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更轻更强---陶瓷材料在防弹衣上的应用
2020年02月10日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:162
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防弹衣,又称避弹背心,用于防护弹头或弹片对人体的伤害。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成。衣套常用化纤织品制成,防弹层一般用金属(特种钢、铝合金和钛合金)、陶瓷片(碳化硼、碳化硅和氧化铝)、玻璃钢和超高分子聚乙烯纤等制成。其中,防弹层可以吸收弹头或弹片的动能,对低速弹头或弹片具有明显的防护效果,在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸部、腹部的伤害。

依据防弹层的软硬程度不同,防弹衣可分为软体、硬体和软硬复合体三种类型。软体防弹衣以高性能纺织纤维吸收冲击能量,而硬体防弹衣一般以插板式为主,利用金属或陶瓷插板起到防护功能。复合防弹衣则是以软质材料为内衬,硬质材料为面板或增强材料。

1 二战时期苏联士兵装备的硬体防弹衣,可以看出其防弹层为钢板,钢板的强度能够满足战斗中抵御弹片的需求,但是不利于士兵的灵活作战

2 美军M12防弹衣采用了铝板作为防弹层,铝板相对钢板明显会更为轻便,但防护能力相对较弱

更轻更强的防弹陶瓷

陶瓷是一类能够兼具轻便与强度的防弹材料,其应用最早可以追溯到1962年,Goodyear航空航天公司研制出的高硬度表面材料的复合装甲,是将氧化铝陶瓷块粘到相对薄(约6mm)的韧性铝背板上,用7.62mm穿甲弹射击这种靶板,同时还借助于高速摄影和HETP有限差分计算程序对弹靶作用过程进行模拟,对陶瓷复合装甲进行了深入研究。在1965年,Goodyear公司又推出了适合军用飞机装备的碳化硼材质防弹装甲。此后,陶瓷材料作为一种新型的防弹装甲,逐步应用到军用飞机、坦克、舰艇及单兵防弹衣上。

3 Goodyear公司为波音公司生产的B-29轰炸机尾翼

陶瓷材料与传统金属材料在防弹原理上的最大不同是:金属材料可以通过塑性变形吸收弹头的能量,而陶瓷作为脆性材料,其破坏时塑性变形量近乎为0。因此,在弹头较大冲击力作用下,陶瓷材料主要通过微破碎过程吸收能量,其主要过程大致分为初始撞击阶段、侵蚀阶段和变形断裂阶段。防弹陶瓷表层能使得弹头钝化,表面粉碎为细小而坚硬的颗粒,当变钝的弹丸继续深入,使得防弹陶瓷形成碎片层,材料内部的拉应力使得陶瓷碎裂,剩余的能量由背板吸收。因此,陶瓷的弹性模量、硬度越大,密度越小,陶瓷对于动能吸收能力越强,即防弹性能越好。

陶瓷材料应用于防弹衣,最为成功的案例是美军现役的“拦截者”防弹衣。“拦截者”防弹衣由可拆洗的战术背心式外套、凯夫拉软质防弹内层和前后两片碳化硼防弹板三部分组成,于20011月开始装备美军,不含防护板的“拦截者”重约3.81千克,而全套“拦截者”防弹衣仅重7.44千克,比老式防弹衣PASGT/SAPO的组合轻4.08千克。

除了轻便以外,防弹陶瓷的突出特点还有防护能力强,这源于陶瓷自身的高比强度、大弹性模量和高硬度。20058月,互联网上流传的一段伊拉克反美武装拍摄的狙击手袭击驻伊美军的录像。不过,其内容更像是为美军的“拦截者”防弹衣做了一次广告:遇袭的美军医护兵悠哉游哉地站在公路边,“砰”地一声枪响后,SVD狙击步枪射出的子弹瞬间击中医护兵的胸口,强大的冲击力使后者腾空而起,并摔倒在地。但一转眼,该医护兵又站了起来,持枪向来袭方向观望,然后跑到悍马车后面寻找掩护……不过,这名医护兵并非毫发无损,SVD弹头的强大冲击力使他的胸前出现了红色的瘀伤。根据美军对“拦截者”防弹衣的评估,防弹衣本身的防弹等级达到I级,可抵御9mm手枪子弹,在前后各插入一块重1.81千克的碳化硼轻武器防护插板后,可以将防御等级提高到抵挡AK47发射的7.62mm枪弹的ⅢA级。不过,这种插板的价格相当昂贵,全配备的“拦截者”防弹衣总价高达1600美元。

4 防弹衣能够阻止子弹侵入人体,但是无法阻止“钝伤”,即在子弹无法穿透人体的情况下,巨大的冲击动能仍能使人体形成类似于钝器猛击造成的伤害,严重的可能造成人体的内脏、骨骼受损。在这一点上,陶瓷材料由于能够通过断裂吸收动能,因而防护性能会优于金属这一类塑性材料。

目前,已经应用于防弹衣上的陶瓷材料主要为氧化铝、碳化硅和碳化硼,这三种防弹陶瓷的主要性能指标如表1所示。

1 三种常用的防弹陶瓷材料

小结与展望

陶瓷材料应用于防弹衣上,能够兼具防护能力及单兵作战所追求的轻便性。目前常见的防弹陶瓷中,氧化铝相对其它两种,价格低廉,能够满足一般的防弹需求,而碳化硅、碳化硼价格昂贵,其中碳化硼的应用前景更为明确,但由于价格高,因此一般将其应用到防弹要求最高的部位。例如在2016年人民解放军全面列装的昌河武直-10上,在直升机特别脆弱的座舱肩膀两侧安装了能够抗击12.7mm大口径机枪子弹的碳化硼陶瓷装甲板;美军号称“飞行坦克”的阿帕奇直升机的乘员舱下面的弹药舱直接关乎人、机的安全,因此加装了碳化硼陶瓷和凯夫拉纤维组成的装甲,可以直接抵御23mm炮弹的攻击,而其它相对不重要的部位仅采用了防弹玻璃。

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