矛与盾的较量
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作者: 南 风
随着武器威力的不断增大，各种防护装置也在日新月异地发展。现在，战场上几乎所有能“动”地目标，无论是士兵还是运输、战斗工具，都不得不穿上各种能够抵御攻击的装(护)甲来掩护自己。装甲材料从最初的钢材逐步发展到铝合金、复合材料、陶瓷等高科技材料。那么，到底这些新材料有何等神通，能够抵御枪／炮弹的攻击呢?
分解能量还是吸收能量
在介绍装甲材料的性能之前，先来了解一下装甲材料的防护原理。装甲材料一般被分为两种类型：分解能量型和吸收能量型。分解能量型材料通常强度较高，如高硬度钢和陶瓷。在多层装甲结构中应用分解能量型材料的目的是使侵彻弹丸破碎或快速分解其能量。换句话说，其可使动能弹在撞击装甲后形成碎片，并且碎片的运动方向发生改变，偏离装甲。吸收能量型材料则可以吸收弹丸动能，并将它转变为另一种形式的能量，如热能。上述分类是从理论上划分的，实际上大多数装甲系统都被设计成既能分解又能吸收弹丸能量，材料的选择则取决于设计师期望达到的防护程度。
钢 材
钢的性能优异，经过适当的调质和热处理后，可以具有分解或吸收能量的性能。从第二次世界大战开始，钢通常以机械轧制均质装甲(RHA)的形式应用于军用车辆。轧制的装甲通常经过二次热处理(820℃～860℃)，并在油或水中淬火以提高硬度，然后再经过回火处理(保持460℃～650℃加热数小时)以增加韧性，最后得到的产品才能称为均质装甲。选择不同的回火温度可以获得不同的机械性能和防护性能，一般较低的回火温度用于处理较薄、硬度较高的装甲，较高的回火温度用于处理较厚、硬度较低的装甲。
采用不同的处理方法可以使同一块装甲的不同层面具备不同的性能。目前通常采用表面淬火法，使韧性较好的装甲衬层可以抑制装甲的裂纹扩展，硬度较高的防护层可以使侵彻弹丸碎裂分解。过去采用的方法有火焰淬火处理。第二次世界大战期间，德国“虎王”坦克的装甲就采用这种工艺。这种工艺是将装甲表面加热到很高的温度，然后快速冷却(淬火)形成高硬度、脆性大的表层，离表层越远的层面硬度越小，韧性越高。
使一块装甲具有两种不同硬度的有效方法则是将两块不同的装甲轧制连接成一块。经过这种技术处理的装甲称为哈德菲尔德双重装甲(HAD)，在第二次世界大战前就已采用，这种技术不断发展，现已演进为双硬度装甲(DHA)。双硬度装甲技术在美国仍是当前装甲板的主要生产技术之一，生产时将两块镍合金钢板辊压接合在一起，经过热处理后，轧制装甲一面含碳量高、硬度大，布氏硬度值达到580～710HB，而另一面硬度较低，布氏硬度值为450～530HB，能保持较好的韧性。
双硬度装甲在防护穿甲弹时的性能远好于高硬度装甲。不过，尽管双硬度装甲具有明显的优势，但因其生产工艺复杂，成本高，并没有受到太多青睐。
高硬度装甲是对布氏硬度值超过430HB的均质钢装甲的通称，其生产过程类似于轧制均质装甲，只是回火温度较低。较薄的高硬度装甲可用于防御铅／锑弹头，3mm厚的可以防御手枪弹，8mm厚的可以防御高速步枪弹，如初速为920m／s的5．56×45mm SS109弹。为了防御钢心穿甲弹，则厚度须达到12～13mm。瑞士莫瓦格公司的皮兰哈轮式装甲车族就采用了高硬度钢装甲，可以防御7.62mm步枪弹。其他安装高硬度装甲的车辆包括凯迪拉克・盖奇公司生产的“黄貂鱼”轻型坦克和LAV 300轮式装甲车族。
最近几年，常见一些轻质的附加式装甲系统与多孔高硬度钢装甲板组合在一起应用。多孔装甲的优点是质量轻，同样厚度时，它比均质装甲要轻得多。装甲板上钻孔使侵彻弹丸产生不对称负载，从而导致弹心在侵彻装甲板时产生弯曲负载，造成弹心断裂或至少造成侵彻过程中的不稳定。多孔装甲系统主要用于装甲人员输送车和步兵战车的顶装甲，如拉斐尔公司生产的TOGA附加被动装甲，1980年代以色列入侵黎巴嫩时已将其应用于以军的M113装甲车上。多孔装甲在防御采用低疲劳拉伸率(<3％)弹心的穿甲弹时非常有效，如B32 14.5mm、APM2 7.62mm穿甲弹等。
铝合金
目前应用较多的是7039铝―锌―镁合金，其在防御穿甲弹方面比过去的5083铝合金更有效。7039铝合金的强度比5083铝合金高，极限抗拉强度(UTS)达到420MPa，而5083铝合金的仅为280MPa。与轧制均质钢装甲相比，7039铝合金防御穿甲弹的性能更出色，尤其是在7.62mm和14.5mm穿甲弹垂直射入时，而且铝合金装甲在防御14.5mm穿甲弹方面的优势要比防御7.62mm穿甲弹时更明显。
尽管铝合金在装甲战车上得到广泛应用，但它还有很多缺点，最突出的就是：铝合金在受到攻击而产生抗拉应力时，常发生应力腐蚀断裂，在加工、组装或焊接过程中产生的残余应力均有可能引起铝合金疲劳。
另外，铝合金的抗裂强度比钢低，容易碎裂，而且熔点也比钢低，温度升高时很容易变软，变成碎粒后很有可能会燃烧。
钛合金
钛合金性能毋庸置疑，但高成本大大限制了它的使用――钛合金装甲的成本是具备同样防护性能钢装甲的10-20倍。
虽然价格上处于劣势，但钛合金的强度可以与轧制均质钢装甲媲美，但密度只是钢的60％，因此，遭受同样的打击，相同重量的钛合金的防护效能比轧制均质钢装甲高30％-40％。
但是，钛合金也有其自身缺陷，即在一定的应力条件下，如弹丸的一小部分动能作用在装甲板上形成剪切应力时，钛合金比钢更容易产生绝热剪切(绝热剪切现象自1940年代提出，是在冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式)而断裂。不过当钛合金受到撞击或小、中、大口径穿甲弹打击时还不致发生剪切破坏。
合成材料
除了钢、铝合金、钛合金，合成材料的防御性能也在不断地被挖掘提高。合成材料一般由粘合的增强纤维基质薄板构成，典型的纤维材料包括高强度玻璃纤维(s-glass)、无碱玻璃纤维(E-glass)、凯夫拉、碳纤维、硼纤维和石墨纤维等。需要特别强调的是，合成材料本身并不足以抵御穿甲弹的打击，需要与陶瓷或高硬度钢板组合使用才能发挥效能。
和具备相同防护级别的金属装甲相比，合成材料装甲的强度不相上下，但重量能减轻10％～15％，而且合成材料是热绝缘体，有助于减少车辆发动机和排气筒的热辐射。如果生产成本允许，还可以用高强度玻璃纤维或碳纤维替代较便宜、强度较低的无碱玻璃纤维，重量还会进
一步降低。如果采用三维编织技术，还可以进一步降低合成材料的重量，增强韧性和吸收能量的能力。
合成材料(如玻璃纤维增强塑料)已经用于一些试验车辆，如英国的先进合成装甲车辆计划(ACAVP)以及美国的相关研究计划。目前在军用车辆上成功应用的一个例子是CAMAC公司的CAV-100装甲车。这种车辆的装甲采用高强度玻璃纤维和酚醛树脂制造，通过压铸模法粘接在一起。CAV-100装甲车是对“虎式”越野车的改进，防护级别达到欧洲CEN标准中的B6级水平。
合成材料还是制作人体护甲的绝佳材料，其最突出的优点是在抵御软尖弹打击的同时能够保持韧性、不破裂。说到人体护甲，在我国的武侠文化中可谓风靡已久，比如《鹿鼎记》中韦小宝穿的“金丝软甲”就是一件不折不扣的宝物，可以“刀枪不入”。无论小说中的护甲是否真有其物，但现实生活中各国军队对人体护甲的追求则是矢志不渝。最早的弹性人体护甲采用蚕丝纤维制造，因为蚕丝的抗拉强度较好，是制造人体护甲的理想材料。1914年，奥匈帝国大公费迪南德被刺杀时就穿着这种蚕丝背心，不幸的是，他被射中脖子，防弹背心就无能为力了。在第二次世界大战中，美国空军轰炸机机组人员装备了插入聚酯玻璃纤维防护板的防弹背心，这些具备较好刚性的防护板能够防御高射炮弹破片。到了现代，防弹背心通常由凯夫拉或尼龙织物制造，为了防御高速步枪弹的打击，背心中还嵌入陶瓷防弹板，以防御手枪弹、步枪弹，保护心脏和重要器官。
陶 瓷
陶瓷在弹道防护方面可以发挥重要作用。1960年代，加利福尼亚大学的威尔金斯教授验证了陶瓷的特性，指出其高硬度和低密度特性将使陶瓷成为制造装甲系统的理想材料。事实上，人类从第一次世界大战开始就认识到陶瓷在装甲防护方面的重要性，当时在金属表面涂了一层较薄的硬质搪瓷层以增强金属的防护性能。然而由于技术问题，这项研究直到i962年第一种硬质表层合成装甲问世才得以继续进行。从那以后，人们开始进行大量的研究以验证陶瓷装甲的最佳性能、结构和用途。
陶瓷由细小的粉末在一定的温度和压力条件下烧结而成，在烧结过程中往往加入少量其他元素，最后的产物是一个多晶材料，结构非常牢固。所有的陶瓷材料都具有较高的强度，如装甲陶瓷的维氏硬度值为1500～3500HV。用于制造装甲的陶瓷材料一般密度都较小，比钢的一半还要小，如碳化硼陶瓷的密度仅为2.5g／cm2(大约是钢密度的1／3)，同样的防护面积，重量就可减轻不少。
与陶瓷防弹背心一样，陶瓷装甲板常与合成材料衬里组合使用，以达到令人满意的防护级别。陶瓷是易碎材料，其断裂韧度值较低，所以只能与其他装甲材料组合使用，并且不能承受任何疲劳或结构负荷(不像钢、铝合金、钛合金和合成材料)。易碎也意味着陶瓷不能抗多重打击，因此，它通常只是装甲系统中的一部分，常被包在夹层中使用。当然，陶瓷的易碎性也不全是缺点，其受到撞击时碎裂意味着弹丸能量在更大的面积上传递消耗，因此，弹丸击穿下一个防护层将会非常困难。事实表明，较厚的陶瓷装甲板在对抗成型装药金属射流时非常有效。
作为最硬、密度最小的陶瓷材料之一，碳化硼在1960年代就被用于制造防弹背心。但碳化硼的价格非常昂贵，影响其应用的广泛性，而且，碳化硼在防御高速钨心穿甲弹时表现不佳。为了增强陶瓷的抗多重打击能力，人们设计出了合金陶瓷装甲，将陶瓷微粒粘合在金属基质中。但这种方法是以损失金属材料的强度为代价的，因此，其防御穿甲弹的能力也大打折扣。其他增强陶瓷装甲性能的方法正在试验之中，包括改良陶瓷装甲结构，为的是采用单一材料结构以最大限度利用陶瓷(硬度和耐压强度)和金属(延展性和韧性)的优点。这种材料通常由陶瓷表层和金属含量较高的烧结层组成，然而，高昂的生产成本掩盖了其性能上的些许优势。
陶瓷材料仍是当今各国致力研究的装甲材料，随着技术的突破、生产成本的降低，相信其将显示出良好的应用前景。
此外，新型材料与装甲新概念正在不断探索之中。追求真正意义上的“刀枪不入”，总归是人类的一个梦想。
编辑：袁 炜
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