復合材料在坦克裝甲防護中的應用
1 引 言
坦克問世已經80多年，從次大戰中的初露鋒芒，到90年代各國進行新概念坦克的預研，它的發展史可以看成“甲”與“彈“的斗爭史。目前研制的新一代坦克與現有的坦克在許多方面不同，它的裝甲防護越來越強，生存力和殺傷力大幅度提高，但未來的地面和空中反坦克火力、穿破甲威力也將有長足的發展，因此，了解目前坦克防護系統的發展狀況和未來的坦克裝甲防護措施，是提高坦克防護水平的重要前提。
2 幾種典型的聚合物基坦克裝甲防護復合材料
坦克裝甲的作用主要是抵御動能穿甲彈、空心裝藥破甲彈和核武器的貫穿輻射。坦克某一部位的裝甲防護能力，與裝甲材料的性能、厚度、結構、形狀等因素有關。目前，坦克采用的裝甲有均質裝甲與非均質裝甲兩大類。均質裝甲是采用化學成分、金相組織和機械性能基本相同的中碳鋼與輕合金制成的。非均質裝甲又分復合裝甲、表面硬化裝甲、屏蔽裝甲、反應裝甲。由于大威力穿甲彈和高能破甲彈的發展，對均質鋼穿深已接近650mm，破甲達到1000mm以上，而具有潛力的非均質裝甲，如多功能復合裝甲的研制日益受到重視，其中聚合物基復合材料的應用也日趨廣泛，本文將對其中幾種典型材料做一介紹。
2．1 玻璃鋼用于坦克裝甲防護
美國從二次大戰時就已開始進行玻纖增強塑料裝甲的研究，并研制成功了玻纖/聚酯裝甲材料。80年代出現的S-2玻纖復合材料可作為較廉價的抗彈裝甲材料。對于同一口徑、同一種類的彈丸，玻璃鋼復合裝甲的抗彈能力可達到鋼的3倍以上。美國陸軍材料與力學研究中心（AMMRC）用它制造履帶和輪式車輛的結構裝甲。美國弗里曼公司用丙烯酸-異氰酸酯互穿網絡聚合物（IPN）樹脂作復合材料的基體與S-2制造厚層壓板，以制造防彈裝甲。原蘇軍用玻璃鋼復合裝甲裝備T-72、T-64Б和T-80坦克，這些坦克的車上裝甲是鋼+鋼+玻璃鋼+鋼+內襯的五層結構，這種復合裝甲可以吸收動能彈的大量能量。德國的布洛姆-福斯公司也研制了類似的結構系列，其中一種已裝在德國陸軍和丹麥陸軍的“豹”1A3主戰坦克上，它的防護能力達到采用焊接炮塔的“豹”1A4主戰坦克的水平，同時也為AMX-30和M48坦克以及M113裝甲車研制了此類裝甲。玻璃鋼、塑料、鋼和陶瓷等材料制成的復合裝甲除用于坦克裝甲車輛外，還可用于各種載重汽車和后勤支援車輛上的模塊化裝甲，以防槍彈和炮彈破片。在武裝直升機、運輸機和通信聯絡直升機上玻璃鋼也用于裝甲防護復合材料結構中。
復合裝甲即為在鋼裝甲間夾著按一定比例和厚度配置的陶瓷、鋁合金和纖維等抗彈材料的多層結構。各層材料、厚度、連接方式、細微結構和形狀等的不同組合可獲得不同的防護效果。玻璃鋼用于復合裝甲有下面三種典型的型式：(1)夾層復合裝甲，即在面板與背板之間有玻璃鋼夾層（圖1)，當破甲彈引爆后，射流將穿過雙板結構，產生的沖擊波在雙板之間反復反射和透射而發生振蕩，從而使背板沿法線方向發生彎曲變形，對射流產生持續的側向干擾作用，使射流的侵徹能力大大降低；(2)蜂窩復合裝甲，玻璃鋼為基體，基體內的鋼筋呈橢圓形截面，此種鋼筋起到進一步阻止彈丸侵徹的作用；(3)多層復合裝甲（圖2），層的細鋼絲網層可以剝去彈丸的外殼，第二層的高模量鎢絲網可使彈芯破裂，并由后三層裝甲大量吸收收能丸的能量，以阻止彈丸侵徹。
2．2 工程塑料用于坦克裝甲防護
為適應未來戰爭的需要，除應先考慮多功能復合裝甲和車體結構材料外，還要求坦克車輛具有多功能內襯與隔艙化防護。因為坦克裝甲車輛一旦被擊穿，穿甲和射流以及強大的沖擊波會引起二次殺傷，并會起火引爆車內的彈藥和油料，若遇中子彈襲擊還會有核輻射，這將對乘員生命和作戰能力構成重大的威脅。在同反裝甲武器的競爭中，坦克裝甲采用了在間隔中設置水、柴油和彈藥等物質的間隔裝甲，由纖維、陶瓷和塑料等材料組成的復合裝甲，以及鋼板中夾炸藥的爆炸反應裝置。這些裝甲組成的材料含有大量氫、碳和氧元素，可吸收中子，在抵御反坦克武器的同時，不同程度降低了中子彈對乘員的危害。據有關方面的研究，約2cm厚的特制塑料層，能減弱中子攻擊1000倍。國外已將含鉛泡沫塑料、鋁與聚甲基丙烯酸甲酯復合物以及聚氯乙烯等的混合物分別用作前蘇聯T-72坦克、德“豹”2坦克與英國裝甲車輛的中子防護層。另據報導，在復合裝甲的尼龍材料中添加重核元素和快中子慢化劑及慢中子吸收劑，可以吸收、屏蔽中子，取得較好的防中子輻射效果。
坦克車輛中可以利用的空間有限，致使采用金屬材料加工形狀復雜的油箱比較困難，故可采用工程塑料來成型防彈油箱。如采用泡沫聚氨酯、聚乙烯及玻璃纖維增強環氧樹脂制成防彈油箱。以色列的“梅卡瓦”坦克采用玻璃鋼制的防火彈藥箱，也起到了較好的防護效果。
2．3 Kevlar纖維復合材料用于坦克裝甲防護
對于主戰坦克的設計來說，坦克重量的限制是一個棘手的難題。要提高其防護能力，必須加厚裝甲，但這樣不僅增加坦克重量，影響其機動性能，同時又會妨礙其它裝置的設計。由于Kevlar纖維的比重比玻璃纖維約小一半，在防護能力相同的情況下，其重量可減少近一半。在給定重量下的Kevlar纖維層壓板防彈能力是鋼的5倍左右，并且Kevlar纖維層壓薄板的韌性是玻璃鋼的3倍，故在受到彈丸攻擊時，可吸收大量的沖擊動能，是鋼、鋁、玻璃鋼裝甲的理想代用品，但價格較高。
近年來，Kevlar纖維復合材料已用于裝甲材料，如美M-1主戰坦克采用“鋼-Kevlar-鋼”型的復合裝甲。它能防中子彈、防破甲厚度約700mm的反坦克導彈，還能減少因被破甲彈擊中而在駕駛艙內形成的瞬時壓力效應。在M1A1坦克上的主裝甲也采用Kevlar纖維復合材料制造，可防穿甲彈和破甲彈。在美M113裝甲人員輸送車內部結構的關鍵部位裝Kevlar裝甲襯層，可對破甲彈、穿甲彈和殺傷彈的沖擊或侵徹提供后效裝甲防護。
各國在坦克易中彈的炮塔和車體各部位，普遍安裝附加裝甲和側裙板。現也可采用Kev1ar纖維復合材料制成“拼-掛”式附加裝甲的背板，以提高鋁裝甲或鋼裝甲防彈及防破片的能力。制造附加裝甲的Kev1ar纖維層壓薄板通常含有9%～20％的樹脂．在重量相同的情況下，Kevlar與鋁甲板的復合裝甲的防護力較鋁裝甲大一倍。由于Kevlar纖維復合材料具有上述特點，目前美國已訂出Kevlar纖維復合裝甲的技術規范。
3 復合材料在坦克裝甲防護中的應用趨勢
隨著自動化技術和智能技術的不斷發展，未來的主戰坦克將在更加復雜、惡劣的環境中作戰，在這種環境中，主戰坦克若要克敵制勝，提高生存力，在考慮基本設計之外，應綜合運用各種先進技術，其中裝甲防護是坦克獲得生存力的主要手段之一，而現代裝甲技術的迅速發展，與高技術、新材料的發展息息相關，下面將著重介紹在未來坦克裝甲防護中復合材料的應用。
3．1 采用復合材料制造坦克車體、炮塔，以提高其機動性
裝甲和反裝甲武器之間的激烈競爭，使目前各國的坦克裝甲不斷加厚、加重，導致坦克的重量劇增。目前，各國現役的新一代主戰坦克，重量一般達到50t左右，影響坦克機動能力的提高。美國己試驗成功增強塑料車體的步兵戰車，如復合材料“布雷得利”步兵戰車的車體重量比常規車體輕27％。據計算，采用復合材料的裝甲車裝甲重量將減少35%～40%。采用復合材料裝甲不但能減輕重量、降低成本，而且可增加戰斗負荷，提高戰場生存能力。普通坦克常因中彈著火而嚴重毀損，而復合材料車體著火的裝甲內壁溫度不會明顯升高，可防止乘員燒傷或彈藥引燃，且中彈后無金屬崩落現象，車體易修復。由于上述優點，近年來復合材料已成功用于現代坦克上，如M1A1，T-80，“豹”2等坦克均不同程度地使用復合材料，并且已由非承力部件逐步發展到用于主承力件。由于復合材料的大量使用，使坦克的機動能力大大提高。
3．2采用復合材料，以滿足坦克隱形的要求
提高坦克戰場生存能力還必須合理設計坦克外形，采用圓滑過渡的外表面，減少平面結合處的棱角，從而減少雷達波的有效反射面積。坦克金屬裝甲的固有的弱點是雷達信號特征明顯，易被敵方的紅外、雷達等光電探測器材發現。復合材料不僅比重小，強度高，防彈性能好，還具有下述特點：對光波和雷達波反射比金屬弱，并可吸收部分雷達波；具有材料性能和結構外形的可設計性，以制成具有佳隱形結構外形；可減少各發熱部位的紅外輻射和抑制車輛的推進噪聲，使坦克的各種主、被動信號減少到低限度。近年來，一些研制成功可以吸收、屏蔽雷達的Kev1ar纖維復合材料。美國研制的高強度S-2型玻璃纖維增強模壓熱固性復合材料、荷蘭新近研究的超高強度聚乙烯纖維復合材料，都具有上述特點，是一種可供裝甲車輛外形使用的很有前途的隱形材料。
3．3 采用三維織物復合材料
三維織物復合材料具有高強度、高剛度、抗沖擊性能好的特點，因此將其用于坦克裝甲材料不僅具有一般復合材料的特點，還可進一步提高坦克的防護能力。目前，國外已有報道將其用于復合裝甲，并擬采用此種結構復合材料制造坦克裝甲車輛的車身、車底、炮塔、座椅等。
3．4 反應裝甲中的高效吸能材料與靈敏裝甲中使用的高分子材料
隨著反坦克武器威力的增大，反應裝甲技術也迅速發展。近出現的新型反應裝甲，采用金屬夾層結構，但其夾層不是惰性材料、炸藥，而是一種非爆炸性的高效吸能材料，該材料是一種高韌彈性體（或微孔彈性體），也可采用塑料、復合材料，它能起到破壞射流和吸收彈性波能量的作用，可以提高裝甲材料的抗彈性能，同時在使用上也比爆炸反應裝甲安全。
靈敏裝甲與傳統的被動式裝甲不同，它可主動改變彈九或射流的動量方向，若這種靈敏裝甲的某部位受到破壞，還可自行修復。在靈敏裝甲層以下有多個裝有引發劑的小型球體，球體周圍為單體材料。當彈丸撞擊使球體破裂時，引發劑從球體中釋放出來，與周圍的反應物聚合，得到的高分子材料可用以填補受攻擊后裝甲的缺陷。
4 結束語
在今后的一段時期，主戰坦克仍是陸軍的主要突擊兵器，因此各國都在積極研究新一代的主戰坦克，這必然使未來的坦克在火力系統、防護系統、動力系統、電子系統有重大地突破性進展。在坦克裝甲防護系統的研究中，既要重視各種高性能金屬材料、復合材料、陶瓷的使用，又要考慮軍事技術的發展和未來戰爭中坦克的生存環境，使未來的主戰坦克能滿足21世紀的作戰要求。
坦克問世已經80多年，從次大戰中的初露鋒芒，到90年代各國進行新概念坦克的預研，它的發展史可以看成“甲”與“彈“的斗爭史。目前研制的新一代坦克與現有的坦克在許多方面不同，它的裝甲防護越來越強，生存力和殺傷力大幅度提高，但未來的地面和空中反坦克火力、穿破甲威力也將有長足的發展，因此，了解目前坦克防護系統的發展狀況和未來的坦克裝甲防護措施，是提高坦克防護水平的重要前提。
2 幾種典型的聚合物基坦克裝甲防護復合材料
坦克裝甲的作用主要是抵御動能穿甲彈、空心裝藥破甲彈和核武器的貫穿輻射。坦克某一部位的裝甲防護能力，與裝甲材料的性能、厚度、結構、形狀等因素有關。目前，坦克采用的裝甲有均質裝甲與非均質裝甲兩大類。均質裝甲是采用化學成分、金相組織和機械性能基本相同的中碳鋼與輕合金制成的。非均質裝甲又分復合裝甲、表面硬化裝甲、屏蔽裝甲、反應裝甲。由于大威力穿甲彈和高能破甲彈的發展，對均質鋼穿深已接近650mm，破甲達到1000mm以上，而具有潛力的非均質裝甲，如多功能復合裝甲的研制日益受到重視，其中聚合物基復合材料的應用也日趨廣泛，本文將對其中幾種典型材料做一介紹。
2．1 玻璃鋼用于坦克裝甲防護
美國從二次大戰時就已開始進行玻纖增強塑料裝甲的研究，并研制成功了玻纖/聚酯裝甲材料。80年代出現的S-2玻纖復合材料可作為較廉價的抗彈裝甲材料。對于同一口徑、同一種類的彈丸，玻璃鋼復合裝甲的抗彈能力可達到鋼的3倍以上。美國陸軍材料與力學研究中心（AMMRC）用它制造履帶和輪式車輛的結構裝甲。美國弗里曼公司用丙烯酸-異氰酸酯互穿網絡聚合物（IPN）樹脂作復合材料的基體與S-2制造厚層壓板，以制造防彈裝甲。原蘇軍用玻璃鋼復合裝甲裝備T-72、T-64Б和T-80坦克，這些坦克的車上裝甲是鋼+鋼+玻璃鋼+鋼+內襯的五層結構，這種復合裝甲可以吸收動能彈的大量能量。德國的布洛姆-福斯公司也研制了類似的結構系列，其中一種已裝在德國陸軍和丹麥陸軍的“豹”1A3主戰坦克上，它的防護能力達到采用焊接炮塔的“豹”1A4主戰坦克的水平，同時也為AMX-30和M48坦克以及M113裝甲車研制了此類裝甲。玻璃鋼、塑料、鋼和陶瓷等材料制成的復合裝甲除用于坦克裝甲車輛外，還可用于各種載重汽車和后勤支援車輛上的模塊化裝甲，以防槍彈和炮彈破片。在武裝直升機、運輸機和通信聯絡直升機上玻璃鋼也用于裝甲防護復合材料結構中。
復合裝甲即為在鋼裝甲間夾著按一定比例和厚度配置的陶瓷、鋁合金和纖維等抗彈材料的多層結構。各層材料、厚度、連接方式、細微結構和形狀等的不同組合可獲得不同的防護效果。玻璃鋼用于復合裝甲有下面三種典型的型式：(1)夾層復合裝甲，即在面板與背板之間有玻璃鋼夾層（圖1)，當破甲彈引爆后，射流將穿過雙板結構，產生的沖擊波在雙板之間反復反射和透射而發生振蕩，從而使背板沿法線方向發生彎曲變形，對射流產生持續的側向干擾作用，使射流的侵徹能力大大降低；(2)蜂窩復合裝甲，玻璃鋼為基體，基體內的鋼筋呈橢圓形截面，此種鋼筋起到進一步阻止彈丸侵徹的作用；(3)多層復合裝甲（圖2），層的細鋼絲網層可以剝去彈丸的外殼，第二層的高模量鎢絲網可使彈芯破裂，并由后三層裝甲大量吸收收能丸的能量，以阻止彈丸侵徹。
2．2 工程塑料用于坦克裝甲防護
為適應未來戰爭的需要，除應先考慮多功能復合裝甲和車體結構材料外，還要求坦克車輛具有多功能內襯與隔艙化防護。因為坦克裝甲車輛一旦被擊穿，穿甲和射流以及強大的沖擊波會引起二次殺傷，并會起火引爆車內的彈藥和油料，若遇中子彈襲擊還會有核輻射，這將對乘員生命和作戰能力構成重大的威脅。在同反裝甲武器的競爭中，坦克裝甲采用了在間隔中設置水、柴油和彈藥等物質的間隔裝甲，由纖維、陶瓷和塑料等材料組成的復合裝甲，以及鋼板中夾炸藥的爆炸反應裝置。這些裝甲組成的材料含有大量氫、碳和氧元素，可吸收中子，在抵御反坦克武器的同時，不同程度降低了中子彈對乘員的危害。據有關方面的研究，約2cm厚的特制塑料層，能減弱中子攻擊1000倍。國外已將含鉛泡沫塑料、鋁與聚甲基丙烯酸甲酯復合物以及聚氯乙烯等的混合物分別用作前蘇聯T-72坦克、德“豹”2坦克與英國裝甲車輛的中子防護層。另據報導，在復合裝甲的尼龍材料中添加重核元素和快中子慢化劑及慢中子吸收劑，可以吸收、屏蔽中子，取得較好的防中子輻射效果。
坦克車輛中可以利用的空間有限，致使采用金屬材料加工形狀復雜的油箱比較困難，故可采用工程塑料來成型防彈油箱。如采用泡沫聚氨酯、聚乙烯及玻璃纖維增強環氧樹脂制成防彈油箱。以色列的“梅卡瓦”坦克采用玻璃鋼制的防火彈藥箱，也起到了較好的防護效果。
2．3 Kevlar纖維復合材料用于坦克裝甲防護
對于主戰坦克的設計來說，坦克重量的限制是一個棘手的難題。要提高其防護能力，必須加厚裝甲，但這樣不僅增加坦克重量，影響其機動性能，同時又會妨礙其它裝置的設計。由于Kevlar纖維的比重比玻璃纖維約小一半，在防護能力相同的情況下，其重量可減少近一半。在給定重量下的Kevlar纖維層壓板防彈能力是鋼的5倍左右，并且Kevlar纖維層壓薄板的韌性是玻璃鋼的3倍，故在受到彈丸攻擊時，可吸收大量的沖擊動能，是鋼、鋁、玻璃鋼裝甲的理想代用品，但價格較高。
近年來，Kevlar纖維復合材料已用于裝甲材料，如美M-1主戰坦克采用“鋼-Kevlar-鋼”型的復合裝甲。它能防中子彈、防破甲厚度約700mm的反坦克導彈，還能減少因被破甲彈擊中而在駕駛艙內形成的瞬時壓力效應。在M1A1坦克上的主裝甲也采用Kevlar纖維復合材料制造，可防穿甲彈和破甲彈。在美M113裝甲人員輸送車內部結構的關鍵部位裝Kevlar裝甲襯層，可對破甲彈、穿甲彈和殺傷彈的沖擊或侵徹提供后效裝甲防護。
各國在坦克易中彈的炮塔和車體各部位，普遍安裝附加裝甲和側裙板。現也可采用Kev1ar纖維復合材料制成“拼-掛”式附加裝甲的背板，以提高鋁裝甲或鋼裝甲防彈及防破片的能力。制造附加裝甲的Kev1ar纖維層壓薄板通常含有9%～20％的樹脂．在重量相同的情況下，Kevlar與鋁甲板的復合裝甲的防護力較鋁裝甲大一倍。由于Kevlar纖維復合材料具有上述特點，目前美國已訂出Kevlar纖維復合裝甲的技術規范。
3 復合材料在坦克裝甲防護中的應用趨勢
隨著自動化技術和智能技術的不斷發展，未來的主戰坦克將在更加復雜、惡劣的環境中作戰，在這種環境中，主戰坦克若要克敵制勝，提高生存力，在考慮基本設計之外，應綜合運用各種先進技術，其中裝甲防護是坦克獲得生存力的主要手段之一，而現代裝甲技術的迅速發展，與高技術、新材料的發展息息相關，下面將著重介紹在未來坦克裝甲防護中復合材料的應用。
3．1 采用復合材料制造坦克車體、炮塔，以提高其機動性
裝甲和反裝甲武器之間的激烈競爭，使目前各國的坦克裝甲不斷加厚、加重，導致坦克的重量劇增。目前，各國現役的新一代主戰坦克，重量一般達到50t左右，影響坦克機動能力的提高。美國己試驗成功增強塑料車體的步兵戰車，如復合材料“布雷得利”步兵戰車的車體重量比常規車體輕27％。據計算，采用復合材料的裝甲車裝甲重量將減少35%～40%。采用復合材料裝甲不但能減輕重量、降低成本，而且可增加戰斗負荷，提高戰場生存能力。普通坦克常因中彈著火而嚴重毀損，而復合材料車體著火的裝甲內壁溫度不會明顯升高，可防止乘員燒傷或彈藥引燃，且中彈后無金屬崩落現象，車體易修復。由于上述優點，近年來復合材料已成功用于現代坦克上，如M1A1，T-80，“豹”2等坦克均不同程度地使用復合材料，并且已由非承力部件逐步發展到用于主承力件。由于復合材料的大量使用，使坦克的機動能力大大提高。
3．2采用復合材料，以滿足坦克隱形的要求
提高坦克戰場生存能力還必須合理設計坦克外形，采用圓滑過渡的外表面，減少平面結合處的棱角，從而減少雷達波的有效反射面積。坦克金屬裝甲的固有的弱點是雷達信號特征明顯，易被敵方的紅外、雷達等光電探測器材發現。復合材料不僅比重小，強度高，防彈性能好，還具有下述特點：對光波和雷達波反射比金屬弱，并可吸收部分雷達波；具有材料性能和結構外形的可設計性，以制成具有佳隱形結構外形；可減少各發熱部位的紅外輻射和抑制車輛的推進噪聲，使坦克的各種主、被動信號減少到低限度。近年來，一些研制成功可以吸收、屏蔽雷達的Kev1ar纖維復合材料。美國研制的高強度S-2型玻璃纖維增強模壓熱固性復合材料、荷蘭新近研究的超高強度聚乙烯纖維復合材料，都具有上述特點，是一種可供裝甲車輛外形使用的很有前途的隱形材料。
3．3 采用三維織物復合材料
三維織物復合材料具有高強度、高剛度、抗沖擊性能好的特點，因此將其用于坦克裝甲材料不僅具有一般復合材料的特點，還可進一步提高坦克的防護能力。目前，國外已有報道將其用于復合裝甲，并擬采用此種結構復合材料制造坦克裝甲車輛的車身、車底、炮塔、座椅等。
3．4 反應裝甲中的高效吸能材料與靈敏裝甲中使用的高分子材料
隨著反坦克武器威力的增大，反應裝甲技術也迅速發展。近出現的新型反應裝甲，采用金屬夾層結構，但其夾層不是惰性材料、炸藥，而是一種非爆炸性的高效吸能材料，該材料是一種高韌彈性體（或微孔彈性體），也可采用塑料、復合材料，它能起到破壞射流和吸收彈性波能量的作用，可以提高裝甲材料的抗彈性能，同時在使用上也比爆炸反應裝甲安全。
靈敏裝甲與傳統的被動式裝甲不同，它可主動改變彈九或射流的動量方向，若這種靈敏裝甲的某部位受到破壞，還可自行修復。在靈敏裝甲層以下有多個裝有引發劑的小型球體，球體周圍為單體材料。當彈丸撞擊使球體破裂時，引發劑從球體中釋放出來，與周圍的反應物聚合，得到的高分子材料可用以填補受攻擊后裝甲的缺陷。
4 結束語
在今后的一段時期，主戰坦克仍是陸軍的主要突擊兵器，因此各國都在積極研究新一代的主戰坦克，這必然使未來的坦克在火力系統、防護系統、動力系統、電子系統有重大地突破性進展。在坦克裝甲防護系統的研究中，既要重視各種高性能金屬材料、復合材料、陶瓷的使用，又要考慮軍事技術的發展和未來戰爭中坦克的生存環境，使未來的主戰坦克能滿足21世紀的作戰要求。
