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        从防弹材料看现代战争装备发展趋势

        浏览次数: 日期:2018年10月7日 16:47
        从古代战争中抵御刀剑伤害的盔甲到现代兼具防弹、防腐和伪装等功能的高性能防弹衣,从近身防御的防弹盾牌到远程作战的防弹战车,防弹装甲的蓬勃发展为配备者的生命财产安全提供了有力的保证。
         
        传统的防弹材料多为金属板和陶瓷板等单一材料,该类防弹材料需利用增加材料厚度或叠层使用等手段保证其防护效果,这给配备对象造成较大的质量负担,制约了战术战略的有效发挥。从19世纪开始,伴随着枪、炮更多的使用,刀、剑、弩等冷兵器逐渐淡出了战争的历史舞台,对个体的防护也逐渐从防刺(砍)等转变为防枪弹(破片)的伤害。防护材料则经历了从天然植物纤维到金属材料再到高强度合成材料的发展。
         
        防弹材料有多种分类方法,按照原材料的种类分,已有的防弹材料主要有金属防弹材料、陶瓷防弹材料、高性能纤维防弹材料和组合型等。
         
        1. 金属防弹材料
        金属板防弹材料强度高、韧性好,主要应用于防爆车和装甲战车等特种车辆。金属防弹材料有以下几种;防弹钢板、防弹铝合金板以及钛合金复合板。
         
        防弹钢板具有强度高、综合性能好、成本低等优点,目前广泛应用于防弹运钞车、防爆特种车及装甲车等车型。用于防轻型机枪的防弹钢板有两大类:一类为热车匕板材,以SSAB公司的Dornex Protect(Defend)250和300为代表。。另一类为热处理钢板,是通过对热轧板进行淬火、回火热处理来提高强度阻满足其防弹要求。瑞典的Domex,Protect(Defend)500是其典型牌号之一。
         
        铝合金具有密度低,重量轻、强度高、耐腐蚀性能好等优点,可防小口径弹和破片弹,是轻型装甲车辆的主要结构材料。目前研究应用的铝合金主要有7000系列(Al-Zn系列)、5000系列(Al-Mg系列)和2000系列(Al-Cu系列)等。
         
        钛合金困具有比强度高,耐腐蚀性能好,质量比钢轻50%,强度、韧性与钢相同等优点而成为优良的装甲车候选材料。但其较高的成本阻碍了钛合金在地面车辆中的应用。
         
        2. 陶瓷防弹材料
         
        陶瓷板材料具有极高的强硬度、弹性模量和相对金属较低的密度,化学稳定性良好,耐高温、耐冲蚀和耐磨损,能在减轻装甲质量的基础上很好地抵御高速穿甲弹的侵蚀,用陶瓷材料作夹层板与钢板组合使用,其防弹性能甚至超过同等厚度下均质钢装甲的2倍,该复合防弹材料已广泛应用于轻型装甲车辆中。从1962年Goodyear公司研制出具有高硬度表面材料的复合装甲至今,已有许多先进的陶瓷防弹材料如Al2O3、B4C、SiC等相继问世,并以其高硬度、低密度的优越性能成为军事空间领域的理想材料。
        陶瓷有两种防弹的类型,即单片陶瓷结构和陶瓷复合物结构,单片结构陶瓷包括氧化物陶瓷(主要是Al2O3瓷)和非氧化物陶瓷(例如:SiC、Si3N4、AlN和TiB2等),以及二元系统(例如:B4C-TiB2基陶瓷)。一般来说,非氧化物陶瓷具有更高的物理性能和相对低的密度(除TiB2基陶瓷外),作为防弹比Al2O3瓷更有利。然而,这些材料制造方法多用价格较贵的热压,不易产业化。
         
        3. 高性能纤维防弹材料
         
        目前工业化、大规模生产的高性能纤维主要有对位芳香族聚酰胺纤维(芳纶纤维)、超高分子量聚乙烯纤维和炭纤维。广泛用于防弹领域的是前两种。
         
        芳纶纤维
         
        我国称芳香族聚酞胺纤维为芳纶。它是酞胺键直接与两个芳环连接而成的线型聚合物。其中聚对苯二甲烷对苯二胺(PPTA)纤维是芳香族聚酚胺中最具代表性的高强度、高模量纤维,主要用作防弹材料。美国于1971年由杜邦公司试制成功,其注册商标为“凯夫拉”( Kevlar )。荷兰的阿克佐(AKZO)公司在1986年也研制成功了这种二甲酞对苯二胺纤维,打破了美国的垄断,取商品名为“特瓦隆伙Twaron)。之后,日本帝人公司也研制成功了不同的对位芳香族聚酞胺纤维,如商品名为“泰克诺拉”(Technora)纤维等。目前,杜邦公司从第一代的K29,到第二代K129、KM2,直至最近的警用防弹衣用超舒适性能防弹织物纤维Kevlar Protera,其纤维越来越细,强度越来越高。芬兰阿克苏·诺贝尔 (Akzo Nobel)公司的芳纶纤维,从第一代特维龙(Twaron)1000,发展到第二代特维龙 2000,直至特维龙CT超细纤维。该种超细纤维的使用,显著提高了防弹性能,使其在市场竞争中处于有利地位。
         
         超高分子量聚乙烯纤维
         
        1985年,美国联合信号(AlliedSignal)公司购买了荷兰DSM公司利用凝胶纺丝法生产的具有更优异抗张性能的超高分子聚乙烯纤维的专利,生产出商品名为“斯派克特拉(Spectra )”和“戴尼莫”( Dyneema)超高分子量聚乙烯纤维,至此,“凯夫拉”纤维一统防弹材料天下的局面被打破了。对于超高分子量聚乙烯纤维,荷兰DSM公司由SK60、SK65发展到SK75、SK76。联合信号公司则有S900、S1000、 S2000等品种。
         
        碳纤维
         
        碳纤维复合材料具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、能导电等优异性能,既能用作结构材料,又能用作功能材料,目前碳纤维已普遍应用于航空航天、工业民生的各领域之中.人们对其进行性能改善的研究也不断加深,如用碳纤维增强环氧/聚醚混合树脂,可得到具有很高拉伸强度、挠曲强度和断裂伸长率且熔融加工性能优良的复合材料;用羧基化碳纳米管对碳纤维/环氧树脂复合材料进行改性,可以明显提高材料的力学性能和耐热性能。
         
        超强力水晶纤维
         
        英国南安普敦大学的科学家们开发了一种从液体水晶中提炼的超强力水晶纤维。科学家们在实验中发现,当对一层液体水晶施加电压时,所有水晶都会呈现出同一方向排列并形成一个长的分子链。用化学方法使水晶分子链结合,就会形成强拉力纤维,然后再用天然树脂将纤维定型,便制成超强力纤维。据该项研究人员说,用此纤维制成的防弹背心性能将非常先进。
         
        高强度无纺复合防弹纤维
         
        美国科学家最近发明了一种用于防弹背心的绒毛纤维,它能阻止高速旋转的弹头射人。这种新纤维是由“凯夫拉”和“斯派克特拉”的混合物组成的。而“凯夫拉”和“斯派克特拉”两种纤维本身就具有很好的强度,是目前防弹衣广泛使用的纤维材料。混合后的新纤维除强度很高外,还由于它与原纤维不同,而是采用无纺结构.即类似无纺布或毛毡,轻柔且有弹性。另外,由于该无纺复合绒毛的生产工艺特殊,比传统的编织方法成本低,因此,用来制作防弹背心比现有的防.弹纤维价格低廉。价格低而性能好的高强度无纺复合的防弹纤维已引起各国军界的重视和欢迎。
         
        芳香族杂环类纤维
         
        目前用于防弹领域的芳香族杂环类纤维主要有PBO和俄罗斯的SVM、Armos、Rusar杂环芳纶。PBO是聚对苯撑苯并双嚼唑纤维(Poly.P.phenylenebenzobisthi—azole)的简称,是20世纪70年代美国空军材料实验室开发的.它的主要合成单体之一为4,6一二氨基一l,3一苯二酚盐酸盐(简称为DAR o是一种高性能的芳香族杂环聚合物,其商品名为柴隆(Zylon),是继Kevlar纤维之后出现的又一合成的高性能纤维,被誉为2l世纪超级纤维。其强度超过碳纤维、Kevlar等纤维。同时PBO纤维还具有高强、高模量、耐热、阻燃等特性,其强度、模量为Kevlar纤维的两倍。PBO纤维的极限氧指数为68,在有机纤维中它的阻燃性最高。PBO纤维柔软性良好,织成的织物柔软性近似于涤纶纤维织物,利于纺织编织加工。因此.PBO纤维将有可能被用于防弹复合领域。被视为新一代防弹装甲纤维材料。
         
        玻璃纤维
         
        与其他防弹用的高性能纤维相比,玻璃纤维被认为是最重的纤维,其资源分布广泛,价格低,因此在防弹领域中也占有者独特的市场地位,尤其是在制作透明防弹装备方面有着其它高性能纤维无法替代的位置,如:防弹头盔的护目镜、装甲车的防弹玻璃等等。
         
        纳米复合材料
         
        来自美国麻省理工学院和莱斯大学的机械工程和材料科学家小组最新研制了一种特殊材料,在实验室里能够阻挡子弹飞行,化解子弹碰撞的冲力。这种材料叫做结构化聚合合成物,能够以交互玻璃层和橡胶层进行自组合,在麻省理工学院纳米技术研究所进行了承受实弹测试,这种20纳米厚的防弹材料层能够阻挡9毫米直径子弹射入。这支研究小组提出一种创新测试方法,他们在这种材料上射入微小的玻璃球,虽然这些玻璃球仅有百万分之一米直径,但它们可以模拟子弹撞击效应。在扫描电子显微镜下,这种材料层看上去像灯芯,因此可以非常清晰地看到射弹效果。这种纳米材料有助于改善承受子弹碰撞冲力,能够利用该材料制造新型防弹衣。
         
        蜘蛛丝纤维防弹材料
         
        荷兰艺术家杰勒•埃瑟迪(Jalila Essadi)和细胞生物学家Abdoelwaheb El Ghalbzouri 利用蜘蛛丝与人体皮肤混合生长能使烧伤病人长出一层刀枪不入的“防弹皮肤”。这项研究不仅能修复人们受伤的皮肤,而且使人类的皮肤可以强大到免受伤害,甚至能够保护人的生命。蜘蛛丝具有超强的强度和弹性,蜘蛛产生的每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的五倍,弹性也比人造纤维好得多。比如,蜘蛛网可以延伸到原长的十倍,而尼龙一旦延展到原长的20%就会发生断裂。利用蜘蛛丝的特性,埃瑟迪做了一个大胆的实验。他用蜘蛛丝织成了一块巴掌大的“布料”,并且用五周的时间,利用这块“布料”培育出了一层人造皮肤。然后他把这块人造皮肤固定在枪靶上,用一支22毫米口径步枪,将子弹以329米/每秒的速度猛烈地倾泻在上面,一轮扫射之后,皮肤依然保持完好,高速摄像机完整地记录了这一切。他把这段视频放在视频网站Youtube上公之于众,立刻引起了网友的骚动,科幻大片就在他们眼前实现了,他们相信任何人都可能做无敌的蜘蛛侠。Abdoelwaheb El Ghalbzouri介绍说,这种材料比现在普遍使用的凯夫拉防弹衣材料强3倍以上。初步确定它的强度可以阻挡常规步枪一半速度的子弹。
         
        野鸡毛防弹衣
         
        听起来让人觉得有些不可思议,鸡毛竟然可以做防弹衣?!但确实如此,英国雷丁大学的科研人员通过研究证实,用野鸡毛做防弹衣的性能上远远超过现有的各种防弹衣。
         
        雷丁大学的科研人员对这种奇怪的现象产生了浓厚兴趣。他们从野鸡饲养场买来一些野鸡进行研究,很快有了惊人发现:野鸡的刺毛有一种独持的结构,这种结构能够有效地吸收子弹并能将子弹弹开。研究发现,羽毛的弹力来源于其松软的泡沫内部结构和坚硬的角质状保护体。在试验中这种刺毛竟然经得起各种口径和速度枪弹的射击!科研人员立即意识到这种奇特性质的潜在用途:制造新一代防弹衣。试验表明,把20根厚的野鸡毛织在一起,就可以抵挡几乎所有子弹的射击。如果鸡毛防弹衣研制成功,它将比目前性能最好的“凯夫拉”纤维防弹衣要轻得多,而且造价也更便宜。
         
        现在,英国军方已为这英实验提供资金。如果科研人员的进一步实验取得成功的话,英国军方就准备大规模饲养野鸡,并用他们的毛制造新一代防弹衣。英国国防部的一位发言人说:“大自然有时是最好的发明家,现在我们将尽力对野鸡的羽毛进行全面细致的研究。”
         
        4. 组合型防弹材料
         
        目前对防弹材料高抗冲击、低负重、舒适耐用及其他特殊防护性能的要求不断升级,单一材料已经不能完全满足使用要求,将以上材料中的两种或多种组合在一起制成多层组合防弹材料是研究的突破点。组合防弹材料各组分在性能上相互取长补短,产生协同效应,可使其综合性能相对于单一均质材料大大提高,如在船用钢装甲上附加一层陶瓷面板,可以显著降低弹体的侵彻、钝化及碎裂能,并在将其结构质量降低1/4的基础上还可以将抗冲击板的单位面密度吸能量提高35%以上。单向防弹就是一个重要的研究方向。
        单向防弹玻璃通常被制成二层:在外部的易碎的一层和在里面的柔韧的一层--即脆性的聚丙烯酸(PAA)做外层,聚碳酸酯(PC)做内层。当一个子弹从外部射入时,子弹会先击中易碎的一层,并打碎一个区域。这会吸收一些子弹的动能,并且在一个更大的区域传播动能。当减慢的子弹击中柔韧的一层时,它就被挡住了。但是,当子弹从里面射出,它会先击中柔韧的一层。子弹能把柔韧的一层击穿是因为它的能量集中于一个小范围,脆的一层在柔韧的那层向外弹时向外碎裂,而且不妨害子弹的前进。防弹玻璃是在具有玻璃的透光、透像性能的同时,还对枪弹射击具有防护能力的玻璃。防弹玻璃的防弹原理是它能将子弹的冲击动能转化为玻璃的弹性势能和碎片的表面能。
         
        结语
         
        现代防弹材料种类繁多、发展迅速,已逐渐从单纯的防御性能向功能性、灵活性和经济性并存的方向发展。现今发展的主要目标是实现防弹材料的“质量轻、成本低、功能强且使用寿命长”的性能统一,伴随着制造工艺的进步与新材料的研制,未来必将会有更多实用耐用且功能强大的防弹材料出现。

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