觀察探測(cè)裝置用透明裝甲材料的設(shè)計(jì)研究

　　摘要：設(shè)計(jì)和制作了一種基于鎂鋁尖晶石(MgAl的透明裝甲材料，其由迎彈面、緩沖層、防飛濺層以及聚合物粘接層組成。研究了裝甲面密度、裝甲厚度與彈頭剩余速度之間關(guān)系。仿真結(jié)果表明，基于鎂鋁尖晶石(MgAl的抗53式7.62mm穿甲燃燒彈裝甲材料面密度低于75kg/m，厚度低于30mm。此外，采用TFCalc光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件，研究了增透膜系對(duì)裝甲材料透光性能的影響。仿真結(jié)果表明，增透膜系的加入，可以實(shí)現(xiàn)雙波段高透過(guò)率，材料在380～780nm和1064nm波段范圍內(nèi)透過(guò)率不小于90%。制作了透明裝甲樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，抗彈性能和透光率測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好。

　　關(guān)鍵詞：鎂鋁尖晶石;透明裝甲;雙波段增透;面密度

　　引言

　　為適應(yīng)未來(lái)高技術(shù)條件的局部戰(zhàn)爭(zhēng)，以及反恐、防爆、緝毒等小規(guī)模戰(zhàn)事，步兵戰(zhàn)車(chē)、雙棲突擊車(chē)以及裝甲偵察車(chē)等主戰(zhàn)裝甲車(chē)輛的發(fā)展面臨數(shù)字化、系列化和輕量化的挑戰(zhàn)。觀瞄探測(cè)系統(tǒng)作為裝甲車(chē)輛的重要組成部分,直接關(guān)系到車(chē)內(nèi)人員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的把握，性能良好的觀瞄系統(tǒng)是保證裝甲車(chē)輛戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　現(xiàn)代裝甲車(chē)輛觀瞄探測(cè)系統(tǒng)大都裝備有激光測(cè)距機(jī)、夜視儀、電視跟蹤器、熱像儀、激光告警器、觀瞄儀等光電設(shè)備中的一種或多種的光電紅外系統(tǒng),來(lái)支持對(duì)敵軍的快速、高效搜索、跟蹤和瞄準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)載武器的精確火控和滿足近距離態(tài)勢(shì)感知的需求增長(zhǎng)[1,2]。然而在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下，由于裝甲車(chē)觀瞄探測(cè)系統(tǒng)的作戰(zhàn)重要性和較大外廓尺寸，使其成為敵軍火力優(yōu)先攻擊目標(biāo)[3]。

　　因此，在保證裝甲車(chē)輛作戰(zhàn)環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力同時(shí)，亟需提高觀瞄探測(cè)系統(tǒng)的抗彈能力，即在裝甲車(chē)觀瞄探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)窗口增設(shè)透明裝甲，即具有光學(xué)透明性、防子彈、炮彈碎片與巖石碎片沖擊的裝甲，以提高裝甲車(chē)輛的生存力[4]。透明裝甲應(yīng)具備輕質(zhì)、超薄結(jié)構(gòu)，保持車(chē)輛的技術(shù)性能、機(jī)動(dòng)能力，并增加車(chē)內(nèi)空間，以滿足裝甲車(chē)“輕量化”的發(fā)展需求[5]。此外，應(yīng)用于觀瞄探測(cè)裝置的透明裝甲系統(tǒng)，不僅需要具有優(yōu)異的抗彈性能，同時(shí)為滿足內(nèi)部光電探測(cè)裝置的正常工作，也提出了多波段的電磁波高透率的技術(shù)需求[68]。本文通過(guò)透明裝甲防彈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和雙波段(1064nm和380nm～780nm波段范圍)增透結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)和制作了一種基于鎂鋁尖晶石(MgAl的透明裝甲材料，對(duì)其進(jìn)行抗彈性能、透光率以及可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　1透明裝甲防彈設(shè)計(jì)

　　本文依據(jù)觀察探測(cè)裝置用透明裝甲材料53式7.62mm穿甲燃燒彈的抗彈性能的要求，將裝甲材料按照迎彈面、緩沖層和防飛濺層三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中迎彈面可對(duì)穿甲燃燒彈進(jìn)行鈍化碎裂處理，并降低彈頭能量;緩沖層可吸收彈頭剩余能量，實(shí)現(xiàn)彈頭無(wú)剩余速度的目的;由于緩沖層吸收能量的同時(shí)會(huì)造成基材碎裂飛濺，需增添防飛濺層進(jìn)行裝甲背部防護(hù)。各功能材料之間采用低硬度、低密度的粘性聚合物粘接而成。

　　1.1透明裝甲功能材料設(shè)計(jì)

　　1.1.1迎彈面功能材料

　　選用透明陶瓷替代鋼化玻璃作為迎彈面，可極大地降低彈頭侵徹深度，消耗能量，從而降低了對(duì)緩沖層材料的耗能要求[9]。此外，選用適當(dāng)?shù)耐该魈沾刹牧�，可以減少迎彈面和緩沖層厚度，兼顧輕質(zhì)減重的目的。

　　目前，可應(yīng)用于透明裝甲材料的鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁(AlON)、藍(lán)寶石種透明陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械性能，其在紫外、可見(jiàn)光、和近紅外波段具有良好直線透過(guò)率超過(guò)80%)，此外還具有良好的光學(xué)和機(jī)械性能各向同性，適用于紅外可見(jiàn)光透明裝甲窗口。藍(lán)寶石是一種具有晶體結(jié)構(gòu)的透明陶瓷，從生產(chǎn)和成本的角度，藍(lán)寶石是最成熟的透明陶瓷，但其密度與鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁(AlON)相比，密度較大。

　　氮氧化鋁(AlON)由于工藝技術(shù)限制導(dǎo)致材料成型尺寸受限，無(wú)法適用于較大尺寸的透明裝甲材料制備[10]。鎂鋁尖晶石密度較低，可實(shí)現(xiàn)大尺寸成型制備，而且在紅外波段的光學(xué)特性更強(qiáng)。因此，采用鎂鋁尖晶石作為透明裝甲迎彈面材料。

　　1.1.2緩沖層功能材料

　　穿甲燃燒彈侵徹透明裝甲迎彈面過(guò)程中彈頭受壓而碎裂，并在撞擊點(diǎn)四周會(huì)形成圓錐形的碎裂區(qū)。此外陶瓷高硬度特性可以對(duì)彈頭產(chǎn)生較大的反作用力，降低彈頭速度。然而仍需緩沖材料對(duì)穿甲燃燒彈剩余能量進(jìn)行損耗。緩沖材料需具備低密度、高強(qiáng)度、高透光率等特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)透光、減重以及抗彈等性能。通過(guò)對(duì)緩沖材料(浮法玻璃、鋼化玻璃、石英玻璃以及硼硅酸玻璃等)選型調(diào)研，采用具有優(yōu)異的可見(jiàn)光及紅外透光性能肖特Borofloat33牌號(hào)硼硅酸玻璃，可將緩沖層厚度、重量可減少12%～15%，以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)減薄的目標(biāo)。

　　1.1.3防飛濺層功能材料

　　穿甲燃燒彈侵徹透明裝甲緩沖層過(guò)程中，緩沖層材料吸收剩余能量碎裂，會(huì)造成其背層碎片飛濺。透明裝甲通常會(huì)在緩沖層背板增附聚合物作為防飛濺層，聚合物由于其高強(qiáng)高韌的特性可以為透明裝甲背部操作人員及儀器設(shè)備提供保護(hù)。常用聚合物防飛濺層包括亞克力PMM和聚碳酸酯PC材料。PC的韌性與其主鏈分子運(yùn)動(dòng)有關(guān)，該分子運(yùn)動(dòng)在受到高連撞擊時(shí)仍在繼續(xù)，能有效地消耗撞擊能力。PMMA吸收撞擊能量的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PC。此外PC由于在低溫環(huán)境下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。因此，采用具有優(yōu)異的透光性能、彈性模量和較高的強(qiáng)度的沙比克HLG5牌號(hào)聚碳酸酯PC作為防飛濺層材料，以實(shí)現(xiàn)透明裝甲背部無(wú)飛濺物的目標(biāo)。

　　1.1.4聚合物粘接層功能材料

　　目前常用的層合結(jié)構(gòu)材料的粘接材料分為兩類(lèi)：固態(tài)膠片和水膠。其中水膠粘接具有操作簡(jiǎn)易、復(fù)合成型工藝成熟等優(yōu)勢(shì)，然而由于其抗沖擊性能差以及環(huán)境適應(yīng)性不穩(wěn)定等因素尚未應(yīng)用于透明裝甲層合材料的粘接處理。固體膠片主要包括聚乙烯醇縮丁醛PVB、聚氨酯PU、乙烯醋酸乙烯共聚物EVA等。固體膠片材料的選用取決于層合材料的材質(zhì)，PVB膠片通常適用于玻璃基材、陶瓷基材的真空熱復(fù)合粘接，PU膠片尤其適用于有機(jī)玻璃與玻璃陶瓷之間的熱復(fù)合粘接，而EVA膠片僅適用于有機(jī)玻璃的粘接成型。

　　因此，針對(duì)防彈裝甲結(jié)構(gòu)所選取的功能材料，采用PU聚合物粘接材料分別對(duì)尖晶石陶瓷與Borofloat33硼硅酸玻璃,Borofloat33硼硅酸玻璃與PC層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行真空熱復(fù)合成型。因此，結(jié)合防彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)各層功能材料提出的技術(shù)需求，以及輕質(zhì)、高透過(guò)率要求，進(jìn)行迎彈面、緩沖層、防飛濺層以及聚合物粘接材料的選型設(shè)計(jì)后確定出裝甲結(jié)構(gòu)各功能層的材料。

　　1.2透明裝甲面密度、剩余速度與迎彈面厚度研究

　　通過(guò)數(shù)值模擬研究透明裝甲材料的面密度與子彈侵徹剩余速度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)基于鎂鋁尖晶石透明裝甲材料面密度不低于68kg/m即可實(shí)現(xiàn)抗彈性能，相較于普通防彈玻璃近170kg/m面密度減重效果明顯。此外,在滿足抗彈性能條件下，通過(guò)研究鎂鋁尖晶石陶瓷厚度與面密度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著陶瓷厚度的增加，裝甲面密度逐漸降低，最終趨于水平穩(wěn)定在某一特定的面密度條件下。因此可以通過(guò)增加迎彈面透明陶瓷的厚度，以降低裝甲整體面密度，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化[14]。

　　2雙波段增透結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　透明裝甲材料為層合結(jié)構(gòu)，界面較多，對(duì)1064nm紅外激光除吸收外，界面反射是減少其透過(guò)率的主要原因，采用鍍制增透膜的方式能夠大幅度降低界面的反射率。增透膜系設(shè)計(jì)主要通過(guò)TFCalc光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件完成，針對(duì)1064nm和380nm～780nm波段，利用緩沖層的概念，通過(guò)調(diào)整膜系的導(dǎo)納圖，來(lái)實(shí)現(xiàn)透明裝甲材料雙波段增透。由于界面較多，為簡(jiǎn)化增透設(shè)計(jì)，采用的與緩沖層材料折射率極為接近的聚合物粘接層，將兩種材料在增透設(shè)計(jì)過(guò)程中簡(jiǎn)化為單一透光介質(zhì)[1518]。

　　3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　3.1透明裝甲材料制備

　　制備了面密度為70kg/m，尺寸為200mm×150mm×29.6mm的透明裝甲樣品，在制備過(guò)程中，首先對(duì)鎂鋁尖晶石(MgAl(厚度為8.5mm)和聚碳酸酯PC(厚度為4.5mm)采用真空蒸鍍方式表面鍍制由TiO和SiO膜系構(gòu)成的光學(xué)增透薄膜，隨后采用真空高壓熱復(fù)合技術(shù)將透明裝甲各功能材料(其中緩沖材料為雙層厚度為7.5mm的Borofloat33硼硅酸玻璃)進(jìn)行成型制備。

　　3.2抗彈性能測(cè)試對(duì)制備的透明裝甲材料進(jìn)行了抗彈性能測(cè)試，測(cè)試條件如下：在自然溫度條件下，射距20m，射角°，采用7.62mm的彈道槍配53式7.62mm穿甲燃燒彈。有效射彈發(fā)，未穿透，背面無(wú)飛濺，彈痕高度0mm。

　　3.3雙波段透過(guò)率測(cè)試通過(guò)紫外—可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量樣品的透光率，測(cè)試波長(zhǎng)為300～1100nm，可見(jiàn)光和近紅外透過(guò)率測(cè)試曲線，透明裝甲材料樣品在380～780nm和1064nm透光率不低于90%。

　　3.4透明裝甲材料可靠性

　　對(duì)制備的透明裝甲材料開(kāi)展高溫試驗(yàn)(70℃，24h)、低溫試驗(yàn)(40℃，24h)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)采用串行的方式，考核透明裝甲試驗(yàn)后抗彈性能、外觀質(zhì)量以及透光率指標(biāo)的衰減情況，以模擬驗(yàn)證在復(fù)雜惡劣環(huán)境作戰(zhàn)中的透明裝甲材料的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明透明裝甲的光學(xué)性能指標(biāo)在380～780nm和1064nm透光率不低于90%。透明裝甲外觀未出現(xiàn)開(kāi)膠、氣泡以及黃變等質(zhì)量缺陷。此外，試驗(yàn)后的透明裝甲抗彈性能滿足單發(fā)53式7.62mm穿甲燃燒彈抗彈指標(biāo)要求。因此，基于鎂鋁尖晶石(MgAl的透明裝甲材料可靠性較強(qiáng)，基本滿足復(fù)雜惡劣環(huán)境作戰(zhàn)要求。

　　4結(jié)論

　　本文基于鎂鋁尖晶石(MgAl設(shè)計(jì)了一種透明裝甲材料。隨著鎂鋁尖晶石陶瓷厚度的增加，裝甲面密度逐漸降低，最終趨于水平穩(wěn)定在某一特定的面密度條件下。因此可以通過(guò)增加迎彈面透明陶瓷的厚度，以降低裝甲整體面密度，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化。透明裝甲材料面密度為70kg/m，尺寸為200mm×150mm×29.6mm，可抗53式7.62mm穿甲燃燒彈。透明裝甲材料在380nm～780nm和1064nm波段范圍內(nèi)透過(guò)率不小于90%。該輕質(zhì)透明裝甲材料可應(yīng)用于裝甲車(chē)觀瞄探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)窗口，滿足車(chē)載武器的精確火控和近距離態(tài)勢(shì)感知的技術(shù)要求，并具有較高的可靠性。

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　　作者：吳點(diǎn)宇，李鑫，張小剛，王月祥，許曉麗，錢(qián)明燦

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