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氧化铝陶瓷装甲在军事战车上的应用
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随着战车面临的多种威胁的出现,采用传统的钢装甲板进行防护已显得无能为力,陶瓷装甲应运而生。

陶瓷装甲的性能特点

使用最早、最广泛的陶瓷是氧化铝,又称铝钒土(Al2O3)。其主要制造商有中国的湖南精城特种陶瓷有限公司、美国的库尔斯陶瓷公司、英国的摩根·马特罗克公司、法国的德马奎斯特公司、意大利比托西·埃莱特公司、瑞典的桑德维克硬材料公司 及南非的MOH9公司。

氧化铝含量是关键

铝钒土包括的材料很广,从含85%氧化铝的普通铝钒土到最新开发的含量为99.5%的高品质钢玉,后者的价格为前者的两倍多。其它类陶瓷更贵,例如,尚未应用到车辆装甲上的碳化硅(SiC)及陶瓷装甲材料中最昂贵的碳化硼(B4C),这种材料被视为是用于直升机费效比较好的材料,但对战车来说此材料过于昂贵。

陶瓷装甲的可用性

装甲用陶瓷材料的主要典型物理特性是,陶瓷装甲比所有金属装甲要硬得多,但密度又比钢小。抗拉能力相对弱意味着陶瓷不能承受高弯曲力,使用时必须为其配备硬的背板。这对在战车的钢装甲板上直接使用是个有利条件。

高硬度与其作为装甲使用的方式有着特殊的关系,因为战车装甲经常要对付的威胁是具有高达1000~1200米/秒速度的中小口径动能弹。

陶瓷装甲优于其它形式装甲。这种特性通常用质量系数来表示。质量系数是对付已知威胁所需的普通轧制钢装甲(RHA)与其装甲的面密度之比。对于战车最常见的威胁——762毫米枪弹和127毫米穿甲弹,单块陶瓷装甲的质量系数范围是25(普通氧化铝)到35(最硬的陶瓷)。仅陶瓷本身是不能使用的,但是它可以覆在战车的铝或钢装甲车体或炮塔上使用,因为战车为陶瓷提供了必要的背板。这种结合产生的质量系数必然比仅用陶瓷要低,这是因为粘接它们的金属装甲的系数较低。不过,这种复合装甲的质量系数仍然高于铝或钢。当陶瓷与铝装甲而不是钢装甲组成复合装甲时,通常会得到较高的质量系数。这意味着,陶瓷为轻型战车提供的弹道保护是钢提供的弹道保护的两倍,而且不需要增加重量。

抗穿甲机理

在费用和车重能够接受的条件下,加装陶瓷装甲能明显地提高轻型战车的弹道防护能力。从量化来说,可从防7.62毫米穿甲提高到防14.5毫米穿甲弹,还可防30毫米脱壳穿甲弹。陶瓷装甲能防动能弹主要是由于陶瓷具有粉碎或者说折断硬而脆的穿甲弹的能力,而且研细的陶瓷锥体能吸收子弹的动能。陶瓷锥体还具有将剩余的动能扩散到面积极大的战车车体装甲板上的能力,使其很容易地将子弹动能吸收掉。

要毁坏子弹,陶瓷必须比子弹更硬。在标准穿甲弹情况下,这意味着要超过钢弹芯(钢弹芯的硬度大约为维氏硬度800)。这一点用氧化铝就能做到,不必使用非常硬的陶瓷对付这类威胁。

为了摧毁维氏硬度超过碳化钨弹芯的高性能穿甲弹,例如,145毫米 BS41型穿甲弹或瑞典FFV公司最新生产的762毫米穿甲弹,要使用的陶瓷必须比普通氧化铝硬得多。联合防御公司为美国陆军制造的M2布雷德利战车实验型复合车体所采用的是二硼化钛,最近美陆军放弃的XM8装甲火炮系统装甲系统使用的是碳化硅。然而,美国陆军发展的拥有陶瓷装甲的最新型复合装甲车辆(CAT)并没有采用二硼化钛或碳化硅,实际采用的仍是氧化铝。

对付软芯子弹,陶瓷并不比最硬的钢装甲好多少,硬钢装甲也能破坏子弹。而且,陶瓷装甲抗衡子弹所需的面密度也不比对付穿甲弹所需的面密度低多少。这表明,虽然陶瓷对付穿甲弹非常有效,但它们受攻击时是非常脆的。事实上,陶瓷板外面有玻璃纤维增强板或橡胶覆盖层保护,就可防御石头和其它低能量投射物。

外保护层还能提高陶瓷装甲提高抗多次打击能力。陶瓷装甲抗多次打击能力是很低的,然而通过加入增强颗粒或晶须是能够大大提高这种能力。例如在氧化铝基体中掺有碳化硅的LAST装甲块。

氧化铝陶瓷既能防空心装药破甲弹又能防穿甲弹

现在一般认为,用来对空心装药以及对付穿甲弹的陶瓷是氧化铝。然而,由于空心装药的穿透力,甚至是小型空心装药的穿透力,所使用的陶瓷厚度也必须比对付子弹要使用的5~20毫米厚度大得多。陶瓷是以不同于对付穿甲弹的方法来对抗空心装药的,当射流侵彻陶瓷并形成深而窄的弹坑之时,陶瓷即磨损射流。由于典型的空心装药射流的头部速度达到 8000~9000米/秒,尽管陶瓷很脆,但其侵彻过程是流体力学过程。陶瓷的质量系数可能等于轧制钢装甲密度与陶瓷材料密度比的平方根,或者说在13~18。事实上要高得多,因为空心装药射流的侵彻过程不仅与靶板材料密度有关,也与其长度有关。

所以,陶瓷对付空心装药的质量系数大约在25到35,其量值大小取决于空心装药的质量以及陶瓷本身材料。当陶瓷与背面的金属结构结合在一起时,虽然复合体的质量系数仍大于2,但却比陶瓷本身低;甚至由陶瓷和金属装甲组成的相对简单的复合系统,按重量比较,它们对付空心装药的质量系数也可以是普通钢装甲的两倍。

在陶瓷前面设置一种带有弹性体中间层的倾斜钢板“三明治”并以空气层隔开,可以使陶瓷变得更为有效。

使用陶瓷装甲来对付的第三代或者主要最新型威胁,即钨合金或贫铀制成的长杆式尾翼稳定脱壳穿甲弹。钨合金弹的一般密度为17.6克/立方厘米,维氏硬度为420,贫铀弹的密度为18.6公斤/立方厘米,维氏硬度为400。

为了战胜上述威胁,陶瓷必须相对厚一些,这就属于对付空心装药的 “重型”陶瓷装甲,它们不同于对付穿甲子弹的“轻型”陶瓷装甲。对付长杆穿甲弹有效的、且考虑经济原因,最有可能被使用的陶瓷还是氧化铝。

长杆穿甲弹的碰撞速度大大低于空心装药射流的速度,典型的弹芯着靶速度为1500~1800米/秒。它们仍像射流侵彻陶瓷一样穿透陶瓷,而且也主要是侵彻作用。虽然长杆穿甲弹象空心装药弹药一样为流体动力学过程,但也受其强度以及陶瓷密度的影响。但它们的质量系数也比简单流体动力学理论值要高。未加边框限制的陶瓷的质量系数量值也较低,对付目前1500~1800米/秒速度的长杆弹,质量系数值范围在1.4~1.6。这与对付长杆弹的钛装甲的质量系数值为同一量级,即使该值更低,陶瓷和陶瓷钢复合装甲也明显优于钢装甲。

美国最先研制 俄罗斯率先使用

陶瓷装甲最初是美国陆军为提高其直升机生存力而研制的,因为1962年美军直升机在越南遭受巨大损失。随后建议将上述陶瓷装甲用到轻型装甲战车上,但直到1990~1991年海湾战争之前这项建议还未来得及执行。海湾战争时这种轻型附加系统仓促地装到美国海军陆战队的8×8 LAV装甲车上。陶瓷装甲从此在轻型装甲车辆上广泛采用,特别是包括在前南斯拉夫冲突中使用的那些车辆。

加拿大M113和瑞典Pbv302履带式装甲人员输送车以及最新的德国TPz狐式 (供联合国维和使用)6×6运输车在内的车辆,全都装有由德国IBO戴森罗思工程公司研制的MEXAS附加装甲。莫瓦格公司的皮兰哈Ⅲ型8×8输送车样车上也装过这种装甲,新加坡已将陶瓷作为提高装甲部队M113履带式装甲人员输送车防护性能的材料。

在使用陶瓷提高轻型战车防穿甲弹之前,陶瓷承担着坦克对付空心装药弹药的重任。特别是美国在50年代就开始了用熔化硅和玻璃来做此项研究,并为M48坦克设计了采用这些材料的附加装甲。美国大约在1958年放弃了该系列研究的发展,但苏联在60年代继续进行该研究,陶瓷被嵌在 T64坦克的铸造炮塔的正面部分。

其后,嵌有陶瓷的铸造炮塔广泛地用于T72坦克和后来的T80坦克上。虽然俄罗斯不再对它们的坦克使用陶瓷采取保密措施,但仍没有披露它们的精确性能。然而,某些报告说,俄罗斯坦克炮塔的陶瓷材料是小球或细晶,而不是更常见的陶瓷块。

俄罗斯除了在坦克炮塔上使用陶瓷外,还在坦克车体正面的前上装甲处使用了陶瓷装甲,以提高正面防护。然而,因为有了美国为M48坦克设计的经验,他们没有以钢箱板的方式使用,而是把数层玻璃纤维层固定在钢板之间;玻璃纤维层的玻璃重量达80%,以与整块玻璃相同的方法对付空心装药的射流,这样虽然高度有效,但也更脆了。

除俄罗斯外,南非为T55坦克研制了陶瓷附加装甲,日本也透露Kyoto陶瓷公司已参与为日本90式坦克研制复合装甲。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/12/2007)
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