)展,相關(guān)研究較為成熟[8-10]。防護(hù)襯層也從單一性能逐漸朝著多功能一體化方向發(fā)展,其核心設(shè)計(jì)思想是綜合應(yīng)用各種防護(hù)/材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)防中子輻射、防彈和防破片等多種功能[11]。
目前,世界各國(guó)坦克裝甲車(chē)輛均配備了防護(hù)襯層。例如,美國(guó)M1A2 主戰(zhàn)坦克、M2/M3 布萊德利戰(zhàn)車(chē)、M113 裝甲輸送車(chē)等在車(chē)體和炮塔乘員艙、戰(zhàn)斗艙內(nèi)壁安裝了防破片襯層(如圖1 所示);德國(guó)的“豹II”A4 坦克炮塔內(nèi)部也裝有防破片襯層,“山貓”履帶式步兵戰(zhàn)車(chē)車(chē)輛內(nèi)部采用了破片襯層,IBD 戴森羅特工程公司設(shè)計(jì)的模塊化防護(hù)概念中,MAP-L 襯層系統(tǒng)仍是其重要組成部分。
圖1 美國(guó)M113 裝甲輸送車(chē)車(chē)體采用襯層防護(hù)Fig.1 American M113 armored transport vehicle body with liner protection
現(xiàn)在戰(zhàn)場(chǎng)中,裝甲車(chē)將面臨來(lái)自空中和地面各種反裝甲武器的火力攻擊,甚至面臨大規(guī)模戰(zhàn)術(shù)殺傷武器——中子彈的威脅,其爆炸會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)輻射作用,若未采取有效措施,會(huì)對(duì)裝甲車(chē)輛乘員產(chǎn)生極大的殺傷作用。因此,使用具有中子屏蔽功能的防護(hù)襯層可有效保護(hù)成員免受傷害[12]。
具有中子屏蔽功能的防護(hù)襯層主要通過(guò)對(duì)快中子減速和慢中子吸收來(lái)降低中子能量,其中快中子減速是降低中子能量的主要途徑。中子經(jīng)過(guò)減速之后,能量大大降低,當(dāng)能量降低至被特殊元素吸收時(shí),就完成了對(duì)中子輻射的防護(hù)[13-15]。國(guó)內(nèi)外大量研究表明,中子屏蔽材料中氫含量越高,防中子輻射的效果會(huì)越好[16-17]。
作為防護(hù)產(chǎn)品,防彈、防破片性能為防護(hù)襯層最基礎(chǔ)且最重要的功能。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行多功能協(xié)同設(shè)計(jì),確保防彈、防破片性能和防輻射等性能兼具。因此,對(duì)防護(hù)性能相關(guān)機(jī)理的研究仍是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。
在防彈、防破片方面,裝甲防護(hù)襯層通常采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu),層與層間通過(guò)粘接或夾層等方式連接起來(lái),防護(hù)機(jī)理更復(fù)雜。為提升防護(hù)襯層的性能,學(xué)者在防護(hù)機(jī)理上做了大量的研究。Naik 等[18]和陳磊等[19]對(duì)彈體、破片在侵徹過(guò)程中的機(jī)理進(jìn)行了研究。彈體、破片接觸防護(hù)襯層的瞬間,與襯層內(nèi)部纖維觸點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力波,能量會(huì)以沿纖維軸向的橫波和沿厚度方向的縱波2 種形式傳遞[20-21],傳播形式如圖2 所示。脈沖形式的橫波傳播至基體與纖維交錯(cuò)點(diǎn),兩者的相互作用使得能量向多個(gè)方向上擴(kuò)散開(kāi)來(lái),從而大面積損耗更多的能量[22]。厚度方向的縱波首先對(duì)防護(hù)襯層起壓縮作用,并在纖維與基體的界面產(chǎn)生使壓縮應(yīng)力轉(zhuǎn)化的放射作用,轉(zhuǎn)化后拉伸應(yīng)力波的傳遞會(huì)通過(guò)纖維分層、斷裂及界面失效形式將能量消耗[18]。
圖2 沖擊應(yīng)力波在纖維復(fù)合材料中的傳播形式Fig.2 Propagation mode of impact stress wave in fiber composites
隨著彈體、破片對(duì)防護(hù)襯層更加深入侵徹,纖維受到拉伸作用,來(lái)自彈體、破片的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為纖維彈性勢(shì)能,能量被進(jìn)一步消耗。當(dāng)纖維的應(yīng)變大于其極限應(yīng)變時(shí),則纖維斷裂[20,23]。如彈體、破片動(dòng)能仍未被耗盡,則進(jìn)一步侵徹下一層,直至被完全消耗。從防護(hù)襯層的損傷形式分析,防彈體、破片的過(guò)程可分為3 個(gè)連續(xù)的階段,如圖3 所示[24]。首先,防護(hù)襯層出現(xiàn)沖塞剪切破壞;其次,材料局部變形,纖維拉伸斷裂失效;最后,纖維與基體間的部分界面失效,擴(kuò)大后形成分層,同時(shí)纖維受拉斷裂仍然存在[25-26]。
圖3 彈擊后復(fù)合材料的破壞過(guò)程Fig.3 Damage process of composite after projectile impact
綜上所述,裝甲防護(hù)襯層的防輻射、抗彈、防破片機(jī)理是通過(guò)材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參數(shù)調(diào)整等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。深入研究其防護(hù)機(jī)理,并針對(duì)性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大限度地提升襯層的防護(hù)能力,為裝甲車(chē)輛和士兵提供全面的防護(hù)保障。
高性能纖維復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了防護(hù)襯層的升級(jí)換代。使用高強(qiáng)、低密度的纖維作為增強(qiáng)體,低彈性模量的韌性樹(shù)脂作為基體,復(fù)合制備的襯層可賦予其優(yōu)異的防護(hù)性能[27-28]。由于增強(qiáng)體和樹(shù)脂基體之間的力學(xué)性能呈數(shù)量級(jí)別差距,增強(qiáng)體性能的少量提升可以顯著提高防護(hù)襯層的防護(hù)性能,因此更多國(guó)家和學(xué)者將研究重點(diǎn)聚焦在高性能纖維的研究與開(kāi)發(fā)上。隨著武器裝備對(duì)輕量化、高防護(hù)性能襯層的迫切需求,研究高性能纖維復(fù)合材料迅速成為解決輕量化與高防護(hù)這一矛盾的重要措施之一,也是近幾十年來(lái)裝甲防護(hù)材料技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[11,29]。目前,用于制備高性能防護(hù)襯層的纖維主要有玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)、聚苯并雙噁唑纖維(PBO)等[8,10,28]。
玻璃纖維是最先應(yīng)用于防彈、防破片領(lǐng)域的纖維,由其制備的復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),兼具優(yōu)異的抗彈、隔熱、降噪等功能[27,30]。因此,廣泛應(yīng)用于裝甲車(chē)體和防護(hù)襯層的制造,提高乘員和車(chē)內(nèi)設(shè)備的安全性和防護(hù)性能。
劉國(guó)權(quán)等[31]使用S-2 型高強(qiáng)玻璃纖維作為增強(qiáng)體,制備了環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料,在40 kg/m2面密度情況下,進(jìn)行56 式?jīng)_鋒槍7.62 mm 鋼芯彈侵徹試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)測(cè)試后的樣件微觀組織研究分析發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料主要通過(guò)分層和纖維斷裂來(lái)吸收能量,纖維與樹(shù)脂基體的合理匹配可大幅提升其抗彈性能[32]。Santanu Choudhury 等[33]對(duì)低溫下的玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的抗彈性能進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果表明,低溫下復(fù)合材料吸收能量和損傷程度相差不大,這一結(jié)果也為玻璃纖維制備的防護(hù)襯層在低溫下的使用提供了依據(jù)。
杜忠華等[34]對(duì)玻璃纖維復(fù)合層壓板的抗彈性能進(jìn)行了研究,并給出了此類(lèi)層合板彈道性能v50的預(yù)測(cè)公式,建立了纖維層合板與防護(hù)性能的關(guān)系,見(jiàn)式(1)。
式中:v50為彈道極限速度;μ為材料的泊松比;σT為背板的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力;D和m分別為彈徑和質(zhì)量;E為材料的彈性模量。
李中澤等[35]運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立了射流侵徹玻璃纖維復(fù)合裝甲模型,采用測(cè)量剩余穿深DOP 的方法分析了復(fù)合靶板在不同夾層厚度、不同傾角的情況下對(duì)射流的干擾能力。結(jié)果表明,在增大玻璃纖維層厚度的情況下,抗侵徹性能提升較小,同一角度下不同玻璃纖維層厚度的剩余穿深差值僅為標(biāo)準(zhǔn)穿深的4.2%。同一夾層厚度情況下,復(fù)合裝甲的抗侵徹性能隨著傾角增大顯著提升。傾角為68°時(shí),防護(hù)性能最佳。同時(shí),由于玻璃纖維的密度較高,隨著裝備對(duì)輕量化需求的提升,一定程度上制約了其在防護(hù)襯層領(lǐng)域的應(yīng)用。
芳綸纖維全稱(chēng)芳香族聚酰胺纖維(Aramid Fiber,AF),其分子鏈上有超過(guò)85%的酰胺鍵與苯環(huán)結(jié)構(gòu)直接相連,特殊的共軛結(jié)構(gòu)賦予了芳綸纖維更高的拉伸強(qiáng)度和耐熱性。
芳綸纖維主要分為2 種,分別為對(duì)位芳酰胺纖維以及間位芳酰胺纖維。其中對(duì)位芳酰胺纖維具高度取向分子鏈結(jié)構(gòu)以及高結(jié)晶度,所以纖維具有高強(qiáng)度和高模量的特性,在抗彈、防破片材料上得到了廣泛應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)式如圖4 所示[36]。此外,相較玻璃纖維,芳綸纖維的密度進(jìn)一步降低,而防護(hù)性能卻進(jìn)一步提高。良好的防碎片性能、優(yōu)異的阻燃性能,且纖維本身較高的含氫量,可以保證由其制備的防護(hù)襯層具備良好的防中子輻射性能[5,10]。這一系列的優(yōu)勢(shì),使得芳綸纖維在提高裝甲車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性和防護(hù)能力上起著日益重要的作用,是用于裝甲防護(hù)材料的主要選擇之一,也引起了國(guó)內(nèi)外防護(hù)學(xué)者的興趣[10]。
圖4 對(duì)位芳酰胺纖維分子結(jié)構(gòu)式Fig.4 Molecular structure of para aramid
馬武偉等[37]利用4.5 g 的FSP 破片模擬彈對(duì)不同芳綸纖維制備的防護(hù)襯板的防彈性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在破片沖擊下,防護(hù)襯板主要以鼓包和纖維拉伸斷裂破壞的形式吸能,同時(shí)紗線的線密度與織物斷裂強(qiáng)度和樣件防護(hù)性能呈線性關(guān)系[38]。Wang等[39]通過(guò)模擬仿真加實(shí)驗(yàn)的形式研究了不同旋轉(zhuǎn)角度下芳綸復(fù)合材料的沖擊吸能情況,結(jié)果表明,隨著纖維鋪設(shè)角度的增加,基于厚度方向上更多主纖維參與沖擊吸能作用,同時(shí)平面內(nèi)的基體以增加纖維相互作用面積有效降低局部沖擊能,并利于能量的吸收耗散。
李英建等[40]對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行了抗彈測(cè)試,在彈擊的相鄰區(qū)域取樣,研究了彈擊對(duì)復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能的影響。結(jié)果表明,彈擊對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能有不同程度的影響,相對(duì)于拉伸性能,彎曲性能的下降幅度更大。相對(duì)于離彈擊區(qū)域最遠(yuǎn)的部位,材料離彈擊區(qū)域最近的部位,拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量分別降低了14.6%和6.4%,彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別降低了45.3%和57.3%。距離彈擊點(diǎn)30~60 mm 外的區(qū)域,材料的結(jié)構(gòu)性能基本不受影響。
李茂等[41]使用面密度為60 kg/m2的芳綸纖維復(fù)合材料和鋼板組成多種夾心式復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu),并研究了其在初速為1 630 m/s 的破片下的抗侵徹性能。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)芳綸復(fù)合材料和鋼板間存在一定間隙時(shí),可以更有效地分散破片的動(dòng)能,降低破片整體的侵徹力,這一研究結(jié)果為防護(hù)襯層的安裝提供了重要的技術(shù)支撐。楊小兵等[42]研究了影響芳綸復(fù)合材料抗彈性能的主要因素,結(jié)果表明,在等厚度條件下,預(yù)浸料鋪層的層數(shù)與靶板密度成正比。
雖然芳綸纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用在裝甲防護(hù)領(lǐng)域,但其存在耐水性較差、耐紫外線照射持久度較低等問(wèn)題。這些都會(huì)影響裝甲防護(hù)材料的使用壽命,特別是在一些嚴(yán)酷的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中(比如陽(yáng)光暴曬、濕熱等)更會(huì)加速芳綸復(fù)合材料襯層的失效。鑒于此,目前以UHMWPE 纖維作為主要材質(zhì)的裝甲防護(hù)材料逐漸成為研究的熱點(diǎn)。
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維為聚烯烴纖維的一種,其分子量通常在500 萬(wàn)到600 萬(wàn)之間,是繼芳綸纖維之后又一高性能纖維[43]。UHMWPE纖維具有很多優(yōu)點(diǎn),如纖維密度低,僅0.97 g/cm3,這為裝備輕量化提供了更多可能性;比強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率高,具有良好的抗沖擊性能和防彈性能,同等面密度下,其防彈能力比芳綸的裝甲結(jié)構(gòu)高 2.5倍左右[22,29];穩(wěn)定性良好,耐化學(xué)性好,耐酸耐堿和耐候性也格外優(yōu)異,無(wú)論是在日曬下還是在低溫下使用,仍能保持優(yōu)良的力學(xué)性能[44-45],具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,現(xiàn)已在防彈產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。
目前對(duì)UHMWPE 纖維織物抗彈、防破片復(fù)合材料的研究主要集中在抗彈材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理方面[44]。UHMWPE 纖維復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)和破壞機(jī)理復(fù)雜,主要與織物結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)角度、沖擊速度等因素有關(guān)[46]。高恒等[44]采用UHMWPE 單向無(wú)緯布(UD 布)、2D 織物及UD/2D 織物制備了高性能復(fù)合襯板,研究了織物結(jié)構(gòu)對(duì)抗彈性能影響。研究發(fā)現(xiàn),UD/2D 織物復(fù)合結(jié)構(gòu)在彈擊之后,復(fù)合襯板結(jié)構(gòu)完整、背凸較小,同時(shí)背凸位置附近纖維排列有序,利于襯板抗多次打擊。余毅磊等[47]研究了UHMWPE 背板鋪設(shè)角度對(duì)抗彈性能的影響,結(jié)果表明,復(fù)合靶板整體結(jié)構(gòu)剛度與鋪設(shè)角度存在相關(guān)性,角度越小,剛度越大,并且隨著鋪層角度的減小,背板能在較大面積上分散吸收能量,表現(xiàn)為錐形角度較大,背凸高度降低。UHMWPE 纖維雖然具有較高的韌性以及比模量,但其自身也存在剛性較差的問(wèn)題,特別是在較高溫度下的蠕變會(huì)使得制品在受到?jīng)_擊時(shí)的背凸值變大,從而影響士兵生命或裝甲防護(hù)材料的正常使用。
PBO 纖維作為21 世紀(jì)超性能纖維,具有十分優(yōu)異的物理力學(xué)性能和化學(xué)性能,其強(qiáng)度、模量、耐熱性和阻燃性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)UHMWPE 和芳綸纖維,且耐沖擊性能較芳綸纖維和碳纖維要高很多,被視為新一代裝甲防彈纖維[48-49]。另外,PBO 纖維還具有熱穩(wěn)定性高、耐化學(xué)性優(yōu)良、質(zhì)輕而柔軟等特性[50]。PBO纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有可能成為繼玻璃纖維、聚乙烯纖維、芳綸纖維之后的第四代抗彈纖維復(fù)合材料,也是未來(lái)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的抗彈纖維之一[51]。由于其價(jià)格高昂及制備復(fù)雜,使得PBO 纖維在裝甲防護(hù)方面的應(yīng)用只是處于實(shí)驗(yàn)性研究階段,具體應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道,但有可能成為今后裝甲防護(hù)襯層材料的發(fā)展趨勢(shì)之一[52]。
單一纖維在使用過(guò)程中存在各種各樣的問(wèn)題,為了解決這一問(wèn)題,學(xué)者們開(kāi)始采用多種纖維混雜編織技術(shù)[53]。將多種纖維復(fù)合,可以彌補(bǔ)單一纖維的性能缺陷,利于提升材料的綜合性能[54]。另外,低成本纖維和高性能、高成本纖維混雜進(jìn)行防護(hù)襯層的制備,可以降低材料成本,更具有實(shí)用性[11,54]。
肖文瑩等[55]利用LS-DYNA 非線性動(dòng)態(tài)顯示有限元軟件建立了芳綸/UHMWPE 混雜纖維單元模型,通過(guò)試驗(yàn)加仿真的形式驗(yàn)證了混雜比對(duì)抗彈性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)芳綸和UHMWPE 混雜比為1:1 時(shí),更能很好發(fā)揮混雜纖維的協(xié)同效應(yīng)。Muhi等[56]對(duì)混合E-glass/Kevlar 29 復(fù)合層壓板的彈道性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析研究,結(jié)果表明,加入凱夫拉纖維雜化E-玻璃纖維能有效提高復(fù)合材料層合板的吸能能力。易凱等[54]利用熱壓罐成形工藝制備了幾種具有不同面密度及鋪層結(jié)構(gòu)的混雜纖維層板,并考察了其抗彈沖擊性能。曹俊超等[57]研究了混雜纖維自動(dòng)鋪絲對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板高速?zèng)_擊時(shí)效行為的影響,并建立了高速?zèng)_擊有限元模型,接著建立了復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)損傷本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明,混雜纖維可以大幅提升環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板在高速?zèng)_擊下的防護(hù)性能。此外,他們還研究了不同混雜比層合板的高速?zèng)_擊模擬,分別得到了相應(yīng)的臨界穿透速度。
從裝甲車(chē)輛防護(hù)襯層產(chǎn)品和研究情況來(lái)看,仍有很多需要完善和攻關(guān)的技術(shù)問(wèn)題,建議在以下幾個(gè)方面發(fā)展與提升。
1)加強(qiáng)新型防彈、防破片纖維材料的研發(fā)。裝備發(fā)展,材料先行,高性能纖維研發(fā)是推動(dòng)防護(hù)襯層升級(jí)換代的重要抓手。緊跟國(guó)外步伐,追蹤PBO 纖維、M5 超級(jí)纖維、納米纖維等高性能纖維研發(fā)情況,特別是目前強(qiáng)度最高、綜合性能較好的PBO 纖維,突破其低成本制備難點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn),加大難點(diǎn)與核心技術(shù)攻關(guān)力度。
2)加強(qiáng)新型防彈、防破片纖維材料工程化應(yīng)用研究。目前可用于防彈和防破片的高性能纖維仍存在力學(xué)性能低、批次穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題,限制了其在防護(hù)領(lǐng)域的廣泛使用。因此,亟需優(yōu)化其制備工藝,持續(xù)突破當(dāng)前其力學(xué)性能極限,提升批次穩(wěn)定性,降低生產(chǎn)成本。
3)加強(qiáng)新型防護(hù)襯層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究?,F(xiàn)代坦克裝甲車(chē)輛對(duì)防護(hù)襯層的功能需求越來(lái)越高,從最開(kāi)始的單一功能發(fā)展到了現(xiàn)在的集多功能于一體。多功能集成對(duì)新型防護(hù)襯層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求,應(yīng)加強(qiáng)加快層間混雜、旋轉(zhuǎn)鋪層等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)進(jìn)度。