观察探测装置用透明装甲材料的设计研究

　　摘要：设计和制作了一种基于镁铝尖晶石(MgAl的透明装甲材料，其由迎弹面、缓冲层、防飞溅层以及聚合物粘接层组成。研究了装甲面密度、装甲厚度与弹头剩余速度之间关系。仿真结果表明，基于镁铝尖晶石(MgAl的抗53式7.62mm穿甲燃烧弹装甲材料面密度低于75kg/m，厚度低于30mm。此外，采用TFCalc光学薄膜设计软件，研究了增透膜系对装甲材料透光性能的影响。仿真结果表明，增透膜系的加入，可以实现双波段高透过率，材料在380～780nm和1064nm波段范围内透过率不小于90%。制作了透明装甲样品进行实验验证，抗弹性能和透光率测试结果与仿真结果吻合得较好。

　　关键词：镁铝尖晶石;透明装甲;双波段增透;面密度

　　引言

　　为适应未来高技术条件的局部战争，以及反恐、防爆、缉毒等小规模战事，步兵战车、双栖突击车以及装甲侦察车等主战装甲车辆的发展面临数字化、系列化和轻量化的挑战。观瞄探测系统作为装甲车辆的重要组成部分,直接关系到车内人员对战场环境的把握，性能良好的观瞄系统是保证装甲车辆战斗力的关键环节。

　　现代装甲车辆观瞄探测系统大都装备有激光测距机、夜视仪、电视跟踪器、热像仪、激光告警器、观瞄仪等光电设备中的一种或多种的光电红外系统,来支持对敌军的快速、高效搜索、跟踪和瞄准，实现车载武器的精确火控和满足近距离态势感知的需求增长[1,2]。然而在复杂作战环境下，由于装甲车观瞄探测系统的作战重要性和较大外廓尺寸，使其成为敌军火力优先攻击目标[3]。

　　因此，在保证装甲车辆作战环境态势感知能力同时，亟需提高观瞄探测系统的抗弹能力，即在装甲车观瞄探测系统光学窗口增设透明装甲，即具有光学透明性、防子弹、炮弹碎片与岩石碎片冲击的装甲，以提高装甲车辆的生存力[4]。透明装甲应具备轻质、超薄结构，保持车辆的技术性能、机动能力，并增加车内空间，以满足装甲车“轻量化”的发展需求[5]。此外，应用于观瞄探测装置的透明装甲系统，不仅需要具有优异的抗弹性能，同时为满足内部光电探测装置的正常工作，也提出了多波段的电磁波高透率的技术需求[68]。本文通过透明装甲防弹结构优化设计和双波段(1064nm和380nm～780nm波段范围)增透结构设计研究，设计和制作了一种基于镁铝尖晶石(MgAl的透明装甲材料，对其进行抗弹性能、透光率以及可靠性试验验证。

　　1透明装甲防弹设计

　　本文依据观察探测装置用透明装甲材料53式7.62mm穿甲燃烧弹的抗弹性能的要求，将装甲材料按照迎弹面、缓冲层和防飞溅层三层结构进行设计。其中迎弹面可对穿甲燃烧弹进行钝化碎裂处理，并降低弹头能量;缓冲层可吸收弹头剩余能量，实现弹头无剩余速度的目的;由于缓冲层吸收能量的同时会造成基材碎裂飞溅，需增添防飞溅层进行装甲背部防护。各功能材料之间采用低硬度、低密度的粘性聚合物粘接而成。

　　1.1透明装甲功能材料设计

　　1.1.1迎弹面功能材料

　　选用透明陶瓷替代钢化玻璃作为迎弹面，可极大地降低弹头侵彻深度，消耗能量，从而降低了对缓冲层材料的耗能要求[9]。此外，选用适当的透明陶瓷材料，可以减少迎弹面和缓冲层厚度，兼顾轻质减重的目的。

　　目前，可应用于透明装甲材料的镁铝尖晶石、氮氧化铝(AlON)、蓝宝石种透明陶瓷表现出优异的光学性能和机械性能，其在紫外、可见光、和近红外波段具有良好直线透过率超过80%)，此外还具有良好的光学和机械性能各向同性，适用于红外可见光透明装甲窗口。蓝宝石是一种具有晶体结构的透明陶瓷，从生产和成本的角度，蓝宝石是最成熟的透明陶瓷，但其密度与镁铝尖晶石、氮氧化铝(AlON)相比，密度较大。

　　氮氧化铝(AlON)由于工艺技术限制导致材料成型尺寸受限，无法适用于较大尺寸的透明装甲材料制备[10]。镁铝尖晶石密度较低，可实现大尺寸成型制备，而且在红外波段的光学特性更强。因此，采用镁铝尖晶石作为透明装甲迎弹面材料。

　　1.1.2缓冲层功能材料

　　穿甲燃烧弹侵彻透明装甲迎弹面过程中弹头受压而碎裂，并在撞击点四周会形成圆锥形的碎裂区。此外陶瓷高硬度特性可以对弹头产生较大的反作用力，降低弹头速度。然而仍需缓冲材料对穿甲燃烧弹剩余能量进行损耗。缓冲材料需具备低密度、高强度、高透光率等特点，从而实现透光、减重以及抗弹等性能。通过对缓冲材料(浮法玻璃、钢化玻璃、石英玻璃以及硼硅酸玻璃等)选型调研，采用具有优异的可见光及红外透光性能肖特Borofloat33牌号硼硅酸玻璃，可将缓冲层厚度、重量可减少12%～15%，以实现轻质减薄的目标。

　　1.1.3防飞溅层功能材料

　　穿甲燃烧弹侵彻透明装甲缓冲层过程中，缓冲层材料吸收剩余能量碎裂，会造成其背层碎片飞溅。透明装甲通常会在缓冲层背板增附聚合物作为防飞溅层，聚合物由于其高强高韧的特性可以为透明装甲背部操作人员及仪器设备提供保护。常用聚合物防飞溅层包括亚克力PMM和聚碳酸酯PC材料。PC的韧性与其主链分子运动有关，该分子运动在受到高连撞击时仍在继续，能有效地消耗撞击能力。PMMA吸收撞击能量的能力远远低于PC。此外PC由于在低温环境下仍表现出优异的抗冲击性能。因此，采用具有优异的透光性能、弹性模量和较高的强度的沙比克HLG5牌号聚碳酸酯PC作为防飞溅层材料，以实现透明装甲背部无飞溅物的目标。

　　1.1.4聚合物粘接层功能材料

　　目前常用的层合结构材料的粘接材料分为两类：固态胶片和水胶。其中水胶粘接具有操作简易、复合成型工艺成熟等优势，然而由于其抗冲击性能差以及环境适应性不稳定等因素尚未应用于透明装甲层合材料的粘接处理。固体胶片主要包括聚乙烯醇缩丁醛PVB、聚氨酯PU、乙烯醋酸乙烯共聚物EVA等。固体胶片材料的选用取决于层合材料的材质，PVB胶片通常适用于玻璃基材、陶瓷基材的真空热复合粘接，PU胶片尤其适用于有机玻璃与玻璃陶瓷之间的热复合粘接，而EVA胶片仅适用于有机玻璃的粘接成型。

　　因此，针对防弹装甲结构所选取的功能材料，采用PU聚合物粘接材料分别对尖晶石陶瓷与Borofloat33硼硅酸玻璃,Borofloat33硼硅酸玻璃与PC层合结构进行真空热复合成型。因此，结合防弹结构设计对各层功能材料提出的技术需求，以及轻质、高透过率要求，进行迎弹面、缓冲层、防飞溅层以及聚合物粘接材料的选型设计后确定出装甲结构各功能层的材料。

　　1.2透明装甲面密度、剩余速度与迎弹面厚度研究

　　通过数值模拟研究透明装甲材料的面密度与子弹侵彻剩余速度之间的关系，发现基于镁铝尖晶石透明装甲材料面密度不低于68kg/m即可实现抗弹性能，相较于普通防弹玻璃近170kg/m面密度减重效果明显。此外,在满足抗弹性能条件下，通过研究镁铝尖晶石陶瓷厚度与面密度之间的关系，发现随着陶瓷厚度的增加，装甲面密度逐渐降低，最终趋于水平稳定在某一特定的面密度条件下。因此可以通过增加迎弹面透明陶瓷的厚度，以降低装甲整体面密度，实现轻质化[14]。

　　2双波段增透结构设计

　　透明装甲材料为层合结构，界面较多，对1064nm红外激光除吸收外，界面反射是减少其透过率的主要原因，采用镀制增透膜的方式能够大幅度降低界面的反射率。增透膜系设计主要通过TFCalc光学薄膜设计软件完成，针对1064nm和380nm～780nm波段，利用缓冲层的概念，通过调整膜系的导纳图，来实现透明装甲材料双波段增透。由于界面较多，为简化增透设计，采用的与缓冲层材料折射率极为接近的聚合物粘接层，将两种材料在增透设计过程中简化为单一透光介质[1518]。

　　3实验验证

　　3.1透明装甲材料制备

　　制备了面密度为70kg/m，尺寸为200mm×150mm×29.6mm的透明装甲样品，在制备过程中，首先对镁铝尖晶石(MgAl(厚度为8.5mm)和聚碳酸酯PC(厚度为4.5mm)采用真空蒸镀方式表面镀制由TiO和SiO膜系构成的光学增透薄膜，随后采用真空高压热复合技术将透明装甲各功能材料(其中缓冲材料为双层厚度为7.5mm的Borofloat33硼硅酸玻璃)进行成型制备。

　　3.2抗弹性能测试对制备的透明装甲材料进行了抗弹性能测试，测试条件如下：在自然温度条件下，射距20m，射角°，采用7.62mm的弹道枪配53式7.62mm穿甲燃烧弹。有效射弹发，未穿透，背面无飞溅，弹痕高度0mm。

　　3.3双波段透过率测试通过紫外—可见光分光光度计测量样品的透光率，测试波长为300～1100nm，可见光和近红外透过率测试曲线，透明装甲材料样品在380～780nm和1064nm透光率不低于90%。

　　3.4透明装甲材料可靠性

　　对制备的透明装甲材料开展高温试验(70℃，24h)、低温试验(40℃，24h)、振动试验、冲击试验和湿热试验，试验采用串行的方式，考核透明装甲试验后抗弹性能、外观质量以及透光率指标的衰减情况，以模拟验证在复杂恶劣环境作战中的透明装甲材料的可靠性。试验结果表明透明装甲的光学性能指标在380～780nm和1064nm透光率不低于90%。透明装甲外观未出现开胶、气泡以及黄变等质量缺陷。此外，试验后的透明装甲抗弹性能满足单发53式7.62mm穿甲燃烧弹抗弹指标要求。因此，基于镁铝尖晶石(MgAl的透明装甲材料可靠性较强，基本满足复杂恶劣环境作战要求。

　　4结论

　　本文基于镁铝尖晶石(MgAl设计了一种透明装甲材料。随着镁铝尖晶石陶瓷厚度的增加，装甲面密度逐渐降低，最终趋于水平稳定在某一特定的面密度条件下。因此可以通过增加迎弹面透明陶瓷的厚度，以降低装甲整体面密度，实现轻质化。透明装甲材料面密度为70kg/m，尺寸为200mm×150mm×29.6mm，可抗53式7.62mm穿甲燃烧弹。透明装甲材料在380nm～780nm和1064nm波段范围内透过率不小于90%。该轻质透明装甲材料可应用于装甲车观瞄探测系统光学窗口，满足车载武器的精确火控和近距离态势感知的技术要求，并具有较高的可靠性。

　　5参考文献

　　[1]李随意国外透明装甲发展新动态国外坦克,2015(7);5356

　　[2]朱祺郭倩钟云鹏激光技术在高技术国防战争中的应用西安航空技术高等专科学校学报,2011,29(5):1921.

　　[3]刘川装甲上观瞄系统战车纵横2017);3233.

　　[4]范华春张雅琼纪超陈光辉等车载综合观瞄系统的设计与实现应用光学,2021,42(3);383384.

　　[5]王雄高透明装甲材料国外坦克,2009(5);4445

　　[6]赵勇张易之李坤透明装甲材料在自行高炮顶部防护上的论述火炮发射与控制学报,2018(2);8889

　　[7]田蕊有人装甲车态势感知的未来透视装甲技术国外坦克,2016(8);4243

　　作者：吴点宇，李鑫，张小刚，王月祥，许晓丽，钱明灿

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