吕嘉伟 陶瓷装甲.doc

陶瓷装甲 10909030218 吕嘉伟引言：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。这类陶瓷复合装甲不仅能抗御常规弹药的攻击，而且还能承受中子弹和反坦克导弹的攻击 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，UH1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。美国于1962年率先研制成氧化铝陶瓷面板。在越南战争期间(19651975)，美国空军把9毫米厚的烧结氧化铝陶瓷装甲板用于直升机驾驶员的安全防护，经受住了实战的考验。直到现在，美国军用飞机的驾驶员座椅及其它某些关键性部位，仍然广泛地使用陶瓷复合防护装甲板。陶瓷装甲具有金属装甲无可比拟的优越性能。目前各军事强国的主战坦克，大都采用陶瓷复合装甲。像英国的“奇伏坦”式坦克、美国的XM-1式坦克和德国的豹-2式坦克，都采用了含有陶瓷材料的复合装甲。这类陶瓷复合装甲不仅能抗御常规弹药的攻击，而且还能承受中子弹和反坦克导弹的攻击。德国的“黑豹-87”式坦克，其复合装甲是由陶瓷、橡胶和特种树脂等多种材料复合而成，能在一定程度上承受原子武器的冲击波和热辐射，是目前世界上最先进的复合装甲。美法两国联合试制的M-113军用装甲运输车，其防护装甲是一种特制的陶瓷，这种装甲车辆的正面能够经受20亳米炮弹的轰击，其两侧能够经受13.7毫米枪弹的射击，其防护能力是其它同类车辆所望尘莫及的。在单兵防护器材中，用特种轾质陶瓷材料制成的防弹衣和防弹背心，其重量只及钢的60%70%，而其强度可达钢的34倍，能有效地抗御各种轻武器的射击。原理：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。装甲用陶瓷材料的主要典型物理特性是，陶瓷装甲比所有金属装甲要硬得多，但密度又比钢小。抗拉能力相对弱意味着陶瓷不能承受高弯曲力，使用时必须为其配备硬的背板。这对在战车的钢装甲板上直接使用是个有利条件。 高硬度与其作为装甲使用的方式有着特殊的关系，因为战车装甲经常要对付的威胁是具有高达10001200米/秒速度的中小口径动能弹。 陶瓷装甲优于其它形式装甲。这种特性通常用质量系数来表示。质量系数是对付已知威胁所需的普通轧制钢装甲(RHA)与其装甲的面密度之比。对于战车最常见的威胁762毫米枪弹和127毫米穿甲弹，单块陶瓷装甲的质量系数范围是25(普通氧化铝)到35(最硬的陶瓷)。仅陶瓷本身是不能使用的，但是它可以覆在战车的铝或钢装甲车体或炮塔上使用，因为战车为陶瓷提供了必要的背板。这种结合产生的质量系数必然比仅用陶瓷要低，这是因为粘接它们的金属装甲的系数较低。不过，这种复合装甲的质量系数仍然高于铝或钢。当陶瓷与铝装甲而不是钢装甲组成复合装甲时，通常会得到较高的质量系数。这意味着，陶瓷为轻型战车提供的弹道保护是钢提供的弹道保护的两倍，而且不需要增加重量。 在费用和车重能够接受的条件下，加装陶瓷装甲能明显地提高轻型战车的弹道防护能力。从量化来说，可从防7.62毫米穿甲提高到防14.5毫米穿甲弹，还可防30毫米脱壳穿甲弹。陶瓷装甲能防动能弹主要是由于陶瓷具有粉碎或者说折断硬而脆的穿甲弹的能力，而且研细的陶瓷锥体能吸收子弹的动能。陶瓷锥体还具有将剩余的动能扩散到面积极大的战车车体装甲板上的能力，使其很容易地将子弹动能吸收掉。要毁坏子弹，陶瓷必须比子弹更硬。在标准穿甲弹情况下，这意味着要超过钢弹芯(钢弹芯的硬度大约为维氏硬度800)。这一点用氧化铝就能做到，不必使用非常硬的陶瓷对付这类威胁。 为了摧毁维氏硬度超过碳化钨弹芯的高性能穿甲弹，例如，145毫米 BS41型穿甲弹或瑞典FFV公司最新生产的762毫米穿甲弹，要使用的陶瓷必须比普通氧化铝硬得多。联合防御公司为美国陆军制造的M2布雷德利战车实验型复合车体所采用的是二硼化钛，最近美陆军放弃的XM8装甲火炮系统装甲系统使用的是碳化硅。然而，美国陆军发展的拥有陶瓷装甲的最新型复合装甲车辆(CAT)并没有采用二硼化钛或碳化硅，实际采用的仍是氧化铝。 对付软芯子弹，陶瓷并不比最硬的钢装甲好多少，硬钢装甲也能破坏子弹。而且，陶瓷装甲抗衡子弹所需的面密度也不比对付穿甲弹所需的面密度低多少。这表明，虽然陶瓷对付穿甲弹非常有效，但它们受攻击时是非常脆的。事实上，陶瓷板外面有玻璃纤维增强板或橡胶覆盖层保护，就可防御石头和其它低能量投射物。 外保护层还能提高陶瓷装甲提高抗多次打击能力。陶瓷装甲抗多次打击能力是很低的，然而通过加入增强颗粒或晶须是能够大大提高这种能力。例如在氧化铝基体中掺有碳化硅的LAST装甲块。 主要种类：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。发展： 众所周知，陶瓷装甲比钢装甲轻得多。然而在90年代末以前，由于陶瓷装甲的制造费用和采购费用都非常高，因此那时军队中装备的陶瓷装甲防弹衣重量并不轻，可以说那时的陶瓷装甲没能得到广泛地应用。在1993年索马里的摩加迪沙战斗中，士兵穿戴一整套先进氧化铝陶瓷材料防弹衣的平均重量竟达11.4千克。负荷这样重的防弹衣，降低了士兵的机动性，大大增加了其疲劳程度，从而降低了士兵的作战能力。陶瓷装甲最初是美国陆军为提高其直升机生存力而研制的，因为1962年美军直升机在越南瓷装甲从此在轻型装甲车辆上广泛采用，特别是包括在前南斯拉夫冲突中使用的那些车辆。 加拿大M113和瑞典Pbv302履带式装甲人员输送车以及最新的德国TPz狐式 (供联合国维和使用)66运输车在内的车辆，全都装有由德国IBO戴森罗思工程公司研制的MEXAS附加装甲。莫瓦格公司的皮兰哈型88输送车样车上也装过这种装甲，新加坡已将陶瓷作为提高装甲部队M113履带式装甲人员输送车防护性能的材料。 在使用陶瓷提高轻型战车防穿甲弹之前，陶瓷承担着坦克对付空心装药弹药的重任。特别是美国在50年代就开始了用熔化硅和玻璃来做此项研究，并为M48坦克设计了采用这些材料的附加装甲。美国大约在1958年放弃了该系列研究的发展，但苏联在60年代继续进行该研究，陶瓷被嵌在 T64坦克的铸造炮塔的正面部分。 其后，嵌有陶瓷的铸造炮塔广泛地用于T72坦克和后来的T80坦克上。虽然俄罗斯不再对它们的坦克使用陶瓷采取保密措施，但仍没有披露它们的精确性能。然而，某些报告说，俄罗斯坦克炮塔的陶瓷材料是小球或细晶，而不是更常见的陶瓷块。 俄罗斯除了在坦克炮