軍用車輛裝甲防護材料與技術發展的研究

高原，姚凱

（1.解放軍總醫院，北京 100080；2.總后勤部建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

軍用車輛裝甲防護材料與技術發展的研究

高原1，姚凱2

（1.解放軍總醫院，北京 100080；2.總后勤部建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

現代戰爭模式的轉變，對軍用車輛防護水平要求越來越高，研究軍用車輛裝甲防護技術，提高軍用車輛戰場防護水平尤為重要。論文分析了防彈玻璃、防彈鋼板、防彈陶瓷、防彈高強玻纖、防彈芳綸纖維、防彈PE纖維等主要裝甲防護材料的性能特點和應用現狀，總結了不同裝甲防護材料的在軍事裝備的應用對象。重點對坦克、裝甲車輛等武器裝備和輕型戰術輪式后勤裝備的防護目標、防護材料應用和防護技術形式進行了研究。

軍用車輛；裝甲防護；防護材料；防護技術

0 引言

現代戰爭的對抗程度空前激烈，戰場前沿與縱深的界限已在立體戰條件下變得模糊，軍用車輛面臨各種武器的打擊破壞。遠程攻擊、戰場流彈、預置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立體式、高密度的破片襲擊造成嚴重的車輛損壞和人員傷亡。為了適應現代戰爭模式轉變，減少軍用車輛損毀與人員傷亡機率，必須加強軍用裝甲防護性研究。近年來，為適應新時期戰爭、反恐、維和、防暴等任務需要，外軍逐步加強了軍用車輛的防護設計和改造。2005年美軍制定了旨在解決輪式車輛防護的《戰術輪式車輛長期裝甲戰略》簡稱“LTAS”，將斥資340億美元，對戰術輪式車輛進行更新換代，到2018年，美陸軍將購買7萬輛新型戰術輪式車輛，升級現役的20多萬輛輪式車輛，屆時美軍所有戰術輪式車輛都具備裝甲防護［1］。英國國防部的“支援保障車輛計劃”計劃對8600輛車輛進行改裝，配備防護裝甲［2］。

1 裝甲防護材料性能及應用

國內外裝備裝甲防護材料主要有防彈玻璃、防彈鋼板、防彈陶瓷、防彈高強玻纖、防彈芳綸纖維、防彈PE纖維等。

1.1防彈玻璃

目前防彈玻璃主要是由無機玻璃與有機材料復合而成，其主要有以下幾種：

（1）浮法玻璃與PVB中間膜的夾層復合。該方法是多層浮法玻璃中間用聚乙烯醇縮丁醛中間膜粘結并經高溫高壓處理使它們復合在一起而成為一透明整體，形成具有防彈能力的玻璃。這種防彈玻璃的優點是光學性能非常優秀，并表現出良好的抗沖擊性能，同時耐環境穩定性好、不易老化、壽命長、成本較低、容易維護；缺點是體積質量大，適合安裝于固定的場所使用。

（2）夾層玻璃與有機透明板疊加或復合。這種防彈玻璃有兩種形式，一種是在一層夾層玻璃的后面放置一層有機透明板材，夾層玻璃置于有機透明板之前作為著彈層，這是疊加方式。另一種是玻璃與聚碳酸脂板、（PC板）直接復合為防彈玻璃，粘接材料為聚氨脂膜（PU膜），生產工藝方法與PVB夾層法類似。上述兩種方法由于使用了較多的有機材料，與PVB玻璃相比有以下特點：第一，體積質量小，在相同厚度或相同質量的情況下防彈能力強；第二，該種防彈玻璃在受到槍擊時只要不被子彈穿透就不會有飛濺物產生；第三，有機材料的剛性遠不及玻璃。由于有機材料的熱膨脹系數與玻璃不同，易產生變形，光學性能也不易控制；第四，有機材料直接暴露于大氣中易被老化，材料表面硬度低，極易被劃傷，因此使用壽命較短。此外，這種防彈玻璃的成本非常高，一般在車輛、船舶、飛機上使用。

軍用車輛宜選用夾層玻璃與有機透明板復合而成的防彈防暴玻璃，它是由優質安全玻璃與進口高強度PC板（抗沖擊強度為玻璃的250倍的聚碳酸脂）通過PVB膠片（聚乙烯醇縮丁醛中間膜）采用高壓聚合而成。質量只是普通防彈玻璃的65%，并且具有很強的抗沖擊性、阻燃性、透光性好和無飛濺物等特點。該種防彈玻璃價格適中，易被一般用戶采納，使用壽命長，可與建筑物或車輛等長久共存。

1.2防彈鋼板

金屬防彈材料（包括防彈鋼、鋁合金、鈦合金等）從過去到現在一直廣泛應用于軍用（坦克、裝甲車等）和民用防護（運鈔車、武警、公安防爆車及防彈轎車）領域，且隨著武器彈藥對裝甲防護材料的抗侵徹能力、抗沖擊能力和抗崩落能力的要求的提高，金屬防彈材料從普通鋼裝甲發展到高硬度鋼裝甲、雙硬度鋼復合裝甲、乃至鈦合金裝甲，防護能力不斷提高。裝甲鋼材料主要為Cr2Ni2Mo合金系列裝甲鋼，其通過調整碳含量來改變裝甲鋼板的硬度，將裝甲鋼板以硬度值HRC50分類，24C、28C、30C的硬度小于或等于HRC50，屬于高硬度裝甲鋼；39C和44C的硬度大于HRC50，屬于超高硬度裝甲鋼。隨著碳含量的增加，裝甲鋼板的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。

用于防輕型機槍的防彈板有兩大類：一類為熱軋板材，以SSAB公司的DomexProtect（Defend）250和300為代表。這類鋼板的抗拉強度為900～1000MPa，綜合性能好，板厚3.0～3.2mm，其冷加工性、冷彎性能（d=2a 180℃不開裂）、可焊性等性能良好。另一類為熱處理鋼板，是通過對熱軋板進行淬火、回火熱處理來提高強度以滿足其防彈要求。瑞典的DomexProtect（Defend）500是其典型牌號之一。其抗拉強度大于1500MPa，用于防輕型沖鋒槍時，其厚度可減至2.4～2.6mm；防56式沖鋒槍時其厚度為4.5mm。冷彎半徑需大于18mm，同樣具有良好的可焊性。這類鋼是將微合金化的C-Mn鋼。通過控軋或熱處理來獲得上述性能的。冶煉時盡可能降低P、S和O含量，降低夾雜物，以保持鋼的可加工性。

傳統金屬裝甲材料如鋼板密度大，大殺傷力及爆炸力強武器要求裝甲必須達到一定厚度，而使用過厚過重的鋼板裝甲，對于車輛、船舶、飛機來說就必須犧牲其有效載荷。同時過重的裝甲材料使其不易操縱、減小靈活性并增加了發動機的故障率。

1.3防彈陶瓷

1918年，人們發現在金屬表面覆蓋一層薄而硬的搪瓷，便可提高其抗彈性能，故該技術一戰期間用于坦克。60年代以后采用A12O3陶瓷面板裝甲與鋁或玻璃鋼背板粘結制成復合防護裝甲，可防高速彈丸的侵徹，后來又陸續出現了B4C、SiC、Si3N4等陶瓷裝甲材料。

陶瓷是一種脆性材料，在收到沖擊時容易破碎，通常不單獨做成防護裝甲，而是與金屬和其它纖維材料一起做成復合裝甲；復合裝甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷塊，使得當某塊陶瓷被彈體擊碎時，其它陶瓷塊還仍然有效。陶瓷材料主要應用于以對付中、大口徑長桿穿甲彈為首要目標的裝甲系統，這些彈藥主要采用燒蝕破壞機理，另外也應用于防彈背心，陶瓷與復合背面材料結合使用提供要求的防護能力。工程應用中，陶瓷復合裝甲廣泛用在坦克、裝甲車等裝備的防護裝甲上。但陶瓷材料塑性差、斷裂強度低、易產生脆性斷裂，且不能二次防彈，此外，其成型尺寸較小、生產效率低，且因其具有極高的硬度和脆性，二次成型加工十分困難，特別是成型孔的加工尤其困難，因而制備成本高，使用局限性較大。

目前，用于防彈的三大陶瓷材料是氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和碳化硼（B4C）。氧化鋁因其成本低而在防彈上得到更廣泛的應用，但其防彈等級最低、密度也最大；碳化硼防彈性能最好、密度最小，但其價格最為昂貴，20世紀60年代就最先用來作為設計防彈背心的材料；碳化硅陶瓷材料在成本、防彈性能和密度指標方面均介于二者之間。因而最有可能成為氧化鋁防彈陶瓷的升級換代產品。

1.4防彈高強玻纖

早在二戰期間，美國已開始進行玻璃鋼裝甲的研究，并成功研制了玻纖/聚酯裝甲材料。隨著S-2高強玻璃纖維的出現，高性能玻璃纖維復合材料作為較廉價的抗彈裝甲材料，成為第一代復合裝甲材料。其抗彈能力可達到鋼的3倍以上。前蘇聯用玻璃鋼復合裝甲裝備T-72和T-80坦克，其復合裝甲結構為：鋼+鋼+玻璃鋼+鋼+內襯的5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，并已裝在德國陸軍和丹麥陸軍的“豹”1A3主戰坦克上，它的防護能力達到焊接炮塔的“豹”1A4主戰坦克的水平。美國陸軍材料與力學研究中心（AM MRC）用高強玻纖復合材料制造履帶和輪式車輛的結構裝甲，如美國聯合防務公司的“布雷德利”復合裝甲型步兵戰車就采用了S-2型高強玻璃纖維和聚酯樹脂模壓工藝制備的結構復合材料。玻璃鋼還被用于武裝直升飛機、運輸機和通訊聯絡直升機的復合裝甲結構材料。

高強玻纖最早由美國歐文斯-康寧（OC）公司開發研制，其兼具優異的抗彈性能、降噪和特征信號低等優點，能有效提高裝備的生存能力和快速反應機動性能，其優異的性價比更是其在裝甲防護領域具有舉足輕重的作用。玻璃纖維復合材料本身的結構強度也非常好，而且生產工藝簡單、成本低廉，越來越多地作為結構/功能一體化材料用于裝甲車體及結構件。國內南京玻纖院中材科技等企業已實現高強玻纖的工業化生產，獨立自主開發并規模化工業生產中HS2號和HS4號系列高強玻纖，其中HS4高強玻纖產品性能接近或達到美國S-2玻纖，其制品有SW220和SW360緞紋高強度玻璃纖維布。

1.5防彈芳綸纖維

最早由美國杜邦在上世紀70年代初期研制的一種有機纖維，外表呈金黃色并有光澤，其比重只有玻璃纖維的50%，同質量情況下，芳綸復合材料的抗彈能力是玻纖復合材料的2～3倍、鋼的5倍左右。在防護能力相同的情況下，用其制成的防彈材料重量至少可減少1/3以上。

美國首先將芳綸復合材料制成防彈頭盔和防彈衣，接著又將芳綸纖維層壓板與陶瓷或鋼板復合，用作坦克裝甲，如美國MI主戰坦克采用“鋼+Kevlar+鋼”型的復合裝甲，它能防中子彈以及防破甲厚度約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。美國M113裝甲人員輸送車內部結構的關鍵部位也裝備了Kevlar襯層，可對破甲彈、穿甲彈和殺傷彈的沖擊和侵徹提供后效裝甲防護。美國的V22Osprey軍用機和軍用直升飛機使用的防彈復合材料背板與陶瓷面板組成的復合裝甲是直升飛機最理想的輕質裝甲。

1.6防彈PE纖維

UHMWPE纖維是20世紀70年代由荷蘭DSM公司進行工業化生產。它是繼芳綸之后開發的另一種高性能纖維，屬第三代防彈纖維。其最大特點是密度低，僅為0.97g/cm3，是芳綸的2/3、鋁的1/3和鋼的1/8，是已開發高性能纖維中最輕的一種。其比強度比芳綸高35%，而且由于該纖維有常規準靜態條件下較高的模量，能造成高的聲速傳播，從而使得它在防護子彈沖擊時的能量吸收和應力波傳遞優于其它纖維。UHMWPE纖維是目前公認的防彈性能最好的纖維。

超高分子量聚乙烯纖維復合材料（荷蘭和美國的商品名分別為Dyneema和Spectra）是具有優異綜合性能的高性能纖維，其特點是高強度、高模量、低伸長以及比水還輕的低密度，具有優良的耐腐蝕性、耐紫外線能力和抗切割、耐磨性，而且吸濕小，不受環境影響，加之其氫原子含量高，因而防中子和防γ射線性能優良。Dyneema的防彈板主要用作車輛、坦克、飛機、直升飛機和艦船的要害部位等。

2 坦克、裝甲車輛武器裝備裝甲防護技術

防護目標：主要針對地面和空中反坦克火力、穿破甲彈如反坦克地雷、動能穿甲彈、空心裝藥破甲彈、反坦克導彈和核武器的貫穿輻射。

防護材料：其采用均質裝甲如鋼裝甲、鋁合金裝甲、鈦合金裝甲等和非均質裝甲如復合裝甲、表面硬化裝甲、反應裝甲（通常利用彈丸激勵裝甲材料產生動能反應、又反作用于攻擊彈丸。）、結構裝甲等多種裝甲材料。由于大威力穿甲彈和高能破甲彈的發展，上世紀90年代其對均質鋼穿深已近650mm，破甲達到1000mm以上，非均質多功能復合裝甲研究日益受到重視并成為理想的裝甲材料；坦克裝甲由前部裝甲、側部裝甲、后部裝甲、頂部裝甲和底部裝甲組成，通常根據各部位受彈概率的不同，一般設計成不同的厚度和傾斜角度，且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。設計階段考慮裝甲防護，總裝時根據設計組裝。

加裝形式：方式一：裝甲結構。軍事強國采用的復合裝甲車身結構，美軍MI主戰坦克采用“鋼+Kevlar+鋼”型的復合裝甲結構。方式二：內襯裝甲。美軍M113裝甲人員輸送車內部關鍵部位裝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。方式三：外裝披掛式裝甲。外軍的主戰坦克等裝備需要時采用車輛外披掛鋼板或陶瓷復合裝甲做成的裝甲。如以色列軍隊20世紀80年代入侵黎巴嫩時，其M113裝甲輸送車安裝了多孔高硬度鋼板被動式披掛裝甲。

3 輕型戰術輪式后勤裝備裝甲防護技術

防護目標：爆炸破片殺傷、爆轟沖擊、輕武器設計等。防護材料：裝甲鋼、防彈玻璃、復合纖維材料等。

美軍最新的HMMWV車型M1151和M1152采用了A、B組件的防護解決方案，其中A組件重約350kg，由廠家在新車出廠時安裝，主要布置在難以接近的部位，如駕駛員下方底板、后隔板等處；B組件采用復合裝甲系統，組件可由車組人員根據戰場需要利用自帶的簡單工具快速拆卸和安裝，兩個人2h即可完成安裝工作，該組件最大特征是將防雷和防彈組件模塊化，在戰場執行任務時可將其靈活增補加裝在原車防護薄弱環節如駕駛室、車窗、后載貨艙等部位，在執行完任務后可將其裝甲卸下。

針對現役中型輪式車輛的防護改裝問題，外軍普遍采用可拆裝的裝甲組件。如美軍為滿足阿富汗和伊拉克戰場上中型輪式車輛（FMTV）的防護要求，2004年由RADIAN公司設計生產了車輛裝甲防護組件（RACKs），它是在原有駕駛室的基礎上加裝附加裝甲，可對人員和關鍵零部件提供抗爆防護。2005年由斯圖爾特史蒂文森軍用車輛公司為美軍開發了輕型裝甲駕駛室（LSAC），該裝甲駕駛室可在8小時內與中型輪式車輛的標準駕駛室互換，該輕型裝甲駕駛室可大幅提高駕駛人員在遭遇小型武器打擊、空爆炮彈、地雷以及簡易爆炸裝置襲擊時的生存能力［3］。

意軍的依維柯中型多用途運輸車設計了“平戰兩用型”駕駛室，在訓練和低風險軍事行動中使用傳統的無防護型普通駕駛室，在高風險、高強度的軍事行動中，只需在傳統駕駛室的基本結構上安裝不同防護等級的裝甲。法國雷諾公司提出新的理念“換頭”計劃，即拆下原車的商用駕駛室，換上特制的裝甲駕駛室，整個過程只需4h左右。

4 結論

分析了防彈玻璃、防彈鋼板、防彈陶瓷、防彈高強玻纖、防彈芳綸纖維、防彈PE纖維等主要裝甲防護材料的性能特點和應用現狀，總結了不同裝甲防護材料的在軍事裝備的應用對象。對坦克、裝甲車輛等武器裝備和輕型戰術輪式后勤裝備的戰時防護目標、防護材料的應用和防護技術形式進行了研究，得出了不同防護需求的軍事裝備應用的防護技術形式。

［1］李明杰，等.美軍戰術輪式車輛防護改造總覽［J］.汽車運用，2012，12.

［2］李慧萍.后勤車輛的裝甲防護與機動［J］.國外坦克，2011，3.

［3］朱大偉，李鵬，張亞萍，等.主要發達國家軍用輪式車輛防護概覽［J］.汽車運用，2006，7.

Armor Protection Materials and Technology Development Research on Military Vehicle

GAO Yuan1，YAO Kai2
（1.PLA General Hospital Beijing 100080，China；2.Construction Engineering Research Institute of General Logistics Department，Xi'an Shaanxi 710032，China）

The transformation of modern warfare mode，the level of protection for military vehicles have become increasingly demanding，study military vehicle armor protection technology to improve the level of protection of military vehicles is particularly important.This paper analyzes the performance characteristics and applications of bulletproof glass，bulletproof plates，bulletproof ceramics，high strength and bulletproof glass，bulletproof Kevlar fiber，ballistic armor protection and other major PE fiber material，summed up the object of military equipment in the application of different armor protection materials.Key objectives for protection of tanks，armored vehicles and other weaponry and light tactical wheeled logistical equipment，protective materials and protective technology application forms were studied.

military vehicles；armor protection；protective material；protection technology

TJ811

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.004

1002-6673（2015）02-010-04

2014-11-05

高原（1989-），男，助理工程師。主要從事基建營房管理工作。