军用车辆装甲防护材料与技术发展的研究

高原，姚凯

（1.解放军总医院，北京 100080；2.总后勤部建筑工程研究所，陕西 西安 710032）

军用车辆装甲防护材料与技术发展的研究

高原1，姚凯2

（1.解放军总医院，北京 100080；2.总后勤部建筑工程研究所，陕西 西安 710032）

现代战争模式的转变，对军用车辆防护水平要求越来越高，研究军用车辆装甲防护技术，提高军用车辆战场防护水平尤为重要。论文分析了防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等主要装甲防护材料的性能特点和应用现状，总结了不同装甲防护材料的在军事装备的应用对象。重点对坦克、装甲车辆等武器装备和轻型战术轮式后勤装备的防护目标、防护材料应用和防护技术形式进行了研究。

军用车辆；装甲防护；防护材料；防护技术

0 引言

现代战争的对抗程度空前激烈，战场前沿与纵深的界限已在立体战条件下变得模糊，军用车辆面临各种武器的打击破坏。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为了适应现代战争模式转变，减少军用车辆损毁与人员伤亡机率，必须加强军用装甲防护性研究。近年来，为适应新时期战争、反恐、维和、防暴等任务需要，外军逐步加强了军用车辆的防护设计和改造。2005年美军制定了旨在解决轮式车辆防护的《战术轮式车辆长期装甲战略》简称“LTAS”，将斥资340亿美元，对战术轮式车辆进行更新换代，到2018年，美陆军将购买7万辆新型战术轮式车辆，升级现役的20多万辆轮式车辆，届时美军所有战术轮式车辆都具备装甲防护［1］。英国国防部的“支援保障车辆计划”计划对8600辆车辆进行改装，配备防护装甲［2］。

1 装甲防护材料性能及应用

国内外装备装甲防护材料主要有防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等。

1.1防弹玻璃

目前防弹玻璃主要是由无机玻璃与有机材料复合而成，其主要有以下几种：

（1）浮法玻璃与PVB中间膜的夹层复合。该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体，形成具有防弹能力的玻璃。这种防弹玻璃的优点是光学性能非常优秀，并表现出良好的抗冲击性能，同时耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护；缺点是体积质量大，适合安装于固定的场所使用。

（2）夹层玻璃与有机透明板叠加或复合。这种防弹玻璃有两种形式，一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材，夹层玻璃置于有机透明板之前作为着弹层，这是叠加方式。另一种是玻璃与聚碳酸脂板、（PC板）直接复合为防弹玻璃，粘接材料为聚氨脂膜（PU膜），生产工艺方法与PVB夹层法类似。上述两种方法由于使用了较多的有机材料，与PVB玻璃相比有以下特点：第一，体积质量小，在相同厚度或相同质量的情况下防弹能力强；第二，该种防弹玻璃在受到枪击时只要不被子弹穿透就不会有飞溅物产生；第三，有机材料的刚性远不及玻璃。由于有机材料的热膨胀系数与玻璃不同，易产生变形，光学性能也不易控制；第四，有机材料直接暴露于大气中易被老化，材料表面硬度低，极易被划伤，因此使用寿命较短。此外，这种防弹玻璃的成本非常高，一般在车辆、船舶、飞机上使用。

军用车辆宜选用夹层玻璃与有机透明板复合而成的防弹防暴玻璃，它是由优质安全玻璃与进口高强度PC板（抗冲击强度为玻璃的250倍的聚碳酸脂）通过PVB胶片（聚乙烯醇缩丁醛中间膜）采用高压聚合而成。质量只是普通防弹玻璃的65%，并且具有很强的抗冲击性、阻燃性、透光性好和无飞溅物等特点。该种防弹玻璃价格适中，易被一般用户采纳，使用寿命长，可与建筑物或车辆等长久共存。

1.2防弹钢板

金属防弹材料（包括防弹钢、铝合金、钛合金等）从过去到现在一直广泛应用于军用（坦克、装甲车等）和民用防护（运钞车、武警、公安防爆车及防弹轿车）领域，且随着武器弹药对装甲防护材料的抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力的要求的提高，金属防弹材料从普通钢装甲发展到高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲、乃至钛合金装甲，防护能力不断提高。装甲钢材料主要为Cr2Ni2Mo合金系列装甲钢，其通过调整碳含量来改变装甲钢板的硬度，将装甲钢板以硬度值HRC50分类，24C、28C、30C的硬度小于或等于HRC50，属于高硬度装甲钢；39C和44C的硬度大于HRC50，属于超高硬度装甲钢。随着碳含量的增加，装甲钢板的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

用于防轻型机枪的防弹板有两大类：一类为热轧板材，以SSAB公司的DomexProtect（Defend）250和300为代表。这类钢板的抗拉强度为900～1000MPa，综合性能好，板厚3.0～3.2mm，其冷加工性、冷弯性能（d=2a 180℃不开裂）、可焊性等性能良好。另一类为热处理钢板，是通过对热轧板进行淬火、回火热处理来提高强度以满足其防弹要求。瑞典的DomexProtect（Defend）500是其典型牌号之一。其抗拉强度大于1500MPa，用于防轻型冲锋枪时，其厚度可减至2.4～2.6mm；防56式冲锋枪时其厚度为4.5mm。冷弯半径需大于18mm，同样具有良好的可焊性。这类钢是将微合金化的C-Mn钢。通过控轧或热处理来获得上述性能的。冶炼时尽可能降低P、S和O含量，降低夹杂物，以保持钢的可加工性。

传统金属装甲材料如钢板密度大，大杀伤力及爆炸力强武器要求装甲必须达到一定厚度，而使用过厚过重的钢板装甲，对于车辆、船舶、飞机来说就必须牺牲其有效载荷。同时过重的装甲材料使其不易操纵、减小灵活性并增加了发动机的故障率。

1.3防弹陶瓷

1918年，人们发现在金属表面覆盖一层薄而硬的搪瓷，便可提高其抗弹性能，故该技术一战期间用于坦克。60年代以后采用A12O3陶瓷面板装甲与铝或玻璃钢背板粘结制成复合防护装甲，可防高速弹丸的侵彻，后来又陆续出现了B4C、SiC、Si3N4等陶瓷装甲材料。

陶瓷是一种脆性材料，在收到冲击时容易破碎，通常不单独做成防护装甲，而是与金属和其它纤维材料一起做成复合装甲；复合装甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷块，使得当某块陶瓷被弹体击碎时，其它陶瓷块还仍然有效。陶瓷材料主要应用于以对付中、大口径长杆穿甲弹为首要目标的装甲系统，这些弹药主要采用烧蚀破坏机理，另外也应用于防弹背心，陶瓷与复合背面材料结合使用提供要求的防护能力。工程应用中，陶瓷复合装甲广泛用在坦克、装甲车等装备的防护装甲上。但陶瓷材料塑性差、断裂强度低、易产生脆性断裂，且不能二次防弹，此外，其成型尺寸较小、生产效率低，且因其具有极高的硬度和脆性，二次成型加工十分困难，特别是成型孔的加工尤其困难，因而制备成本高，使用局限性较大。

目前，用于防弹的三大陶瓷材料是氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）和碳化硼（B4C）。氧化铝因其成本低而在防弹上得到更广泛的应用，但其防弹等级最低、密度也最大；碳化硼防弹性能最好、密度最小，但其价格最为昂贵，20世纪60年代就最先用来作为设计防弹背心的材料；碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于二者之间。因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。

1.4防弹高强玻纤

早在二战期间，美国已开始进行玻璃钢装甲的研究，并成功研制了玻纤/聚酯装甲材料。随着S-2高强玻璃纤维的出现，高性能玻璃纤维复合材料作为较廉价的抗弹装甲材料，成为第一代复合装甲材料。其抗弹能力可达到钢的3倍以上。前苏联用玻璃钢复合装甲装备T-72和T-80坦克，其复合装甲结构为：钢+钢+玻璃钢+钢+内衬的5层结构，这种复合装甲可以吸收动能弹的大量能量。德国的布洛姆-福斯公司也研制了类似的结构系列，并已装在德国陆军和丹麦陆军的“豹”1A3主战坦克上，它的防护能力达到焊接炮塔的“豹”1A4主战坦克的水平。美国陆军材料与力学研究中心（AM MRC）用高强玻纤复合材料制造履带和轮式车辆的结构装甲，如美国联合防务公司的“布雷德利”复合装甲型步兵战车就采用了S-2型高强玻璃纤维和聚酯树脂模压工艺制备的结构复合材料。玻璃钢还被用于武装直升飞机、运输机和通讯联络直升机的复合装甲结构材料。

高强玻纤最早由美国欧文斯-康宁（OC）公司开发研制，其兼具优异的抗弹性能、降噪和特征信号低等优点，能有效提高装备的生存能力和快速反应机动性能，其优异的性价比更是其在装甲防护领域具有举足轻重的作用。玻璃纤维复合材料本身的结构强度也非常好，而且生产工艺简单、成本低廉，越来越多地作为结构/功能一体化材料用于装甲车体及结构件。国内南京玻纤院中材科技等企业已实现高强玻纤的工业化生产，独立自主开发并规模化工业生产中HS2号和HS4号系列高强玻纤，其中HS4高强玻纤产品性能接近或达到美国S-2玻纤，其制品有SW220和SW360缎纹高强度玻璃纤维布。

1.5防弹芳纶纤维

最早由美国杜邦在上世纪70年代初期研制的一种有机纤维，外表呈金黄色并有光泽，其比重只有玻璃纤维的50%，同质量情况下，芳纶复合材料的抗弹能力是玻纤复合材料的2～3倍、钢的5倍左右。在防护能力相同的情况下，用其制成的防弹材料重量至少可减少1/3以上。

美国首先将芳纶复合材料制成防弹头盔和防弹衣，接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合，用作坦克装甲，如美国MI主战坦克采用“钢+Kevlar+钢”型的复合装甲，它能防中子弹以及防破甲厚度约700mm的反坦克导弹，还能减少因被破甲弹击中而在驾驶舱内形成的瞬时压力效应。美国M113装甲人员输送车内部结构的关键部位也装备了Kevlar衬层，可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击和侵彻提供后效装甲防护。美国的V22Osprey军用机和军用直升飞机使用的防弹复合材料背板与陶瓷面板组成的复合装甲是直升飞机最理想的轻质装甲。

1.6防弹PE纤维

UHMWPE纤维是20世纪70年代由荷兰DSM公司进行工业化生产。它是继芳纶之后开发的另一种高性能纤维，属第三代防弹纤维。其最大特点是密度低，仅为0.97g/cm3，是芳纶的2/3、铝的1/3和钢的1/8，是已开发高性能纤维中最轻的一种。其比强度比芳纶高35%，而且由于该纤维有常规准静态条件下较高的模量，能造成高的声速传播，从而使得它在防护子弹冲击时的能量吸收和应力波传递优于其它纤维。UHMWPE纤维是目前公认的防弹性能最好的纤维。

超高分子量聚乙烯纤维复合材料（荷兰和美国的商品名分别为Dyneema和Spectra）是具有优异综合性能的高性能纤维，其特点是高强度、高模量、低伸长以及比水还轻的低密度，具有优良的耐腐蚀性、耐紫外线能力和抗切割、耐磨性，而且吸湿小，不受环境影响，加之其氢原子含量高，因而防中子和防γ射线性能优良。Dyneema的防弹板主要用作车辆、坦克、飞机、直升飞机和舰船的要害部位等。

2 坦克、装甲车辆武器装备装甲防护技术

防护目标：主要针对地面和空中反坦克火力、穿破甲弹如反坦克地雷、动能穿甲弹、空心装药破甲弹、反坦克导弹和核武器的贯穿辐射。

防护材料：其采用均质装甲如钢装甲、铝合金装甲、钛合金装甲等和非均质装甲如复合装甲、表面硬化装甲、反应装甲（通常利用弹丸激励装甲材料产生动能反应、又反作用于攻击弹丸。）、结构装甲等多种装甲材料。由于大威力穿甲弹和高能破甲弹的发展，上世纪90年代其对均质钢穿深已近650mm，破甲达到1000mm以上，非均质多功能复合装甲研究日益受到重视并成为理想的装甲材料；坦克装甲由前部装甲、侧部装甲、后部装甲、顶部装甲和底部装甲组成，通常根据各部位受弹概率的不同，一般设计成不同的厚度和倾斜角度，且某一部位的装甲防护能力，与装甲材料的性能、厚度、结构、形状等因素有关。设计阶段考虑装甲防护，总装时根据设计组装。

加装形式：方式一：装甲结构。军事强国采用的复合装甲车身结构，美军MI主战坦克采用“钢+Kevlar+钢”型的复合装甲结构。方式二：内衬装甲。美军M113装甲人员输送车内部关键部位装Kevlar装甲衬层，可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击或侵彻提供后效装甲防护。方式三：外装披挂式装甲。外军的主战坦克等装备需要时采用车辆外披挂钢板或陶瓷复合装甲做成的装甲。如以色列军队20世纪80年代入侵黎巴嫩时，其M113装甲输送车安装了多孔高硬度钢板被动式披挂装甲。

3 轻型战术轮式后勤装备装甲防护技术

防护目标：爆炸破片杀伤、爆轰冲击、轻武器设计等。防护材料：装甲钢、防弹玻璃、复合纤维材料等。

美军最新的HMMWV车型M1151和M1152采用了A、B组件的防护解决方案，其中A组件重约350kg，由厂家在新车出厂时安装，主要布置在难以接近的部位，如驾驶员下方底板、后隔板等处；B组件采用复合装甲系统，组件可由车组人员根据战场需要利用自带的简单工具快速拆卸和安装，两个人2h即可完成安装工作，该组件最大特征是将防雷和防弹组件模块化，在战场执行任务时可将其灵活增补加装在原车防护薄弱环节如驾驶室、车窗、后载货舱等部位，在执行完任务后可将其装甲卸下。

针对现役中型轮式车辆的防护改装问题，外军普遍采用可拆装的装甲组件。如美军为满足阿富汗和伊拉克战场上中型轮式车辆（FMTV）的防护要求，2004年由RADIAN公司设计生产了车辆装甲防护组件（RACKs），它是在原有驾驶室的基础上加装附加装甲，可对人员和关键零部件提供抗爆防护。2005年由斯图尔特史蒂文森军用车辆公司为美军开发了轻型装甲驾驶室（LSAC），该装甲驾驶室可在8小时内与中型轮式车辆的标准驾驶室互换，该轻型装甲驾驶室可大幅提高驾驶人员在遭遇小型武器打击、空爆炮弹、地雷以及简易爆炸装置袭击时的生存能力［3］。

意军的依维柯中型多用途运输车设计了“平战两用型”驾驶室，在训练和低风险军事行动中使用传统的无防护型普通驾驶室，在高风险、高强度的军事行动中，只需在传统驾驶室的基本结构上安装不同防护等级的装甲。法国雷诺公司提出新的理念“换头”计划，即拆下原车的商用驾驶室，换上特制的装甲驾驶室，整个过程只需4h左右。

4 结论

分析了防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等主要装甲防护材料的性能特点和应用现状，总结了不同装甲防护材料的在军事装备的应用对象。对坦克、装甲车辆等武器装备和轻型战术轮式后勤装备的战时防护目标、防护材料的应用和防护技术形式进行了研究，得出了不同防护需求的军事装备应用的防护技术形式。

［1］李明杰，等.美军战术轮式车辆防护改造总览［J］.汽车运用，2012，12.

［2］李慧萍.后勤车辆的装甲防护与机动［J］.国外坦克，2011，3.

［3］朱大伟，李鹏，张亚萍，等.主要发达国家军用轮式车辆防护概览［J］.汽车运用，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，助理工程师。主要从事基建营房管理工作。