觀察探測裝置用透明裝甲材料的設計研究

　　摘要：設計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光學薄膜設計軟件，研究了增透膜系對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，可以實現(xiàn)雙波段高透過率，材料在380～780nm和1064nm波段范圍內(nèi)透過率不小于90%。制作了透明裝甲樣品進行實驗驗證，抗彈性能和透光率測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好。

　　關鍵詞：鎂鋁尖晶石;透明裝甲;雙波段增透;面密度

　　引言

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

　　現(xiàn)代裝甲車輛觀瞄探測系統(tǒng)大都裝備有激光測距機、夜視儀、電視跟蹤器、熱像儀、激光告警器、觀瞄儀等光電設備中的一種或多種的光電紅外系統(tǒng),來支持對敵軍的快速、高效搜索、跟蹤和瞄準，實現(xiàn)車載武器的精確火控和滿足近距離態(tài)勢感知的需求增長[1,2]。然而在復雜作戰(zhàn)環(huán)境下，由于裝甲車觀瞄探測系統(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[3]。

　　因此，在保證裝甲車輛作戰(zhàn)環(huán)境態(tài)勢感知能力同時，亟需提高觀瞄探測系統(tǒng)的抗彈能力，即在裝甲車觀瞄探測系統(tǒng)光學窗口增設透明裝甲，即具有光學透明性、防子彈、炮彈碎片與巖石碎片沖擊的裝甲，以提高裝甲車輛的生存力[4]。透明裝甲應具備輕質(zhì)、超薄結(jié)構，保持車輛的技術性能、機動能力，并增加車內(nèi)空間，以滿足裝甲車“輕量化”的發(fā)展需求[5]。此外，應用于觀瞄探測裝置的透明裝甲系統(tǒng)，不僅需要具有優(yōu)異的抗彈性能，同時為滿足內(nèi)部光電探測裝置的正常工作，也提出了多波段的電磁波高透率的技術需求[68]。本文通過透明裝甲防彈結(jié)構優(yōu)化設計和雙波段(1064nm和380nm～780nm波段范圍)增透結(jié)構設計研究，設計和制作了一種基于鎂鋁尖晶石(MgAl的透明裝甲材料，對其進行抗彈性能、透光率以及可靠性試驗驗證。

　　1透明裝甲防彈設計

　　本文依據(jù)觀察探測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)構進行設計。其中迎彈面可對穿甲燃燒彈進行鈍化碎裂處理，并降低彈頭能量;緩沖層可吸收彈頭剩余能量，實現(xiàn)彈頭無剩余速度的目的;由于緩沖層吸收能量的同時會造成基材碎裂飛濺，需增添防飛濺層進行裝甲背部防護。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計

　　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，從而降低了對緩沖層材料的耗能要求[9]。此外，選用適當?shù)耐该魈沾刹牧希�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，可應用于透明裝甲材料的鎂鋁尖晶石、氮氧化鋁(AlON)、藍寶石種透明陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的光學性能和機械性能，其在紫外、可見光、和近紅外波段具有良好直線透過率超過80%)，此外還具有良好的光學和機械性能各向同性，適用于紅外可見光透明裝甲窗口。藍寶石是一種具有晶體結(jié)構的透明陶瓷，從生產(chǎn)和成本的角度，藍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)由于工藝技術限制導致材料成型尺寸受限，無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，可實現(xiàn)大尺寸成型制備，而且在紅外波段的光學特性更強。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程中彈頭受壓而碎裂，并在撞擊點四周會形成圓錐形的碎裂區(qū)。此外陶瓷高硬度特性可以對彈頭產(chǎn)生較大的反作用力，降低彈頭速度。然而仍需緩沖材料對穿甲燃燒彈剩余能量進行損耗。緩沖材料需具備低密度、高強度、高透光率等特點，從而實現(xiàn)透光、減重以及抗彈等性能。通過對緩沖材料(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)異的可見光及紅外透光性能肖特Borofloat33牌號硼硅酸玻璃，可將緩沖層厚度、重量可減少12%～15%，以實現(xiàn)輕質(zhì)減薄的目標。

　　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程中，緩沖層材料吸收剩余能量碎裂，會造成其背層碎片飛濺。透明裝甲通常會在緩沖層背板增附聚合物作為防飛濺層，聚合物由于其高強高韌的特性可以為透明裝甲背部操作人員及儀器設備提供保護。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動有關，該分子運動在受到高連撞擊時仍在繼續(xù)，能有效地消耗撞擊能力。PMMA吸收撞擊能量的能力遠遠低于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度的沙比克HLG5牌號聚碳酸酯PC作為防飛濺層材料，以實現(xiàn)透明裝甲背部無飛濺物的目標。

　　1.1.4聚合物粘接層功能材料

　　目前常用的層合結(jié)構材料的粘接材料分為兩類：固態(tài)膠片和水膠。其中水膠粘接具有操作簡易、復合成型工藝成熟等優(yōu)勢，然而由于其抗沖擊性能差以及環(huán)境適應性不穩(wěn)定等因素尚未應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合粘接，PU膠片尤其適用于有機玻璃與玻璃陶瓷之間的熱復合粘接，而EVA膠片僅適用于有機玻璃的粘接成型。

　　因此，針對防彈裝甲結(jié)構所選取的功能材料，采用PU聚合物粘接材料分別對尖晶石陶瓷與Borofloat33硼硅酸玻璃,Borofloat33硼硅酸玻璃與PC層合結(jié)構進行真空熱復合成型。因此，結(jié)合防彈結(jié)構設計對各層功能材料提出的技術需求，以及輕質(zhì)、高透過率要求，進行迎彈面、緩沖層、防飛濺層以及聚合物粘接材料的選型設計后確定出裝甲結(jié)構各功能層的材料。

　　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，通過研究鎂鋁尖晶石陶瓷厚度與面密度之間的關系，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。因此可以通過增加迎彈面透明陶瓷的厚度，以降低裝甲整體面密度，實現(xiàn)輕質(zhì)化[14]。

　　2雙波段增透結(jié)構設計

　　透明裝甲材料為層合結(jié)構，界面較多，對1064nm紅外激光除吸收外，界面反射是減少其透過率的主要原因，采用鍍制增透膜的方式能夠大幅度降低界面的反射率。增透膜系設計主要通過TFCalc光學薄膜設計軟件完成，針對1064nm和380nm～780nm波段，利用緩沖層的概念，通過調(diào)整膜系的導納圖，來實現(xiàn)透明裝甲材料雙波段增透。由于界面較多，為簡化增透設計，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計過程中簡化為單一透光介質(zhì)[1518]。

　　3實驗驗證

　　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，在制備過程中，首先對鎂鋁尖晶石(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膜系構成的光學增透薄膜，隨后采用真空高壓熱復合技術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)進行成型制備。

　　3.2抗彈性能測試對制備的透明裝甲材料進行了抗彈性能測試，測試條件如下：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，背面無飛濺，彈痕高度0mm。

　　3.3雙波段透過率測試通過紫外—可見光分光光度計測量樣品的透光率，測試波長為300～1100nm，可見光和近紅外透過率測試曲線，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

　　對制備的透明裝甲材料開展高溫試驗(70℃，24h)、低溫試驗(40℃，24h)、振動試驗、沖擊試驗和濕熱試驗，試驗采用串行的方式，考核透明裝甲試驗后抗彈性能、外觀質(zhì)量以及透光率指標的衰減情況，以模擬驗證在復雜惡劣環(huán)境作戰(zhàn)中的透明裝甲材料的可靠性。試驗結(jié)果表明透明裝甲的光學性能指標在380～780nm和1064nm透光率不低于90%。透明裝甲外觀未出現(xiàn)開膠、氣泡以及黃變等質(zhì)量缺陷。此外，試驗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要求。因此，基于鎂鋁尖晶石(MgAl的透明裝甲材料可靠性較強，基本滿足復雜惡劣環(huán)境作戰(zhàn)要求。

　　4結(jié)論

　　本文基于鎂鋁尖晶石(MgAl設計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。因此可以通過增加迎彈面透明陶瓷的厚度，以降低裝甲整體面密度，實現(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)透過率不小于90%。該輕質(zhì)透明裝甲材料可應用于裝甲車觀瞄探測系統(tǒng)光學窗口，滿足車載武器的精確火控和近距離態(tài)勢感知的技術要求，并具有較高的可靠性。

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　　作者：吳點宇，李鑫，張小剛，王月祥，許曉麗，錢明燦

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