武 岳, 王旭東, 劉 迪, 李炯利, 郭建強(qiáng),李文博, 張海平, 曹 振

（1．中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 鋁合金所，北京 100095；2．北京石墨烯技術(shù)研究院有限公司，北京 100094；3．北京市石墨烯及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

在現(xiàn)有立體化作戰(zhàn)模式中，軍用直升機(jī)利用它獨(dú)特的空氣動(dòng)力特性，可以不受地形、地物的限制，做到無(wú)需起降跑道，垂直上下、空中懸停、貼地飛行，極大地提高了陸軍的機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力，軍事上有著不可取代的特殊作用[1]。但軍用直升機(jī)的作戰(zhàn)特性導(dǎo)致其容易被敵方地面火力擊中，在防護(hù)性能不足的情況下極易使直升機(jī)損毀。軍用直升機(jī)的防彈裝甲配置與其飛行性能是天生矛盾體，裝甲過(guò)重將影響飛行性能，而裝甲缺失將導(dǎo)致直升機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)生存力差，損毀概率增加[2]。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的限制下，解決該矛盾就必須實(shí)現(xiàn)最合理的防彈裝甲系統(tǒng)的配置，從趨勢(shì)上必須向輕量化、非金屬化、復(fù)合化發(fā)展，從根本上必須解決“輕”與“強(qiáng)”的問(wèn)題[3]，采用輕質(zhì)高強(qiáng)防護(hù)材料制備復(fù)合裝甲，降低軍用直升機(jī)彈擊核心防護(hù)區(qū)域的防彈裝甲所占用的重量比例，將是可行的發(fā)展方向。

1 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)外研究狀況

受限于空間和自身重量等因素，軍用直升機(jī)僅在彈擊核心防護(hù)區(qū)域敷設(shè)防彈裝甲板，次要區(qū)域采用輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)防護(hù)方式。由于軍用直升機(jī)目前受到的最大武力威脅來(lái)自地面，因此目前國(guó)外大部分軍用直升機(jī)的防護(hù)區(qū)域集中于飛機(jī)座艙底板，兩側(cè)、駕駛艙座椅、駕駛艙玻璃及發(fā)動(dòng)機(jī)艙等位置。防護(hù)目標(biāo)也多以穿甲燃燒彈和高爆燃燒曳光彈為主。在防護(hù)材料的選擇方面，西方軍用直升機(jī)防護(hù)系統(tǒng)側(cè)重于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，偏重于選擇陶瓷防護(hù)材料。而俄羅斯主力直升機(jī)的防護(hù)材料主要是鋼裝甲或鋼鋁復(fù)合裝甲[4]。

美軍直升機(jī)廣泛采用陶瓷-輕金屬和陶瓷-復(fù)合材料[5]，作為黑鷹（UH-60）、阿帕奇（AH-64）和支努干（CH-47）等軍用直升機(jī)的防護(hù)裝甲，用較輕便的防護(hù)重量獲得較高的防護(hù)水平。例如UH-60“黑鷹”三軍通用型運(yùn)輸直升機(jī)（海軍型“海鷹”）在設(shè)計(jì)中非常注重戰(zhàn)場(chǎng)生存力，在座椅和飛機(jī)的關(guān)鍵部位采用輕質(zhì)復(fù)合裝甲[6]。UH-60“黑鷹”運(yùn)輸直升機(jī)復(fù)合裝甲配置如圖1所示。

圖 1 UH60“黑鷹”運(yùn)輸直升機(jī)復(fù)合裝甲配置Fig. 1 Compound armor configuration of UH60 "Black Hawk" transport helicopter

美軍AH64“阿帕奇”武裝直升機(jī)具有極為突出的攻擊能力，同時(shí)也具有較高的防護(hù)能力。該直升機(jī)防護(hù)要求為：機(jī)身下半球部位能夠抵擋一發(fā)12.7 mm API彈的打擊，機(jī)身大部分位置能夠抵擋一發(fā)23 mm HEIT彈打擊，直升機(jī)經(jīng)破片打擊后仍具備駕駛能力，受損飛機(jī)可維持飛行半小時(shí)以上[6]。此外飛機(jī)的旋翼槳葉也可防護(hù)12.7 mm API彈，在經(jīng)歷打擊后能保證飛機(jī)繼續(xù)完成飛行任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)上述高抗彈生存力，AH-64“阿帕奇”武裝直升機(jī)座艙周?chē)白尾捎昧舜罅康奶蓟?芳綸、氧化鋁/玻璃鋼輕質(zhì)復(fù)合材料裝甲板。圖2為阿帕奇直升機(jī)（AH-64）座艙防護(hù)主要裝甲配置示意圖。

圖 2 AH64武裝直升機(jī)座艙防護(hù)裝甲示意圖（紅色剖面線為裝甲區(qū)）Fig. 2 Schematic diagram of cockpit protective armor of AH64 gunship（red section line is armor zone）

CH-47是美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的主力運(yùn)輸直升機(jī)機(jī)型，其航程超過(guò)500 km，在機(jī)體座艙下部和兩側(cè)配置了復(fù)合裝甲（圖3），復(fù)合裝甲的運(yùn)用使其具有較強(qiáng)的抗彈生存力[8]。

相對(duì)于西方，俄羅斯的軍用直升機(jī)（尤其是武裝直升機(jī)）憑借優(yōu)異的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，廣泛采用金屬材料作為防護(hù)裝甲，裝甲鋼成為了基本的防護(hù)材料[9]。米系列（如米-28）和卡系列（如卡50）是俄羅斯兩款主要的軍用直升機(jī)。俄羅斯米里設(shè)計(jì)局所研制的米-28“浩劫”武裝直升機(jī)的座艙裝備為鋼制全裝甲，其基本防護(hù)材料采用裝甲鋼，可承受12.7 mm API的直接射擊，同時(shí)可防護(hù)20 mm破片的打擊，其駕駛艙防彈裝甲門(mén)如圖4所示，而且包括油箱、主減速器在內(nèi)，重要部件和系統(tǒng)都配有防彈系統(tǒng)，能夠保障飛機(jī)和駕駛員的安全。米-28的設(shè)計(jì)人員為減輕裝甲質(zhì)量，極大縮減了駕駛艙空間，以減少裝甲直升機(jī)防護(hù)面積，所以米-28直升機(jī)比西方同類(lèi)直升機(jī)的抗彈效果更為穩(wěn)定[10-11]。

卡-50武裝直升機(jī)是俄羅斯用于替代米-24的新型武裝直升機(jī)，如圖5所示。其基本防護(hù)材料同樣是能夠抗多次打擊的金屬裝甲—鋼-鋁復(fù)合裝甲。由于卡-50僅配備單駕駛艙，可集成大量裝甲重點(diǎn)防護(hù)駕駛艙區(qū)域，僅駕駛位就敷設(shè)了高達(dá)350 kg的裝甲板，具有抗 23 mm爆破彈的能力[12-13]。

圖 4 米-28武裝直升機(jī)及左側(cè)駕駛艙防彈裝甲門(mén)Fig. 4 Mi-28 armed helicopter and left cockpit bullet-proof armored door

圖 5 卡-50武裝直升機(jī)Fig. 5 Ka-50 armed helicopter

1.2 國(guó)內(nèi)研究狀況

相對(duì)于國(guó)外直升機(jī)而言，國(guó)內(nèi)對(duì)于直升機(jī)用輕質(zhì)裝甲材料的研究起步較晚，針對(duì)我國(guó)軍用直升機(jī)用防彈裝甲與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大這一情況，我國(guó)曾專(zhuān)門(mén)開(kāi)展包括“輕質(zhì)高效防彈復(fù)合裝甲材料”、“輕質(zhì)陶瓷/混雜復(fù)合材料防彈裝甲技術(shù)”等預(yù)研項(xiàng)目，對(duì)B4C陶瓷復(fù)合裝甲材料的制備技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并對(duì)復(fù)合裝甲材料的性能進(jìn)行了大量的測(cè)試分析。目前國(guó)內(nèi)型號(hào)上普遍采用B4C防彈復(fù)合材料裝甲板作為直升機(jī)駕駛員座椅防護(hù)設(shè)計(jì)，具有防12.7 mm穿甲燃燒彈的能力，面密度為45 kg/m2左右，可抵御1次打擊，后續(xù)的直升機(jī)駕駛員座椅采用的裝甲基本沿襲這一技術(shù)。

B4C陶瓷面板復(fù)合裝甲雖然初步滿足了軍用直升機(jī)駕駛員對(duì)來(lái)自底部、側(cè)部威脅源的基本生命保障應(yīng)用需求，但因B4C陶瓷的韌性較差，抗多次打擊能力不足；而其復(fù)合裝甲背板材料—高密度聚乙烯板雖然有高的強(qiáng)度和韌性，但剛度不足，難以為陶瓷面板提供足夠的支撐，陶瓷的防彈作用無(wú)法得到充分發(fā)揮。所以非常有必要打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和用材方式，將更輕、更強(qiáng)、更韌的材料應(yīng)用于直升機(jī)防彈系統(tǒng)以提高其抗彈擊能力，滿足提高新一代攻擊直升機(jī)及中型艦載直升機(jī)駕駛員和承擔(dān)主要作戰(zhàn)任務(wù)的乘員的生存率這一設(shè)計(jì)要求。

2 復(fù)合裝甲抗彈機(jī)理

目前直升機(jī)所采用的復(fù)合裝甲，通常是以陶瓷等具有高硬度、高彎曲強(qiáng)度的材料作為面板，同時(shí)采用具備高拉伸強(qiáng)度、高延伸率的樹(shù)脂基高分子纖維復(fù)合材料作為復(fù)合裝甲的背板[14-16]。相比傳統(tǒng)的均質(zhì)裝甲材料，這種復(fù)合裝甲可利用每一部分材料所具備的特性，針對(duì)侵徹過(guò)程中彈體與裝甲板相互作用的機(jī)理合理排列裝甲材料，以充分發(fā)揮材料特性[13,17-18]。在防護(hù)能力相當(dāng)?shù)那闆r下，復(fù)合裝甲大大降低了裝甲的整體質(zhì)量，使裝甲系統(tǒng)更易于實(shí)現(xiàn)輕量化。裝甲的輕量化不僅可以提高直升機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，更能提升直升機(jī)的運(yùn)載能力，具有極大的實(shí)戰(zhàn)價(jià)值。陶瓷-高分子纖維材料復(fù)合裝甲的抗彈機(jī)理如圖6所示。

圖 6 陶瓷-高分子纖維材料復(fù)合裝甲的抗彈機(jī)理Fig. 6 Bulletproof mechanism of ceramic polymer fiber composite armor

在彈體侵徹復(fù)合裝甲的過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)復(fù)合裝甲中的陶瓷面板產(chǎn)生具有高壓應(yīng)力的沖擊。在彈體與陶瓷相互接觸時(shí)，陶瓷材料表面會(huì)發(fā)生破碎，并形成破碎錐，材料表面出現(xiàn)裂紋，此時(shí)彈速降低20%，彈頭發(fā)生形變或破碎，產(chǎn)生壓縮波作用在陶瓷表面；隨后破碎錐內(nèi)的壓縮波相互作用于陶瓷和彈體，沿彈體侵徹方向產(chǎn)生自由彈性波，陶瓷進(jìn)一步破碎，并利用反射波使彈體燒蝕變鈍，極大地消耗其動(dòng)能；最后彈體繼續(xù)侵徹，殘余動(dòng)能使陶瓷裂紋迅速擴(kuò)展，而作用在陶瓷上的環(huán)向應(yīng)力限制了裂紋擴(kuò)展，最終形成了頂角60°的破壞倒圓錐[19-22]。在彈頭侵徹過(guò)程中僅依靠高硬度的陶瓷材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)樵跊_擊過(guò)程中陶瓷會(huì)發(fā)生彎曲，產(chǎn)生彎曲載荷，使陶瓷表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，最終提前發(fā)生破壞。只有給陶瓷提供背板的剛性支撐，才能使其發(fā)揮優(yōu)良的壓縮特性。此外，背板不僅要承受來(lái)自面板的彈體的沖擊動(dòng)能，更要吸收殘余動(dòng)能。樹(shù)脂基高分子纖維具有優(yōu)良的結(jié)晶性、高取向結(jié)構(gòu)、高拉伸性能和優(yōu)良的抗沖擊性能。高分子纖維優(yōu)良的結(jié)晶性、高取向結(jié)構(gòu)使其擁有較高的比模量，這使纖維在承受較高頻率的載荷時(shí)，能夠避免因材料共振產(chǎn)生脆性斷裂而引發(fā)的失效情況。當(dāng)彈體繼續(xù)侵徹背板的過(guò)程中，彈體的速度減小，彈體的燒蝕破碎有助于纖維材料的阻抗。纖維復(fù)合材料的層與層之間有樹(shù)脂基體，不僅起到黏結(jié)作用，而且有利于能量的傳遞，即應(yīng)變波從纖維織布層傳遞到樹(shù)脂基體，再由樹(shù)脂基體傳到鄰層。波的傳遞過(guò)程會(huì)使層合材料吸能的效果不斷加強(qiáng)。這是由于在樹(shù)脂基體中傳遞的波，使樹(shù)脂基體內(nèi)產(chǎn)生大量裂紋，并沿著纖維的方向擴(kuò)展，纖維斷裂拔出，致使聚合物織物發(fā)生分層，此過(guò)程極大地消耗了沖擊動(dòng)能[13,22]，形成較大的變形（即鼓包），并最終使彈體停留在高分子纖維背板層，成功抵御子彈的侵徹。

復(fù)合裝甲通過(guò)層合結(jié)構(gòu)可得到剛性和柔性相統(tǒng)一的防彈背板。并且可以實(shí)現(xiàn)靶板對(duì)彈體的阻力恒定，使最大的阻力在侵徹的最初階段就作用在彈體上，起到最佳的防彈效果[23-28]。對(duì)于防彈裝甲而言，抗侵徹能力、抗沖擊能力和抗崩落能力是決定其抗彈性能的三個(gè)關(guān)鍵因素，與組成材料自身的性能密切相關(guān)，抗彈能力與材料性能的具體關(guān)系如表1所示。

表 1 復(fù)合裝甲抗彈能力與材料性能的關(guān)系Table 1 Relationship between bulletproof property and material property of composite armor

三個(gè)關(guān)鍵因素中，抗侵徹能力和抗沖擊能力決定了防彈裝甲的抗彈等級(jí)，而抗崩落能力則決定了裝甲的抗多次打擊能力。因此，裝甲設(shè)計(jì)需利用材料自身良好的綜合性能，進(jìn)行層間設(shè)計(jì)組合，才能使復(fù)合裝甲具備良好的防護(hù)能力。

3 防彈材料發(fā)展情況

結(jié)構(gòu)防彈材料的分類(lèi)方法有很多，根據(jù)原材料的種類(lèi)，現(xiàn)有的均質(zhì)防彈材料主要有金屬板、陶瓷板、高性能纖維復(fù)合防彈材料等。金屬和陶瓷防彈材料主要利用自身的強(qiáng)度和硬度對(duì)子彈的碎片進(jìn)行挫折、破壞或破碎，以達(dá)到防彈目的；高性能纖維基軟質(zhì)防彈材料防彈機(jī)構(gòu)主要以彈頭張緊和彈鞘為主。通過(guò)改變織物結(jié)構(gòu)和纖維，沖擊能量可以通過(guò)尺寸斷裂等方式沿纖維向沖擊點(diǎn)以外的區(qū)域吸收、耗散或分散，從而達(dá)到防護(hù)效果。表2為傳統(tǒng)的均質(zhì)防彈材料種類(lèi)及概況[29-30]。

根據(jù)防彈需求，將傳統(tǒng)防彈材料中的兩種或多種進(jìn)行層間設(shè)計(jì)組合，制備的復(fù)合裝甲可充分發(fā)揮材料性能，具有抗彈能力高、重量低、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合裝甲材料各組分性能互補(bǔ)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，與單一均質(zhì)材料相比，可大大提高裝甲的綜合性能。例如，在船舶鋼盔甲上增加一層陶瓷板可以顯著降低彈丸的侵徹效果，并且其結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低1/4的同時(shí)，裝甲單位面密度的比吸能值增加了35%。

優(yōu)異的防彈復(fù)合材料不僅需要防住彈體本身的沖擊，還要能夠抵御彈體高速?zèng)_擊所產(chǎn)生的沖擊波。因此防彈材料至少需要具備以下三個(gè)條件：第一，吸能效果優(yōu)。若新型復(fù)合裝甲材料的比吸能值比目前的防彈材料高10%或更多，則這種防彈材料具備很好的應(yīng)用前景。第二，減重效果好。軍用裝備的裝甲質(zhì)量與其機(jī)動(dòng)性是兩個(gè)相互矛盾的影響因素，只有實(shí)現(xiàn)裝甲的輕量化，才能保證裝備良好的機(jī)動(dòng)性能。第三是成本低廉。低廉的生產(chǎn)成本是復(fù)合裝甲實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣和產(chǎn)業(yè)落地的前提[31-32]。目前，在直升機(jī)用防護(hù)裝甲材料的工程化應(yīng)用研究方面，國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下三個(gè)方面：

（1）低密度高強(qiáng)度材料的研發(fā)，例如微疊層材料，梯度功能陶瓷（材料先進(jìn)化）；

（2）采用以陶瓷為面板，多種材料層間匹配復(fù)合背板結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)復(fù)雜化）；

（3）擴(kuò)大應(yīng)用部位及覆蓋范圍，從單一的座椅防護(hù)，到座椅、駕駛艙及乘員艙地板和側(cè)面等關(guān)鍵部位均配置防護(hù)裝甲（應(yīng)用范圍擴(kuò)大化）。

材料先進(jìn)化是目前提升裝甲性能最重要的研究方向，使防彈復(fù)合材料提升對(duì)彈體沖擊動(dòng)能的吸收能力，并卸載彈體高速打擊過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝甲抗彈性能及減重程度的提升，傳統(tǒng)的均質(zhì)防彈材料難以滿足防護(hù)需求。因此新型復(fù)合材料的研發(fā)成為了裝甲的重點(diǎn)研究方向之一。目前新型復(fù)合防彈材料主要有石墨烯改性陶瓷材料、功能梯度裝甲復(fù)合材料、微疊層裝甲復(fù)合材料。

表 2 傳統(tǒng)裝甲材料簡(jiǎn)介T(mén)able 2 Introduction of traditional armor materials

3.1 石墨烯改性陶瓷材料

近年來(lái)出現(xiàn)的石墨烯是一種碳原子呈蜂窩狀排列所構(gòu)成的二維納米材料，具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，僅斷裂強(qiáng)度就達(dá)到130 GPa，是目前人類(lèi)已知的擁有最高比強(qiáng)度的納米材料。同時(shí)由于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具備良好的導(dǎo)熱性，當(dāng)石墨烯受到外力作用時(shí)，發(fā)生形變的是整個(gè)碳原子面，而不需要碳原子重排來(lái)適應(yīng)外部壓力，這樣的特性使其結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定[33-34]。因此，石墨烯是作為復(fù)合材料增強(qiáng)相的理想選擇。利用石墨烯的增強(qiáng)增韌特性對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行有針對(duì)性的增強(qiáng)，同時(shí)改善材料的工藝性能，進(jìn)一步提高其防彈制品的抗沖擊性能，從而實(shí)現(xiàn)防彈用材料的更新?lián)Q代[35-36]。

陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，但是脆性是其致命的缺點(diǎn)，限制了陶瓷材料的應(yīng)用范圍，因此，陶瓷材料的強(qiáng)韌化一直是材料學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的焦點(diǎn)。一維碳纖維、碳納米管以及陶瓷晶須作為傳統(tǒng)的陶瓷基復(fù)合材料增強(qiáng)相，存在陶瓷基體中分散不均勻、易團(tuán)聚的缺陷。石墨烯作為二維納米材料，假如能夠較好地分散于陶瓷基體中，就可以包覆陶瓷顆粒，形成較好的界面結(jié)合，可以達(dá)到更強(qiáng)的增韌效果。與此同時(shí)，石墨烯具備優(yōu)異的力學(xué)性能和出色的物化性能，將其復(fù)合到陶瓷基塊體復(fù)合材料中，對(duì)提高材料綜合性能有很大的幫助[37-40]。目前，北京航空材料研究院、武漢理工大學(xué)等單位利用石墨烯對(duì)陶瓷材料進(jìn)行改性，制備了石墨烯改性陶瓷材料。通過(guò)石墨烯分散及植入技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行改性，可有效提高現(xiàn)有材料的強(qiáng)度和韌性，從而提升材料的抗彈性能。

由于近年來(lái)石墨烯分散及植入技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨烯制備、化學(xué)修飾和分散技術(shù)的逐漸成熟，基于石墨烯改性技術(shù)所制備的陶瓷復(fù)合材料獲得了大量的研究進(jìn)展。石墨烯在不同的陶瓷基體中（Al2O3、ZTA、ZrO2、Si3N4、HA）均可達(dá)到明顯的補(bǔ)強(qiáng)增韌的效果[41-43]，其中增韌的效果尤其突出，其強(qiáng)韌化機(jī)制主要包括裂紋的偏轉(zhuǎn)、分支，石墨烯的橋聯(lián)、斷裂、拔出等。

圖7為航材院制備的石墨烯改性B4C陶瓷微觀組織。由圖7可以看出，在斷裂時(shí)拔出和分離的石墨烯層片表現(xiàn)出明顯的層片滑移現(xiàn)象，消耗了裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力，減少了裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。石墨烯的多褶皺結(jié)構(gòu)在陶瓷裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)石墨烯在晶界處的不連續(xù)分布可以產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋分叉、片拉出、裂紋橋接等多種增韌機(jī)制，這些都能夠有效的提升B4C陶瓷的抗裂紋擴(kuò)展性能。

圖 7 石墨烯改性B4C陶瓷微觀組織 （a）裂紋偏轉(zhuǎn)；（b）石墨烯片拉出Fig. 7 Microstructure of B4C ceramics modified by graphene （a）crack deflection；（b）graphene pull-out machanism

通過(guò)石墨烯的改性，B4C陶瓷可以顯著提高自身的斷裂韌度和抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也提高了陶瓷的抗裂紋擴(kuò)展性能，在提高復(fù)合裝甲抗多次打擊能力方面具有良好的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，由于石墨烯改性B4C陶瓷是在現(xiàn)有成熟材料的基礎(chǔ)上分散及植入石墨烯增強(qiáng)相，材料制備工藝及設(shè)備條件齊全，成熟度相對(duì)較高，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)在復(fù)合裝甲中的實(shí)際應(yīng)用。

3.2 功能梯度材料

功能梯度防彈材料一般是指一種金屬/陶瓷復(fù)合材料，材料中陶瓷顆粒體積含量沿厚度連續(xù)變化，即從復(fù)合裝甲面板到背板，陶瓷材料的含量從高到低，使其面板接近于陶瓷材料的性能、背板類(lèi)似于金屬材料性能[44-45]（見(jiàn)圖8）。作為一種新型防護(hù)材料，由于其承受結(jié)構(gòu)載荷能力強(qiáng)，且金屬部分和陶瓷部分不存在材料之間明顯的離散界面，消除了材料之間的阻抗變化，同時(shí)界面剪切耦合特性較好，材料本身易于在金屬表面附著等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，一舉解決了界面問(wèn)題和阻抗匹配問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲抗彈性能的影響[46-49]。理論上陶瓷/金屬梯度功能材料在受到?jīng)_擊時(shí)，其破壞程度和受損范圍要小很多[50]。20世紀(jì)90年代，美國(guó)科學(xué)家首次利用梯度功能材料設(shè)計(jì)裝甲，提出了梯度裝甲的概念，并成為當(dāng)今裝甲材料的發(fā)展趨勢(shì)之一。據(jù)報(bào)道，陶瓷/金屬梯度功能材料已成為美國(guó)未來(lái)主戰(zhàn)坦克首選的裝甲組成系統(tǒng)材料之一[51]。一般來(lái)說(shuō)，陶瓷/金屬梯度功能材料采用低密度陶瓷和鋁合金、鈦合金等輕金屬作為其主要成分進(jìn)行復(fù)合制備，具有裝甲系統(tǒng)輕量化的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外研究的梯度功能材料裝甲體系包括了Ti/TiB2、Al2O3/Al、SiC/Al、B4C/Al和 Si3N4/Al等多種材料，其防御目標(biāo)主要針對(duì)7.62～14.5 mm等小口徑穿甲燃燒彈。美國(guó)兵器實(shí)驗(yàn)室[52]采用SHS技術(shù)制備了TiB-Ti梯度裝甲板材，采用14.5 mm口徑的鋼芯和鎢芯穿甲彈對(duì)TiB2-Ti梯度功能材料進(jìn)行抗彈性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，與目前廣泛采用的高性能陶瓷裝甲材料（Al2O3、SiC、B4C）相比，梯度功能材料的抗侵徹強(qiáng)度提高了1倍以上。瑞典裝甲防護(hù)研究中心采用等離子放電燒結(jié)工藝制備TiB2-Ti梯度功能材料，并采用7.62 mm口徑槍彈對(duì)等離子放電燒結(jié)-（Ti）0.05（TiB2）0.95和 HIP-TiB2的抗彈性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)等離子放電燒結(jié)工藝制得的材料具有較好的防護(hù)性能。James等[53]報(bào)道了日本材料學(xué)家采用等離子放電燒結(jié)技術(shù)制備了層數(shù)不同的幾種鈦基梯度功能材料，并對(duì)材料進(jìn)行了抗沖擊性能測(cè)試和顯微結(jié)構(gòu)觀察，但在高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)中未取得良好的結(jié)果。

圖 8 一種功能梯度裝甲材料Fig. 8 A functionally gradient armor material

功能梯度裝甲材料解決了界面問(wèn)題和阻抗匹配問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng)陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲抗彈性能的影響，結(jié)合了陶瓷高硬度、金屬高韌性的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提升了陶瓷的抗崩落能力。與均勻成分陶瓷相比，材料抗彈性能取得了較大的提升。但由于其合成主要依賴(lài)等離子放電燒結(jié)技術(shù)，目前所能制備的材料尺寸有限，仍主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)尚存在一定的距離。在未來(lái)解決了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)問(wèn)題后，功能梯度材料作為復(fù)合裝甲的新一代面板材料，將具有良好的應(yīng)用前景。

3.3 微疊層裝甲復(fù)合材料

微疊層裝甲是一種仿生材料。受自然界中殼體的特殊結(jié)構(gòu)，即高強(qiáng)度脆性層與韌性良好的有機(jī)層交疊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)并應(yīng)用了“金屬-金屬間化合物-層合復(fù)合材料”（metal intermetallic laminate，MIL材料）。金屬間化合物提供高比模量和比強(qiáng)度，利用韌性金屬為體系提供韌性并支撐整個(gè)疊層結(jié)構(gòu)。該材料不僅通過(guò)較小的層間距和多界面效應(yīng)使其具有能量耗散結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)，能夠有效提升疊層結(jié)構(gòu)抵抗透射波和反射波的能力，提高裝甲材料的斷裂韌度。同時(shí)，由于金屬間化合物層/金屬層界面為通過(guò)反應(yīng)擴(kuò)散獲得的冶金結(jié)合，保證了其微觀結(jié)構(gòu)連續(xù)性和良好的界面結(jié)合強(qiáng)度。該裝甲材料具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性和高比模量等優(yōu)異性能。20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)奧爾巴尼研究中心的研究人員首次用真空燒結(jié)法制備了Ti/Al3Ti[54-56]金屬間化合物基復(fù)合材料。21世紀(jì)初，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員研發(fā)出新型材料—金屬間化合物基層狀復(fù)合材料（MIL）和新的制備技術(shù)—無(wú)真空燒結(jié)工藝，制備出輕質(zhì)高強(qiáng)、環(huán)境友好、成本低廉、經(jīng)濟(jì)效益好的Ti-Al夾層裝甲復(fù)合材料[57-58]。結(jié)果表明，在給定的沖擊條件下，該材料比其他密度相近的裝甲材料具有更好的彈性阻力。如圖9所示，為鎢合金（94W7FeCo）侵徹體以900 m/s的初速率垂直入射Ti/Al3Ti復(fù)合裝甲靶板（初始厚20 mm）。在相同條件下，最終彈丸在Ti/Al3Ti復(fù)合裝甲的侵徹深度小于10 mm，略?xún)?yōu)于鎢合金彈丸在均質(zhì)裝甲鋼中的侵徹深度，但MIL材料面密度卻僅為裝甲鋼的40%。由此表明，這種微疊層復(fù)合裝甲防護(hù)系數(shù)是均質(zhì)裝甲鋼2～3倍，具有良好的應(yīng)用前景。

圖 9 金屬/金屬間化合物微疊層復(fù)合裝甲Fig. 9 Metal/intermetallic compound microlaminated composite armor

微疊層復(fù)合裝甲從仿生學(xué)角度進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，具備比梯度功能材料更復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，并在材料本身的微觀結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)了復(fù)合裝甲剛性及柔性的結(jié)合，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。目前國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)、大連理工大學(xué)、中北大學(xué)等單位[59]都針對(duì)微疊層復(fù)合裝甲材料展開(kāi)了相關(guān)課題的研究，但對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)方面的進(jìn)展暫時(shí)還未取得較大的突破，材料成熟度相對(duì)較低，這也限制了微疊層復(fù)合裝甲在武器裝備中的實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)直升機(jī)用復(fù)合裝甲的自主發(fā)展，主要需解決裝甲質(zhì)量增加與動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)載能力不足的矛盾。從趨勢(shì)上必須按輕量化、非金屬化、復(fù)合化發(fā)展，從根本上必須解決“輕”與“強(qiáng)”的問(wèn)題，采用輕質(zhì)高強(qiáng)防護(hù)材料來(lái)降低軍用直升機(jī)彈擊核心防護(hù)區(qū)域防彈裝甲所占用的功率載荷比例，將是唯一可行的發(fā)展方向?？v觀世界武裝直升機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家軍用直升機(jī)防彈裝甲的應(yīng)用還在逐步擴(kuò)大，對(duì)于梯度功能材料、微疊層材料等新型裝甲材料的開(kāi)發(fā)也有了較大的進(jìn)展。由于傳統(tǒng)的均質(zhì)防彈材料目前已難以滿足防護(hù)需求，我國(guó)對(duì)于性能優(yōu)異的新型先進(jìn)輕質(zhì)防護(hù)材料的開(kāi)發(fā)需求已刻不容緩。只有開(kāi)發(fā)新型裝甲材料，才能進(jìn)一步提升復(fù)合裝甲抗彈性能。同時(shí)，裝甲設(shè)計(jì)應(yīng)針對(duì)防護(hù)部位的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，才能保證型號(hào)安全性的進(jìn)一步提升，提高我軍直升機(jī)的生存能力，滿足我國(guó)武器裝備的作戰(zhàn)需求，實(shí)現(xiàn)與世界先進(jìn)直升機(jī)水平的同步發(fā)展。