碳化硅技术详解-2相关陶瓷装甲原理简介

日期：2024-02-01 浏览：926

2 相关陶瓷装甲原理简介

从表 1 中可以看出，GBSC-CMC 作为先进装甲材料的潜力既非凡又独特。简要概述与 GBSC-CMC 相关的装甲问题，将有助于理解其重要性。作为一种装甲材料，GSBC-CMC 非常适合用于车辆装甲，无论是轻型装甲车、重型装甲车（例如坦克）还是军舰，甚至有可能用于陆地防御工事。

GSBC-CMC 在三个关键领域优于传统装甲陶瓷：

• GBSC-CMC 具有极强的多发命中性能（无需使用马赛克拼接）。
• GBSC-CMC 具有极强的抗爆和抗破甲能力。
• GBSC-CMC 可以轻松制成厚截面砖块，非常适合用于防御 LRP 的装甲系统。

2.1 多发命中性能

对于传统装甲陶瓷，只能通过使用马赛克拼接（而不是单个大型“整体”陶瓷砖）来实现多发命中性能。典型的弹道马赛克砖块。这些通常是六角形砖块，形成蜂窝状排列，或者方形砖块形成方形排列。一个马赛克砖块的破坏不会导致裂纹传播到陶瓷装甲板的其他部分。这会大大增加生产成本，因为切割这么多小砖块和在装甲板制造过程中精确地将它们铺在 FRP 背板上需要大量的人工操作。GBSC-CMC 具有极高的韧性，无需作为马赛克拼接用于多发命中能力，这是该技术的优势之一。

2.2 玻璃结合 SiC 陶瓷金属复合材料最适合对抗的先进弹药

对于重型装甲车辆（例如坦克）甚至轻型装甲车辆，许多极端情况下只有陶瓷装甲才能发挥作用，而金属装甲根本无法胜任。最著名的例子是 LRP 和破甲弹。

2.2.1 聚能装药

聚能装药反坦克弹药（图 3）最初于一战后开发为反坦克武器，并在 20 世纪中叶改进为广泛使用的便携式肩扛式反坦克火箭推进引导式高爆弹药 (HEAT)，因为它轻便且能够穿透厚重的钢装甲。聚能装药通常以便携式肩扛式反坦克弹药的形式出现，更大口径的聚能装药弹头也可以从坦克炮中发射。聚能装药还广泛用于工业爆破，例如采矿工程中的岩石钻探和拆除作业。关于聚能装药，有许多优秀的公开著作，例如 Poole 的著作。

图3 异形装药弹头，彩色编码以帮助理解。1.弹道帽（蓝色）； 2.减小弹膛（深绿色），以改善超高速射流； 3.反向空心锥（橙色），炸药爆炸将空心锥反转，形成超高速金属射流； 4.引信（红色）； 5.爆炸装药（浅绿色）； 6.引信初始器（白色）。

当聚能装药爆炸时，弹头被引导成一个超高速金属射流。通常使用铜，速度约为 7 公里/秒，但也可能是其他延展性金属，速度最快可达 10 公里/秒。超过装甲材料超速限度的弹丸将通过流体动力学穿透的方式穿透装甲 - 这适用于钢装甲。它基本上被聚能装药液化了。陶瓷则不会。因此，对于聚能装药，钢装甲的穿透阻力与陶瓷相比显着降低。需要澄清的是，弹头本身不是超高速运动，而是爆炸时，整个炸药被浓缩成一股集中的狭窄超高速 (7 公里/秒) 金属射流。

总之，超高速金属射流通过将金属装甲瞬间液化，轻松实现流体动力学穿透。陶瓷对流体动力学穿透的抵抗力要高得多，即使是最快的聚能装药的穿透速度也不会使其液化。

聚能装药是终极穿透器。1997 年，美国劳伦斯利弗莫尔实验室的科学家报告了一种专门设计的钼聚能装药，穿透了 3.4 米厚的装甲钢，是最佳长杆穿甲弹穿透能力的好几倍。

2.2.2 长杆穿甲弹（LRP）

长杆穿甲弹从炮膛发射，如图 4 所示，装在可丢弃底托中，能够达到非常高的速度（可达 1.6 公里/秒）。炮口径（底托直径）可以高达 125 毫米，也可以小到 30 毫米。长杆穿甲弹通常由高密度金属制成，例如贫铀或钨，用大口径火炮（例如 125 毫米坦克炮）发射时，长杆穿甲弹直径可达 25 毫米，长度可达 500 毫米，包裹在与炮口径匹配的底托中，例如 125 毫米底托。小型武器长杆穿甲弹也存在，例如 30 毫米口径底托长杆穿甲弹。

图4 显示了稳定装甲穿透弃壳长杆穿透器在离开枪管后不久，从三组分弃壳处分离的点。它由高密度金属（如钨）制成，并以高速度（＞1 km s^-1）行驶，可以使枪的穿甲穿透能力翻倍[4]。

LRP的长径比可以达到30，密度高，穿透力极大。125毫米口径的防护罩LRP（25毫米直径的杆）可以穿透钢装甲的一米，但比陶瓷要薄得多。陶瓷对LRP的厚度优势，以及陶瓷重型车辆装甲系统设计的复杂性，是严格保密的。

陶瓷身体装甲和陶瓷轻型车辆装甲被设计用来击败小口径弹丸，这些弹丸的长径比（长度/直径比）为三到五。因此，装甲陶瓷是薄的。破碎/钝化和捕获是主要机制。一些专门的重型车辆装甲（战斗坦克）被设计用来击败LRP。这可能涉及到非常厚的陶瓷，以便最大化侵蚀。针对LRP的重型车辆陶瓷装甲系统是高度保密的技术，不能在这里讨论。

2.3 玻璃结合 SiC 陶瓷金属复合材料作为装甲

GBSC-CMC 装甲最明显的应用对象是重型车辆，因为它们经常面临长杆穿甲弹和破甲弹的威胁。然而，即使是轻型装甲车辆 (LAV) 也可以从 GBSC-CMC 装甲中受益，因为破甲弹（通常是肩扛式 RPG 型武器）和小口径长杆穿甲弹（例如 30 毫米底托长杆穿甲弹）是轻型装甲车辆可能遇到的来自步兵部队的常见威胁。简单的金属装甲，甚至传统的陶瓷复合装甲，都无法抵御此类威胁。

美国的 SAPI 和 ESAPI 计划引发了全球军队陶瓷防弹衣升级趋势，这为当时生产 SiC 陶瓷的公司带来了巨大的新商机。一些公司专注于 DSSC，一些专注于 B₄C，还有一些专注于 SiC 和 B₄C 以及氧化铝。

GBSC-CMC 抗爆性能： GBSC-CMC 基本上是一种金属增强的陶瓷，有可能成为颠覆性装甲陶瓷技术。它是含有 3-16 vol.% 嵌入钢丝的 SiC (或 B₄C)，应力达到其屈服点，产生极端残余压应（100-300 毫米瓷砖的压力为吨级）。因此，在高爆冲击或弹丸冲击后，裂纹很难超出冲击区域。这使 GBSC-CMC 成为世界上首款抗爆装甲陶瓷：能够在高爆炸冲击后保持多发命中弹道功能和承载能力。GBSC-CMC 对破甲弹和穿甲弹的重量效率是钢装甲的 3-4 倍，即 Em = 3-4(与装甲钢相比，Em 是衡量弹道重量效率的指标。Em 值为 3 意味着陶瓷复合装甲的重量是相同防护等级钢装甲的 1/3)。这使其成为迄今为止击败破甲弹的最佳潜在解决方案。

GBSC-CMC用于多发命中： 由于钢丝网增强带来的极端韧性，GBSC-CMC能够抵抗多次击中，而无需组装成瓷砖马赛克。它也能承受结构载荷。它可以作为承载车辆船体的功能。

GBSC-CMC制造： GBSC-CMC发明的一个关键焦点是开发一种完全可自动化的制造过程，使GBSC-CMC能够与传统的RSSC、DSSC和B₄C装甲陶瓷价格竞争。本章的其余部分概述了GBSC-CMC的开发、制造和材料科学的细节，以及进行的弹道测试（IED、成型药、弹丸）和耐磨测试的详细信息。