應對未來戰爭的“光學盾牌”
——藍寶石基透明裝甲

王曉亮,趙 鵬,劉發付,黃友奇,李清連,孫 軍,6,黃存新

(1.北京中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018;2.中材人工晶體研究院有限公司,北京 100018; 3.中國兵器科學研究院寧波分院,寧波 315103;4.中國建筑材料科學研究總院有限公司,北京 100024; 5.南開大學物理科學學院, 天津 300071;6.中國科學院新疆理化技術研究所,烏魯木齊 830011)

0 引 言

透明裝甲是一種有效防護多種彈丸和碎片,保護士兵生命安全,且能提供士兵隨時且全方位動態感知觀察外界環境的疊層復合材料,主要應用于有防護需求的各種窗口和觀察瞄準部位,如軍用飛機的擋風、裝甲車輛的視窗等[1-4]。據報道,2015年,全球的防彈玻璃產值為23.96億美元,2021年,該數值達到40億美元[5]。隨著武器裝備的不斷發展,為了應對新的威脅,透明裝甲的厚度和面密度也在不斷增加,然而面密度成為影響裝甲裝備實現戰場高機動性的主要因素之一。因此,現代高技術裝備對透明裝甲裝備的面密度指標提出了極為苛刻的要求,即在滿足高抗彈性能的前提下,具有輕量化、高性能化、高機動靈活性等特點[2-3]。

新型透明裝甲主要由迎彈面層、中間層和背彈面層組成,其中迎彈面層具有使彈丸鈍化、損傷、碎裂等功能,是整個透明裝甲系統的核心部分,它要求材料不但具有較高的光學性能,同時具有極強的力學性能和物理化學穩定性。目前國際上普遍公認的三種最有潛力的透明裝甲材料為藍寶石(Al2O3, sapphire)單晶、鎂鋁尖晶石(MgAl2O4, spinel)陶瓷和氧氮化鋁(AlON)陶瓷,這三種材料的部分性能如表1所示。

其中,藍寶石晶體是硬度僅次于鉆石的一種材料,具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、防輻射等優異的性能,同時在紫外、可見、3～5 μm紅外寬波段范圍內均具有高的透過率,是理想的紅外窗口和透明裝甲材料[6]。前期受晶體尺寸及成本的限制,藍寶石透明裝甲大都用在小尺寸的面罩防護、整流罩等領域,而在大尺寸透明裝甲領域應用較少[7-9]。目前,只有圣戈班公司實現了導模法產業化生產大尺寸藍寶石板材,并且相關產品已經服役于美軍阿帕奇武裝直升機、F-35和F-22戰斗機等[10]。近年來,我國在大尺寸藍寶石板材制備方面也取得了較大的進展[6,11-13],2023年,同濟大學和南京同溧晶體材料研究院有限公司聯合報道制備出尺寸為415 mm×810 mm×12 mm的藍寶石板材晶體[11],前期本團隊采用導模法成功制備出尺寸為480 mm×1 200 mm×12 mm的藍寶石板材[13],同時還極大地縮減了晶體板材制備成本。本文工作中,采用自主設計裝調的大尺寸導模爐制備了大尺寸藍寶石板材晶體,經過加工后,將其制備為藍寶石透明裝甲,并進行打靶測試。

1 實 驗

1.1 藍寶石晶體制備

藍寶石單晶生長所需的原料是純度為99.99%的Al2O3粉料,采用等靜壓的方式將其壓制為餅狀。單晶生長設備為本實驗室自主設計的大尺寸矩形導模爐[13],其發熱體為石墨材料,通過兩組獨立的發熱體進行加熱,在長晶的同時實現晶體原位退火。晶體生長過程中采用鎢坩堝,坩堝能自動升降。

長晶過程中通過稱重信號及生長界面的視頻監控對晶體生長狀態實現實時監控。為了抑制石墨發熱體和碳氈保溫層對熔體和晶體的污染,晶體生長過程中采用Ar(10 000 mL/min)、CO(500 mL/min)和CO2(0.5 mL/min)三種氣體混合流動降低碳的蒸氣壓。晶體等徑生長過程中,生長速率高達45 mm/h。

晶體取出后,采用線切割將其切割成面積為350 mm×340 mm的方塊。由于拋光晶體與未拋光晶體的防彈性能相同,為了縮減成本及周期,本文中只對藍寶石晶體進行初步研磨處理,研磨后藍寶石晶體厚度為10 mm。

1.2 透明裝甲制備

透明裝甲主體結構從迎彈面到背板依次為10 mm厚的藍寶石單晶,10 mm厚的鋼化玻璃,12 mm厚的聚碳酸酯(PC)板,采用PU膠片作為層間粘合材料。將研磨光后的藍寶石晶體、玻璃及PC板材料清洗干凈后,進行合片處理,每層中間采用0.65 mm的PU膠片。合片完成后將透明材料裝入高壓釜,溫度和壓力分別設置為110 ℃和1.2 MPa,恒溫恒壓2 h。本次實驗共復合了兩塊藍寶石透明裝甲樣品,將其分別標記為TM-1#、TM-2#。

采用量程為50 kg、精度為1 g的電子秤對其質量進行稱量;采用精度為1 mm的鋼板尺測量組裝后透明裝甲的尺寸,并計算其面密度。

1.3 打靶試驗

分別選用7.62和12.7 mm的穿甲燃燒彈進行打靶實驗。樣品固定方式如圖1所示,槍口距靶板的距離為100 m,入射角為0°法線角度。射擊實驗中,對每塊靶板進行三次射擊實驗,若其中有一次靶板被打穿,則認為靶板被擊穿,停止后續實驗;若靶板未被擊穿,繼續射擊,直至三次射擊后,若靶板仍未被擊穿,則認為此時靶板未被擊穿。

2 結果與討論

2.1 晶體質量

本文成功制備了尺寸為485 mm×985 mm×12 mm的藍寶石板材,如圖2所示,晶體形狀規則。加工去掉表面氣泡層后,在20 mW He-Ne激光照射下檢測,晶坯整體無散射。

2.2 透明裝甲

圖3為組合后的藍寶石基透明裝甲,用鋼板尺測得兩塊透明裝甲的尺寸分別為352 mm×341 mm×33 mm和351 mm×342 mm×33 mm,二者對應的質量為9.515和9.529 kg,以打靶面為研究對象,計算其對應的面密度分別約為79.27和79.38 kg/m2,具體數值如表2所示。

圖2 導模法生長的485 mm×985 mm×12 mm藍寶石板材Fig.2 Sapphire plate with size of 485 mm×985 mm×12 mm grown by EFG method

圖3 藍寶石基透明裝甲Fig.3 Transparent armor based on sapphire crystal plate

表2 透明裝甲尺寸及面密度Table 2 Size and surface density of transparent armor

2.3 打靶結果分析

選用7.62 mm的穿甲燃燒彈對樣品TM-1#進行100 m 0°法線角射擊。第一次射擊彈速為795 m/s,子彈打在靶板,但未擊穿,靶板迎彈面形貌如圖4(a)所示。從圖中可以看出,靶板上藍寶石單晶以子彈加載點為中心形成由徑向和環向裂紋組成的細密碎片構成的粉碎區域,這主要是高速的子彈產生的強大沖擊力所致。其他部分在抗沖擊后形成部分規則的破碎裂紋,以著彈點為中心向四周散開,整體裂紋類似蜘蛛網形狀。

繼續進行射擊,第二次射擊穿甲燃燒彈打在靶板邊緣位置,射擊后的迎彈面形貌和靶板背面形貌如圖4(b)和(c)所示,此次彈速為788 m/s。從圖中可以看出,在第二次射擊后樣品仍然出現碎裂,但未被擊穿。

繼續進行第三次射擊,此次彈速為795 m/s,靶板迎彈面形貌如圖4(d)所示。與前兩次射擊后樣品碎裂程度相比,裂紋更密集,碎片面積更小,表明碎裂程度更加嚴重,且幾乎整個靶板都出現裂紋,但是此次射擊后樣品仍然沒有被擊穿。

選用12.7 mm的穿甲燃燒彈對樣品TM-2#進行100 m 0°法線角射擊。第一次射擊彈速為509 m/s,此次射擊后樣品的迎彈面和背彈面如圖5(a)和(b)所示,從圖中看出靶板的迎彈面出現明顯的裂紋,裂紋形狀同TM-1# 被射擊后的碎裂形狀,裂紋以著彈點為中心向四周散開,但是背板裂紋并不明顯,更沒有凸起的部分。對該樣品進行第二次射擊,本次射擊彈速為511 m/s,射擊后樣品被擊穿,其形貌如圖5(c)和(d)所示,從圖中看出背板PC被撕裂且被擊穿。

圖4 樣品TM-1#被射擊后的形貌圖。(a)第一次射擊后迎彈面;(b)第二次射擊后迎彈面;(c)第二次射擊后背彈面; (d)第三次射擊后迎彈面Fig.4 Morphology of sample TM-1# after being shot. (a) The facing surface after the first shot; (b) the facing surface after the second shot; (c) the rebound surface after the second shot; (d) the facing surface after the third shot

結合表2數據分析,樣品TM-1#的面密度為79.27 kg/m2,該樣品經過三次有效射擊后,雖然表面碎裂,但是并未擊穿。與同類型的普通玻璃透明裝甲相比,其面密度減小了65%。對于樣品TM-2#而言,其面密度為79.38 kg/m2,與同類型普通玻璃透明裝甲相比,面密度減小50%以上。上述結果說明藍寶石基透明裝甲的抗沖擊性能優異,在輕量化防彈領域具有廣闊的應用前景。本團隊對大尺寸藍寶石單晶的突破,更是拓展了其在大尺寸透明裝甲領域的應用前景。

3 結 論

本文采用導模法制備了尺寸為485 mm×985 mm×12 mm的藍寶石板材單晶,通過光學加工后,與玻璃、聚碳酸酯一起復合為藍寶石基透明裝甲,經過計算,其面密度小于80 kg/m2,比常規玻璃透明裝甲面密度減小了65%。分別用7.62和12.7 mm的穿甲燃燒彈對其進行打靶實驗,槍口距靶板的距離為100 m,入射角為0°法線角度,結果表明,當用7.62 mm穿甲彈燃燒彈三次射擊該透明裝甲后,該透明裝甲均未被擊穿,穿甲燃燒彈的速度分別為795、788和795 m/s。當用12.7 mm的穿甲燃燒彈射擊藍寶石基透明裝甲時,第一次靶板出現裂紋,但未被擊穿,此時的彈速為509 m/s,第二次射擊時靶板被擊穿,對應的彈速為511 m/s。