08高新兵器材料技术

第 8 章 高新兵器材料
8 . 1
概 述
众 所 周 知 ， 国 防 关 系 着 一 个 国 家 与 民 族 的 生 存 和 发 展 ， 在 任 何 历 史 时 期 ， 在 任 何 国 家 中 ， 没 有 哪 一
项 新 兴 材 料 不 首 先 应 用 于 军 事 装 备 上 的 ， 反 过 来 ， 战 争 对 材 料 科 学 上 的 突 破 和 材 料 工 程 上 的 革 命 又 没 有
哪 一 个 社 会 因 素 所 能 替 代 的 ， 所 以 ， 没 有 新 兴 的 材 料 就 不 会 有 新 型 的 装 备 ， 兵 器 发 展 的 历 史 长 河 已 经 证
明 并 正 在 证 明 发 展 高 新 技 术 兵 器 必 须 建 立 起 其 赖 以 发 展 的 物 质 基 础 — — 高 新 技 术 兵 器 材 料 。
第 二 次 世 界 大 战 结 束 后 ， 尤 其 在 过 去 二 、 三 十 年 中 ， 世 界 兵 器 有 了 长 足 的 发 展 ， 性 能 有 了 很 大 的 改
善 ， 相 继 出 现 了 大 批 新 兵 器 ， 这 都 与 新 兵 器 材 料 的 发 展 密 切 相 关 。 但 是 ， 从 更 深 层 次 的 意 义 上 讲 ， 现 代
兵 器 材 料 制 造 技 术 研 究 首 先 超 前 于 现 代 兵 器 研 制 的 发 展 ， 而 现 代 兵 器 材 料 的 出 现 又 将 大 大 推 动 现 代 兵 器
的 发 展 。 这 种 能 动 作 用 决 定 了 高 技 术 新 材 料 是 高 技 术 兵 器 发 展 的 生 命 线 和 核 心 技 术 ， 往 往 一 种 新 材 料 很
可 能 代 表 着 武 器 的 一 种 新 性 能 甚 至 一 种 新 的 作 战 模 式 。
根 据 现 代 工 程 材 料 和 现 代 兵 器 的 发 展 趋 势 ， 与 传 统 兵 器 材 料 相 比 ， 高 新 技 术 兵 器 材 料 大 致 分 为 两 类 ：
一 类 是 改 进 “ 硬 ” 兵 器 系 统 结 构 并 提 高 其 性 能 的 高 新 技 术 兵 器 结 构 材 料 ， 其 目 标 主 要 是 提 高 武 器 系 统 的
攻 击 杀 伤 破 坏 能 力 、 战 场 生 存 能 力 以 及 推 进 机 动 能 力 ； 另 一 类 是 改 善 “ 软 ” 兵 器 系 统 的 光 学 、 电 子 和 微
电 子 材 料 等 高 新 技 术 兵 器 功 能 材 料 ， 其 目 的 在 于 提 高 探 测 、 观 测 、 跟 踪 、 制 导 、 通 信 、 指 挥 能 力 以 及 “ 软 ”
杀 伤 破 坏 能 力 。
9 0 年 代 以 后 高 新 技 术 兵 器 材 料 的 发 展 重 点 已 转 化 为 研 发 各 种 复 合 材 料 、 高 级 精 密 陶 瓷 、 高 性 能 金
属 和 合 金 、 高 级 高 分 子 合 成 材 料 ， 以 满 足 兵 器 构 件 在 高 温 、 高 压 、 高 速 、 高 应 变 速 率 、 高 腐 蚀 、 高 烧 蚀 、
疲 劳 、 低 温 等 极 端 恶 劣 、 苛 刻 工 作 环 境 条 件 下 的 战 术 技 术 要 求 。
本 章 主 要 涉 及 高 新 技 术 的 兵 器 结 构 材 料 和 有 关 高 新 技 术 兵 器 新 型 功 能 材 料 。
8 . 2
枪 械 结 构 材 料
大 量 地 使 用 轻 质 材 料 ， 减 轻 兵 器 结 构 件 的 重 量 ， 增 强 机 动 能 力 ， 提 高 战 术 技 术 性 能 ， 尤 其 是 满 足 未
来 战 争 的 需 求 ， 这 是 当 今 兵 器 材 料 技 术 发 展 中 的 一 项 重 要 内 容 。 以 往 这 类 轻 质 材 料 主 要 是 铝 、 钛 及 其 合
金 ， 而 高 性 能 、 轻 质 、 多 功 能 的 复 合 材 料 、 塑 料 将 是 兵 器 结 构 材 料 进 一 步 发 展 的 主 要 内 容 。
高 技 术 合 成 材 料 制 造 新 型 轻 武 器 、 改 造 现 有 轻 武 器 ， 实 现 以 塑 代 木 、 以 塑 代 金 属 ， 已 是 当 代 轻 武 器
的 重 要 发 展 趋 势 ， 这 样 便 可 大 大 改 进 了 轻 武 器 的 人 - 机 - 环 境 性 能 ， 既 大 幅 度 提 高 了 武 器 系 统 的 战 斗 性 能 ，
大 大 减 轻 了 武 器 质 量 （ 例 如 ， 北 约 “ 2 0 0 0 年 后 步 兵 轻 武 器 ” 的 单 兵 自 卫 武 器 仅 重 0 . 7 k g ， 单 兵 作 战 武 器
质 量 为 4 . 5 k g ） ， 节 约 金 属 ， 简 化 生 产 工 艺 ， 提 高 生 产 效 率 ， 又 提 高 了 武 器 的 耐 腐 蚀 性 能 ， 改 善 武 器 的 艺
术 造 型 和 表 面 处 理 质 量 。 因 此 ， 塑 料 等 非 金 属 材 料 现 已 广 泛 用 于 枪 械 、 轻 型 反 坦 克 火 箭 筒 等 武 器 上 。
例 如 ， 奥 地 利 的 A U G 5 . 5 6 r u m 步 枪 除 枪 管 、 枪 机 和 机 匣 外 ， 其 余 部 件 均 由 耐 冲 击 塑 料 制 造 ， 击 发 机
构 9 0 ％ 以 上 的 零 件 是 塑 料 件 ， 击 锤 为 聚 甲 醛 制 造 。 法 国 M A 5 5 . 5 6 步 枪 有 3 3 个 零 件 分 别 用 3 0 ％ 玻 纤 增 强
尼 龙 和 6 0 ％ 玻 纤 增 强 尼 龙 制 造 。 奥 地 利 的 G 1 0 C K 手 枪 4 0 个 零 部 件 中 有 1 6 个 是 塑 料 件 （ 占 总 数 的 4 0 ％ ） 。
比 利 时 F N 公 司 的 P 9 0 单 兵 自 卫 武 器 共 计 6 9 个 零 部 件 ， 其 中 就 有 2 7 个 是 塑 料 件 ， 外 壳 、 发 射 机 构 均 是
塑 料 所 制 造 ， 寿 命 为 1 0 万 发 ， 经 1 0 t 卡 车 碾 压 后 ， 全 枪 完 好 。 德 国 的 H K 公 司 G 1 1 无 壳 弹 步 枪 ， 外 壳 和
枪 托 是 碳 纤 维 增 强 材 料 ， 机 匣 由 深 灰 色 碳 纤 维 增 强 聚 酸 胺 制 造 ， 瞄 准 镜 架 用 合 成 材 料 与 枪 模 塑 成 形 在 一
起 。 法 国 的 阿 皮 拉 斯 单 兵 反 坦 克 火 箭 筒 的 发 射 筒 采 用 了 工 程 塑 料 和 复 合 材 料 ， 占 其 总 重 的 9 4 ％ 。 F － 1
式 8 8 . 9 m m 反 坦 克 火 箭 筒 采 用 凯 夫 拉 4 9 纤 维 增 强 材 料 制 造 ， 使 战 斗 重 量 由 8 . 6 k g 减 到 6 k g 。 此 外 ， 塑 料
制 枪 托 、 护 水 、 握 把 、 提 把 、 弹 夹 、 弹 链 等 均 早 已 广 泛 使 用 。
8 . 3 火 炮 身 管 材 料
8. 3.1 传统 的火 炮身管 材料射 击 时 ， 火 炮 身 管 是 在 高 温 、 高 压 和 受 高 速 火 药 气 体 的 冲 击 下 工 作 的 。 一 般 在 极 短 的 时 间 （ 千 分 之
2
几 秒 ） 内 温 度 可 达 到 3 0 0 0 ℃ 以 上 ， 压 力 可 达 3 0 0 0 k g ／ c m 左 右 ； 另 外 ， 身 管 内 表 面 上 还 受 到 火 药 气 体 生
成 物 的 化 学 作 用 ， 这 些 均 影 响 身 管 使 用 寿 命 。 因 此 ， 设 计 火 炮 身 管 强 度 时 除 考 虑 强 度 问 题 外 还 应 考 虑 金
属 的 其 它 性 能 。
对 火 炮 身 管 材 料 一 般 性 能 要 求 是 ：
（ 1 ） 要 有 足 够 的 弹 性 ， 以 保 证 在 火 药 气 体 压 力 有 某 些 变 化 时 不 会 产 生 残 余 变 形 ；
（ 2 ） 比 例 极 限 与 强 度 极 限 间 之 差 值 要 大 ；
（ 3 ） 金 属 不 易 受 火 药 气 体 生 成 物 的 化 学 作 用 ；
（ 4 ） 要 有 足 够 的 硬 度 ， 以 防 止 装 填 时 和 弹 丸 在 膛 内 运 动 时 产 生 磨 损 ；
（ 5 ） 要 有 足 够 的 韧 性 ， 以 保 证 火 药 气 体 压 力 升 高 时 不 会 破 裂 ；
（ 6 ） 应 有 良 好 的 工 艺 性 和 经 济 性 。
身 管 材 料 的 主 要 机 械 性 能 指 标 为 ： 比 例 极 限 （ 即 虎 克 定 律 有 效 时 的 最 大 应 力 ） 或 弹 性 极 限 （ 即 出 现
残 余 变 形 前 的 最 大 应 力 ） ； 横 断 面 收 缩 率 （ ％ ） ； 夏 氐 冲 击 值 。
对 火 炮 的 身 管 材 料 ， 还 要 求 有 足 够 的 淬 透 性 ， 毛 坯 经 过 热 处 理 后 在 全 长 和 整 个 壁 厚 中 应 具 有 均 匀 的
结 构 组 织 和 机 械 性 能 。
传 统 的 火 炮 身 管 材 料 全 为 铬 镍 钢 ， 见 表 8 - 0 1 。 身 管 材 料 的 选 择 通 常 按 冶 金 部 标 准 Y B 4 7 5 - 6 4 进 行 ，
可 由 强 度 类 别 和 身 管 毛 坯 壁 厚 选 择 钢 号 。
从 国 外 看 ， 镍 铬 钼 钢 （ 通 常 加 钒 作 变 性 剂 ） 一 直 是 世 界 各 国 沿 用 的 主 要 炮 钢 。 因 此 种 钢 具 有 合 金 钢
种 中 最 为 优 良 的 综 合 机 械 性 能 。 美 、 苏 、 英 、 德 等 国 都 曾 广 泛 用 来 制 造 各 种 口 径 的 身 管 。 但 由 于 战 略 性
金 属 镍 的 缺 乏 ， 特 别 是 二 次 大 战 时 期 镍 来 源 困 难 ， 迫 使 许 多 国 家 不 得 不 去 探 索 无 镍 代 用 炮 钢 或 研 制 含 镍
少 的 炮 钢 ， 在 这 方 面 德 国 最 为 显 著 。
表 8 - 0 1 部 分 传 统 的 火 炮 身 管 材 料
身 管 毛 坯 壁 厚 （ m m ）
强 度 类 别
＜ 8 0 ≥ 8 0 ～ 1 2 0 ＞ 1 2 0 ～ 1 6 0
P - 3 0 P C r
P - 3 5 ～ P - 4 0 P C r P C r P C r V
P C r W P C r M o
P C r V P C r M o V
P C r M o P C r W
P - 4 5 ～ P - 5 0 P C r P C r W P C r M o V
P C r V P C r V P C r 2 N i M o
P C r M o P C r M o P C r N i 1 M o
P C r W P C r M o V P C r N i M o V
P C r 2 N i M o P C r N i 2 M o
P C r W P C r N i 1 W
8. 3.2 现代 火炮 身管的 战术 要求
现 代 火 炮 是 陆 军 极 其 重 要 的 武 器 装 备 ， 也 是 海 军 和 空 军 不 可 缺 少 的 武 器 ， 目 前 ， 虽 然 出 现 了 与 之 竞
争 的 导 弹 等 新 武 器 ， 但 是 火 炮 仍 以 其 独 特 的 本 领 和 魅 力 活 跃 于 战 争 舞 台 上 ， 发 挥 着 其 他 武 器 不 可 取 代 的
作 用 。
高 膛 压 、 轻 重 量 和 长 寿 命 是 现 代 大 口 径 火 炮 身 管 追 求 的 目 标 ， 也 是 现 代 大 口 径 火 炮 永 恒 的 战 术 要 求 。
高 膛 压 带 来 高 初 速 、 增 大 射 程 ， 提 高 弹 丸 杀 伤 破 坏 威 力 。 例 如 表 8 - 0 2 所 示 ， 8 0 年 代 的 新 型 主 战 坦 克 装备 的 口 径 1 2 0 m m 或 1 2 5 m m 的 高 膛 压 、 高 初 速 坦 克 炮 （ 膛 压 达 6 0 0 M P a 以 上 ， 初 速 1 8 0 0 m / s ） 。 又 如 现
代 1 5 5 m m 榴 弹 炮 身 管 的 设 计 膛 压 也 已 超 过 了 4 0 0 M P a ， 初 速 可 达 到 9 0 0 m / s 以 上 ， 最 大 射 程 达 2 4 至 3 0 k m 。
瑞 典 F H － 7 7 B 1 5 5 m m 火 炮 的 初 速 超 过 1 0 0 0 m / s ， 射 程 接 近 5 0 k m 。
表 8 - 0 2 高 膛 压 坦 克 炮 性 能
火 炮 口 径
火 炮 名 称 炮 膛 结 构 膛 压 M P a 初 速 m / s
（ m m ）
美 M 1 坦 克 的
1 2 0 滑 膛 5 1 7 ～ 1 8 0 0
坦 克 炮
英 1 2 0 m m 线 膛 炮 1 2 0 线 膛 6 1 8 ＞ 1 5 0 0
法 A M X — 3 2 坦 克
1 2 0 滑 膛 6 2 5 1 6 3 0
的 坦 克 炮
德 豹 2 坦 克 的 设 计 7 1 0
1 2 0 滑 膛 1 6 5 0 ～ 1 8 0 0
坦 克 炮 实 际 5 4 0
原 苏 T — 7 2 坦 克
1 2 5 滑 膛 4 4 3 . 7 （ 铜 柱 ） 1 8 0 0
的 坦 克 炮
但 是 ， 高 膛 压 、 高 初 速 的 发 射 条 件 使 身 管 的 疲 劳 破 坏 严 重 加 剧 ， 身 管 内 膛 的 烧 蚀 和 磨 损 也 日 趋 加 重 ，
大 大 影 响 了 身 管 寿 命 。 例 如 ， 豹 2 坦 克 的 1 2 0 m m 坦 克 炮 身 管 即 使 采 用 特 殊 的 镀 铬 处 理 ， 寿 命 也 仅 为 5 5 0
发 。 问 题 还 在 于 为 了 满 足 未 来 反 坦 克 和 野 战 的 需 要 ， 火 炮 的 口 径 还 有 进 一 步 增 大 的 趋 势 ， 1 3 5 、 1 4 0 m m
口 径 的 火 炮 正 在 研 制 之 中 。 可 以 想 象 ， 这 将 给 火 炮 身 管 提 出 更 高 、 更 苛 刻 的 要 求 ， 需 要 采 用 现 代 材 料 领
域 的 高 新 技 术 ， 发 展 炮 钢 精 密 冶 金 技 术 ， 开 发 新 型 复 合 身 管 材 料 技 术 ， 制 造 出 高 强 韧 、 耐 烧 蚀 、 轻 重 量 、
紧 凑 型 的 火 炮 身 管 。
8. 3.3 高强 韧钢 身管材 料
高 膛 压 火 炮 必 须 采 用 高 强 韧 炮 钢 制 造 身 管 。 现 代 火 炮 身 管 用 钢 是 中 碳 （ 0 . 3 0 ～ 0 . 3 5 % C ） N i - C r - M o - V
钢 。 由 于 现 行 的 炮 钢 生 产 技 术 的 发 展 ， 已 使 今 天 的 炮 钢 较 之 2 0 年 前 的 炮 钢 ， 在 同 样 强 度 级 别 水 平 上 ， 冲
击 韧 性 提 高 了 2 ～ 3 倍 。 8 0 年 代 中 期 世 界 范 围 内 使 用 的 一 些 大 口 径 火 炮 通 过 调 整 炮 钢 的 含 碳 量 ， 已 获 取
高 强 度 与 高 韧 性 的 恰 当 匹 配 （ 图 8 - 0 1 ） 。 各 种 口 径 火 炮 身 管 的 典 型 机 械 性 能 如 表 8 - 0 3 所 示 。
8 - 0 1 几 种 炮 钢 的 屈 服 强 度 与 冲 击 性 能 的 关 系 图 8 - 0 2 硫 含 量 对 炮 钢 低 温 冲 击 韧 性
然 而 ， 为 了 进 一 步 满 足 今 后 更 高 膛 压 、 更 高 初 速 的 大 口 径 火 炮 发 展 的 需 要 ， 预 计 炮 钢 生 产 将 采 用 精
密 冶 金 技 术 ， 这 种 技 术 的 思 路 在 于 生 产 洁 净 钢 ， 制 造 性 能 更 高 更 均 匀 的 火 炮 身 管 。 炮 钢 精 密 冶 金 的 技 术
路 线 大 致 是 ：表 8 - 0 3 大 口 径 厚 壁 炮 钢 成 分 、 机 械 性 能 （ 电 渣 重 熔 ）
身 管 材 料 成 分 % 合 金 - 4 0 ℃
断 面
火 炮 型 身 管 元 素 屈 服 强 夏 比
收 缩
号 型 号 碳 锰 磷 硫 硅 镍 铬 钼 钒 总 度 冲 击
率 %
量 % 功 J
比 利 时
9 0 σ
9 0 m s
5 0
m m 火 m
＞ 1 1 7 6
炮
法 国
9 0
9 0 m
m m 火 m
炮
法 国
1 0 5
1 0 5 ≤ ≤
0 . 2 7 0 . 3 5 0 . 2 5 3 . 5 1 . 8 0 . 4 0 . 1 3 5 . 8 3 1 1 4 6 ≥ 2 0
m m 火 m m
0 . 1 0 0 . 1 0
炮
法 国
σ
0 . 2
1 2 0 1 2 0 . 0 . 0 1
0 . 3 5 0 . 4 0 . 0 0 6 0 . 2 5 2 . 9 1 . 1 0 . 4 0 . 1 8 4 . 5 8 1 0 2 9 ≥ 2 0
m m 坦 m m 0
～ 1 1 5 1
克 炮
德 豹
I I 坦 克 1 2 0 σ
0 . 2
0 . 3 5 . 5 5 . 0 0 5 . 0 0 5 0 . 2 5 3 . 0 1 . 2 0 . 5 0 . 1 5 4 . 5 8 ≥ 4 8 . 6 5 8
m m
1 2 0 m m 1 0 4 8
滑 膛 炮
法 国
σ
0 . 2
1 5 5
1 5 5
0 . 3 5 . 4 0 . 0 1 0 . 0 0 8 0 . 2 5 2 . 9 1 . 1 0 . 4 0 . 8 4 . 5 8 1 1 2 7 ≥ 2 0
m m 榴 m m
～ 1 2 5 0
弹 炮
德 1 5 5
3 . 9 3 σ
1 5 5 0 . 3 - 0 . 4 - 0 . ≤ . 0 1 ≤ . 0 1 0 1 5 - . 2 . 5 - 3 1 . 0 - 1 . 3 5 - . . 8 0 - . 0 . 2
m m 榴 ≥ 4 5 ≥ 2 0
m m . 4 7 0 0 3 5 . 5 . 4 6 0 2 0 ～ 5 . 7 ≥ 1 0 3 4
弹 炮
奥 地 利
G C 4 5 1 5 5
1 5 5 m m m m
榴 弹 炮
英 国 炮
0 . 3 8 . 5 4 . 0 0 5 . 0 0 5 0 . 2 5 3 . 4 5 0 . 8 6 0 . 6 5 0 . 1 8 5 . 1 4 σ 3 2
0 . 2
管 钢
（ 1 ） 科 学 地 严 密 管 理 和 精 确 配 料 ， 以 严 格 控 制 炉 料 中 有 害 痕 量 元 素 在 规 定 限 定 以 下 ， 如 A s ＜ 1 5 0
- 6 - 6 - 6 - 6 - 6 - 6
× 1 0 、 S n ＜ 7 0 × 1 0 、 S b ＜ 1 3 × 1 0 、 B i ＜ 5 0 × 1 0 、 P b ＜ 5 0 × 1 0 、 A l ＜ 1 5 0 × 1 0 。 与 此 同 时 ， 还 应 严
格 控 制 炉 料 中 硫 ， 尤 其 是 磷 的 含 量 。
（ 2 ） 采 用 电 炉 一 炉 外 精 炼 、 真 空 除 气 技 术 ， 严 格 控 制 掌 握 炼 钢 过 程 中 的 脱 磷 操 作 ， 使 钢 中 磷 含 量
- 6
＜ 0 . 0 0 0 5 % 。 并 采 用 惰 性 气 体 保 护 浇 注 ， 防 止 钢 水 二 次 氧 化 ， 使 钢 中 氧 、 氢 含 量 分 别 低 于 2 0 × 1 0 、 2 ×
- 6
1 0 。
（ 3 ） 采 用 电 渣 重 熔 ， 进 一 步 降 低 钢 中 硫 含 量 （ ≤ 0 . 0 0 5 % ） ， 改 善 硫 化 物 夹 杂 形 态 ， 改 善 钢 锭 铸 态 结
构 ， 提 高 钢 的 韧 性 。 从 图 8 - 0 2 可 知 ， 若 使 炮 钢 中 的 含 硫 量 降 至 0 . 0 0 2 % ， 则 钢 的 低 温 冲 击 韧 性 显 著 增 大 。
电 渣 重 熔 的 炮 钢 既 具 有 良 好 的 综 合 性 能 ， 又 具 有 较 高 的 抗 疲 劳 裂 纹 扩 展 能 力 ， 延 长 了 火 炮 身 管 的 低 周 疲劳 寿 命 （ 图 8 - 0 3 、 图 8 - 0 4 ） 。
目 前 电 渣 重 熔 炮 钢 的 力 学 性 能 已 达 到 σ ＞ 1 3 0 0 M P a ， σ ＞ 1 5 5 0 M P a ， δ ≥ 1 0 % ， ψ ≥ 4 0 % ， - 4 0 ℃
0 . 2 b
1 / 2
C v ＞ 2 0 J ， - 2 0 ℃ K c ≥ 3 5 0 0 M P a m 。 因 此 ， 电 渣 重 熔 钢 仍 是 今 后 炮 钢 精 炼 的 主 要 生 产 技 术 。
1
（ 4 ） 控 制 锻 造 加 热 温 度 ， 以 免 电 渣 钢 过 热 、 过 烧 ， 控 制 锻 造 比 和 始 锻 与 终 锻 温 度 ， 提 高 锻 造 效 果 ，
保 证 细 小 而 均 匀 的 晶 粒 度 。
（ 5 ） 实 现 可 控 制 气 氛 热 处 理 ， 计 算 机 精 确 控 制 炉 温 及 均 匀 性 （ 尤 其 是 回 火 温 度 的 精 确 控 制 ） ， 实 施
深 冷 淬 火 ， 保 证 淬 火 均 匀 性 。
这 样 ， 通 过 对 炮 钢 生 产 各 个 环 节 的 严 格 控 制 ， 保 证 实 现 高 膛 压 火 炮 身 管 所 需 要 的 力 学 性 能 ， 同 时 又
保 证 该 力 学 性 能 沿 身 管 长 度 的 均 匀 分 布 。
图 8 - 0 3 熔 炼 工 艺 对 炮 钢 疲 劳 寿 命 的 影 响 图 8 - 0 4 熔 炼 工 艺 对 炮 钢 疲 劳 裂 纹 扩 展 速 度 的 影 响
8. 3.4 耐烧 蚀现 代火炮 身管 材料
火 炮 身 管 烧 蚀 是 由 于 发 射 弹 丸 引 起 的 热 、 机 械 、 化 学 等 诸 多 因 素 同 时 作 用 于 膛 面 所 产 生 的 一 种 使 膛
面 损 坏 的 十 分 复 杂 的 现 象 。 这 种 现 象 既 随 着 射 击 条 件 的 变 化 而 变 化 ， 又 沿 着 身 管 长 度 而 产 生 程 度 不 同 的
烧 蚀 。 火 炮 身 管 的 烧 蚀 使 得 火 炮 初 速 降 低 ， 射 程 减 小 ， 精 度 丧 失 ， 最 终 使 火 炮 的 威 力 下 降 。 当 出 现 初 速
下 降 过 大 ， （ 如 超 过 6 0 m / s 左 右 ） 或 弹 丸 摆 动 过 大 ， 身 管 就 报 废 ， 所 以 ， 提 高 火 炮 耐 烧 蚀 性 一 直 是 现 代 火
炮 材 料 研 究 的 重 要 课 题 。
长 期 以 来 ， 采 取 了 多 种 措 施 ， 试 图 解 决 身 管 烧 蚀 问 题 。 例 如 ， 使 用 聚 氨 酯 泡 沫 、 T i O 2 + 石 蜡 、 滑 石
粉 + 石 蜡 等 添 加 剂 ， 二 甲 醛 硅 酮 消 熔 剂 延 长 身 管 寿 命 。 但 是 ， 其 作 用 机 制 不 清 ， 效 果 又 随 身 管 结 构 、 弹
道 及 材 料 而 异 。 也 曾 经 研 制 低 爆 温 高 冲 量 的 发 射 药 ， 但 烧 蚀 仍 然 十 分 严 重 。 为 了 满 足 今 后 高 初 速 、 高 膛
压 、 高 射 速 的 先 进 火 炮 发 展 需 要 ， 必 须 采 用 熔 点 高 于 钢 的 耐 热 材 料 ， 制 造 身 管 镀 层 或 内 衬 ， 构 成 复 合 身
管 ， 以 进 一 步 解 决 向 管 的 烧 蚀 问 题 。 目 前 使 用 的 身 管 镀 层 材 料 是 铬 ， 今 后 潜 在 的 内 衬 材 料 是 钼 、 钽 、 钴 、
钨 及 陶 瓷 材 料 （ 如 S i C 、 S i N 及 玻 璃 陶 瓷 等 ） 。
3 4
8 . 3 . 4 . 1 耐 热 合 金 身 管 材 料
耐 热 合 金 身 管 材 料 技 术 包 括 向 管 内 膛 面 镀 铬 技 术 和 耐 热 合 金 管 衬 管 材 料 技 术 。
镀 铬 技 术 ： 镀 铬 是 目 前 大 口 径 火 炮 身 管 防 烧 蚀 的 普 遍 镀 层 材 料 。 但 是 ， 以 往 的 高 硬 度 （ 高 收 缩 ） 镀
铬 存 在 致 命 的 缺 点 ， 即 镀 复 后 ， 由 于 残 余 应 力 的 存 在 ， 导 致 产 生 大 量 微 裂 纹 ， 而 铬 层 本 身 的 抗 拉 强 度 和
剪 切 强 度 又 极 低 （ 如 表 8 - 0 4 所 示 ） 。 结 果 在 发 射 炮 弹 时 仅 5 0 ～ 1 0 0 发 即 因 热 与 机 械 疲 劳 而 在 膛 线 起 始 部
出 现 大 量 剥 落 。 低 收 缩 镀 铬 技 术 形 成 的 镀 铬 层 几 乎 没 有 微 裂 纹 ， 残 余 拉 伸 应 力 也 极 低 。 与 高 收 缩 镀 铬 相比 ， 抗 拉 强 度 略 高 ， 但 硬 度 却 要 低 一 些 。 1 2 . 7 m m 口 径 枪 管 射 击 试 验 表 明 ， 镀 层 抗 烧 蚀 性 能 良 好 ， 无 剥
落 现 象 。 总 之 ， 理 想 的 防 烧 蚀 镀 铬 层 应 是 具 有 最 小 的 残 余 拉 伸 应 力 ， 无 裂 纹 ， 良 好 的 抗 拉 强 度 及 剪 切 强
度 。
耐 热 合 金 身 管 衬 管 材 料 ： 大 口 径 火 炮 身 管 采 用 其 他 耐 热 合 金 镀 层 或 衬 管 尚 处 于 试 验 研 究 阶 段 。 从 以
往 的 研 究 试 验 资 料 看 ， 钽 合 金 镀 层 或 衬 管 是 具 有 较 佳 抗 烧 蚀 性 能 的 材 料 。 例 如 ， 美 M 2 4 A 1 航 炮 身 管 采
用 的 钢 衬 管 经 熔 盐 电 镀 钽 层 （ 1 2 7 μ m ） ， 在 射 击 1 1 0 0 发 后 钽 层 仍 呈 抛 光 状 表 面 无 裂 纹 ， 也 无 热 影 响 区 。
这 种 镀 钽 层 有 望 用 于 1 0 5 、 1 5 5 m m 身 管 。 又 如 3 7 m m 高 炮 的 抗 烧 蚀 性 能 试 验 表 明 ， 在 4 3 4 0 钢 上 溅 射 的
T a — 1 0 W 镀 层 在 1 0 0 0 ℃ 时 仍 有 良 好 的 热 硬 性 。 应 当 指 出 ， 为 了 获 得 良 好 的 镀 层 一 基 本 体 系 ， 也 在 研 究 各
种 新 型 镀 复 技 术 ， 如 离 子 镀 （ C r ） 、 物 理 气 相 沉 积 （ C r ） 、 化 学 气 相 沉 积 （ W ） 、 离 子 溅 射 （ M o ） 等 ， 钼
是 另 一 种 较 好 的 抗 烧 蚀 材 料 ， 正 在 研 究 采 用 非 晶 态 （ 快 速 凝 固 ） 钼 合 金 粉 末 经 热 等 静 压 制 造 枪 炮 管 内 衬 。
表 8 - 0 4 各 种 镀 铬 区 的 性 能 比 较
参 数 硬 铬 （ 高 收 缩 铬 层 ） 中 硬 度 铬 软 铬 （ 低 收 缩 铬 层 ）
镀 渡 温 度 ， ℃ 5 0 7 5 8 5
2
电 流 密 度 A / d m 2 0 6 0 8 0
努 氏 硬 度 室 温 9 2 0 6 8 5 5 5 0
6 0 0 ℃ 1 6 7 — 1 1 1
8 0 0 ℃ 7 0 — 4 8
塑 性 0 0 0
抗 拉 强 度 ， M P a 0 — 1 0 3 — 4 8 0
氧 化 物 含 量 ， % 0 . 4 0 0 . 1 2 0 . 0 5
加 热 时 线 收 缩 %
0 . 3 — —
～ 4 5 0 ℃
0 . 6 0 . 1 0 . 0 1
～ 1 2 0 0 ℃
※ 镀 浴 成 分 ： C r O 2 5 0 g / l ， H S O 2 . 5 G / l
3 2 4
8 . 3 . 4 . 2 陶 瓷 衬 管 材 料
现 代 火 炮 必 将 进 一 步 提 高 膛 压 、 初 速 。 由 此 ， 必 然 要 采 用 更 高 冲 量 （ F ） 的 发 射 药 。 根 据 公 式 （ 8 - 0 1 ）
可 知 ， 只 有 提 高 发 射 药 的 绝 热 等 温 爆 温 T 或 降 低 发 射 药 的 平 均 分 子 量 M ， 才 能 提 高 发 射 药 冲 量 F 。 计
f p
ω
算 表 明 ， 要 使 火 炮 的 初 速 达 到 ～ 3 0 0 0 m / s ， 则 身 管 必 须 能 承 受 9 8 0 M P a 压 力 和 3 5 0 0 ℃ 的 高 温 ， 因 此 ， T f
的 提 高 必 然 要 使 现 用 的 钢 管 或 耐 热 合 金 衬 管 烧 蚀 更 为 严 重 。
F = R T / M （ 8 - 0 1 ）
p f
ω
式 中 R — 气 体 常 数 ；
T — 发 射 药 的 绝 热 等 温 爆 温 ；
f
M — 发 射 药 的 平 均 分 子 量 。
ω
研 究 表 明 ， 高 烧 蚀 抗 力 的 火 炮 身 管 内 衬 材 料 应 具 备 表 8 - 0 5 所 列 的 性 能 。 陶 瓷 材 料 虽 然 其 断 裂 韧 性 （ 或
冲 击 韧 性 ） 及 制 造 加 工 性 能 不 完 全 令 人 满 意 ， 但 由 于 其 高 溶 点 、 高 的 热 机 械 性 能 和 高 的 抗 烧 蚀 能 力 而 被
认 为 是 今 后 先 进 火 炮 身 管 衬 管 （ 或 涂 层 ） 的 备 选 材 料 。
目 前 研 究 的 陶 瓷 管 材 料 有 A l O 、 Z r B 、 Y O 、 Z r O 、 S i C ， 碳 纤 维 增 强 铝 锂 硅 酸 盐 玻 璃 等 ， 部 分
2 3 2 2 3 2
研 究 试 验 情 况 如 表 8 - 0 6 所 示 。 这 些 研 究 采 用 的 口 径 大 多 数 是 小 口 径 ， 如 7 . 6 2 m m 、 1 2 . 7 m m 、 6 0 m m ，
但 应 该 看 到 它 们 的 研 究 成 果 在 大 口 径 火 炮 身 管 上 应 用 的 可 行 性 。 近 年 美 国 对 7 5 m m 先 进 高 速 炮 （ 壁 厚
2 5 m m ） 的 A l O 、 A I N 、 S i C 陶 瓷 内 衬 / 4 3 4 0 钢 外 套 的 预 研 分 析 表 明 ： ① 通 过 适 当 地 选 择 陶 瓷 材 料 和 设 计
2 3
身 管 结 构 可 以 基 本 上 解 决 身 管 烧 蚀 、 开 裂 问 题 。 身 管 的 复 合 结 构 可 以 是 “ 陶 瓷 / 陶 瓷 基 复 合 材 料 / 金 属 基
复 合 材 料 / 合 金 ” 组 成 。 第 一 层 是 化 学 稳 定 的 、 高 熔 点 的 ， 抗 内 膛 烧 蚀 。 第 二 层 是 弹 性 的 、 高 韧 性 的 ， 抗机 械 应 力 和 热 应 力 引 起 的 变 形 、 开 裂 。 第 三 层 金 属 基 复 合 材 料 是 强 韧 的 ， 起 限 定 内 衬 膨 胀 作 用 。 ② 为 限
制 由 热 梯 度 、 膛 压 引 起 的 拉 伸 应 力 ， 要 求 外 套 材 料 的 模 量 和 膨 胀 系 数 应 同 陶 瓷 材 料 相 匹 配 。 ③ 为 防 止 陶
瓷 内 衬 开 裂 和 外 套 变 形 ， 以 复 合 结 构 身 管 上 应 考 虑 冷 却 技 术 问 题 。
表 8 - 0 5 高 性 能 火 炮 身 管 衬 管 材 料 的 性 能 要 求
性 能 内 衬 镀 （ 涂 ） 层
熔 点 高 ， ＞ 1 5 0 0 ℃ 高 ， ＞ 1 5 0 0 ℃
高 温 屈 服 强 度 高 高
弹 性 模 量 应 与 外 套 匹 配 ， 相 同 或 略 低 应 与 底 材 匹 配 ， 相 同 或 略 低
断 裂 韧 性 ， 或 冲 出 韧 性 高 高
对 火 药 气 体 的 化 学 稳 定 性 高 高
热 膨 胀 系 数 应 与 外 套 匹 配 应 与 外 套 匹 配
导 热 系 数 低 低
比 热 低 低
与 弹 带 材 料 的 相 互 作 用 惰 性 惰 性
相 变 无 无
表 8 - 0 6 陶 瓷 身 管 研 究 情 况 举 例
口 径
材 料 试 验 情 况
（ m m ）
发 射 M 6 1 式 7 . 6 2 m m 穿 甲 弹 ， 射 1 0 0 发 无 损 ，
Z r B 钇 稳 定 Z r O
2 2
7 . 6 2 但 1 9 3 发 损 坏
T i C 内 衬 N i t i n o l 外 套 静 液 压 加 工 ， 周 向 压 缩 应 力 达 4 3 9 M P a
计 算 应 力 大 于 射 击 实 验 应 力 ， 施 加 残 余 周 向 应
1 2 . 5 A l O 高 强 钢 丝 （ 6 m m ）
2 3
力 ， 引 起 轴 向 拉 伸 破 坏
按 1 发 / 分 射 速 发 射 1 0 0 0 发 。 由 于 沉 淀 物 使 膛
α - S i C 内 衬 ， C r — M o — V 钢 径 减 小 ， 一 个 内 衬 在 3 7 5 发 后 周 向 开 裂 ， 距 尾
1 2 . 5 滑
套 ， 外 套 端 3 m m ， 另 一 个 内 衬 在 1 2 4 发 开 裂 。 但 衬 没 有
碳 纤 维 热 压 硅 酸 硼 玻 璃 损 坏 。
S i C 纤 维 硅 酸 铅 锂 玻 璃 发 射 1 0 发 后 衬 径 加 大 ， 但 不 坏 。
α - S i C 内 衬 一 个 内 衬 开 裂 。
1 2 . 5
部 分 稳 定 Z r O 膛 线 出 现 8 条 尖 形 角 槽 ， 深 0 . 0 7 6 m m 。
2
在 3 5 发 时 衬 管 明 显 地 呈 现 热 应 力 破 坏
6 0 A l O 计 算 机 应 力 分 析
2 3
外 层 钢 套 1 ～ 2 m m ， 陶 瓷 金 属 中 间 层 （ 0 . 2 5 ～
多 层 衬 管 0 . 5 m m ） ， 等 离 子 喷 涂 内 涂 层 （ A r 气 中 进 行 ，
密 度 9 7 % ）
内 衬 为 W C 、 T a C 高 温 陶 瓷 （ 5 ～ 2 0 μ m ） ， 外
层 为 N i A I M o 合 金 （ 2 9 . 5 ～ 1 9 m m ） ， 中 间 层 为
高 温 陶 瓷 — 耐 热 合 金
内 外 层 材 料 的 粉 末 状 混 合 物 制 成 （ 1 ～ 2 0 μ m ）
低 压 等 离 子 沉 积 。
内 衬 T a + 陶 瓷 粉 末 爆 炸 压 实 制 成 ， 第 二 层 为 粉
高 温 陶 瓷 — 金 属 基 复 合 材 料 末 金 属 + 陶 瓷 制 成 ， 第 三 层 由 钨 的 化 合 物 制 成 ，
第 四 层 纤 维 增 强 铜 基 复 合 材 料 组 成 ， 第 五 层（ 外 层 ） 为 3 5 N i C r M o V 铜 制
8. 3.5 电磁 炮材 料
目 前 通 过 对 常 规 动 力 火 炮 的 测 试 分 析 表 明 ， 炮 弹 初 速 已 接 近 物 理 和 技 术 极 限 ， 射 程 也 不 可 能 太 远 ，
其 原 因 为 火 药 燃 气 压 力 作 用 在 弹 丸 上 的 时 间 很 短 。
1 9 世 纪 ， 科 学 家 们 发 现 在 磁 场 中 带 电 粒 子 或 载 流 导 体 会 受 到 “ 洛 仑 兹 力 ” 的 作 用 ， 后 来 ， 科 学 家 们 提 出
了 利 用 “ 洛 仑 兹 力 ” 发 射 炮 弹 的 设 想 。 电 磁 炮 就 是 一 种 利 用 “ 洛 仑 兹 力 ” ， 通 过 加 速 器 将 电 磁 能 转 变 成 弹
丸 的 动 能 ， 将 弹 丸 高 速 发 射 出 去 的 电 磁 发 射 装 置 。
第 二 次 世 界 大 战 中 ， 德 国 曾 秘 密 地 进 行 电 磁 炮 研 制 。 二 战 后 ， 美 国 也 对 电 磁 炮 进 行 了 系 统 研 究 ， 但
由 于 当 时 缺 乏 理 想 的 动 力 设 备 ， 以 及 受 技 术 条 件 的 限 制 ， 因 而 在 相 当 长 的 时 间 内 ， 电 磁 炮 的 研 究 工 作 进
展 缓 慢 ， 直 至 1 9 7 8 年 ， 电 磁 炮 的 研 究 才 出 现 了 转 机 。
电 磁 炮 一 改 传 统 的 火 药 发 射 而 利 用 电 能 发 射 炮 弹 ， 靠 直 接 撞 击 的 动 能 毁 伤 目 标 ， 与 传 统 火 炮 相 比 ，
其 具 有 许 多 优 点 ： ① 弹 丸 初 速 高 ； ② 弹 丸 在 加 速 过 程 中 受 到 的 推 力 是 均 匀 的 ， 因 而 提 高 了 弹 丸 的 稳 定 性 ；
③ 电 磁 炮 发 射 时 没 有 冲 击 波 、 火 焰 、 硝 烟 和 巨 大 的 声 响 ， 不 产 生 有 害 气 体 ， 射 击 隐 蔽 性 好 ； ④ 弹 丸 和 轨
道 形 状 不 受 限 制 ； ⑤ 通 过 调 节 发 射 能 量 ， 改 变 弹 丸 的 射 程 ； ⑥ 弹 丸 尺 寸 和 质 量 较 小 ， 装 弹 容 易 ， 且 发 射
后 不 必 退 弹 等 。
美 国 目 前 正 在 研 制 7 . 5 米 长 的 电 磁 炮 ， 可 装 在 飞 机 上 作 为 航 炮 ， 也 作 为 地 面 防 空 武 器 ， 美 国 海 军 还
想 把 电 磁 炮 装 在 大 型 水 面 舰 艇 上 ， 以 代 替 现 在 的 密 集 阵 火 炮 ， 在 远 距 离 拦 截 反 舰 导 弹 或 带 核 弹 头 的 其 他
反 舰 武 器 。 如 果 将 电 磁 炮 装 在 空 间 平 台 或 地 面 上 ， 也 可 拦 截 弹 道 导 弹 。
虽 然 电 磁 炮 是 探 索 发 展 中 的 新 概 念 兵 器 ， 但 是 要 真 正 付 诸 实 用 ， 将 涉 及 到 许 多 至 关 重 要 的 材 料 问 题 。
例 如 ， 需 要 解 决 抗 强 电 弧 腐 蚀 的 导 轴 、 电 枢 和 电 极 材 料 及 射 弹 材 料 等 等 ， 如 金 属 导 轨 由 于 高 温 等 离 子 体
冲 刷 会 引 起 损 坏 ， 当 等 离 子 注 入 时 如 果 采 用 隔 开 金 属 导 轨 的 绝 缘 材 料 ， 将 使 导 轨 的 绝 缘 性 降 低 ； 如 果 导
轨 和 绝 缘 材 料 用 低 熔 点 材 料 制 造 ， 则 它 们 的 机 械 强 度 又 不 足 。 因 此 ， 解 决 能 经 受 高 电 流 密 度 和 等 离 子 侵
蚀 的 材 料 技 术 是 电 磁 炮 发 展 的 重 要 问 题 。
目 前 电 磁 炮 炮 管 多 为 陶 瓷 和 纤 维 复 合 材 料 制 造 。 澳 大 利 业 的 E R G S - 1 电 磁 炮 （ 能 量 在 2 0 0 ～ 5 0 0 k J ）
是 圆 柱 体 导 轨 结 构 ， 采 用 一 对 铜 镉 导 轨 ， 以 矾 土 陶 瓷 支 撑 ， 并 用 两 块 以 上 的 矾 土 陶 瓷 将 导 轨 隔 开 。 整 个
组 件 用 硅 石 增 强 的 环 氧 树 酯 密 封 。 炮 管 用 芳 纶 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 复 合 材 料 制 成 。 澳 大 利 亚 的 E R G S - 2 电
磁 炮 （ 能 量 大 于 5 0 0 k J ） ， 在 导 轨 的 内 膛 周 围 装 有 矾 土 陶 瓷 ， 电 绝 缘 性 能 和 抗 等 离 子 高 温 性 能 很 好 。 陶 瓷
块 内 的 张 应 力 由 于 陶 瓷 以 一 定 角 度 安 置 ， 便 于 释 放 ， 同 时 炮 管 又 缠 绕 芳 纶 纤 维 增 强 的 环 氧 树 酯 复 合 材 料 ，
有 利 于 约 束 张 应 力 。 美 国 的 利 弗 莫 尔 轨 道 炮 采 用 高 导 无 氧 铜 制 导 轨 ， 绝 缘 材 料 为 熔 凝 硅 石 / 环 氧 树 脂 材 料 。
8. 3.6 复合 材料 身管
美 国 陆 军 材 料 技 术 实 验 室 早 在 8 0 年 代 就 开 始 研 究 用 金 属 基 复 合 材 料 减 轻 火 炮 重 量 的 可 行 性 。 美 国 陆
军 的 重 型 火 炮 ， 例 如 M 1 9 8 型 1 5 5 m m 牵 引 榴 弹 炮 ， 重 量 高 达 7 . 2 吨 ， 这 种 火 炮 ， 难 于 迅 速 空 运 到 作 战 地
点 ， 必 须 大 大 减 轻 重 量 ， 才 有 希 望 适 应 陆 军 作 战 要 求 。 美 国 的 橡 树 岭 国 家 实 验 室 （ O R N L ） , 贝 尼 特 武 器
实 验 室 等 单 位 也 进 行 了 这 方 面 的 研 究 工 作 。
在 牵 引 火 炮 中 减 轻 其 部 件 重 量 ， 对 火 炮 的 发 射 稳 定 性 有 很 大 影 响 。 研 究 项 目 在 考 虑 火 炮 零 部 件 减 重 时 ，
进 行 了 慎 重 考 虑 ： 如 果 减 少 后 座 部 件 的 重 量 ， 就 会 减 低 火 炮 的 稳 定 性 ， 因 此 ， 只 能 考 虑 减 轻 M 1 9 8 火 炮
支 撑 件 的 重 量 ， 以 免 影 响 火 炮 射 击 精 度 。
金 属 机 复 合 材 料 在 火 炮 上 的 应 用 研 究 选 择 了 下 架 部 件 。 原 来 的 M 1 9 8 火 炮 下 架 部 件 用 钢 制 造 ， 其 重 量
高 达 6 8 1 公 斤 （ k g ） ， 而 用 粒 子 增 强 铝 基 复 合 材 料 制 造 的 下 架 ， 重 量 只 有 2 7 9 k g ， 可 见 重 量 大 大 下 降 。 其
主 要 原 因 是 粒 子 增 强 铝 基 复 合 材 料 具 有 较 高 的 刚 性 ／ 重 量 比 值 。
粒 子 增 强 金 属 基 复 合 材 料 的 缺 点 是 动 态 韧 性 低 ， 为 了 更 好 地 应 用 ， 需 要 提 高 金 属 基 复 合 材 料 的 韧 性 。
这 一 需 求 的 出 现 促 进 了 新 材 料 的 研 究 。 最 近 ， 研 制 的 新 材 料 延 伸 率 大 大 提 高 ， 达 到 5 . 5 ％ 。 通 过 韧 化 粒 子来 增 强 复 合 材 料 的 新 方 法 ， 有 可 能 明 显 提 高 金 属 基 复 合 材 料 的 动 态 断 裂 韧 性 ， 并 有 可 能 使 材 料 的 冲 击 韧
性 相 当 于 铝 合 金 。
目 前 ， 玻 璃 纤 维 碳 纤 维 和 芳 纶 纤 维 增 强 的 复 合 材 料 被 认 为 是 2 1 世 纪 火 炮 的 重 要 材 料 。 由 于 该 材 料 可
以 较 大 地 减 轻 火 炮 身 管 质 量 ， 现 正 在 研 究 用 该 材 料 来 制 造 大 口 径 火 炮 身 管 ， 如 1 2 0 m m 迫 击 炮 ， 大 口 径 坦
克 炮 身 管 等 ， 而 美 M 6 8 式 1 0 5 m m 火 炮 的 复 合 身 管 采 用 的 材 料 则 是 聚 酰 亚 胺 — 硅 复 合 材 料 ， 可 减 火 炮 重 量
6 0 % 。
炮 口 制 退 器 采 用 复 合 材 料 （ 如 A l 或 G r 塑 料 、 G r / 环 氧 或 钛 基 复 合 材 料 ） 能 改 善 炮 口 风 的 影 响 ， 提 高
射 击 精 度 。
金 属 基 复 合 材 料 制 得 复 合 炮 管 结 构 （ 见 图 8 - 0 5 ） ， 能 改 善 身 管 因 射 击 引 起 的 振 动 ， 改 善 阻 尼 性 能 ，
提 高 射 击 精 度 。
炮 管 热 护 套 最 早 用 于 坦 克 炮 上 ， 它 由 石 棉 + 定 气 室 ， A l / 玻 璃 纤 维 、 A l - S 玻 纤 / 环 氧 、 S 玻 纤 / 环 氧 多
种 结 构 构 成 ， 由 于 可 防 止 和 修 正 身 管 因 大 气 环 境 和 射 击 加 热 的 温 差 所 引 起 的 弯 曲 变 形 ， 因 而 可 极 大 提 高
首 发 命 中 率 。
图 8 - 0 5 金 属 基 复 合 材 料 炮 管 结 构 示 意 图
8 . 4 新 型 装 甲 材 料
作 为 未 来 地 面 战 争 主 要 突 击 力 量 的 坦 克 ， 处 于 空 - 地 一 体 的 战 场 之 中 ， 将 受 到 来 自 天 地 各 方 各 种 各
样 武 器 的 立 体 威 胁 ， 使 坦 克 各 部 位 甚 至 内 部 遭 受 多 维 攻 击 。 这 种 空 地 、 远 近 、 内 外 结 合 的 攻 击 致 使 装 甲
防 护 也 必 须 以 高 新 技 术 为 基 础 ， 构 成 装 甲 综 合 防 护 系 统 ， 实 现 多 方 位 的 全 面 防 护 ， 以 空 间 防 护 概 念 取 代
传 统 的 平 面 防 护 概 念 ， 提 高 坦 克 的 生 存 能 力 ， 这 是 坦 克 装 甲 防 护 技 术 发 展 趋 势 的 必 然 。
未 来 的 装 甲 综 合 防 护 系 统 将 是 由 材 料 科 学 — 力 学 — 光 电 子 学 等 多 种 学 科 的 高 新 技 术 集 合 而 成 的 综
合 体 系 。 它 将 利 用 这 些 学 科 领 域 内 的 新 原 理 、 新 概 念 、 新 材 料 、 新 技 术 实 现 坦 克 整 体 空 间 防 护 。 这 种 整
体 空 间 防 护 由 一 个 多 层 次 的 防 护 “ 空 间 ” 组 成 ， 与 以 往 坦 克 采 用 的 传 统 的 单 一 平 面 装 甲 防 护 形 式 截 然 不
同 ， 其 包 括 主 动 — 被 动 防 护 、 局 部 — 整 体 防 护 、 间 接 — 直 接 防 护 等 综 合 防 护 体 系 ， 从 而 达 到 坦 克 在 战 场
上 不 易 被 发 现 ， 发 现 了 不 易 被 击 中 ， 击 中 了 不 易 被 击 穿 ， 击 穿 了 不 易 被 击 毁 的 效 果 。 这 种 综 合 防 护 系 统
大 致 包 括 下 述 内 容 ： ① 装 甲 超 前 防 护 技 术 ， 包 括 出 击 或 主 动 装 甲 及 其 他 主 动 防 护 技 术 等 ； ② 隐 形 防 护 技
术 ， 包 括 隐 身 材 料 和 技 术 以 及 构 形 防 护 技 术 等 ； ③ 装 甲 防 护 技 术 ， 包 括 间 隙 复 合 装 甲 、 底 装 甲 、 顶 装 甲
等 ； ④ 里 装 甲 防 护 技 术 ， 包 括 多 功 能 防 护 衬 层 ， 间 隔 防 护 技 术 ， 透 明 装 甲 ， 防 二 次 效 应 的 特 种 防 护 技 术
等 。
自 7 0 年 代 以 来 ， 在 总 结 多 次 战 争 的 基 础 上 ， 尤 其 是 中 东 战 争 、 海 湾 战 争 的 经 验 与 教 训 ， 世 界 各 国
在 第 三 代 和 第 四 代 坦 克 的 设 计 中 ， 普 遍 提 高 了 装 甲 防 护 在 坦 克 三 大 要 素 （ 火 力 、 防 护 、 机 动 ） 中 的 地 位 ，
采 取 了 多 种 措 施 显 著 地 提 高 了 坦 克 装 甲 防 护 能 力 。
坦 克 装 甲 车 辆 自 问 世 以 来 就 以 钢 铁 等 金 属 材 料 来 制 造 ， 至 今 一 辆 坦 克 的 装 甲 钢 用 量 尚 占 其 总 重 的
4 0 ～ 5 0 ％ 。 虽 然 装 甲 钢 仍 是 制 造 坦 克 车 辆 的 主 体 材 料 ， 但 是 为 了 提 高 坦 克 车 辆 的 装 甲 防 护 能 力 ， 随 着 各
种 复 合 装 甲 在 坦 克 车 辆 上 的 普 遍 采 用 ， 各 种 轻 合 金 、 非 金 属 材 料 、 先 进 的 复 合 材 料 、 陶 瓷 材 料 大 量 地 采
用 ， 从 而 使 新 一 代 主 战 坦 克 、 装 甲 车 辆 进 入 了 “ 全 新 材 料 时 代 ” 。8.4. 1 薄、 硬、 纯 金属 材料
金 属 装 甲 材 料 技 术 是 指 研 究 由 金 属 元 素 组 成 的 、 具 有 一 定 晶 体 结 构 和 微 观 结 构 的 、 能 满 足 装 甲 特 定
应 用 需 求 的 一 类 材 料 的 制 造 、 性 能 、 防 护 等 的 技 术 。 金 属 材 料 主 要 包 括 装 甲 钢 、 铝 合 金 、 钛 合 金 等 几 种 。
装 甲 钢 具 有 高 硬 度 、 高 强 度 、 成 本 低 等 优 点 。 因 此 装 甲 钢 多 年 来 已 广 泛 应 用 于 坦 克 等 装 甲 车 辆 。
但 随 着 坦 克 复 合 装 甲 的 发 展 ， 钢 材 已 从 传 统 装 甲 钢 向 超 高 硬 度 装 甲 钢 方 向 发 展 ， 这 种 钢 材 也 代 表 了 目 前
装 甲 钢 的 主 要 研 究 方 向 。
铝 合 金 具 有 比 重 低 、 重 量 轻 、 强 度 高 、 耐 腐 蚀 性 能 好 等 优 点 ， 可 防 小 口 径 弹 和 破 片 弹 ， 是 轻 型
装 甲 车 辆 的 主 要 结 构 材 料 。 目 前 研 究 应 用 的 铝 合 金 主 要 有 7 0 0 0 系 列 、 5 0 0 0 系 列 和 2 0 0 0 系 列 等 。
钛 合 金 因 其 具 有 比 强 度 高 ， 耐 腐 蚀 性 能 好 ， 质 量 比 钢 轻 5 0 % ， 而 强 度 、 韧 性 与 钢 相 同 等 突 出 优
点 而 成 为 优 良 的 装 甲 候 选 材 料 。 近 年 来 ， 西 方 国 家 虽 然 对 该 材 料 在 常 规 兵 器 中 的 应 用 开 展 了 不 少 的 研 究 ，
但 由 于 其 价 格 较 高 实 际 使 用 的 却 不 多 。 因 而 研 制 和 发 展 低 成 本 钛 合 金 成 为 目 前 金 属 装 甲 材 料 研 究 的 重 点 。
8 . 4 . 1 . 1 超 高 硬 度 装 甲 钢
国 外 对 这 类 装 甲 钢 的 研 究 主 要 有 三 个 方 面 ： 一 是 开 发 新 型 超 高 硬 度 装 甲 钢 ； 二 是 研 究 在 高 或 超
高 硬 度 状 态 下 装 甲 钢 的 抗 弹 性 能 和 侵 彻 行 为 ； 三 是 研 究 高 硬 度 装 甲 钢 焊 接 技 术 。
( 1 ) 超 高 硬 度 装 甲 钢
统 计 表 明 ， 一 辆 采 用 复 合 装 甲 的 坦 克 中 ， 装 甲 钢 的 重 量 约 占 整 个 复 合 装 甲 的 6 0 ～ 8 0 ％ ； 其 空 间 约 占
复 合 甲 板 的 3 5 ～ 5 0 ％ 。 可 见 ， 装 甲 钢 是 复 合 装 甲 的 基 本 材 料 。 为 了 便 于 设 计 薄 板 结 构 ， 发 挥 强 度 效 应 ，
复 合 装 甲 用 的 装 甲 钢 从 7 0 年 代 主 战 坦 克 使 用 的 中 硬 度 厚 装 甲 钢 板 向 薄 、 硬 、 纯 装 甲 钢 方 向 发 展 。 实 际 上 ，
8 0 年 代 主 战 坦 克 的 首 面 装 甲 已 经 反 映 了 这 一 发 展 倾 向 ， 例 如 ， 美 国 M 6 0 坦 克 的 首 面 装 甲 为 1 1 0 m m 厚 ， 而
M 1 的 则 为 6 0 m m 厚 。 德 国 豹 式 坦 克 的 也 从 厚 度 7 0 m m 厚 减 为 4 0 m m 厚 。 现 在 ， 甚 至 有 人 认 为 最 大 厚 度 不 宜 超
过 5 0 m m 。
多 年 来 ， 美 国 、 瑞 典 、 法 国 及 德 国 开 发 了 各 自 应 用 的 超 高 硬 度 装 甲 钢 。 例 如 ， 美 国 、 瑞 典 研 制 的
M I L - A - 4 6 1 0 0 、 “ A r m o r 6 0 0 s ” 、 “ H H S ” 等 超 高 硬 度 装 甲 钢 ， 其 硬 度 分 别 为 H B 5 1 2 、 H B 5 5 0 ～ 6 0 0 及 H B 6 2 0 。
德 国 的 X M 1 2 9 系 列 装 甲 钢 ， 硬 度 为 H B 4 5 0 ～ 5 3 0 。 法 国 的 M R S 系 列 装 甲 钢 M R S 3 0 0 ， H B 5 7 8 ～ 6 3 0 。 总
的 说 来 ， 这 类 钢 的 总 体 特 点 是 ， ① 以 中 簿 板 为 主 。 ② 合 金 元 素 是 多 元 少 量 ， 总 量 低 。 ③ 工 艺 性 能 较 好 ，
主 要 采 用 钢 包 精 炼 。 ④ 磷 （ P ） 、 硫 （ S ） 杂 质 含 量 较 少 ， 纯 度 高 。 因 此 ， 这 类 钢 的 强 韧 性 好 ， 抗 弹 性 好 。
( 2 ) 超 高 硬 度 装 甲 钢 的 侵 彻 行 为
对 侵 彻 机 理 的 研 究 表 明 ， 在 侵 彻 过 程 中 ， 装 甲 钢 抗 侵 彻 的 主 导 控 制 因 素 是 靶 板 的 抗 拉 强 度 ， 在 弹 芯
式 射 流 侵 彻 的 中 后 期 尤 其 如 此 。 通 常 以 σ = 1 0 0 0 M P a 为 参 考 值 ， 取 防 护 系 数 W = 1 ， 则 得 公 式 ( 8 - 0 2 ) 。
b s
- 4
W = 6 . 5 9 1 + 3 . 9 8 4 × 1 0 σ （ 8 - 0 2 ）
b
s
由 式 ( 8 - 0 2 ) 可 见 ， 靶 板 强 度 越 高 ， 强 度 增 加 防 护 力 的 效 果 越 明 显 。 装 甲 钢 的 硬 度 与 强 度 间 有 较 为 严
格 的 对 应 关 系 ， 因 此 高 硬 度 就 意 味 着 高 强 度 。
美 国 、 瑞 典 对 硬 度 H B 6 0 0 、 7 5 0 的 均 质 装 甲 钢 侵 彻 过 程 的 研 究 ， 说 明 了 超 高 硬 度 钢 在 高 速 或 超 高 速 冲
击 条 件 下 硬 度 、 侵 彻 速 率 、 冲 击 速 度 、 相 对 侵 彻 深 度 及 防 护 系 数 等 之 间 的 关 系 。
瑞 典 以 长 细 比 L / D = 1 5 的 钨 合 金 弹 芯 侵 彻 S S 2 5 4 1 均 质 装 甲 钢 的 试 验 结 果 表 明 ， 钢 的 硬 度 增 大 ， 弹
的 侵 彻 深 度 减 小 。 同 样 提 高 弹 的 速 度 ， 相 同 硬 度 钢 板 上 的 侵 彻 深 度 增 大 ， 但 均 呈 非 线 性 关 系 。 硬 度 增 大
同 时 也 影 响 到 弹 在 钢 靶 上 的 开 坑 形 态 。 从 低 硬 度 到 高 硬 度 ， 钢 的 开 坑 变 形 机 制 从 纯 塑 性 变 形 转 变 为 不 连
续 行 为 。 弹 速 越 高 ， 钢 越 脆 化 。美 国 使 用 长 细 比 L / D = 5 、 1 0 、 2 0 的 X 2 1 C 钨 合 金 弹 芯 侵 彻 美 国 金 相 组 织 ( A I S I ) 1 1 2 0 、 均 质 装 甲 钢
( R H A ) 及 “ A r m o x ” 6 0 0 不 同 硬 度 钢 的 试 验 结 果 表 明 ， 随 着 钢 的 硬 度 增 大 ， 弹 的 侵 彻 深 度 P / L 在 下 降 ， 但 P / L
的 减 小 程 度 却 是 随 着 硬 度 增 大 而 减 小 。
美 国 的 进 一 步 研 究 指 出 ， 在 低 速 区 ， 随 着 弹 的 速 度 增 大 ， 装 甲 钢 的 质 量 防 护 系 数 在 减 小 。 增 大
硬 度 的 作 用 仅 是 延 缓 质 量 系 数 的 减 小 。 当 在 高 速 区 时 ， 质 量 系 数 大 致 趋 于 1 。
侵 彻 深 度 与 硬 度 的 关 系 ， 美 国 研 究 认 为 ， 装 甲 钢 的 硬 度 增 大 ， 不 仅 减 小 相 对 侵 彻 深 度 ， 而 且 产
生 有 效 侵 彻 所 需 的 速 度 也 增 大 。 高 密 度 长 杆 弹 芯 侵 彻 钢 靶 获 得 的 最 大 侵 彻 深 度 所 需 的 最 佳 速 度 随 着 硬 度
的 提 高 在 增 加 ， 在 高 硬 度 区 （ H B 6 0 0 ～ 7 5 0 ） 约 为 2 ～ 3 公 里 / 秒 ( k m / s ) 。
对 装 甲 钢 崩 落 行 为 的 分 析 表 明 ， 装 甲 钢 的 崩 落 出 现 在 大 量 的 高 密 度 的 、 孤 立 分 布 的 孔 洞 、 疏 松 和 夹
杂 处 。 因 此 ， 崩 落 主 要 因 钢 中 不 纯 、 钢 质 不 高 所 致 。 钢 中 夹 杂 间 距 、 带 状 组 织 及 流 变 应 力 均 与 钢 的 抗 崩
落 性 能 密 切 相 关 。 当 钢 中 夹 杂 间 距 控 制 在 4 0 ～ 5 0 μ m 时 ， 将 会 大 大 减 轻 由 应 力 波 引 起 的 破 裂 ， 可 较 大
提 高 钢 的 抗 崩 落 能 力 。 所 以 ， 提 高 钢 的 韧 性 是 很 重 要 的 。 这 就 需 要 从 生 产 上 采 用 各 种 高 新 技 术 和 先 进 设
备 ， 提 高 钢 质 水 平 ， 获 得 纯 净 钢 以 达 到 这 一 目 的 。
一 些 国 家 典 型 的 装 甲 钢 性 能 如 表 8 - 0 7 所 示 。 装 甲 钢 的 典 型 生 产 工 艺 是 电 炉 + 真 空 除 气 或 氧 气 顶 吹 转
炉 、 钢 包 精 炼 脱 硫 磷 及 合 金 化 — 吹 氩 处 理 ， 这 样 使 硫 、 磷 量 降 至 0 . 0 1 0 ％ 以 下 。 有 的 国 家 则 采 用 电 渣 重
溶 精 炼 装 甲 钢 ， 其 目 的 主 要 是 提 高 钢 的 纯 净 度 。
( 3 ) 高 硬 度 装 甲 钢 焊 接 技 术
高 硬 度 装 甲 钢 硬 度 超 过 H B 3 6 0 时 ， 使 用 一 般 焊 接 技 术 难 于 焊 接 ， 用 奥 氏 体 焊 条 焊 接 所 得 到 的
焊 缝 强 度 低 于 基 体 金 属 。 为 提 高 装 甲 钢 焊 缝 强 度 ， 国 外 已 开 发 研 究 出 激 光 焊 接 高 硬 度 钢 装 甲 板 技 术 。 如
法 国 最 近 研 究 出 一 种 适 用 于 焊 接 高 硬 度 装 甲 钢 的 激 光 焊 接 技 术 。 与 一 般 焊 接 技 术 相 比 ， 该 技 术 明 显 改 善
了 装 甲 钢 的 可 焊 性 。 这 种 焊 接 新 技 术 ， 适 于 焊 接 任 何 形 状 的 高 硬 度 钢 装 甲 结 构 ， 焊 接 时 不 使 用 焊 条 ， 装
甲 焊 缝 强 度 与 基 体 金 属 相 同 ， 具 有 良 好 的 抗 弹 性 能 ， 能 焊 接 2 ～ 2 0 m m 厚 的 装 甲 钢 板 ， 并 通 过 计 算 机 辅
助 设 计 ， 可 使 装 甲 焊 接 技 术 实 现 自 动 化 。
此 外 ， 印 度 国 防 冶 金 研 究 试 验 室 和 澳 大 利 亚 航 空 研 究 试 验 室 也 研 究 了 焊 接 技 术 对 高 硬 度 装 甲 钢
焊 缝 性 能 的 影 响 。 研 究 结 果 表 明 ， 用 金 属 保 护 焊 焊 接 方 法 得 到 的 焊 缝 抗 弹 性 能 最 高 ， 用 空 心 焊 丝 电 弧 焊
方 法 焊 接 时 ， 其 焊 缝 抗 弹 性 能 最 差 。 采 用 铁 素 体 焊 条 焊 接 时 ， 在 焊 缝 的 热 影 响 区 内 发 现 了 裂 纹 ， 它 们 是
典 型 的 氢 诱 发 裂 纹 。 热 影 响 区 的 热 输 入 为 0 . 5 千 焦 耳 / 毫 米 ( k J / m m ) ， 预 热 温 度 ≤ 7 5 ℃ 。 在 热 输 入 不 变 的 情
况 下 ， 预 热 温 度 提 高 到 1 5 0 ℃ 时 没 有 产 生 裂 纹 。 当 热 输 入 提 高 到 1 . 2 k J / m m ， 甚 至 在 不 预 热 的 情 况 下 ， 也
没 有 发 现 裂 纹 。 在 使 用 奥 氏 体 焊 条 和 奥 氏 体 / 铁 素 体 焊 条 进 行 焊 接 时 ， 没 有 出 现 裂 纹 。 但 发 现 奥 氏 体 / 铁
素 体 焊 条 在 热 输 入 较 低 （ 如 0 . 5 k J / m m ） 的 情 况 下 有 产 生 裂 纹 的 可 能 性 。 当 热 输 入 升 高 到 1 . 2 K J / m m 时 则
不 会 出 现 裂 纹 。
8 . 4 . 1 . 2 高 强 韧 铝 合 金
目 前 国 外 研 究 应 用 的 高 强 韧 铝 合 金 主 要 有 7 0 3 9 、 5 0 8 3 、 2 5 1 9 及 铝 － 锂 合 金 等 。 其 中 7 0 3 9 铝 合
金 应 用 较 为 广 泛 。
国 外 研 究 的 7 0 3 9 高 强 铝 合 金 ， 在 与 标 准 钢 装 甲 具 有 相 同 防 护 力 的 条 件 下 ， 可 减 重 3 0 ％ 左 右 。
但 其 装 车 应 用 的 关 键 是 需 要 克 服 超 应 力 腐 蚀 性 能 较 差 的 缺 点 。 最 近 的 研 究 表 明 ， 适 当 调 整 化 学 成 分 ， 加
入 某 种 变 质 剂 同 时 采 用 合 理 的 热 处 理 工 艺 条 件 ， 能 使 其 满 足 使 用 要 求 。
5 0 8 3 铝 合 金 可 焊 性 好 ， 能 抵 御 超 应 力 腐 蚀 裂 纹 ， 但 其 强 度 和 抗 弹 性 能 不 及 7 0 3 9 铝 合 金 。 采 用
5 0 8 3 铝 合 金 制 造 装 甲 车 辆 ， 虽 可 避 免 超 应 力 腐 蚀 裂 纹 ， 但 需 增 重 2 5 ％ 才 能 达 到 原 定 的 防 弹 能 力 。
2 5 1 9 高 强 铝 合 金 是 美 国 近 期 研 制 的 新 型 抗 弹 铝 合 金 ， 它 具 有 7 0 3 9 铝 合 金 的 高 韧 性 、 高 强 度 和
优 于 5 0 3 8 铝 合 金 的 抗 超 应 力 腐 蚀 性 能 ， 且 抗 弹 性 能 与 7 0 3 9 高 强 铝 合 金 相 当 ， 人 们 对 它 寄 予 了 很 大 的 希望 ， 但 需 要 解 决 耐 腐 蚀 问 题 。
与 上 述 铝 合 金 相 比 ， A l - L i 合 金 具 有 更 好 的 比 强 度 、 比 刚 度 ， 然 而 较 高 的 价 格 是 大 量 应 用 的 最
大 障 碍 。 目 前 国 外 研 究 的 8 0 9 0 A l - L i 合 金 的 机 械 性 能 和 抗 弹 性 能 比 得 上 2 5 1 9 铝 合 金 ， 而 密 度 却 比 2 5 1 9
铝 合 金 低 约 8 ％ ， 国 外 研 究 的 W e l d a l i t e 0 4 9 A l - L i 合 金 的 密 度 与 2 5 1 9 铝 合 金 相 当 ， 其 屈 服 强 度 、 抗 拉 强
度 和 断 裂 韧 性 比 2 5 1 9 铝 合 金 高 2 5 ％ ， 是 一 种 很 有 发 展 前 途 的 优 良 装 甲 侯 选 材 料 。
8 . 4 . 1 . 3 低 成 本 钛 合 金
多 年 来 ， 钛 合 金 已 成 功 应 用 于 飞 机 制 造 。 但 其 较 高 的 成 本 阻 碍 了 钛 合 金 在 地 面 车 辆 中 的 应 用 。
近 年 ， 美 国 在 研 究 低 成 本 钛 合 金 及 钛 合 金 装 甲 抗 弹 性 能 方 面 有 较 大 进 展 。
据 1 9 9 7 年 资 料 报 道 ， 美 国 已 研 制 的 低 成 本 钛 合 金 的 机 械 性 能 和 抗 弹 性 能 等 于 或 超 过 传 统 军 用
钛 6 - 铝 4 - 矾 （ T i - 6 A l - 4 V ） 钛 合 金 的 相 应 值 ， 但 其 成 本 却 较 低 。 这 一 新 动 向 引 起 了 美 国 陆 军 、 甚 至 国 防
部 的 极 大 关 注 。
美 国 降 低 装 甲 钛 合 金 成 本 的 主 要 途 径 是 ， 用 便 宜 的 铁 元 素 代 替 昂 贵 的 钒 元 素 ， 适 当 提 高 间 隙 原
子 的 含 量 以 及 采 用 低 成 本 制 造 技 术 。 M 2 布 雷 德 利 步 兵 战 车 的 车 长 舱 盖 是 美 国 陆 军 首 次 使 用 低 成 本 钛 合
金 的 部 件 。 该 舱 盖 用 锻 造 T i - 6 A l - 4 V 钛 合 金 制 造 ， 其 钛 合 金 中 的 间 隙 氧 原 子 的 含 量 从 原 来 的 0 . 1 4 % 放 宽
到 0 . 2 0 % ， 其 重 量 比 原 来 的 锻 造 铝 合 金 舱 盖 轻 3 5 % ， 并 大 大 增 加 了 防 弹 能 力 。 M 2 布 雷 德 利 步 兵 战 车 和
扩 展 型 M 1 1 3 装 甲 人 员 运 输 车 采 用 钛 合 金 附 加 装 甲 可 提 高 抗 弹 性 能 。 美 国 陆 军 还 研 究 用 钛 合 金 制 造 M 1
艾 布 拉 姆 斯 主 战 坦 克 的 炮 塔 、 炮 塔 座 圈 、 车 长 舱 盖 、 炮 塔 排 气 板 、 核 生 化 武 器 对 抗 系 统 护 盖 、 射 手 主 瞄
准 具 罩 、 发 动 机 顶 盖 、 炮 塔 枢 轴 架 及 热 成 像 观 察 议 罩 等 部 件 。
最 近 ， 美 国 R o c k w e l l 国 际 公 司 也 研 制 了 一 种 低 成 本 钛 合 金 装 甲 。 该 装 甲 是 以 钛 合 金 为 主 体 ，
与 有 机 纤 维 材 料 如 凯 芙 拉 及 泡 沫 材 料 复 合 而 成 ， 特 点 是 重 量 轻 ， 强 度 高 ， 抗 弹 性 能 好 ， 可 用 作 飞 机 、 船
只 和 地 面 车 辆 等 的 防 护 装 甲 。
随 着 低 成 本 钛 合 金 的 问 世 ， 西 方 国 家 对 钛 合 金 原 装 甲 的 抗 弹 性 能 开 展 了 研 究 。 在 美 、 法 、 德 的
合 作 研 究 中 ， 美 国 采 用 L / D = 2 0 、 质 量 6 5 克 ( g ) 的 半 球 形 钨 合 金 弹 芯 和 纯 钨 弹 芯 以 及 L / D ＝ 1 0 的 铀 合 金 弹
芯 ， 法 德 采 用 L / D = 2 0 、 质 量 1 0 5 g 的 钨 合 金 弹 芯 分 别 侵 彻 T i - 6 A l - 4 V 靶 板 的 试 验 。 半 无 限 靶 侵 彻 试 验 结
果 表 明 ， L / D = 1 0 的 钨 合 金 弹 芯 以 0 ° 角 、 1 0 0 0 ～ 1 1 0 0 m / s 侵 彻 时 ， 钛 合 金 板 的 质 量 系 数 为 1 . 7 ～ 1 . 8 。 在 1 6 0 0 、
2 0 0 0 m / s 时 则 分 别 为 1 . 5 ～ 1 . 6 、 1 . 4 ～ 1 . 5 。 对 于 L / D = 1 3 的 钨 合 金 弹 芯 ， 质 量 系 数 为 1 . 6 5 ～ 1 . 7 8 。 极 限 侵
彻 速 度 试 验 表 明 ， 三 种 长 细 比 的 钨 弹 芯 以 0 ° 4 5 ° 、 6 0 ° 侵 彻 1 0 0 、 7 9 . 2 、 8 0 . 5 m m 厚 的 T i - 6 A l - 4 V 靶 板 ， 极
限 侵 彻 速 度 分 别 为 1 5 5 9 、 1 1 8 7 、 1 5 5 0 m / s ， 相 当 等 重 均 质 装 甲 钢 板 的 厚 度 分 别 是 8 4 . 5 、 8 6 . 1 、 1 3 3 . 4 m m 。
在 靶 板 破 坏 方 式 上 ， 钛 合 金 板 是 以 崩 落 形 式 破 坏 ， 而 均 质 装 甲 钢 是 冲 塞 形 式 破 坏
。
表 8 - 0 7 典 型 装 甲 钢 性 能 举 例
- 4 0 ℃ 钢 板 厚
国 别 牌 号 P % S % σ M P a H B
b
C ， J 度 m m
V
3 . 1 5 ～
瑞 典 A R M O X 3 7 0 S 0 . 0 1 6 0 . 0 0 8 1 2 0 0 ≥ 2 0 纵 2 2 ～ 8 0
3 . 2 5
1 1 5 0 ～ 3 . 0 0 ～
德 国 X M 1 2 9 N i l 0 . 0 0 8 0 . 0 0 4 ≥ 2 0 横 2 ～ 7 5
1 3 7 5 3 . 2 5
法 国 M A R S 1 9 0 0 . 0 1 0 0 . 0 0 5 — < 3 . 0 2 ～ 5 0 0
8 .4 .2 金属 基 复合 材料 装甲
轻 质 纤 维 增 强 复 合 材 料 是 防 御 中 、 小 口 径 穿 甲 弹 、 炮 弹 破 片 以 及 坦 克 车 辆 内 部 防 二 次 效 应 的 重 要 装
甲 材 料 （ 如 抗 崩 落 背 衬 、 防 辐 射 内 衬 、 隔 舱 板 、 防 弹 背 心 、 头 盔 等 等 ） ， 而 当 前 发 展 方 向 正 是 沿 着 高 级
复 合 材 料 逐 渐 取 代 钢 、 铝 装 甲 的 趋 势 发 展 。
美 国 M 2 步 兵 战 车 的 车 体 、 炮 塔 、 该 车 的 车 体 前 顶 部 、 底 甲 板 和 内 部 两 侧 装 甲 原 用 材 料 是5 0 8 3 A I - M g - S t 合 金 ， 两 侧 上 部 倾 斜 部 为 7 0 3 9 A I - Z n - M g 合 金 。 但 是 ， 现 在 使 用 E 玻 璃 纤 维 增 强 的 三 块 复
合 材 料 模 压 板 制 成 整 个 车 体 ， 这 些 模 压 块 是 由 预 浸 玻 璃 布 制 成 ， 含 玻 璃 纤 维 量 6 8 % （ 质 量 ） ， 层 数 为
2 1 ～ 6 9 层 ， 其 厚 度 按 防 弹 要 求 变 化 ； 炮 塔 正 面 原 是 钢 装 甲 、 两 侧 和 后 部 为 间 隙 复 合 装 甲 （ 即 两 层 各 厚
6 3 m m 的 高 硬 度 钢 板 和 层 厚 2 5 . 4 m m 的 铝 装 甲 背 板 组 成 ） ， 现 用 一 层 复 合 板 （ S 玻 纤 增 强 ） 取 代 原 来 的 9
块 铝 板 。 这 样 ， 全 车 重 量 大 为 减 轻 （ 约 减 轻 2 5 % ） ； 当 车 体 两 侧 附 加 上 T i B 2 陶 瓷 板 后 ， 防 弹 能 力 优 于
原 来 附 加 A l O 陶 瓷 时 的 性 能 ， 而 且 抗 爆 能 力 也 大 大 改 善 ， 减 少 了 装 甲 崩 落 。 更 为 突 出 的 是 减 少 了 热 传
2 3
导 ， 降 低 了 车 辆 热 信 号 ， 噪 声 也 降 低 5 ～ 1 0 d B ， 提 高 了 战 车 生 存 能 力 ， 同 时 使 用 复 合 材 料 也 简 化 了 制 造
工 艺 ， 降 低 成 本 约 2 0 % 。
瑞 典 国 防 研 究 院 早 在 1 9 9 4 年 就 研 究 了 铝 基 复 合 材 料 用 作 装 甲 的 可 行 性 。 研 究 所 用 的 铝 基 材 料 为
6 0 6 1 和 2 0 1 4 铝 合 金 ， 其 中 增 强 相 分 别 为 氧 化 铝 和 碳 化 硅 粒 子 。 研 究 结 果 表 明 ， 当 6 0 6 1 - T 6 中 强 度 铝 合
金 防 护 系 数 为 1 时 ， 用 1 5 % （ 体 积 ） 氧 化 铝 增 强 、 牌 号 为 D U R A L - 1 5 的 6 0 6 1 铝 合 金 ， 其 防 护 系 数 为 1 . 2 3 ；
用 3 0 % （ 体 积 ） 碳 化 硅 增 强 、 其 牌 号 为 D W A - 3 0 的 6 0 6 1 铝 合 金 ， 其 防 护 系 数 为 1 . 6 8 。 这 些 数 据 说 明 ，
铝 基 复 合 材 料 的 抗 弹 性 能 ， 高 于 未 增 强 的 6 0 6 1 - T 6 铝 合 金 ； 同 时 也 说 明 ， 中 等 强 度 6 0 6 1 - T 6 铝 合 金 用 陶
瓷 增 强 后 ， 其 抗 弹 性 能 比 得 上 高 强 度 7 0 7 5 - T 6 铝 合 金 （ 其 防 护 系 数 为 1 . 6 0 ） 。
当 2 0 1 4 - T 6 铝 合 金 的 防 护 系 数 为 1 . 5 6 时 ， 用 2 0 % （ 体 积 ） 碳 化 硅 增 强 的 2 0 1 4 铝 合 金 。 其 防 护
系 数 为 3 . 3 6 ， 可 以 看 出 ， 2 0 1 4 铝 合 金 用 碳 化 硅 增 强 后 ， 其 防 护 系 数 要 比 原 来 增 加 一 倍 以 上 。
弹 道 实 验 结 果 还 表 明 ， 装 甲 钢 抗 动 能 弹 和 空 心 装 药 弹 的 防 护 系 数 为 1 时 ， 用 氧 化 铝 粒 子 增 强 的
A 3 5 6 铝 合 金 ， 其 相 应 的 防 护 系 数 分 别 为 1 . 6 2 和 2 . 6 8 ； 用 碳 化 硅 增 强 的 2 0 1 4 铝 合 金 ， 其 相 应 的 防 护 系 数
分 别 为 1 . 7 5 和 3 . 0 9 ； 陶 瓷 参 考 靶 的 的 相 应 值 为 1 . 8 和 2 . 8 。 可 以 看 出 ， 上 述 铝 基 复 合 材 料 的 抗 弹 性 能 超
过 了 钢 ， 大 致 相 当 于 陶 瓷 材 料 。
此 外 ， 国 外 有 些 实 验 室 用 钨 合 金 弹 芯 对 金 属 基 复 合 材 料 进 行 了 动 态 侵 彻 实 验 ， 结 果 表 明 ， 在 低
速 撞 击 条 件 下 ， 材 料 表 现 出 脆 性 行 为 ， 类 似 于 陶 瓷 ， 在 碰 撞 表 面 形 成 裂 纹 ； 在 高 速 撞 击 条 件 下 ， 材 料 的
动 态 行 为 ， 类 似 于 未 增 强 的 金 属 材 料 。
此 外 ， 纤 维 增 强 复 合 材 料 板 还 作 为 车 体 内 衬 ， 挂 附 在 装 甲 板 背 面 ， 既 提 高 车 体 抗 弹 能 力 ， 同 时 又 可
防 崩 落 飞 出 ， 保 护 乘 员 和 设 备 。 如 美 M 1 1 3 装 甲 车 的 铝 合 金 装 甲 上 挂 附 了 芳 纶 K e v l a r 2 9 或 4 9 纤 维 增 强
复 合 板 ， 可 防 2 3 m m 、 3 0 m m 穿 甲 弹 （ 铀 芯 ） 侵 彻 。 另 外 ， 该 材 料 结 构 设 计 也 隔 绝 了 铝 合 金 装 甲 被 射 流
侵 彻 时 蒸 汽 效 应 产 生 的 毒 气 ， 避 免 了 对 乘 员 的 三 次 伤 害 效 应 ， 同 时 该 内 衬 材 料 还 具 有 防 电 子 幅 射 功 能 。
值 得 指 出 的 是 ， 轻 质 纤 维 增 强 复 合 材 料 以 多 种 形 式 组 合 ， 作 为 夹 层 材 料 用 于 坦 克 、 步 兵 战 车 的 间 隙
复 合 装 甲 （ 如 表 8 - 0 8 所 示 ） ， 利 用 其 密 度 效 应 、 强 度 效 应 、 能 量 吸 收 效 应 以 及 使 射 流 弯 曲 、 不 规 则 断
裂 失 稳 的 能 力 ， 显 著 地 提 高 了 复 合 装 甲 的 抗 弹 能 力 。
表 8 - 0 8 坦 克 和 装 甲 车 辆 复 合 装 甲 用 纤 维 增 强 复 合 材 料 夹 层 及 内 衬
序 号 类 型 复 合 装 甲 夹 层 及 内 衬 构 成 应 用
1 抗 弹 型 玻 璃 纤 维 布 - 酚 醛 树 脂 - 聚 烯 醇 缩 丁 醛 树 脂 T - 7 2 坦 克
2 抗 弹 型 玻 璃 纤 维 布 - 环 氧 树 脂 主 战 坦 克
3 抗 弹 型 多 向 排 列 玻 璃 毡 - 酚 醛 树 脂 主 战 坦 克
4 抗 弹 型 玻 璃 纤 维 布 - 环 氧 树 脂 - 酚 醛 树 脂 主 战 坦 克
5 抗 弹 型 凯 夫 拉 网 （ 与 贫 铀 元 件 复 合 ） M 1 A 1 坦 克
6 防 辐 射 型 短 玻 璃 纤 维 - 磷 苯 二 甲 聚 脂 树 脂 - 双 酚 基 聚 脂 树 脂 （ 含 铅 ） 衬
7 抗 崩 落 型 凯 夫 拉 2 9 / 4 9 - 酚 醛 树 脂 M 1 1 3 装 甲 车
研 究 表 明 ， 材 料 密 度 对 射 流 的 侵 彻 有 很 大 影 响 。 通 常 ， 低 密 度 材 料 比 高 密 度 材 料 具 有 更 高 的 抗 力 。
根 据 射 流 定 常 侵 彻 理 论 ， 非 金 属 材 料 抗 射 流 侵 彻 的 能 力 要 比 钢 高 ， 可 用 下 式 表 示 它 们 的 关 系 。
1 / 2 1 / 2
N = K （ρ ） / （ρ ） ( 8 - 0 3 )
金 非
式 中 ρ — — 材 料 密 度 ； K — — 系 数 ； N — — 倍 数 。 倘 若 用 质 量 有 效 系 数 评 定 材 料 抗 射 流 侵 彻 能 力 ， 则各 种 材 料 抗 破 甲 弹 的 质 量 有 效 系 数 见 表 8 - 0 9 。
表 8 - 0 9 各 种 材 料 抗 空 心 装 药 射 流 侵 彻 的 质 量 系 数 比 较
材 料 密 度 k g / m 质 量 系 数
3
均 质 装 甲 钢 7 8 3 0 1 . 0
电 渣 重 溶 装 甲 钢 7 7 5 0 1 . 4 1
5 0 8 3 铝 合 金 2 6 6 0 1 . 4 2
7 0 3 9 铝 合 金 2 7 8 0 1 . 7 2
2 0 2 4 铝 合 金 2 8 0 0 1 . 9 5
玻 璃 纤 维 增 强 复 合 板 1 5 0 0 2 . 1 3
玻 璃 2 4 5 0 2 . 3 2
A L O 陶 瓷 3 6 0 0 2 . 9 7
2 3
防 弹 用 的 轻 质 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料 有 玻 纤 增 强 、 尼 龙 增 强 、 芳 纶 增 强 及 纤 维 增 强 等 类 型 。 这 些
纤 维 织 物 在 遭 受 弹 丸 冲 击 时 的 性 能 如 图 8 - 0 6 和 图 8 - 0 7 所 示 ， 可 见 芳 纶 、 碳 纤 维 织 物 的 弹 性 性 能 明 显 优
于 玻 纤 、 尼 龙 纤 维 增 强 物 。
图 8 - 0 6 不 同 纤 维 织 物 遭 受 冲 4 0 0 m / s 速 度 图 8 - 0 7 不 同 纤 维 织 物 遭 受 弹 道 冲 击 后
冲 击 在 击 点 处 的 应 变 的 能 量 吸 收 相 对 比 较
应 当 指 出 ， 不 同 类 型 的 纤 维 、 纤 维 含 量 、 纤 维 表 面 处 理 技 术 、 纤 维 纺 织 方 式 ， 不 同 类 型 的 树 脂 、 树
脂 含 量 ， 不 同 的 复 合 技 术 （ 包 括 层 叠 数 量 、 叠 层 固 化 工 艺 ） 等 都 会 对 纤 维 复 合 材 料 的 抗 弹 能 力 产 生 影 响 。
就 纤 维 而 言 ， 现 在 除 了 单 一 纤 维 增 强 的 防 弹 复 合 材 料 外 ， 混 杂 纤 维 增 强 防 弹 复 合 材 料 也 正 在 进 行 应 用 研
究 。 这 是 由 于 采 用 混 杂 纤 维 ， 一 则 可 以 克 服 高 级 纤 维 价 格 昂 贵 问 题 ， 二 则 仍 能 获 取 良 好 的 综 合 抗 弹 性 能 。
在 纤 维 的 发 展 方 面 ， 继 续 研 究 更 高 强 度 的 纤 维 ， 如 第 二 代 芳 纶 纤 维 K e v l a r H t ， K e v l a r 1 2 9 。 又 如 一 种 超
高 分 子 量 聚 乙 烯 纤 维 S p e c e r a ， 其 比 强 度 、 比 模 量 均 高 于 芳 纶 纤 维 ， 但 延 伸 率 低 于 后 者 。 一 种 称 为 D y n e e m a
3
的 超 强 度 聚 乙 烯 纤 维 ， 密 度 为 0 . 9 7 / c m 。 其 与 芳 香 族 聚 酰 胺 纤 维 相 比 ， 若 吸 收 能 量 和 防 弹 能 力 指 数 前 者
为 1 0 0 的 话 ， 则 后 者 分 别 8 2 、 8 5 。 值 得 注 意 的 是 ， 利 用 生 物 技 术 研 制 蜘 蛛 丝 、 蚯 蚓 丝 的 性 能 。 这 类 丝
的 抗 拉 强 度 比 钢 还 高 ， 而 弹 性 却 比 羊 毛 还 要 大 ， 一 旦 能 够 解 决 人 工 制 造 这 类 丝 的 技 术 问 题 ， 则 它 们 可 望
成 为 复 合 装 甲 中 的 夹 层 增 强 材 料 。 金 属 纤 维 增 强 的 复 合 装 甲 也 正 在 研 究 ， 单 晶 钨 合 金 纤 维 先 经 强 电 场 处理 增 强 韧 性 ， 然 后 浸 渗 高 性 能 轻 合 金 制 成 纤 维 增 强 金 属 材 料 ， 再 将 这 种 材 料 的 薄 层 压 板 与 氧 化 铪 陶 瓷 板
复 合 制 成 装 甲 板 ， 据 称 其 抗 弹 能 力 为 钢 的 2 . 5 倍 。
8.4.3 防弹 陶瓷
从 工 程 材 料 上 讲 ， 将 阻 挡 弹 丸 、 弹 片 和 射 流 等 侵 彻 而 设 计 制 造 的 一 类 材 料 统 称 为 抗 弹 材 料 。 尽 管 该
材 料 具 有 良 好 的 承 力 性 能 ， 但 由 于 抗 弹 材 料 的 主 要 作 用 特 性 与 结 构 材 料 承 力 作 用 特 性 存 在 较 大 差 异 ， 因
此 常 把 抗 弹 材 料 划 分 至 功 能 材 料 的 范 畴 。 实 际 上 ， 基 于 组 织 结 构 精 细 控 制 并 设 计 得 当 的 抗 弹 材 料 具 备 承
力 （ 结 构 ） — — 抗 弹 （ 功 能 ） 双 重 特 性 ， 从 而 成 为 结 构 / 功 能 一 体 化 材 料 。
从 抗 弹 材 料 的 历 史 发 展 来 看 ， 以 传 统 的 金 属 材 料 （ 钢 、 铝 ） ， 到 现 在 先 进 的 陶 瓷 材 料 、 复 合 材 料 （ 聚
合 物 基 、 金 属 基 、 陶 瓷 基 ） ， 抗 弹 材 料 一 直 向 着 轻 质 、 高 效 的 方 向 发 展 。 据 报 道 ， 目 前 装 甲 钢 抗 穿 甲 防
护 系 数 达 1 . 6 ， 抗 破 甲 系 数 达 1 . 8 ； 树 脂 基 复 合 材 料 抗 穿 甲 系 数 达 2 . 5 ， 抗 破 甲 系 数 达 4 . 0 ； 抗 弹 陶 瓷 的 抗
穿 甲 系 数 达 3 . 0 ～ 3 . 5 ， 抗 破 甲 系 数 达 5 . 5 ～ 6 . 0 ， 由 此 看 出 在 抗 弹 材 料 构 成 中 ， 陶 瓷 材 料 以 其 低 密 度 、 高
硬 度 、 高 模 量 等 特 点 ， 在 高 速 冲 击 下 所 表 现 出 的 良 好 动 态 性 能 ， 在 提 高 装 甲 防 护 能 力 方 面 发 挥 着 越 来 越
重 要 的 作 用 ， 因 而 世 界 许 多 国 家 都 把 抗 弹 陶 瓷 材 料 作 为 一 项 尖 端 技 术 ， 加 以 广 泛 重 视 。
早 在 1 9 1 8 年 人 们 就 发 现 ， 在 金 属 表 面 覆 着 一 层 薄 而 硬 的 瓷 轴 面 ， 就 可 显 著 提 高 其 抗 弹 性 能 ； 1 9 6 2
年 ， G o o d y e a r 航 空 航 天 公 司 研 制 出 具 有 高 硬 度 表 面 材 料 的 复 合 装 甲 ， 美 国 人 首 先 将 A l O 陶 瓷 块 粘 到 相
2 3
对 薄 （ 约 6 m m ） 的 韧 性 铝 背 板 上 ， 用 7 . 6 2 m m 穿 甲 弹 射 击 这 种 靶 板 ， 同 时 还 借 助 于 高 速 摄 影 和 H E T P 有
限 差 分 析 计 算 程 序 对 弹 靶 作 用 过 程 进 行 模 拟 ， 对 陶 瓷 复 合 装 甲 抗 弹 机 理 进 行 了 深 入 的 研 究 ， 使 陶 瓷 复 合
装 甲 被 广 泛 用 于 防 弹 背 心 、 防 弹 衣 、 头 盔 、 轻 型 防 弹 板 。 随 着 现 代 反 坦 克 武 器 发 展 ， 陶 瓷 也 逐 渐 用 于 装
甲 车 辆 、 主 战 坦 克 ， 制 成 各 种 形 状 的 抗 弹 元 件 （ 如 球 状 、 曲 面 状 、 长 方 或 方 形 、 枣 形 等 ） ， 成 为 现 代 间
隙 复 合 装 甲 的 重 要 夹 层 材 料 。
随 后 ， 美 国 又 发 展 了 由 陶 瓷 面 板 与 先 进 复 合 材 料 背 板 组 成 的 抗 弹 陶 瓷 复 合 装 甲 ， 7 0 年 代 后 ， 美 国 等
西 方 军 事 大 国 已 将 各 种 抗 弹 陶 瓷 复 合 装 甲 广 泛 应 用 在 坦 克 、 装 甲 车 辆 （ 如 英 国 挑 战 者 坦 克 、 美 国 M 1 A 2
坦 克 等 ） 、 军 用 飞 机 （ 如 美 国 A — 4 攻 击 机 、 A H — 6 4 D 攻 击 型 武 装 直 升 机 、 U H — 6 0 、 R A H — 6 6 武 装 直 升
机 等 ） 等 武 器 装 备 上 。 从 各 种 抗 弹 陶 瓷 材 料 的 使 用 状 况 来 看 ， 特 种 抗 弹 陶 瓷 以 其 优 异 的 抗 弹 性 能 、 较 轻
的 质 量 及 相 对 便 宜 的 价 格 成 为 使 用 最 为 广 泛 的 抗 弹 材 料 。 目 前 ， 更 为 普 遍 的 是 将 陶 瓷 用 作 主 战 坦 克 间 隙
复 合 装 甲 的 夹 层 材 料 ， 这 是 因 为 陶 瓷 不 仅 能 消 耗 穿 甲 弹 动 能 ， 而 且 还 可 借 助 其 高 熔 点 的 特 性 来 制 成 各 种
曲 面 形 状 ， 以 分 散 破 甲 弹 的 熔 融 金 属 射 流 。
目 前 ， 国 内 外 主 要 使 用 的 特 种 抗 弹 陶 瓷 有 A l O 、 B C 、 S i C 、 T i B 、 A l N 、 S i N 、 S i a l o n 等 ， 其 中
2 3 4 2 3 4
B 4 C 陶 瓷 材 料 硬 度 最 高 ， 密 度 最 低 ， 一 向 被 认 为 是 较 理 想 的 装 甲 陶 瓷 ， 虽 然 其 价 格 昂 贵 ， 但 在 保 证 性 能
条 件 下 ， 对 于 以 减 重 为 首 要 前 提 的 装 甲 系 统 ， B C 仍 为 优 先 选 择 ； A l O 虽 抗 弹 能 力 略 低 ， 密 度 较 大 ，
4 2 3
但 是 因 其 具 有 良 好 的 烧 结 性 能 ， 工 艺 成 熟 ， 制 品 尺 寸 稳 定 ， 生 产 成 本 低 且 原 料 丰 富 等 优 点 ， 因 而 得 以 广
泛 应 用 ； 抗 弹 性 能 介 于 B C 和 A l O 之 间 的 是 S i C 陶 瓷 ， 该 陶 瓷 硬 度 、 弹 性 模 量 较 高 ， 密 度 居 中 ， 但 由
4 2 3
于 工 艺 技 术 不 完 善 ， 使 使 用 者 更 多 考 虑 的 是 前 两 种 ， 故 而 S i C 陶 瓷 的 发 展 受 到 限 制 ； T i B 的 硬 度 和 弹 性
2
模 量 较 高 ， 但 其 密 度 亦 较 高 ， 故 该 陶 瓷 被 重 型 装 甲 所 采 用 ， 可 用 于 防 大 口 径 弹 如 反 坦 克 弹 的 侵 彻 ； 对 于
A I N 、 S i N 、 S i a l o n 等 陶 瓷 材 料 ， 其 抗 弹 性 能 也 曾 被 研 究 过 。
3 4
陶 瓷 之 所 以 成 为 现 代 复 合 装 甲 重 要 材 料 的 原 因 在 于 现 代 坦 克 需 要 轻 质 防 弹 材 料 ， 在 增 重 不 大 或 不 增
重 的 条 件 下 ， 大 幅 度 地 提 高 防 弹 能 力 。 从 表 8 - 1 0 可 知 ， 轻 质 量 陶 瓷 A l O 、 B C 抗 7 . 6 2 穿 甲 弹 的 质 量 有
2 3
效 系 数 明 显 地 高 于 钢 装 甲 ， 同 时 采 用 轻 质 量 陶 瓷 又 有 利 于 增 大 装 甲 板 厚 度 ， 并 利 用 厚 度 效 应 ， 提 高 抗 弹
能 力 ， 而 且 轻 质 量 陶 瓷 的 密 度 效 应 、 吸 能 效 应 、 磨 损 效 应 、 动 力 学 效 应 等 均 有 益 于 发 挥 陶 瓷 材 料 的 抗 弹
能 力 。 对 A l O 与 铝 合 金 组 成 的 复 合 板 的 侵 彻 过 程 表 明 ， 由 于 陶 瓷 受 冲 击 后 发 生 变 形 、 开 裂 、 断 裂 以 及
2 3向 背 板 传 递 能 量 ， 大 约 可 以 吸 收 6 0 % 弹 丸 能 量 （ 图 8 - 0 8 ） 。
近 年 来 ， 通 过 采 用 先 进 工 艺 如 微 波 炉 烧 结 、 快 速 全 向 压 实 和 表 面 强 化 和 增 韧 等 已 使 装 甲 陶 瓷 的 力 学
性 能 和 抗 弹 能 力 得 到 较 大 提 高 。 美 国 陆 军 正 在 研 制 将 于 2 0 1 3 年 装 备 使 用 的 未 来 主 战 坦 克 ， 采 用 轻 质 模
块 式 陶 瓷 复 合 装 甲 。
装 甲 陶 瓷 材 料 目 前 存 在 的 主 要 问 题 是 韧 性 差 和 成 本 高 。 近 年 来 ， 美 国 在 降 低 陶 瓷 成 本 方 面 取 得
了 较 大 进 展 ， 如 采 用 微 波 烧 结 技 术 极 大 的 提 高 了 生 产 效 率 ， 大 幅 度 降 低 了 材 料 成 本 （ 约 7 5 % ） ， 计 划 在
2 0 0 0 年 使 S i C 和 T i B 的 成 本 降 低 5 0 % ， 并 建 立 工 业 规 模 化 生 产 线 。 在 增 韧 方 面 采 取 的 主 要 途 径 是 发 展
2
陶 瓷 基 复 合 材 料 。 今 后 需 要 进 一 步 解 决 的 问 题 还 包 括 陶 瓷 材 料 抗 弹 性 能 的 预 测 、 无 损 检 测 方 法 的 改 进 和
高 应 变 速 率 下 材 料 行 为 的 模 拟 等 。
陶 瓷 基 复 合 材 料 具 有 比 单 质 陶 瓷 更 高 的 韧 性 和 更 强 的 抗 弹 丸 多 次 冲 击 能 力 。 正 在 研 制 用 于 装 甲
防 护 的 陶 瓷 基 复 合 材 料 主 要 有 颗 粒 增 强 碳 化 硼 / 碳 化 硅 ( T i B / S i C ) 、 碳 化 钛 / 碳 化 硅 ( T i C / S i C ) 、 硼 化 钛 / 碳 化
2
硼 ( T i B / B C ) 和 碳 化 硅 晶 须 增 强 氧 化 铝 ( S i C / A l O ) 等 。 其 中 T i B / S i C 、 T i C / S i C 的 韧 性 比 单 质 S i C 提 高
2 4 w 2 3 2
5 0 % 左 右 。 S i C / S i C 的 应 变 量 比 单 质 S i C 增 大 9 倍 ， S i C / A l O 的 K 1 c 比 纯 A l O 有 很 大 的 提 高 。 由 于
f w 2 3 2 3
陶 瓷 基 复 合 材 料 的 成 本 比 陶 瓷 材 料 更 高 ， 致 使 其 发 展 速 度 不 如 单 质 陶 瓷 快 。
表 8 - 1 0 各 种 轻 型 装 甲 防 7 . 6 2 m m A P 的 质 量 有 效 系 数
密 度 面 密 度
装 甲 类 型 质 量 有 效 系 数
2 2
k g / m k g / m
钢 甲
R H A （ 3 8 0 B H N ） 7 8 3 0 1 1 4 1 . 0 0
高 硬 度 装 甲 （ 5 5 0 B H N ） 7 8 5 0 9 8 1 . 1 6
双 硬 度 装 甲 （ 6 0 0 ～ 4 4 0 B H N ） 7 8 5 0 6 4 1 . 7 8
铝 合 金 装 甲
5 0 3 8 铝 合 金 2 6 6 0 1 2 8 0 . 8 9
7 0 3 9 铝 合 金 2 7 8 0 1 0 6 1 . 0 8
2 5 1 9 铝 合 金 2 8 0 7 1 0 0 1 . 1 4
玻 纤 层 压 板
E — 玻 璃 2 8 0 8 1 1 5 0 . 7 4
S — 玻 璃 2 0 4 5 9 3 1 . 2 3
陶 瓷 面 板 装 甲
氧 化 铝 + 5 0 8 3 铝 3 1 2 5 5 0 2 . 2 8
氧 化 铝 + 7 0 2 0 铝 3 2 0 0 4 2 2 . 7 5
氧 化 铝 + E — 玻 纤 层 压 板 2 5 5 6 4 6 2 . 4 8
氧 化 铝 + K e v l a r 层 压 板 2 0 0 0 3 8 3 . 0 0
碳 化 硼 + 6 0 6 1 铝 2 5 6 4 3 5 3 . 2 6
二 硼 化 钛 4 4 5 0 — —
梯 度 功 能 材 料 是 通 过 精 心 设 计 和 采 用 特 殊 工 艺 ， 使 陶 瓷 和 金 属 的 复 合 物 组 分 、 结 构 能 连 续 地 变 化 有
陶 瓷 侧 过 渡 到 金 属 侧 形 成 一 种 物 理 性 能 参 数 也 是 连 续 变 化 的 复 合 材 料 。
梯 度 功 能 材 料 的 制 备 可 采 用 化 学 气 相 沉 积 法 、 物 理 蒸 镀 法 、 等 离 子 喷 涂 法 、 自 蔓 延 高 温 合 成 法
和 颗 粒 梯 度 排 列 法 等 ， 其 中 以 薄 膜 叠 层 法 效 果 较 好 。
已 制 成 的 F G M 有 S i C - C 、 T i - T i 、 S i C - A l 、 B e B - B e 和 T i C - N i 等 。 当 以 B e B - B e 制 做 装 甲 板 时 ，
4 4
从 外 表 面 到 中 心 部 位 只 含 B e B ， 然 后 以 弥 散 方 式 加 入 B e ， 到 背 面 为 B e 4 B - 1 0 % B e 。 这 比 由 陶 瓷 面 板 和
4
金 属 背 板 组 合 的 结 构 的 抗 弹 性 能 要 好 得 多 。对 钨 合 金 长 杆 弹 （ 长 细 比 1 0 : 1 ） 侵 彻 钢 - 陶 瓷 - 钢 （ 倾 角 0 ° ， 速 度 8 0 0 ～ 1 4 0 0 m / s ） 的 研 究 进 一 步 表
明 ， 陶 瓷 受 碰 撞 后 ， 对 弹 心 的 抵 抗 作 用 大 致 按 图 8 - 0 9 所 示 过 程 进 行 。 首 先 ， 由 于 陶 瓷 的 高 压 缩 强 度 或
高 硬 度 使 长 杆 弹 体 变 形 、 断 裂 或 偏 转 。 同 时 陶 瓷 又 具 有 良 好 的 磨 擦 — 流 动 性 能 ， 在 长 杆 随 后 继 续 深 入 侵
彻 中 ， 细 碎 状 陶 瓷 沿 长 杆 弹 体 前 杆 最 终 完 成 侵 彻 时 ， 陶 瓷 材 料 内 形 成 了 锥 形 裂 纹 ， 并 且 在 拉 应 力 作 用 下
又 形 成 了 许 多 与 受 冲 击 面 相 互 平 行 的 裂 纹 ， 陶 瓷 材 料 也 破 碎 成 许 多 碎 片 ， 这 些 碎 片 大 都 是 穿 晶 或 沿 晶 断
裂 。 陶 瓷 碎 片 具 有 良 好 的 磨 蚀 性 能 ， 使 长 杆 遭 受 磨 蚀 而 减 小 或 终 止 侵 彻 。
图 8 - 0 8 陶 瓷 装 甲 （ A D 8 5 A l 2 O 3 A l ） 图 8 - 0 9 陶 瓷 靶 板 遭 受 长 杆 弹 芯 侵 彻 量 的 破 坏 模 式
对 于 陶 瓷 动 态 力 学 性 能 研 究 表 明 ， 抗 弹 陶 瓷 具 有 相 当 高 的 雨 果 尼 奥 弹 性 极 限 。 在 高 应 变 率 下 陶 瓷 破
坏 取 决 于 它 的 显 微 裂 纹 的 传 播 速 度 。 然 而 ， 当 弹 芯 冲 击 靶 板 引 起 靶 板 变 形 的 位 移 速 度 高 于 显 微 裂 纹 传 播
的 临 界 速 度 （ 约 为 材 料 声 速 的 1 / 3 ） 时 ， 陶 瓷 材 料 内 就 要 产 生 一 个 相 当 高 的 阻 力 。 这 种 阻 力 对 位 移 起 抑
制 作 用 。 因 此 陶 瓷 能 有 效 地 抗 衡 射 流 侵 彻 。 况 且 ， 陶 瓷 材 料 的 动 态 强 度 随 应 变 率 而 急 剧 增 大 ， 愈 能 使 射
流 的 高 速 头 部 侵 彻 受 阻 而 发 生 折 转 ， 甚 至 断 裂 。
目 前 适 用 的 装 甲 陶 瓷 材 料 如 表 8 - 1 1 所 示 。 其 中 A l O 是 广 泛 采 用 的 装 甲 陶 瓷 材 料 ， 较 便 宜 ， 但 密 度
2 3
高 。 碳 化 硼 是 性 能 最 好 的 抗 弹 陶 瓷 ， 但 价 格 高 。 这 些 材 料 可 采 用 液 相 烧 结 、 固 态 烧 结 或 热 压 技 术 制 成 各
种 尺 寸 、 形 状 的 陶 瓷 元 件 ， 进 一 步 与 高 分 子 材 料 复 合 成 复 合 板 。 充 填 主 高 分 子 聚 合 物 既 可 使 装 甲 重 量 减
轻 ， 又 可 降 低 制 造 成 本 ， 也 便 于 修 补 和 更 换 陶 瓷 材 料 ， 更 重 要 的 是 ， 聚 合 物 的 约 束 有 利 于 陶 瓷 发 挥 对 弹
芯 的 磨 损 作 用 ， 提 高 抗 弹 能 力 ， 尤 其 是 抗 多 发 弹 的 能 力 。
表 8 - 1 1 适 用 于 装 甲 的 陶 瓷 性 能
密 度 杨 氏 模 量
材 料
- 3 - 2
（ k g . m ） （ G N . m ）
碳 化 硼 2 5 0 0 4 0 0
氧 化 铝 3 8 0 0 3 4 0
二 硼 化 钛 4 5 0 0 5 7 0
碳 化 硅 3 2 0 0 3 7 0
氧 化 铍 2 8 0 0 4 1 5
B O / S i C 2 6 0 0 3 4 0
4
L A S 玻 璃 陶 瓷 2 5 0 0 1 0 0
硅 陶 瓷 2 9 0 0 1 0 0
氮 化 硅 3 2 0 0 3 1 0装 甲 陶 瓷 的 进 一 步 发 展 是 采 用 先 进 制 造 加 工 技 术 ， 降 低 生 产 成 本 ， 提 高 生 产 效 率 。 如 用 “ 微 波 辐 射
烧 结 技 术 ” ， 这 种 材 料 密 度 低 ， 弹 道 试 验 表 明 其 抗 弹 性 与 A l O 陶 瓷 相 近 。
2 3
与 此 同 时 ， 金 属 陶 瓷 、 陶 瓷 基 复 合 材 料 也 得 到 了 发 展 ， 其 目 的 是 改 善 陶 瓷 塑 性 、 韧 性 ， 提 高 陶 瓷 抗
弹 性 能 ， 尤 其 是 抗 多 发 弹 的 能 力 。 例 如 陶 瓷 金 属 复 合 材 料 ， 它 将 铝 和 脆 性 的 碳 化 硼 结 合 在 一 起 ， 提 高 了
碳 化 硼 的 断 裂 韧 性 。 不 同 的 制 造 技 术 获 得 的 A l 碳 化 硼 陶 瓷 性 能 不 同 （ 表 8 - 1 2 ） 从 该 表 可 知 ， 铺 层 法 获
得 了 高 强 度 、 高 断 裂 韧 性 的 综 合 机 械 性 能 。
陶 瓷 基 复 合 材 料 ， 如 A l O / S i C 、 S i C 或 碳 纤 维 / 硼 硅 酸 盐 玻 璃 、 T i B / B C 粒 子 、 T i B / S i C 粒 子 发 及 功
2 3 4
能 梯 度 陶 瓷 材 料 等 正 在 得 到 发 展 ， 倘 若 这 些 材 料 能 满 足 ： ① 抗 高 速 （ ＞ 2 0 0 0 m / s ） 动 能 弹 ， ② 抗 新 一 代 先
进 的 破 甲 弹 战 斗 部 ， ③ 抗 “ 智 能 ” 弹 药 ， ④ 具 有 抗 多 发 弹 的 能 力 等 使 用 要 求 ， 则 未 来 装 甲 系 统 将 会 具 有
很 高 的 防 护 性 能 。
8.4. 4 贫铀 装甲
侵 彻 机 理 研 究 表 明 ， 长 杆 式 穿 甲 弹 芯 一 定 长 度 情 况 下 ， 其 侵 彻 深 度 与 靶 板 材 料 密 度 的 平 方 要 根 成 反
比 。 因 此 ， 提 高 靶 板 材 料 密 度 必 将 降 低 长 杆 式 军 穿 甲 弹 的 侵 彻 能 力 。 铀 的 密 度 为 钢 的 2 . 5 倍 ， 且 铀 合 金
可 获 得 高 强 度 、 高 韧 性 ， 有 利 于 高 靶 的 侵 彻 能 力 。 因 此 ， 贫 铀 装 甲 在 1 9 9 1 年 的 海 湾 战 争 中 美 国 使 用 的
M 1 A 1 坦 克 上 首 次 被 采 用 。
M 1 A 1 坦 克 的 贫 铀 装 甲 是 一 种 复 合 装 甲 ， 据 报 道 是 由 钢 - 贫 铀 夹 层 - 钢 三 层 组 成 。 贫 铀 夹 层 不 是 均 匀
的 铀 板 层 ， 而 是 由 贫 铀 与 凯 夫 纤 维 织 物 构 成 ， 即 由 一 些 贫 铀 单 晶 （ 可 能 是 碳 化 铀 晶 须 ） 嵌 在 凯 夫 拉 纤 维
纺 织 网 内 而 成 ， 厚 度 为 6 ～ m m 。 采 用 贫 铀 装 甲 后 ， M 1 A 1 坦 克 全 重 由 原 来 5 7 . 1 5 4 t 增 加 到 5 8 . 9 6 8 t ， 增 重
1 8 1 4 k g 。 由 此 M 1 A 1 坦 克 可 防 穿 深 6 0 0 m m （ R H A ） 的 动 能 弹 、 防 穿 深 1 0 0 0 ～ 1 3 0 0 （ R H A ） 的 破 甲 弹 。
这 种 贫 轴 装 甲 在 核 爆 炸 环 境 下 ， 能 减 少 对 γ 射 线 辐 射 的 吸 收 ， 但 会 增 多 中 子 。 该 贫 铀 装 甲 的 由 于 密 封 在
钢 装 甲 内 ， 其 辐 射 能 力 低 ， 而 且 也 不 易 被 点 燃 ， 即 便 着 火 ， 也 不 会 燃 成 大 火 。
表 8 - 1 2 不 同 制 造 技 术 的 A l / 碳 化 硼 金 属 金 属 陶 瓷 的 机 械 性 能 比 较
化 学 法
热 法 A l / 快 速 密 实 铺 层 A l /
A l /
热 压 碳 化 7 0 5 0 碳 化 硼 A l / 碳 化 硼 碳 化 硼
机 械 性 能 参 数 碳 化 硼
硼 铝 合 金 1 0 ～ 3 0 % 3 0 % （ 体 3 2 % （ 体
1 0 ～ 3 0 %
（ 体 积 ） 积 ） 积 ）
（ 体 积 ）
抗 拉 强 度 ， M P a 3 6 0 5 0 0 4 1 0 ～ 6 2 0 2 0 0 ～ 4 0 0 4 0 0 ～ 7 0 0 ～ 1 0 0 0
断 裂 韧 性 ，
2 ～ 3 2 5 ～ 5 0 5 ～ 7 1 2 ～ 1 1 8 7 ～ 1 4 1 5 ～ 1 9
1 / 2
M P a m
弹 性 模 量 ， G P a 4 5 0 ～ 6 0 0 7 0 ～ 7 2 2 5 0 ～ 3 5 0 3 4 0 ～ 3 5 0 2 7 0 ～ 3 6 0 —
3 0 0 0 ～ 5 0 0 ～ 7 0 0 ～ 1 6 0 0 ～
2
显 微 硬 度 ， k g / m m 1 0 0 ～ 1 5 0 —
3 5 0 0 2 0 0 0 1 6 0 0 2 0 0
2 . 5 4 ～ 2 . 5 4 ～ 2 . 5 5 ～
3
密 度 ， g / c m 2 5 2 2 7 2 —
2 . 5 9 2 . 5 9 2 . 5 7
热 膨 胀 率 ， / ℃ 5 . 0 ～ 6 . 0 2 4 — 6 . 5 ～ 2 . 5 9 — —
热 导 率 ， W / m ℃ 5 . 8 1 3 0 ～ 1 5 5 — 4 . 1 ～ 6 . 0 — —
0 . 0 1 ～
- 9
电 阻 率 ， Ω m 0 . 3 ～ 0 . 8 5 0 × 1 0 — — —
0 . 0 3
抗 磨 损 性 极 高 低 — 高 — —
8 . 5 弹 药 材 料在 弹 药 材 料 技 术 上 发 展 的 主 要 特 点 是 “ 高 ” ， 即 高 密 度 穿 甲 弹 芯 合 金 ， 高 强 度 高 破 片 率 弹 体 钢 及 高 燃
烧 能 力 合 金 。 以 适 应 现 代 战 争 对 弹 药 性 能 的 高 要 求 。
8.5.1 高密 度穿 甲弹芯 材料
侵 彻 机 理 研 究 表 明 ， 弹 靶 间 高 速 碰 撞 时 ， 弹 芯 侵 彻 靶 板 的 深 度 同 其 材 料 密 度 的 平 方 根 成 正 比 ， 增 大
弹 芯 材 料 的 密 度 也 就 增 大 了 弹 芯 动 能 ， 从 而 降 低 了 极 限 穿 透 速 度 （ 图 8 - 1 0 ） ， 提 高 了 弹 芯 侵 彻 能 力 。 因
此 ， 从 7 0 年 代 起 ， 高 密 度 穿 甲 弹 芯 材 料 得 到 了 迅 速 发 展 ， 应 用 。
钨 合 金 和 铀 合 金 的 密 度 比 钢 的 密 度 约 大 一 倍 之 多 ， 它 们 在 冲 击 钢 靶 时 能 产 生 高 压 （ 图 8 - 1 1 ） ， 因 此
是 较 好 的 弹 芯 材 料 。 然 而 钨 合 金 与 钢 合 金 相 比 ， 虽 然 前 者 在 冲 击 时 能 产 生 更 高 的 压 力 ， 但 是 ， 后 者 延 性
较 好 ， 可 达 2 6 % （ 图 8 - 1 2 ） 钨 合 金 一 般 说 来 塑 性 较 铀 合 金 差 。 所 以 ， 在 侵 彻 的 成 坑 阶 段 ， 铀 合 金 弹 芯 有
利 形 成 弹 坑 （ 图 8 - 1 3 ） ， 而 钨 合 金 弹 芯 由 斜 侵 彻 转 变 为 垂 直 侵 彻 需 要 更 长 的 时 间 ， 弹 芯 消 耗 太 大 。 另 外 ，
铀 合 金 与 钨 合 金 相 比 加 工 较 简 单 ， 成 本 较 低 ， 侵 彻 后 具 有 燃 烧 效 应 ， 尽 管 贫 轴 合 金 存 在 放 射 性 问 题 ； 然
而 ， 面 对 防 护 能 力 很 强 的 新 型 主 战 坦 克 的 情 况 下 在 发 展 第 二 、 第 三 代 大 口 径 超 速 脱 壳 尾 翼 稳 定 穿 甲 弹 及
其 他 型 号 穿 甲 弹 上 ， 拟 采 用 铀 合 金 弹 芯 。
铀 弹 心 和 靶 板 的 界 面 比 钨 弹 心 和 靶 板 的 界 面 更 多 地 进 行 旋 转 。 而 钨 弹 心 却 比 钢 弹 心 发 生 更 大 的 变
形 。 此 外 ， 铀 弹 心 冲 击 的 靶 板 的 变 形 局 限 于 较 小 的 区 域 。
8.5.1.1 钨合金 穿甲 弹芯
从 7 0 年 代 起 钨 基 合 金 穿 甲 弹 芯 材 料 技 术 得 到 了 发 展 ， 目 前 钨 合 金 已 成 为 各 种 口 径 穿 甲 弹 芯 、 预 制
破 片 弹 药 等 的 主 要 材 料 。
图 8 - 1 0 弹 芯 材 料 对 极 限 穿 透 的 影 响
图 8 - 1 1 铀 、 钨 合 金 冲 击 靶 板 时 分 别 产 生 的 图 8 - 1 2 几 种 材 料 的 应 变 硬 化 特 性雨 果 尼 奥 压 力 数 据
图 8 - 1 3 铀 钨 合 金 弹 心 在 冲 击 靶 板 后 1 0 s 时 的 情 形
现 在 大 口 径 穿 甲 弹 芯 用 钨 - 镍 - 铁 合 金 及 其 性 能 如 表 8 - 1 3 所 示 。 粉 末 冶 金 制 造 的 钨 合 金 弹 芯 目 前 存 在
的 主 要 问 题 仍 是 脆 性 较 大 。 当 其 侵 彻 装 甲 板 时 ， 易 发 生 断 裂 ， 尤 其 不 利 于 侵 彻 多 层 靶 板 或 间 隔 装 甲 。 所
以 ， 穿 甲 弹 芯 钨 合 金 的 研 究 主 要 集 中 在 以 下 几 个 方 面 ：
( 1 ) 钨 合 金 弹 芯 断 裂 行 为 的 理 论 研 究 。 尤 其 是 相 界 面 成 分 （ 杂 质 ） 对 断 裂 抗 力 影 响 研 究 。
( 2 ) 影 响 钨 合 金 性 能 的 因 素 。 包 括 原 材 料 因 素 、 各 种 工 艺 因 素 （ 如 烧 结 气 氛 ， 烧 结 温 度 、 时 间 ， 冷
却 速 度 、 烧 结 后 处 理 、 形 变 强 化 和 预 应 变 时 效 等 等 ） 和 微 观 结 构 因 素 。 通 过 这 些 研 究 发 展 新 型 · 钨 合 金
制 造 技 术 。 例 如 ， ① 弹 芯 扭 转 强 化 工 艺 ， 对 长 细 比 为 1 5 : 1 ～ 2 5 : 1 的 钨 合 金 弹 芯 进 行 扭 转 加 工 、 合 金 成 分
（ ％ 质 量 ） 为 ： W 9 0 ～ 9 7 % 、 N i 2 ～ 7 % 、 F e 0 . 9 ～ 3 % 、 C o 0 ～ 0 . 5 % 、 M n 0 ～ 0 . 0 5 % 、 M n 0 ～ 0 . 0 5 % ， 扭 角 9 0 ° ～
9 0 0 ° 。 ② 喷 雾 热 分 解 方 法 。 利 用 该 法 制 造 预 合 金 粉 ， 然 后 压 坯 、 烧 结 、 锻 造 ， 得 到 高 强 韧 钨 合 金 ， 烧
结 态 的 σ b 1 0 7 8 ～ 1 1 7 6 M P a ， σ 1 2 % ， 锻 后 的 σ b 1 6 6 0 ～ 1 7 6 0 M P a ， 延 伸 率 却 下 降 不 多 。 ③ 利 用 流 体 化 槽 技
术 对 钨 粉 进 行 化 学 气 相 沉 积 ， 镀 复 一 均 匀 的 金 属 镀 层 ， 该 镀 层 使 烧 结 时 间 缩 短 ， 改 善 界 面 粘 结 ， 提 高 合
金 强 度 ， 改 善 韧 性 。 ④ 气 相 沉 积 快 速 压 实 法 ， 可 使 W － N i — F ， 合 金 的 三 点 弯 曲 抗 弯 强 度 达 到 2 1 9 1 M P a 。
烧 结 钨 合 金 经 高 速 高 能 锻 造 ， 可 使 抗 拉 强 度 超 过 1 6 5 5 M P a 。 含 8 0 ～ 9 9 % W 的 烧 结 钨 合 金 经 三 次 轧 制 和
热 处 理 ， 抗 拉 强 度 达 到 1 3 0 0 ～ 2 0 0 0 M P a 。
表 8 - 1 3 穿 甲 弹 芯 用 W - N i - F e 合 金 的 室 温 机 械 性 能
Ρ σ
合 金 、 状 态 σ M P a σ % φ % H B R a J
0 . 2 k
3 3
g / c m / c m
b
1 9 0 w （ 锻 2 3 % ） 1 7 1 1 4 1 1 1 0 4 1 1 . 4 2 6 4 2
2 9 1 W （ 真 空 ） 1 7 . 3 9 6 7 1 2 4 1 2 8 4 0 2 8 - 2 9 1 8 2
3 9 3 W （ 锻 ） 1 7 . 6 2 1 2 4 2 1 2 4 1 9
4 9 3 W （ 锻 ） 1 7 . 6 4 1 2 7 4 1 0 7 8 5 9 4 1 3 7 . 2
5 9 4 W （ 锻 ） 1 7 . 9 1 1 4 3 . 6 4 0
6 9 0 W （ 锻 ） 1 7 . 9 1 2 7 7 1 1 0 3 1 1 1 7 4 2 - 4 4 5 0
7 9 5 W （ 锻 ） 1 8 . 1 1 4 6 2 1 4 1 1 1 4 . 1 2 0 3 8
( 3 ) 实 现 合 金 强 韧 化 的 合 金 成 分 优 化 。 例 如 在 8 8 ～ 9 8 % W － N i － F e 合 金 中 ， 加 入 0 . 2 5 ～ 1 . 5 % R e ，
2
细 化 晶 粒 ， 达 到 2 5 0 0 晶 粒 / m m 。 又 如 ， 一 种 W T a 合 金 ， T a 含 量 1 3 ～ 2 0 % （ 质 量 ） ， 经 旋 转 锻 造 加 工
3
制 成 长 细 比 （ 1 5 ～ 2 0 ） : 1 的 弹 芯 。 8 0 W 2 0 T 8 合 金 的 密 度 为 1 8 . 8 g / c m 。
σ 1 7 9 4 M P a ， σ 1 7 5 2 . 6 M P a 。
b s( 4 ) 研 制 变 性 能 或 变 密 度 或 两 者 兼 而 有 之 的 新 型 钨 合 金 弹 芯 。 变 密 度 或 变 性 能 的 钨 合 金 弹 芯 通 过 使
用 不 同 的 材 料 、 不 同 的 工 艺 ， 从 而 使 沿 弹 身 长 度 的 密 度 或 性 能 发 生 变 化 ， 满 足 侵 彻 复 合 装 甲 或 多 层 装 甲
的 需 要 。 举 例 如 下 ：
一 种 穿 甲 弹 芯 ， 其 头 部 、 中 间 及 尾 部 各 段 的 强 度 、 韧 性 分 别 为 σ 、 a ， σ 、 a ，
1 k 1 2 k 2
σ 3 、 a k 3 。 但 σ 1 ＞ σ 2 ， a k 1 ＜ a k 2 ， σ 3 ＞ σ 2 、 a k 3 ＜ a k 2 ， σ 1 ＞ σ 3 ， a k 1 ＜ a k 3 。 这 样 就 可 形 成 从 头 至 尾 硬 一 软
一 较 硬 的 弹 芯 。 穿 甲 弹 的 头 部 由 9 7 W － 1 . 3 5 N i － 1 . 3 5 F e 合 金 制 成 ， 中 部 和 尾 部 分 别 由 易 碎 材 料 、 易 切 削
加 工 材 料 制 造 。 这 样 ， 弹 芯 头 部 和 中 间 段 较 硬 ， 而 尾 部 较 软 。 变 密 度 、 变 性 能 钨 合 金 弹 芯 一 般 分 两 种 ：
3 3
一 种 是 模 块 式 弹 芯 头 部 密 度 为 1 7 6 m / c m ， σ 为 1 6 8 0 M P a ， δ 3 . 2 % 。 尾 部 密 度 为 1 7 . 6 s / c m ， σ 1 3 2 0 M P a ，
b b
3 3
δ 8 . 0 % 。 另 一 种 是 变 密 度 、 变 性 能 弹 芯 ， 其 头 部 密 度 为 1 8 a / c m ， σ l 6 0 0 M P a ， δ 1 . 1 % 。 尾 部 密 度 为 1 7 a / c m ，
b
σ b 1 0 4 0 M P a ， δ 1 8 % 。
采 用 旋 转 锻 造 技 术 生 产 高 密 度 变 性 能 钨 合 金 弹 芯 ， 几 种 不 同 成 分 的 钨 合 金 弹 芯 性 能 沿 弹 芯 长 度 变 化
如 表 8 - 1 4 所 示 。
一 种 穿 甲 弹 的 头 部 为 9 4 － 9 5 W ， 锻 造 态 的 σ 1 2 7 7 M P a ， δ 1 1 % ， 中 间 和 尾 部 为 9 1 W ， 但 分 别 为 锻
b 5
造 态 和 真 空 热 处 理 态 ， 这 样 ， 形 成 从 头 至 尾 硬 一 较 硬 一 软 的 硬 度 分 布 。
一 种 变 成 分 变 性 能 钨 合 金 弹 芯 。 该 弹 芯 从 头 至 尾 分 别 由 韧 性 钨 合 金 、 高 钨 含 量 钨 合 金 （ 长 度 为 弹 径
的 1 . 5 倍 ） 、 韧 性 钨 合 金 （ 长 度 为 弹 芯 总 长 的 5 0 ～ 7 0 % ） 制 成 ， 从 而 形 成 软 一 硬 一 软 攻 硬 度 分 布 。
表 8 - 1 4 几 种 变 密 度 变 性 能 钨 合 金 弹 芯 的 硬 度 分 布
硬 度 ， H V 3 0
3
密 度 g / c m
头 心 头 表 中 间 心 中 间 表 尾 心 尾 表
合 金
部 面 部 面 部 部
9 3 W - 4 . 5 N i - 2 . 5 F e 1 7 . 6 5 1 8 4 5 0 4 7 0 3 1 5
9 5 W - 3 . 2 N i - 1 . 8 F e 5 2 0 4 4 5 1 6 5 4 9 0 5 0 2
9 6 . 8 5 W - 2 . 1 5 N i - 1 .
5 0 2 5 2 0 4 5 0 4 7 0 3 8 0 4 1 0
0 F e
8 . 5 . 1 . 2 铀 合 金 穿 甲 弹 芯
早 在 6 0 年 代 初 就 开 始 了 铀 合 金 在 常 规 兵 器 上 的 应 用 研 究 ， 但 取 得 成 效 还 是 在 8 0 年 代 初 期 。 美 国 用
铀 — 钛 合 金 制 造 2 5 m m 链 式 炮 和 G A U - 8 式 3 0 m m 航 炮 用 的 穿 甲 弹 芯 ， 以 及 1 0 5 m m M 7 7 4 、 M 8 3 3 超 速 翼
稳 定 脱 壳 穿 甲 弹 。 射 击 试 验 表 明 ， G A U - 8 式 3 0 m m 航 炮 穿 甲 弹 在 8 0 0 m 外 从 空 中 攻 击 2 2 辆 原 苏 制 T 6 2
坦 克 后 上 部 ， 结 果 击 毁 8 辆 ， 重 创 7 辆 ， 有 6 辆 需 现 场 修 理 才 可 使 用 ， 一 辆 脱 靶 。 1 0 5 m m 穿 甲 弹 芯 采
用 U - 0 . 7 5 T i 合 金 制 造 ， 其 成 分 和 性 能 如 表 8 - 1 5 、 表 8 - 1 6 所 列 。
表 8 - 1 5 美 大 口 径 穿 甲 弹 弹 芯 用 铀 钛 合 金 化 学 成 分
M 7 7 4 穿 甲 弹 弹 心 M 8 3 3 穿 甲 弹 弹 心
成 分 标 准 （ 最 大 ）
平 均 范 围 平 均 范 围
0 . 6 9 ～ 0 . 6 9 ～
T 1 ， % 0 . 7 0 7 0 . 7 1 7 0 . 6 9 ～ 0 . 7 9
0 . 7 4 0 . 7 3
- 6
C × 1 0 2 6 1 4 ～ 3 4 2 2 . 4 1 3 ～ 3 4 8 0
铀 锭 1 . 2 5 0 . 9 ～ 1 . 8 1 . 5 2 1 . 1 ～ 2 . 1
- 6
H × 1 0
弹 心 0 . 3 6 0 . 2 ～ 0 . 5 0 . 5 5 0 . 2 ～ 1 . 8 1
- 6
F e ， × 1 0 4 3 . 6 3 4 ～ 5 2 5 1 . 4 3 3 ～ 6 0 5 0
- 6
N i ， × 1 0 9 . 5 5 ～ 1 5 9 . 4 3 6 ～ 1 3 5 0
- 6
C u ， × 1 0 1 0 6 ～ 1 9 8 . 1 4 5 ～ 1 1 5 0
- 6
S i ， × 1 0 7 0 . 9 5 8 ～ 6 6 7 5 . 5 7 6 6 ～ 8 6 1 5 0 钛和碳的分析试样取自铀锭底部，其它分析试样取自铀锭顶部
表 8 - 1 6 美 大 口 径 穿 甲 弹 弹 心 用 铀 钛 合 金 的 力 学 性 能
1 0 5 m m M 7 7 4 穿 甲 弹 弹 芯 1 0 5 m m M 8 3 3 穿 甲 弹 弹 芯
性 能 标 准
范 围 平 均 范 围 平 均
1 3 6 5 . 1 ～
σ ， M P a 1 2 7 0 1 3 7 8 . 8 ～ 1 4 8 8 . 6 1 4 3 3 . 7 1 4 8 1 . 4
b
1 5 5 0 . 4
8 7 5 . 8 5 ～
σ ， M P a 7 2 0 7 7 5 . 2 ～ 8 4 3 . 8 8 0 9 . 5 9 1 9 . 2
s
9 3 9 . 8 2
δ ， % 1 2 8 ～ 2 3 2 0 8 ～ 1 8 1 4
φ ， % 5 ～ 3 1 1 8 7 ～ 1 7 1 2
H B C 3 8 ～ 4 4 4 0 ～ 4 5
- 4 6 ℃的 K ，最小为 3 3 M P a m 1 / 2
1 c
这 两 种 1 5 0 m m 穿 甲 弹 弹 芯 长 细 比 均 为 1 4 ， 重 量 分 别 为 3 . 3 k g 、 3 . g k g ， 初 速 分 别 为 1 5 2 4 m / s 、 1 5 1 0 m / s ，
侵 彻 威 力 均 为 在 3 0 0 0 m 距 离 上 可 击 穿 1 0 / 2 5 / 8 0 m m / 6 5 ° 三 层 间 隔 靶 。 一 种 试 验 用 的 U - 0 . 7 5 ％ T i 合 金 弹
芯 ， 其 弹 芯 长 度 与 直 径 比 为 2 0 ， σ 7 9 3 M P a ， σ 1 4 8 2 M P a ， σ 2 0 ％ ， H R C 4 2 ， 以 2 3 9 1 m / s 火 速 度 侵 彻
0 . 2 b
均 质 装 甲 钢 靶 ， 侵 彻 深 度 达 3 8 8 m m 。 现 在 除 了 美 国 以 外 美 、 法 、 原 苏 联 也 都 开 展 了 大 口 径 铀 合 金 穿 甲
弹 芯 的 研 制 工 作 。
目 前 弹 芯 用 U - 0 . 7 5 T i 合 金 的 研 究 内 容 主 要 是 研 究 合 金 机 械 能 同 弹 道 性 能 的 关 系 ] T i 、 F e 及 H 等 含 量 、
加 工 工 艺 及 应 变 率 的 影 响 、 长 期 储 存 的 防 腐 问 题 和 高 压 下 的 弹 芯 合 金 变 形 行 为 、 断 裂 机 制 以 及 研 究 新 型
弹 芯 铀 合 金 。
研 究 的 新 型 铀 合 金 弹 芯 材 料 有 三 元 U - T i - W 合 金 。 在 U - T i 合 金 中 加 入 W ， 如 果 T i 含 量 在 0 . 7 ～ 0 . 8 %
3
（ 质 量 ） ， 则 W 含 量 应 在 0 . 5 ～ 1 . 0 % （ 质 量 ） 。 这 样 ， 利 用 W 使 合 金 密 度 保 持 在 1 8 . 6 g / c m ； 通 过 W 固
溶 强 化 ， 提 高 合 金 强 度 ， 而 延 伸 率 能 保 持 不 变 ， 甚 至 还 会 有 所 提 高 。 合 金 以 恰 当 热 处 理 后 的 性 能 如 表
8 - 1 7 所 列 。
表 8 - 1 7 三 元 U - T i - W 合 金 的 力 学 性 能
合 金 σ 0 . 5 M P a σ M P a δ % φ %
b
U - 0 . 7 5 T i 8 1 4 1 3 8 6 2 2 2 4
U - 0 . 7 5 T i - 0 . 5 W 9 6 5 1 5 1 0 2 3 4 8
U - 0 . 7 5 T i - 0 . 7 5 W 1 1 3 8 1 5 1 7 1 5 2 4
U - 0 . 7 5 T i - 1 . 0 W 1 2 8 2 1 5 4 4 2 2
8 0 0 ℃真空固溶处理 2 h ，3 8 5 ℃4 h 时效
8 . 5 . 1 . 3 高 密 度 金 属 基 复 合 材 料 弹 芯
现 代 装 甲 的 发 展 ， 要 求 弹 芯 材 料 既 能 对 付 单 层 均 质 靶 ， 又 能 侵 彻 间 隔 靶 。 而 钨 合 金 、 铀 合 金 弹 芯 在
对 付 这 两 种 结 构 靶 板 都 各 有 其 弱 点 。 因 此 ， 在 高 密 度 均 质 合 金 弹 芯 得 到 应 用 的 同 时 ， 高 密 度 金 属 基 复 合
材 料 弹 芯 也 得 到 了 发 展 。 早 期 曾 探 索 试 验 了 各 种 金 属 基 体 和 连 续 纤 维 、 短 纤 维 或 粒 子 增 强 材 料 制 的 弹 芯 ，
如 A l — F P 、 A I — W 丝 、 A I ～ S i C 、 P b — F P 、 钢 一 W 丝 、 U － W 丝 。 试 验 表 明 ， 由 大 约 5 5 ％ （ 体 积 ）
A I 刀 。 连 续 纤 维 增 强 的 铝 制 弹 芯 在 垂 直 冲 击 时 能 完 全 穿 透 铝 靶 。 而 这 些 铝 靶 却 能 完 全 防 住 相 同 质 量 、
直 径 和 速 度 的 未 经 增 强 的 弹 芯 。 纤 维 增 强 的 铝 弹 芯 也 优 于 具 有 相 同 动 能 的 钢 弹 芯 。
在 此 基 础 上 ， 美 国 研 究 了 三 种 类 型 高 密 度 金 属 基 复 合 弹 芯 材 料 ， 它 们 是 经 镀 覆 的 丝 增 强 基 体 材 料 ；
熔 渗 丝 增 强 复 合 材 料 ； 粉 末 、 丝 及 基 体 组 成 的 复 合 材 料 。 第 一 种 类 型 需 要 解 决 耐 热 镀 层 技 术 （ 如 钨 丝 增强 铀 复 合 材 料 入 在 钨 丝 上 电 沉 积 铜 和 化 学 气 相 沉 积 担 ， 不 会 降 低 钨 丝 的 强 度 和 塑 性 ， 但 电 沉 积 祖 会 使 钨
丝 的 性 能 降 低 。 美 国 曾 研 究 过 的 几 种 复 合 材 料 如 表 8 - 1 8 所 示 。 用 其 中 部 分 材 料 制 成 长 细 比 1 0 : 1 、 重 6 5 9
的 模 拟 弹 芯 ， 侵 彻 三 层 模 拟 间 隔 靶 （ 2 . 4 / 6 . 3 5 / 1 9 . 0 m r n ， 靶 间 距 8 2 . 5 m m ， 倾 角 6 5 ” ） 的 结 果 见 表 8 - 1 9 。
试 验 表 明 ， 标 准 的 U － 0 . 7 5 T i 合 金 弹 芯 在 侵 彻 时 不 仅 喷 溅 ， 而 且 弯 曲 ， 偏 离 原 来 的 飞 行 路 线 。 复 合 材 料
弹 芯 不 弯 曲 ， 也 不 偏 离 原 来 的 飞 行 方 向 。
表 8 - 1 8 美 曾 研 究 的 穿 甲 弹 志 用 高 密 度 金 属 基 复 合 材 料
纤 维 增 强 型 非 纤 维 增 强 型
U - 0 . 7 5 T i / W 丝 （ 熔 渗 ） W 合 金 心 部 ， U - 0 . 7 5 T i 外 套
U - 5 C r / W 丝 （ 熔 渗 ） W C 心 部 ， U - 0 . 7 5 T i 外 套
U - 0 . 7 5 T i / W 丝 （ 共 挤 ） 织 构 U - 0 . 7 5 T i 合 金
U - 5 C r / W 丝 （ 共 挤 ）
U / A l O 丝 （ 熔 渗 ）
2 3
U / 石 墨 纤 维 （ 溶 渗 ）
C u - M n / W 丝
4 6 6 0 钢 / W 丝
目 前 复 合 材 料 弹 芯 主 要 还 是 研 制 钨 增 强 铀 合 金 弹 芯 材 料 以 及 研 究 这 种 材 料 的 冲 击 性 能 、 变 形 行 为 、
淬 火 工 艺 、 腐 蚀 行 为 等 。 例 如 ， 一 种 钨 合 金 丝 增 强 的 铀 合 金 弹 芯 ， 钨 合 金 通 过 4 维 向 编 织 成 一 增 强 纤 芯
体 ， 然 后 该 芯 体 放 入 一 模 腔 内 添 充 贫 铀 合 金 。 再 经 液 相 烧 结 、 热 等 静 压 制 成 复 合 弹 芯 律 料 ， 或 是 经 等 离
子 电 弧 镀 、 等 离 子 蒸 汽 镀 或 化 学 汽 相 沉 积 将 贫 铀 喷 镀 于 该 芯 体 上 制 成 弹 芯 棒 料 。 这 种 多 向 编 织 的 钨 丝 增
强 体 是 网 格 状 的 ， 纤 维 间 互 相 紧 密 连 成 一 体 。 当 弹 芯 撞 击 靶 板 时 ， 头 部 虽 被 喷 溅 ， 但 芯 体 钨 丝 不 会 像 任
意 排 列 或 水 平 排 列 那 样 散 开 ， 这 就 提 高 了 侵 彻 能 力 。 所 用 的 钨 丝 可 为 钨 — 铝 — 碳 化 物 材 料 ， 抗 拉 强 度 可
为 1 4 0 0 M P a 。 钨 丝 沿 弹 芯 长 度 方 向 含 量 可 变 化 ， 例 如 从 弹 芯 头 部 至 尾 部 ， 钨 丝 含 量 逐 渐 增 加 。 这 样 当 弹
芯 撞 击 靶 板 时 ， 弹 芯 头 部 喷 溅 ， 钨 丝 外 露 ， 使 弹 芯 后 部 侵 彻 能 力 明 显 增 强 。 复 合 材 料 弹 芯 中 的 增 强 相 也
可 采 用 颗 粒 材 料 如 A l 2 O 3 、 S i C 、 氮 化 硼 、 碳 化 钨 等 ， 添 加 量 为 2 ～ 6 0 % （ 体 积 ） ， 提 高 屈 服 强 度 。 经 增
强 的 铸 态 铀 的 屈 服 强 度 可 达 7 5 9 M P a 。
表 8 - 1 9 美 国 部 分 高 密 度 金 属 基 复 合 材 料 制 模 拟 弹 心 侵 彻 三 层 间 隔 靶 的 结 果
材 料 V 0 V R 1 M R 1 V R 2 M R 2 V R 3 M R 3
U - 0 . 7 5 T i 1 3 0 0 1 2 9 3 5 8 1 2 2 9 4 3 3 0 8 6
5 C r / W 丝 （ 溶 渗 ） 1 3 2 2 1 2 7 5 6 2 1 0 3 2 4 1 — —
U - 0 . 7 5 T i / W （ 共 挤 后
1 3 1 6 1 2 7 4 6 0 . 4 1 2 4 4 5 0 5 1 3 太 小
钨 丝 直 径 2 . 2 m m , 5 0 % 体 积 ）
C u - 2 0 M n - 2 0 N i / W 丝
1 3 2 5 1 2 6 7 — 1 2 6 3 — — —
（ 4 0 % 体 积 ）
9 0 W - 7 N i - 3 F e 心
1 2 6 2 1 2 6 2 6 1 1 2 9 9 4 1 4 5 3 4
（ 型 锻 2 5 % ） U - 0 . 7 5 T i 外 套
W C 心 / U - 0 . 7 5 T i 外 套 1 3 2 2 1 2 9 5 6 3 1 2 3 8 3 8 — —
有 结 构 U - 0 . 7 5 T i 1 2 9 4 1 2 6 6 5 9 1 2 3 5 4 6 4 2 5 8
注： V 是初速，V 、V 与 V 分别是弹心穿过第一、二、三块靶的存速（ m / s ）；M 、M 与 M 分别是
0 R 1 R 2 R 3 R 1 R 2 R 3
弹心穿过第一、二、三块靶后剩余的质量（ g ）
目 前 复 合 材 料 弹 芯 主 要 还 是 研 制 钨 增 强 铀 合 金 弹 芯 材 料 以 及 研 究 这 种 材 料 的 冲 击 性 能 、 变 形 行 为 、淬 火 工 艺 、 腐 蚀 行 为 等 。 例 如 ， 一 种 钨 合 金 丝 增 强 的 铀 合 金 弹 芯 ， 钨 合 金 通 过 4 维 向 编 织 成 一 增 强 纤 芯
体 ， 然 后 该 芯 体 放 入 一 模 腔 内 添 充 贫 铀 合 金 。 再 经 液 相 烧 结 、 热 等 静 压 制 成 复 合 弹 芯 律 料 ， 或 是 经 等 离
子 电 弧 镀 、 等 离 子 蒸 汽 镀 或 化 学 汽 相 沉 积 将 贫 铀 喷 镀 于 该 芯 体 上 制 成 弹 芯 棒 料 。 这 种 多 向 编 织 的 钨 丝 增
强 体 是 网 格 状 的 ， 纤 维 间 互 相 紧 密 连 成 一 体 。 当 弹 芯 撞 击 靶 板 时 ， 头 部 虽 被 喷 溅 ， 但 芯 体 钨 丝 不 会 像 任
意 排 列 或 水 平 排 列 那 样 散 开 ， 这 就 提 高 了 侵 彻 能 力 。 所 用 的 钨 丝 可 为 钨 — 铝 — 碳 化 物 材 料 ， 抗 拉 强 度 可
为 1 4 0 0 M P a 。 钨 丝 沿 弹 芯 长 度 方 向 含 量 可 变 化 ， 例 如 从 弹 芯 头 部 至 尾 部 ， 钨 丝 含 量 逐 渐 增 加 。 这 样 当 弹
芯 撞 击 靶 板 时 ， 弹 芯 头 部 喷 溅 ， 钨 丝 外 露 ， 使 弹 芯 后 部 侵 彻 能 力 明 显 增 强 。 复 合 材 料 弹 芯 中 的 增 强 相 也
可 采 用 颗 粒 材 料 如 A l O 、 S i C 、 氮 化 硼 、 碳 化 钨 等 ， 添 加 量 为 2 ～ 6 0 % （ 体 积 ） ， 提 高 屈 服 强 度 。 经 增
2 3
强 的 铸 态 铀 的 屈 服 强 度 可 达 7 5 9 M P a 。
8 .5.2 高破 片率 弹体材 料
弹 体 材 料 技 术 是 采 用 碳 钢 、 合 金 钢 、 珠 光 体 可 锻 铸 铁 、 球 墨 铸 铁 、 铝 合 金 、 镁 合 金 、 钛 合 金 和 复 合
材 料 等 材 料 与 制 造 技 术 制 成 不 同 形 状 与 结 构 弹 体 的 技 术 。
弹 体 是 炮 弹 、 火 箭 弹 、 炸 弹 和 战 术 导 弹 等 弹 药 战 斗 部 的 重 要 部 件 之 一 。 它 们 是 战 斗 部 的 外 壳 ， 具 有
实 心 或 空 心 结 构 ， 赋 予 战 斗 部 内 弹 道 和 外 弹 道 所 需 的 性 能 以 及 杀 伤 、 侵 彻 或 破 坏 等 终 点 弹 道 效 应 。
炮 弹 、 火 箭 弹 、 炸 弹 和 战 术 导 弹 等 弹 种 的 普 遍 发 展 趋 势 是 减 轻 消 极 重 量 ， 增 大 射 程 ， 增 加 弹 体 的 有
效 载 荷 ， 从 而 提 高 战 斗 部 的 杀 伤 、 侵 彻 和 破 坏 威 力 。 弹 体 材 料 技 术 对 实 现 上 述 发 展 目 标 具 有 关 键 作 用 。
近 年 ， 国 外 弹 体 材 料 技 术 的 发 展 方 向 和 重 要 研 究 领 域 是 ： 具 有 一 定 韧 性 、 屈 服 强 度 超 过 1 1 0 0 兆 帕 （ M P a ）
的 薄 壁 弹 体 用 高 强 度 合 金 钢 ； 高 破 片 钢 和 预 制 破 片 技 术 ； 易 脆 穿 甲 弹 材 料 技 术 ； 深 层 侵 彻 弹 弹 体 材 料 技
术 ； 特 种 功 能 碳 纤 维 弹 体 ； 低 、 中 密 度 活 性 金 属 弹 体 材 料 技 术 ； 导 弹 弹 体 新 材 料 技 术 。
创 伤 机 理 研 究 表 明 ， 弹 体 破 片 如 果 具 有 7 8 . 5 J 的 动 能 ， 就 能 使 人 员 致 伤 ， 甚 至 丧 命 。 大 批 人 员 伤 亡
必 将 增 加 部 队 后 勤 服 务 ， 影 响 士 气 。 破 片 动 能 是 破 片 质 量 与 破 片 速 度 平 方 的 乘 积 ， 减 小 破 片 质 量 提 高 其
速 度 ， 这 样 不 但 不 会 降 低 破 片 的 杀 伤 威 力 ， 反 而 会 有 所 增 大 。 在 7 0 年 代 后 期 ， 高 强 度 高 破 片 率 弹 体 钢
得 到 了 发 展 。 这 种 钢 可 以 减 薄 弹 体 壁 厚 ， 增 大 装 药 量 ， 装 填 能 量 更 高 的 炸 药 ， 提 高 弹 体 杀 伤 威 力 。 当 然
破 片 质 量 的 减 小 是 有 一 定 限 度 的 ， 因 为 过 小 质 量 的 破 片 ， 其 速 度 衰 减 也 快 ， 同 样 会 影 响 杀 伤 能 力 ， 所 以
存 在 破 片 质 量 最 佳 问 题 。 同 时 ， 还 应 指 出 的 是 目 前 榴 弹 除 了 杀 伤 、 爆 炸 功 能 外 ， 还 向 穿 、 爆 、 燃 功 能 发
展 ， 这 种 具 备 多 种 破 坏 能 力 的 弹 体 材 料 已 经 研 制 成 功 。
高 破 片 率 弹 体 材 料 的 技 术 途 径 是 ： ① 添 加 合 金 化 脆 性 元 素 ， 提 高 钢 的 强 度 ， 增 大 钢 的 脆 性 ； ② 通 过
热 处 理 工 艺 形 成 脆 性 的 显 微 组 织 （ 如 网 状 组 织 ） ； ③ 预 制 破 片 控 制 弹 体 在 爆 炸 时 的 断 裂 过 程 ， 减 小 破 片
尺 寸 ， 增 加 破 片 数 量 。 高 破 片 率 弹 体 钢 已 广 泛 用 于 各 种 口 径 的 榴 弹 弹 体 ， 其 大 致 可 分 为 下 述 几 类 （ 见 表
8 - 2 0 ） 。
表 8 - 2 0 高 破 片 率 弹 体 钢 的 种 类 及 屈 服 强 度
钢 的 种 类 屈 服 强 度 （ M p a ）
高 碳 合 金 钢 1 3 7 5
中 碳 高 硅 钢 9 6 0 . 4
中 碳 锰 钢 9 6 0 . 4
中 碳 磷 钢 1 2 3 4 . 8
高 碳 高 硅 钢 1 3 7 2
这 些 钢 与 以 往 采 用 的 普 通 炮 弹 弹 体 钢 （ 如 热 冲 的 A I S I 1 0 5 0 钢 、 冷 挤 的 1 0 1 8 碳 钢 ） 相 比 ， 具 有 以 下
一 些 特 点 ：
( 1 ) 传 统 的 炮 弹 弹 体 材 料 为 碳 钢 ， 最 大 含 碳 量 为 0 . 6 5 % 。 美 国 的 1 0 5 0 钢 的 最 高 含 碳 量 0 . 5 5 % ， 1 0 1 8
钢 的 含 碳 量 为 0 . 1 5 ～ 0 . 2 0 % 。 钢 中 含 锰 量 最 大 为 1 . 3 0 % ， 1 0 5 0 钢 小 于 1 . 0 % ， 1 0 1 8 钢 为 0 . 6 ～ 0 . 9 % 。 磷 、
硫 含 量 为 控 制 元 素 ， 磷 量 小 于 0 . 0 4 % ， 硫 量 小 于 0 . 7 5 % ， 1 0 5 0 、 1 0 1 8 钢 的 含 硅 量 分 别 低 于 0 . 3 0 、 0 . 2 0 % 。
高 破 片 率 弹 体 钢 突 破 了 原 来 的 界 限 ， 大 幅 度 增 加 碳 、 锰 、 硅 的 含 量 ， 其 含 碳 量 有 的 可 高 达 1 . 4 % ，锰 量 达 到 1 . 8 ％ ， 硅 量 甚 至 达 到 2 . 0 、 3 . 0 ％ 。 有 的 钢 中 还 加 入 硼 、 磷 、 钛 等 脆 化 元 素 。
( 2 ) 高 破 片 率 弹 体 材 料 必 须 进 行 热 处 理 ， 分 别 经 过 淬 火 处 理 、 等 温 处 理 和 正 火 处 理 ， 可 获 得 不 同 的
显 微 组 织 和 机 械 性 能 。 而 传 统 的 弹 钢 一 般 只 进 行 正 火 或 以 热 冲 态 使 用 。
( 3 ) 高 破 片 率 弹 体 材 料 的 屈 服 强 度 普 遍 高 于 传 统 的 弹 体 钢 ， 韧 性 等 于 或 低 于 老 钢 种 。 如 对 于 淬 、 回
火 状 态 下 的 屈 服 强 度 ， 高 破 片 率 钢 大 于 6 8 6 M P a ， 而 1 0 5 0 钢 的 小 于 5 4 0 M P a 。 对 于 室 温 断 裂 韧 性 ， 高 破
1 / 2 1 / 2
片 率 弹 体 钢 H F I 为 5 6 ～ 8 4 . 9 M P a m 。 而 1 0 5 0 、 1 0 1 8 钢 分 别 为 8 1 、 4 2 . 4 M P a m 。 等 温 处 理 的 H F I 钢 断
1 / 2
裂 韧 性 更 低 ， 仅 2 9 M P a m 。
( 4 ) 高 破 片 率 弹 体 材 料 由 于 含 有 较 多 的 硅 、 锰 等 合 金 元 素 ， 强 度 高 ， 韧 性 低 ， 缺 口 敏 感 性 大 ， 因 此 ，
需 要 研 究 新 的 热 加 工 工 艺 和 切 削 加 工 技 术 。 所 以 一 些 新 型 制 造 技 术 如 中 温 拉 伸 、 多 模 拉 伸 、 静 液 挤 压 、
粉 末 锻 造 、 高 速 磨 削 等 弹 体 加 工 技 术 得 到 了 发 展 。 同 时 ， 针 对 高 破 片 率 弹 体 钢 缺 口 敏 感 性 大 ， 容 易 产 生
微 裂 纹 ， 需 要 研 究 新 型 的 无 损 检 测 技 术 ， 如 超 声 、 声 发 射 、 声 光 成 像 、 激 光 全 息 照 相 、 磁 扰 法 等 测 试 技
术 。
8 . 5 2 . 1 高 破 片 钢 和 预 制 破 片 技 术
高 破 片 钢 在 炸 药 爆 轰 力 作 用 下 ， 产 生 具 有 不 同 尺 寸 和 重 量 的 大 量 有 效 破 片 ， 对 人 员 和 物 体 目 标 实
施 最 大 杀 伤 和 破 坏 ， 是 国 外 研 究 和 发 展 的 重 要 弹 体 用 钢 之 一 。 这 种 钢 的 高 破 片 性 能 与 钢 中 的 化 学 成 分 有
直 接 关 系 。 为 了 获 得 具 有 高 破 片 性 能 的 钢 材 ， 美 国 研 究 过 多 种 中 到 高 碳 含 量 的 碳 钢 以 及 多 种 合 金 钢 （ 包
括 工 具 钢 、 轴 承 钢 、 高 磷 标 准 合 金 钢 、 硼 钢 和 特 种 钢 等 ） ， 获 得 了 大 量 技 术 数 据 。
通 过 大 量 对 比 研 究 ， 美 国 最 后 选 择 了 美 国 金 相 组 织 锰 合 金 钢 和 H F - 1 特 种 高 碳 锰 － 硅 合 金 钢 用 于
高 破 片 钢 ， 并 制 定 了 相 应 的 军 用 标 准 。 A I S I 5 2 1 0 0 轴 承 钢 曾 用 于 制 造 M 4 0 9 式 1 5 2 毫 米 ( m m ) 多 用 途 弹 弹
体 ， 后 因 存 在 问 题 而 停 止 使 用 。 这 3 种 高 破 片 钢 的 化 学 成 分 列 于 表 8 - 2 1 。 H F - 1 高 破 片 钢 的 屈 服 强 度 为
9 6 5 M P a ， 最 小 延 伸 率 为 5 ％ 。 目 前 ， H F - 1 高 破 片 钢 已 用 于 许 多 弹 种 ， 例 如 1 0 5 m m X M 9 2 7 式 火 箭 增 程 弹 、
1 5 5 m m M 5 4 9 式 火 箭 增 程 弹 、 1 5 5 m m M 7 9 5 式 高 爆 榴 弹 以 及 2 0 3 m m M 6 5 0 式 火 箭 增 程 弹 等 。 A I S I 1 3 4 0
钢 的 屈 服 强 度 为 5 5 2 ～ 9 6 5 M P a 或 更 高 ， 1 5 5 m m M 4 8 3 式 子 母 榴 弹 母 弹 和 1 0 5 m m M 4 5 6 A 2 式 多 用 途 曳 光
反 坦 克 榴 弹 的 弹 体 采 用 了 该 材 料 。
其 它 国 家 还 研 究 并 应 用 高 破 片 钢 制 造 弹 体 。 例 如 英 国 的 1 5 5 m m L 1 5 式 榴 弹 弹 体 采 用 高 破 片 钢 ，
使 破 片 的 数 量 增 加 到 美 国 1 5 5 m m M 1 0 7 式 榴 弹 破 片 数 量 的 4 倍 。 瑞 典 博 福 斯 公 司 的 1 5 5 m m M 7 7 式 榴 弹
弹 体 也 采 用 了 高 破 片 钢 。
此 外 ， 国 外 还 通 过 在 弹 体 上 预 制 沟 槽 或 压 痕 ， 在 预 制 沟 槽 中 嵌 入 形 状 记 忆 合 金 ， 在 弹 体 内 腔 的 炸 药
中 镶 嵌 钢 丝 、 钢 珠 或 钨 合 金 球 体 等 预 制 破 片 技 术 ， 使 弹 体 产 生 大 量 有 效 破 片 ， 并 控 制 破 片 的 分 布 。 例 如 ，
美 国 海 军 用 冲 床 把 一 个 可 膨 胀 的 金 属 丝 网 压 入 大 口 径 弹 体 内 腔 预 制 破 片 。 该 方 法 具 有 成 本 低 、 生 产 效 率
高 的 特 点 。 南 非 研 制 的 1 2 2 m m R O 1 2 2 式 火 箭 弹 战 斗 部 ， 其 内 部 炸 药 装 药 中 嵌 入 9 8 6 0 个 钢 珠 。 这 些 钢 珠
的 破 片 效 应 大 大 高 于 铸 钢 战 斗 部 形 成 的 不 规 则 、 较 大 破 片 的 效 应 。 法 国 汤 姆 逊 － 布 朗 德 兵 器 公 司 在 导 弹
弹 体 上 预 制 的 方 形 横 截 面 浅 槽 中 嵌 入 铜 - 铝 - 镍 导 电 形 状 记 忆 合 金 。 该 合 金 通 电 被 加 热 到 1 5 0 ℃ 左 右 后 ， 发
生 相 变 变 形 ， 使 其 横 截 面 增 大 ， 对 预 制 槽 两 个 侧 壁 产 生 2 0 0 M P a 的 轴 向 压 力 ， 从 而 使 弹 体 出 现 裂 纹 ， 产
生 预 制 的 破 片 数 量 。 C u A l N i 形 状 记 忆 合 金 的 马 氏 体 － 奥 氏 体 相 变 温 度 可 用 合 金 成 分 调 节 到 － 5 0 ℃ 至
2 0 0 ℃ 。
表 8 - 2 1 三 种 高 破 片 钢 的 化 学 成 分
钢 种 碳 （ ％ ） 锰 （ ％ ） 磷 （ ％ ） 硫 （ ％ ） 硅 （ ％ ） 铬 ( ％ )
A I S I 5 2 1 0 0 0 . 9 5 ～ 1 . 1 0 0 . 2 5 ～ 0 . 4 5 0 . 0 2 5 0 . 0 2 5 0 . 1 5 ～ 0 . 3 0 1 . 3 ～ 1 . 6 0
A I S I 1 3 4 0 0 . 3 8 ～ 0 . 4 3 1 . 6 0 ～ 1 . 9 0 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 0 . 1 5 ～ 0 . 3 0 －
H F - 1 1 . 0 0 ～ 1 . 1 5 1 . 6 0 ～ 1 . 9 0 0 . 0 3 5 0 . 0 4 0 0 . 7 0 ～ 1 . 0 0 －8 . 5 . 2 . 2 易 脆 穿 甲 弹 材 料
采 用 易 脆 弹 体 的 穿 甲 弹 一 般 是 口 径 为 2 0 － 3 5 m m 的 小 口 径 弹 ， 口 径 也 可 增 大 到 5 0 m m 。 它 们 具 有
次 口 径 脱 壳 和 全 口 径 结 构 。 易 脆 穿 甲 弹 的 实 际 意 义 是 ， 该 弹 采 用 易 脆 弹 体 （ 无 引 信 和 炸 药 ） ， 在 射 击 前 具
有 足 够 的 送 弹 强 度 和 发 射 强 度 ， 在 击 中 目 标 时 具 有 穿 甲 弹 和 榴 弹 的 双 重 威 力 ， 即 具 有 轴 向 穿 透 与 径 向 产
生 大 量 高 能 量 毁 伤 破 片 的 综 合 功 能 。 为 了 提 高 该 弹 的 威 力 ， 易 脆 弹 体 还 可 以 与 自 燃 金 属 及 穿 透 能 力 强 的
重 金 属 复 合 ， 使 其 具 有 破 片 功 能 的 同 时 ， 还 具 有 纵 火 功 能 及 较 强 的 穿 甲 威 力 。 它 们 可 用 机 载 或 装 甲 车 载
火 炮 发 射 ， 初 速 为 每 秒 1 0 0 0 秒 以 上 ， 射 击 精 度 高 。 这 类 易 脆 弹 适 用 于 防 空 （ 毁 伤 飞 机 、 直 升 机 和 导 弹 等
目 标 ） 、 攻 击 地 面 目 标 （ 例 如 轻 型 装 甲 车 辆 、 通 讯 设 施 、 指 挥 所 和 野 战 军 械 库 等 ） 以 及 打 击 小 型 舰 船 。 因
此 ， 它 们 倍 受 国 外 青 睐 ， 已 成 为 穿 甲 弹 的 发 展 方 向 之 一 。 美 国 、 德 国 、 瑞 士 、 加 拿 大 和 荷 兰 等 国 都 在 积
极 研 制 和 应 用 各 类 结 构 的 小 口 径 易 脆 穿 甲 弹 。
易 脆 穿 甲 弹 的 关 键 是 研 制 具 有 最 佳 破 片 性 能 的 易 脆 弹 体 ， 设 计 合 理 的 复 合 结 构 弹 体 ， 使 易 脆 弹 体
与 自 燃 金 属 部 件 及 重 金 属 弹 芯 最 佳 配 合 。 采 用 易 脆 材 料 技 术 、 适 宜 的 材 料 制 造 工 艺 以 及 预 制 破 片 技 术 ，
可 获 得 具 有 最 佳 破 片 性 能 的 易 脆 弹 体 。
8 . 5 . 2 . 3 深 层 侵 彻 弹 弹 体 材 料
为 了 使 重 要 的 战 略 设 施 有 效 防 止 敌 方 攻 击 ， 一 些 国 家 把 它 们 建 造 到 地 下 数 米 ， 甚 至 1 8 米 的 隐 蔽
深 处 。 为 了 对 付 这 类 深 层 目 标 ， 美 国 和 英 国 等 国 家 都 在 积 极 研 究 深 层 侵 彻 炸 弹 。 高 强 度 弹 体 材 料 是 实 现
深 层 侵 彻 的 关 键 技 术 之 一 。
在 海 湾 战 争 中 ， 美 国 陆 军 曾 用 废 弃 的 炮 管 制 造 4 7 0 0 磅 G B U － 2 8 穿 地 炸 弹 ， 可 有 效 侵 彻 2 m 深
度 。 美 国 空 军 和 特 殊 武 器 防 御 局 研 制 了 一 系 列 新 的 深 层 侵 彻 弹 ， 例 如 研 制 的 A U P - 1 钢 弹 大 约 侵 彻 3 . 6 ～
5 . 5 m 深 度 。 该 弹 直 径 为 2 5 . 4 厘 米 （ c m ） ， 通 过 高 强 度 钢 弹 体 实 现 侵 彻 。 美 国 国 防 部 还 研 制 了 侵 彻 深 度 达
6 m 的 重 金 属 侵 彻 弹 。 英 国 防 御 评 估 与 研 究 局 正 在 研 制 侵 彻 深 度 超 过 6 m 的 钨 弹 体 战 斗 部 。
8 . 5 . 2 . 4 特 种 功 能 碳 纤 维 弹 体
国 外 已 研 究 和 应 用 碳 纤 维 制 造 弹 体 。 碳 纤 维 弹 体 在 炸 药 爆 炸 力 作 用 下 ， 产 生 非 常 密 的 碳 纤 维 云 ，
可 在 空 中 飘 浮 一 段 时 间 。 碳 纤 维 云 由 非 常 细 （ 几 千 分 之 一 英 寸 ） 的 碳 纤 维 丝 组 成 ， 可 粘 附 到 任 何 物 体 上
或 渗 入 其 中 。 它 们 进 入 电 子 装 置 和 电 气 设 备 ， 使 其 短 路 或 击 穿 而 失 效 。 因 此 ， 碳 纤 维 弹 体 在 不 伤 害 人 员
的 情 况 下 ， 能 使 飞 机 跑 道 上 的 电 子 设 备 、 电 网 以 及 雷 达 天 线 与 有 关 设 备 瘫 痪 ， 从 而 达 到 压 制 和 打 击 敌 方
武 器 装 备 的 目 的 。
据 报 道 ， 美 国 空 军 曾 秘 密 研 究 碳 纤 维 风 向 修 正 弹 药 撒 布 器 。 该 撒 布 器 是 容 纳 多 个 子 弹 药 的 弹 体 ，
由 飞 机 从 高 空 投 向 地 面 ， 可 击 中 地 面 半 径 约 为 1 5 m 范 围 的 目 标 。 美 国 海 军 曾 用 战 斧 导 弹 携 带 的 碳 纤 维 战
斗 部 攻 击 伊 拉 克 的 电 厂 ， 使 其 完 全 瘫 痪 。
8 . 5 . 2 . 5 低 、 中 密 度 活 性 金 属 弹 体 材 料
钢 是 广 泛 应 用 的 重 要 弹 体 材 料 之 一 。 但 是 ， 钢 弹 体 的 一 个 重 要 缺 点 是 ， 产 生 的 破 片 会 飞 向 较 远
的 地 方 ， 造 成 附 加 毁 伤 问 题 ， 因 而 不 适 宜 攻 击 要 求 附 加 毁 伤 小 的 目 标 。
国 外 研 究 表 明 ， 铝 、 镁 和 锌 是 活 泼 金 属 ， 具 有 较 高 的 氧 化 性 能 及 较 高 的 燃 烧 能 量 ， 其 成 本 为 中
到 低 等 。 它 们 不 仅 可 提 高 战 斗 部 对 某 些 目 标 的 毁 伤 效 果 ， 还 把 附 加 毁 伤 降 低 到 最 低 程 度 ， 有 可 能 在 改 进
的 弹 药 中 取 代 钢 质 弹 体 。
在 上 述 三 种 材 料 中 ， 铝 被 认 为 是 最 有 前 途 的 弹 体 材 料 。 有 人 研 究 后 指 出 ， 2 ～ 3 . 5 克 （ g ） 重 的 铝
破 片 能 够 以 大 于 每 秒 3 公 里 速 度 抛 出 。 铝 破 片 对 飞 机 机 体 的 破 坏 程 度 远 远 超 过 钨 、 钛 和 钢 制 破 片 ， 可 有
效 摧 毁 战 斗 机 、 雷 达 车 和 铝 合 金 装 甲 车 等 目 标 。 铝 还 有 一 个 潜 在 的 重 要 优 点 ， 即 铝 氧 化 产 生 的 能 量 比 等
体 积 炸 药 产 生 的 能 量 大 ， 前 者 8 3 . 4 千 焦 耳 / 立 方 厘 米 ( k J / c m ) , 后 者 为 6 . 3 ～ 8 . 3 k J / c m 3 。 问 题 是 铝 释 放 能 量
的 速 率 低 于 炸 药 爆 炸 时 释 放 能 量 的 速 率 。 因 此 ， 需 研 究 使 铝 迅 速 氧 化 和 释 放 能 量 的 途 径 。
8 . 5 . 2 . 6 导 弹 弹 体 新 材 料
国 外 导 弹 弹 体 材 料 技 术 的 发 展 新 动 向 是 ， 研 制 耐 高 温 的 轻 型 纤 维 增 强 陶 瓷 壳 体 和 坚 硬 的 碳 化 钨
弹 头 ， 以 便 满 足 超 高 速 导 弹 的 战 术 技 术 需 求 ； 发 展 减 轻 导 弹 消 极 重 量 的 树 脂 基 复 合 材 料 。
( 1 ) 超 高 速 导 弹 弹 体 材 料 技 术为 了 适 应 现 代 战 争 的 需 求 ， 有 效 对 付 快 速 运 动 的 目 标 ， 例 如 主 战 坦 克 、 直 升 机 和 导 弹 等 机 动 目
标 ， 国 外 研 究 了 超 高 速 （ 大 约 1 5 0 0 ～ 2 0 0 0 m / s ） 导 弹 。 德 国 设 计 的 超 高 速 导 弹 最 初 用 于 对 付 主 战 坦 克 ，
后 来 把 重 点 转 向 了 防 空 。 美 国 和 瑞 典 等 国 也 都 在 研 制 超 高 速 导 弹 。
发 展 超 高 速 导 弹 需 采 用 耐 高 温 的 轻 型 壳 体 和 侵 彻 能 力 强 的 坚 硬 弹 头 。 国 外 研 究 用 纤 维 增 强 陶 瓷
和 碳 化 钨 新 材 料 技 术 满 足 了 上 述 关 键 需 求 。
超 高 速 导 弹 由 于 速 度 高 ， 弹 体 突 出 部 位 （ 例 如 弹 尖 、 边 棱 和 角 ） 的 表 面 与 空 气 摩 擦 可 能 被 加 热
到 较 高 温 度 。 在 金 属 材 料 中 ， 只 能 选 择 钨 和 钼 等 耐 高 温 材 料 ， 才 能 承 受 这 样 的 高 温 。 这 类 金 属 材 料 的 两
个 重 大 缺 点 是 ： 在 大 约 8 0 0 ℃ 温 度 下 开 始 软 化 ， 强 度 下 降 ， 因 而 需 采 用 附 加 的 冷 却 和 隔 热 系 统 ； 重 量 大 ，
限 制 导 弹 的 飞 行 速 度 。 为 了 克 服 上 述 缺 点 ， 德 国 研 究 了 用 碳 纤 维 增 强 的 碳 化 硅 （ C / S i C ） 、 碳 纤 维 增 强 的
碳 （ C / C ） 和 碳 化 硅 纤 维 增 强 的 碳 化 硅 （ S i C / S i C ） 等 纤 维 增 强 陶 瓷 制 造 头 锥 、 尾 锥 和 整 流 罩 等 弹 体 部 件 。
增 强 纤 维 可 为 长 纤 维 、 短 纤 维 或 长 、 短 纤 维 混 合 物 。 这 些 纤 维 增 强 陶 瓷 具 有 低 密 度 、 耐 高 温 、 耐 氧 化 、
耐 磨 损 、 高 温 强 度 、 耐 高 温 交 变 应 力 、 气 密 性 、 液 密 性 以 及 高 导 热 性 ， 用 作 弹 体 某 些 部 件 可 以 不 采 用 冷
却 或 隔 热 措 施 。 与 金 属 相 比 ， 纤 维 增 强 陶 瓷 头 锥 至 少 可 以 减 轻 1 k g ， 纤 维 增 强 陶 瓷 尾 锥 减 轻 3 公 斤 。
美 国 L o r a l V o u g h t 系 统 公 司 为 空 军 、 陆 军 和 海 军 陆 战 队 研 究 了 超 高 速 导 弹 碳 化 钨 弹 头 。 瑞 典 的
国 防 器 材 管 理 局 研 究 了 称 作 巴 斯 特 （ B u s t e r ） 的 超 高 速 导 弹 。 该 导 弹 采 用 碳 化 钨 长 杆 弹 芯 ， 可 在 4 0 0 ～
4 0 0 0 m 射 程 内 全 方 位 侵 彻 未 来 的 主 战 坦 克 装 甲 。 碳 化 钨 是 一 种 坚 硬 的 高 密 度 陶 瓷 ， 通 常 由 碳 化 钨 和 少 量
其 它 金 属 元 素 构 成 。 例 如 一 种 穿 甲 弹 用 碳 化 钨 含 镍 3 ～ 4 ％ ， 铁 0 . 4 ～ 0 . 8 % ， 钴 0 . 0 5 ～ 0 . 2 % ， 其 余 为 碳 化
钨 。 该 碳 化 钨 陶 瓷 的 密 度 为 1 4 . 9 克 、 立 方 厘 米 （ g / c m 3 ） ， 洛 氏 硬 度 为 8 6 ～ 9 2 , 静 态 压 缩 强 度 为 4 . 4 2 千 兆
帕 ， 静 态 抗 拉 强 度 为 0 . 2 4 ～ 0 . 2 7 千 兆 帕 。
( 2 ) 树 脂 基 复 合 材 料 弹 体 材 料 技 术
树 脂 基 复 合 材 料 是 国 外 研 究 和 应 用 于 导 弹 的 重 要 轻 型 材 料 之 一 。 它 们 可 降 低 导 弹 的 重 量 ， 提 高 其
机 动 性 。 例 如 德 国 的 D i e h l 公 司 和 T e l e f u n k e n 系 统 。
8 . 5 . 3 弹 托 与 尾 翼 材 料 技 术
弹 托 与 尾 翼 是 炮 弹 和 导 弹 上 的 重 要 部 件 。 它 们 对 减 轻 弹 上 的 消 极 重 量 ， 提 高 初 速 与 飞 行 稳 定 性 ， 精
确 击 中 目 标 ， 具 有 关 键 作 用 。
弹 托 材 料 技 术 是 采 用 轻 质 材 料 和 适 当 的 制 造 工 艺 制 造 弹 托 ， 使 其 在 膛 内 承 受 高 加 速 负 荷 与 短 时
间 的 高 应 力 ， 在 炮 口 能 可 靠 而 迅 速 地 与 弹 芯 分 离 的 技 术 。 弹 托 通 过 结 合 槽 或 齿 与 弹 芯 连 为 一 体 ， 是 次 口
径 脱 壳 穿 甲 弹 不 可 缺 少 的 部 件 。 它 必 须 保 证 炮 弹 在 膛 内 安 全 运 行 ， 把 发 射 药 燃 烧 气 体 的 高 加 速 动 能 传 递
给 弹 芯 ， 在 炮 弹 脱 离 炮 口 的 瞬 间 与 弹 芯 分 离 ， 从 而 使 弹 芯 能 带 有 足 够 的 能 量 以 高 速 度 精 确 攻 击 目 标 。 弹
托 在 弹 上 是 消 极 重 量 ， 为 了 保 证 或 提 高 弹 芯 的 初 速 、 飞 行 精 度 及 侵 彻 能 量 ， 要 求 弹 托 的 质 量 尽 可 能 小 。
国 外 研 究 了 大 量 质 量 小 、 负 荷 高 的 新 型 弹 托 材 料 ， 例 如 聚 丙 烯 、 环 氧 、 聚 酯 改 性 的 聚 酰 胺 6 及 弹 性 体 改
性 的 聚 酰 胺 6 等 树 脂 材 料 ， 缠 绕 形 成 弹 托 用 的 玻 璃 纤 维 和 热 解 石 墨 等 具 有 高 抗 拉 强 度 的 长 纤 维 材 料 ， 碳
纤 维 增 强 热 塑 性 塑 料 与 玻 璃 纤 维 增 强 尼 龙 等 纤 维 增 强 材 料 ， 聚 合 物 复 合 材 料 以 及 在 纤 维 增 强 材 料 上 等 离
子 喷 涂 铝 基 合 金 等 。
尾 翼 材 料 技 术 是 采 用 重 量 轻 、 机 械 强 度 高 以 及 耐 内 外 弹 道 烧 蚀 的 材 料 与 制 造 技 术 制 造 各 种 结 构
尾 翼 ， 使 弹 丸 在 外 弹 道 稳 定 飞 行 ， 最 后 精 确 击 毁 目 标 的 技 术 。 尾 翼 的 主 要 功 能 是 使 弹 丸 在 外 弹 道 稳 定 飞
行 ， 从 而 精 确 击 毁 预 定 的 目 标 。 国 外 曾 采 用 较 重 的 钢 制 尾 翼 ， 现 普 遍 采 用 涂 覆 各 种 耐 烧 蚀 保 护 涂 层 的 铝
合 金 尾 翼 ， 正 在 发 展 新 材 料 技 术 ， 制 造 比 铝 合 金 更 轻 的 尾 翼 。 新 研 制 的 尾 翼 材 料 除 了 重 量 轻 之 外 ， 还 必
须 具 有 高 机 械 强 度 ， 能 够 耐 内 、 外 弹 道 烧 蚀 。 以 长 杆 穿 甲 弹 为 例 ， 其 尾 翼 在 炮 膛 内 必 须 经 受 大 约 3 4 0 0 ( 开
氏 度 ) k 高 温 、 大 约 5 0 0 兆 帕 （ M P a ） 膛 压 和 大 约 1 0 0 秒 / 米 ( m / s ) 发 射 药 粒 子 的 撞 击 ， 这 种 使 用 条 件 易 于 使
铝 合 金 表 面 的 保 护 涂 层 剥 落 而 发 生 烧 蚀 ； 当 长 杆 弹 芯 离 开 炮 口 时 ， 反 向 炮 口 气 流 有 可 能 使 屈 服 强 度 不 够
的 尾 翼 弯 曲 变 形 ， 甚 至 破 坏 ， 从 而 影 响 弹 芯 的 飞 行 稳 定 性 和 射 击 精 度 ； 在 外 弹 道 ， 弹 丸 高 速 或 超 高 速 飞
行 ， 尾 翼 的 边 棱 和 凸 缘 与 气 流 摩 擦 可 能 在 其 表 面 产 生 高 温 ， 也 非 常 容 易 发 生 热 烧 蚀 。 国 外 尾 翼 材 料 技 术
的 研 究 动 向 是 ， 研 究 塑 料 材 料 技 术 ， 发 展 耐 高 温 尾 翼 材 料 技 术 ， 研 究 用 材 料 的 形 状 记 忆 功 能 改 变 翼 片 的方 向 ， 从 而 控 制 和 制 导 弹 丸 飞 行 方 向 。
弹 托 与 尾 翼 材 料 技 术 是 炮 弹 和 导 弹 的 关 键 技 术 。 它 们 将 对 战 斗 部 的 战 术 技 术 性 能 产 生 下 列 重 大 影 响 ：
（ 1 ） 弹 托 采 用 轻 质 材 料 技 术 ， 可 减 轻 穿 甲 弹 的 消 极 重 量 ， 从 而 提 高 弹 芯 的 初 速 、 飞 行 精 度 以 及
侵 彻 能 量 。 例 如 ， 用 A Z 9 1 镁 基 合 金 或 者 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 取 代 铝 合 金 制 造 一 种 试 验 穿 甲 弹 的 弹 托 ， 可
减 轻 弹 托 质 量 大 约 3 0 ％ ， 减 少 试 验 弹 的 质 量 1 5 ～ 2 0 ％ 。
（ 2 ） 弹 托 采 用 形 状 记 忆 合 金 垫 片 ， 可 使 弹 托 在 炮 口 可 靠 地 与 弹 芯 分 离 ， 从 而 确 保 弹 芯 的 射 击 精
度 与 威 力 。
（ 3 ） 尾 翼 采 用 机 械 强 度 高 以 及 耐 内 、 外 弹 道 烧 蚀 的 轻 质 材 料 技 术 ， 可 保 证 弹 丸 能 在 外 弹 道 稳 定
飞 行 ， 从 而 精 确 击 毁 目 标 。 电 磁 轨 道 炮 发 射 的 超 高 速 动 能 长 杆 穿 甲 弹 以 及 超 高 速 导 弹 必 需 采 用 耐 高 温 、
耐 烧 蚀 的 轻 质 材 料 技 术 ， 才 能 实 现 其 战 术 技 术 指 标 。
（ 4 ） 尾 翼 采 用 形 状 记 忆 合 金 材 料 技 术 ， 可 利 用 材 料 的 形 状 记 忆 功 能 不 仅 保 证 战 斗 部 在 外 弹 道 稳
定 飞 行 ， 还 能 控 制 和 制 导 战 斗 部 的 航 向 。
8 . 5 . 3 . 1 弹 托 材 料 技 术
（ 1 ） 镁 基 合 金
法 、 德 圣 － 路 易 研 究 院 研 究 了 镁 基 合 金 以 及 用 玻 璃 纤 维 或 碳 纤 维 增 强 的 树 脂 基 复 合 材 料 制 造 弹 托
的 可 行 性 。 把 用 试 验 材 料 制 的 弹 托 安 装 到 直 径 8 毫 米 （ m m ） 、 长 1 5 0 m m 、 质 量 1 4 0 克 （ g ） 的 重 金 属 试
验 弹 芯 上 制 成 试 验 弹 ， 然 后 在 火 炮 中 发 射 该 试 验 弹 进 行 加 速 试 验 。 火 炮 以 5 0 0 0 巴 （ b a r ） 以 上 膛 压 发 射
试 验 弹 ， 将 其 加 速 到 1 0 的 6 次 方 米 / 秒 ( m / s ) 以 上 。 在 离 炮 口 大 约 1 . 5 米 ( m ) 处 拍 摄 X 射 线 照 片 ， 以 便 观 察
试 验 结 果 。
试 验 结 果 表 明 ， A Z 9 1 镁 基 合 金 和 玻 璃 纤 维 增 强 的 环 氧 弹 托 对 应 变 速 率 敏 感 ， 具 有 较 高 的 压 缩 强
度 ， 可 承 受 高 应 力 和 高 加 速 负 荷 。 与 试 验 铝 合 金 弹 托 相 比 ， 上 述 两 种 材 料 减 少 弹 托 质 量 大 约 3 0 ％ ， 减 少
试 验 弹 的 质 量 1 5 ～ 2 0 ％ 。
（ 2 ） 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料
法 、 德 圣 － 路 易 研 究 院 试 验 弹 托 用 的 玻 璃 纤 维 增 强 环 氧 树 脂 复 合 材 料 由 与 主 应 力 平 行 取 向 的 E -
玻 璃 粗 纱 与 环 氧 组 成 。 环 氧 含 量 为 3 5 ％ （ 重 量 ） 或 5 0 ％ （ 体 积 ） 。 该 复 合 材 料 的 力 学 性 能 是 ： 密 度 2 . 0
克 / 立 方 厘 米 ( g / c m 3 ) ， 抗 弯 强 度 9 0 0 兆 帕 ( M P a ) ， 抗 拉 强 度 9 0 0 M P a ， 弹 性 模 量 3 6 千 兆 帕 ( G P a ) ， 破 坏 应
变 小 于 2 ％ 。 动 态 压 缩 试 验 表 明 ， 该 材 料 在 试 验 的 纤 维 增 强 树 脂 基 复 合 材 料 中 具 有 最 高 的 压 缩 强 度 ， 最
低 的 破 坏 应 变 。
美 国 的 一 种 专 利 方 法 是 ， 用 多 个 多 层 纤 维 增 强 树 脂 复 合 材 料 单 元 制 造 坦 克 炮 射 尾 翼 稳 定 脱 壳 穿 甲
弹 弹 托 。 该 方 法 的 两 个 主 要 优 点 是 ： 在 不 改 变 政 府 批 准 的 制 造 方 法 前 提 下 ， 提 高 了 弹 托 的 性 能 ； 生 产 成
本 最 低 。
例 如 一 种 扇 形 弹 托 组 件 的 材 料 结 构 是 ， 用 多 个 六 层 （ O 、 O 、 + α 、 - α 、 O 、 O ） 纤 维 增 强 复 合 材 料
单 元 制 成 的 复 合 结 构 。 在 六 层 材 料 单 元 中 ， O 表 示 增 强 纤 维 以 与 弹 托 纵 轴 平 行 取 向 的 方 式 分 布 ， + α 表 示
增 强 纤 维 以 与 弹 托 纵 轴 成 任 意 正 角 的 取 向 方 式 分 布 ， - α 表 示 增 强 纤 维 以 与 弹 托 纵 轴 成 任 意 负 角 的 取 向 方
式 分 布 。 与 用 传 统 四 层 （ O 、 + 4 5 、 - 4 5 、 O ） 纤 维 增 强 复 合 材 料 单 元 制 造 的 扇 形 弹 托 组 件 相 比 ， 上 述 六 层
材 料 单 元 扇 形 弹 托 也 具 有 较 高 的 强 度 和 刚 性 ， 减 少 质 量 2 0 ％ 。
在 制 造 五 层 或 六 层 材 料 单 元 时 ， 可 采 用 碳 纤 维 、 凯 芙 拉 纤 维 或 玻 璃 纤 维 等 增 强 纤 维 ， 可 选 择 环 氧
或 聚 醚 亚 胺 等 热 固 性 或 热 塑 性 树 脂 。 可 先 使 纤 维 浸 渍 树 脂 ， 然 后 用 浸 渍 树 脂 的 纤 维 制 成 所 需 的 扇 形 弹 托
组 件 。 也 可 用 纤 维 预 先 制 成 扇 形 弹 托 组 件 ， 然 后 再 浸 渗 熔 化 的 树 脂 制 成 成 品 。
（ 3 ） 形 状 记 忆 合 金 在 弹 托 中 的 应 用 研 究
弹 托 在 炮 口 能 否 能 够 可 靠 并 迅 速 地 分 离 ， 直 接 影 响 弹 芯 的 射 击 精 度 与 威 力 。 传 统 的 次 口 径 脱 壳 穿
甲 弹 依 靠 空 气 进 入 弹 托 前 端 进 气 口 产 生 的 气 动 力 使 弹 托 与 弹 芯 分 离 ， 可 靠 性 较 差 。 美 国 陆 军 在 研 究 的 弹
托 结 构 中 利 用 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 分 离 垫 片 ， 较 好 地 解 决 了 弹 托 分 离 问 题 。 由 于 不 靠 气 动 力 分 离 弹 托 ， 在
每 个 弹 托 卡 瓣 的 前 端 可 加 工 去 除 部 分 材 料 ， 从 而 降 低 了 弹 托 的 质 量 。
分 离 垫 片 安 装 到 三 个 卡 瓣 侧 壁 之 间 以 及 卡 瓣 与 弹 芯 之 间 的 多 个 位 置 处 。 当 炮 弹 离 开 炮 口 的 瞬 间 ，分 离 垫 片 因 在 炮 膛 内 被 加 热 到 相 变 温 度 以 上 ， 而 从 马 氏 体 相 转 变 成 奥 氏 体 相 ， 使 其 在 马 氏 体 相 下 的 变 形
态 恢 复 到 原 来 的 形 态 ， 从 而 同 时 朝 侧 向 和 径 向 产 生 大 的 推 力 ， 使 弹 托 与 弹 芯 分 离 。
8 . 5 . 3 . 2 尾 翼 材 料 技 术
（ 1 ） 塑 料 材 料 技 术
与 铝 合 金 相 比 ， 塑 料 重 量 较 轻 ， 氧 化 时 放 热 较 少 。 如 果 塑 料 能 耐 内 外 弹 道 烧 蚀 ， 并 具 有 足 够 的
机 械 强 度 ， 它 可 用 作 尾 翼 材 料 。 美 国 能 源 部 和 美 国 陆 军 研 究 实 验 室 先 后 研 究 了 长 杆 脱 壳 穿 甲 弹 用 塑 料 或
聚 合 物 尾 翼 。 美 国 能 源 部 1 9 9 2 年 获 得 了 用 塑 料 或 其 它 材 料 制 造 长 杆 穿 甲 弹 尾 翼 的 专 利 。 美 国 陆 军 研 究 实
验 室 通 过 射 击 试 验 证 明 ， 塑 料 可 用 作 长 杆 穿 甲 弹 尾 翼 。
美 国 能 源 部 获 专 利 权 的 长 杆 穿 甲 弹 尾 翼 由 中 心 体 和 分 布 在 中 心 体 四 周 的 数 个 翼 片 组 成 。 中 心 体
和 翼 片 分 别 制 造 ， 然 后 用 模 塑 工 艺 把 它 们 组 合 成 一 体 ， 再 安 装 到 弹 芯 后 端 。 中 心 体 用 工 程 塑 料 或 聚 合 物
注 射 模 塑 而 成 。 翼 片 可 采 用 注 射 模 塑 工 程 塑 料 或 聚 合 物 ， 其 表 面 一 般 需 涂 覆 保 护 涂 层 或 防 摩 擦 涂 层 。 为
了 适 应 电 磁 轨 道 炮 发 射 穿 甲 弹 的 高 重 力 加 速 度 及 初 速 要 求 ， 翼 片 也 可 采 用 陶 瓷 、 填 充 钢 或 钛 的 聚 合 物 基
复 合 材 料 以 及 钛 、 铝 或 钢 等 金 属 。
美 国 陆 军 研 究 实 验 室 进 一 步 研 究 了 尾 翼 用 塑 料 材 料 。 该 实 验 室 选 择 8 种 航 空 、 航 天 工 业 用 或 民
用 塑 料 复 合 材 料 制 造 长 杆 穿 甲 弹 尾 翼 ， 试 验 了 它 们 的 可 行 性 。 在 专 用 试 验 装 置 上 进 行 不 飞 离 炮 膛 的 静 态
射 击 试 验 表 明 ， 其 中 的 3 种 尾 翼 材 料 被 铝 合 金 内 膛 烧 蚀 破 坏 ， 它 们 是 M X - 4 6 0 0 型 材 料 、 多 芳 基 醚 酮 和 用
6 . 4 m m 短 玻 璃 纤 维 增 强 的 多 芳 基 醚 酮 。
把 用 上 述 3 种 材 料 制 的 尾 翼 安 装 到 1 0 5 m m M - 7 3 5 式 长 杆 穿 甲 弹 上 ， 以 大 约 1 6 0 0 m / s 初 速 进 行 动
态 射 击 试 验 。 试 验 结 果 表 明 ， 只 有 注 射 模 塑 的 多 芳 基 醚 酮 尾 翼 获 得 了 偶 然 成 功 。 这 一 事 实 证 明 ， 厚 1 . 5 m m 、
质 量 为 标 准 铝 合 金 尾 翼 4 0 ％ 的 全 塑 多 芳 基 醚 酮 尾 翼 在 膛 内 基 本 上 无 烧 蚀 ， 能 够 使 1 0 5 m m M - 7 3 5 式 大 口
径 长 杆 穿 甲 弹 稳 定 飞 行 。 该 尾 翼 还 有 改 进 的 余 地 ， 例 如 把 其 厚 度 增 加 到 2 ～ 3 m m ， 可 提 高 强 度 ， 有 利 于
尾 翼 承 受 炮 膛 外 的 机 械 负 荷 。
（ 2 ） 耐 高 温 尾 翼 材 料 技 术
为 了 提 高 射 击 精 度 和 威 力 ， 炮 弹 和 导 弹 正 向 高 速 和 超 高 速 方 向 发 展 ， 例 如 ， 国 外 正 在 发 展 电 磁
轨 道 炮 发 射 的 超 高 速 动 能 长 杆 穿 甲 弹 与 超 高 速 导 弹 等 弹 种 。 为 了 适 应 超 高 速 弹 的 发 展 需 求 ， 尾 翼 需 采 用
耐 高 温 的 轻 型 材 料 。
德 国 莱 茵 金 属 工 业 股 份 公 司 研 究 了 碳 纤 维 或 玻 璃 纤 维 增 强 的 氧 化 铝 、 氧 化 锆 、 碳 化 硅 或 氮 化 硅
以 及 碳 化 硅 纤 维 增 强 的 钛 化 合 物 尾 翼 材 料 。 上 述 纤 维 增 强 陶 瓷 复 合 材 料 具 有 重 量 轻 ， 在 高 温 （ 1 7 0 0 ℃ ）
下 机 械 强 度 高 、 耐 磨 损 ， 摩 擦 系 数 低 以 及 热 传 导 比 铝 和 钢 慢 等 特 点 。 它 们 可 用 于 制 造 翼 片 或 部 分 翼 片 ，
例 如 翼 片 的 导 向 前 缘 、 外 缘 及 翼 片 的 前 半 部 分 。 可 采 用 铆 接 或 粘 接 方 法 ， 把 陶 瓷 翼 片 部 分 与 金 属 翼 片 部
分 结 合 为 一 体 。
德 国 的 另 外 一 家 公 司 研 究 了 用 碳 纤 维 增 强 的 碳 化 硅 、 碳 纤 维 增 强 的 碳 、 碳 化 硅 纤 维 增 强 的 碳 化
硅 材 料 ， 制 造 超 高 速 导 弹 的 固 定 尾 翼 、 燃 气 舵 气 体 操 纵 活 动 舵 和 栅 翼 等 尾 翼 部 件 。 美 国 能 源 部 研 究 了 用
增 强 或 未 增 强 的 陶 瓷 制 造 长 杆 穿 甲 弹 的 尾 翼 翼 片 。 这 些 陶 瓷 材 料 是 相 变 增 韧 的 锆 、 锆 增 韧 的 氧 化 铝 、 氮
化 硅 、 碳 化 硅 和 二 氧 化 硅 基 晶 须 增 强 陶 瓷 等 材 料 。 英 国 研 究 了 用 碳 化 硅 增 强 的 A l - F e - S i - V 铝 基 复 合 材 料
制 造 导 弹 尾 翼 ， 该 材 料 可 耐 3 5 0 ～ 4 0 0 ℃ 高 温 。
（ 3 ） 形 状 记 忆 合 金 在 尾 翼 中 的 应 用 研 究
美 国 海 军 部 研 究 了 用 镍 钛 形 状 记 忆 合 金 制 翼 片 的 新 结 构 尾 翼 。 这 类 尾 翼 可 用 于 炮 弹 和 导 弹 。 它
们 利 用 材 料 的 形 状 记 忆 功 能 ， 不 仅 能 使 战 斗 部 在 外 弹 道 稳 定 飞 行 ， 还 增 加 了 控 制 和 制 导 战 斗 部 航 向 的 新
功 能 。 制 造 翼 片 的 材 料 是 “ 5 5 - N i t i n o l ” 形 状 记 忆 合 金 ， 含 镍 5 5 ％ （ 重 量 ） ， 钛 4 5 ％ 。 它 的 密 度 为 6 . 1 8 g / c m 3 ，
熔 点 1 3 1 0 ℃ ， 极 限 抗 拉 强 度 8 7 5 M P a ， 弹 性 模 量 8 4 G P a ， 相 变 温 度 （ A s ） 为 6 0 ℃ 。
8.5.4 新型 反装 甲材料
除 了 前 面 叙 述 的 新 型 穿 甲 弹 、 破 甲 弹 材 料 技 术 外 ， 一 些 具 有 新 原 理 、 新 设 想 的 新 颖 反 装 甲 材 料 技 术
正 在 得 到 人 们 的 重 视 。 其 中 主 要 的 材 料 技 术 有 ：（ 1 ） 泡 沫 体 材 料 技 术 。 这 种 材 料 技 术 是 基 于 “ 先 使 坦 克 丧 失 机 动 能 力 ， 继 而 将 其 彻 底 摧 毁 是 较 为
容 易 办 到 的 ” 、 “ 失 去 机 动 能 力 的 坦 克 实 际 上 同 遭 到 严 重 破 坏 的 ‘ 死 ’ 坦 克 没 有 本 质 区 别 ” 的 认 识 ， 利
用 向 坦 克 喷 洒 能 够 被 坦 克 发 动 机 吸 入 的 泡 沫 体 方 法 ， 使 坦 克 熄 火 停 车 。 这 种 泡 沫 体 材 料 如 同 向 农 作 物 喷
洒 农 药 一 样 或 利 用 炮 射 子 母 弹 等 方 法 喷 洒 在 坦 克 上 ， 一 旦 为 坦 克 发 动 机 吸 入 即 可 膨 胀 、 固 化 ， 坦 克 发 动
机 便 熄 火 停 车 。
（ 2 ） 生 物 酶 技 术 。 这 是 一 种 非 致 命 性 武 器 技 术 ， 利 用 微 生 物 的 酶 解 作 用 ， 破 坏 兵 器 用 材 料 的 组 织 ，
使 构 件 失 效 。
（ 3 ） 电 磁 炮 发 射 的 穿 甲 弹 芯 。 由 于 这 种 穿 甲 弹 芯 初 速 可 达 5 0 0 O m / s ， 所 以 要 求 穿 甲 弹 芯 强 度 高 、 耐
烧 蚀 。 一 种 弹 芯 结 构 是 由 前 、 中 、 后 三 段 组 成 。 前 段 由 三 维 增 强 型 碳 一 碳 复 合 材 料 制 成 ， 可 抗 烧 依 ； 中
段 由 钨 合 金 制 造 ， 提 高 弹 道 性 能 ； 后 段 由 超 高 强 度 钢 制 造 （ 如 M 3 0 0 马 氏 体 时 效 钢 ） ， 以 承 受 巨 大 的 发
射 载 荷 。 同 时 ， 还 可 在 这 种 超 高 速 弹 芯 的 头 部 ， 涂 覆 一 层 抗 烧 蚀 消 融 材 料 ， 使 弹 丸 在 高 速 飞 行 中 保 持 头
部 形 状 ， 处 于 最 佳 侵 彻 姿 态 。
（ 4 ） 自 润 滑 穿 甲 弹 芯 。 在 高 密 度 钨 合 金 弹 芯 内 设 一 空 腔 ， 腔 内 装 有 润 滑 剂 如 8 0 ％ W 粉 十 2 0 ％ P b
粉 。 当 弹 芯 侵 彻 目 标 时 ， 润 滑 剂 喷 出 ， 产 生 润 滑 作 用 ， 减 小 弹 芯 侵 彻 阻 力 。 这 种 结 构 有 利 于 侵 彻 陶 瓷 装
甲 。
（ 5 ） 形 状 记 忆 弹 头 。 高 密 度 金 属 的 弹 丸 增 设 有 形 状 记 忆 合 金 制 的 头 部 构 件 。 当 弹 丸 侵 彻 目 标 时 ，
高 速 碰 撞 产 生 的 高 温 足 以 使 这 种 合 金 发 生 相 变 ， 改 变 形 状 从 而 改 变 着 靶 姿 态 ， 以 便 控 制 弹 丸 处 于 最 佳 侵
彻 状 态 。 形 状 记 忆 合 金 还 可 用 来 制 造 引 信 定 时 机 构 零 件 ， 可 在 起 控 时 起 到 解 脱 保 险 作 用 。
8 . 6 其 它 兵 器 材 料
8 .6.1 兵器 用阻 尼材料 技术
高 速 、 高 加 载 速 率 等 动 态 力 学 性 质 所 产 生 的 极 为 恶 劣 的 工 作 环 境 ， 导 致 兵 器 出 现 严 重 的 噪 声 ， 振 动
问 题 ， 使 得 装 备 和 人 员 不 能 正 常 发 挥 战 术 效 能 。
兵 器 减 振 降 噪 技 术 是 一 项 多 学 科 的 综 合 技 术 。 它 既 包 括 结 构 设 计 、 工 艺 改 进 ， 又 涉 及 到 应 用 阻 尼 材
料 减 振 降 噪 ， 两 者 联 系 紧 密 ， 高 阻 尼 材 料 的 应 用 必 将 对 兵 器 减 振 降 噪 有 着 重 要 作 用 。 例 如 采 用 挂 胶 履 带 、
轻 合 金 履 带 板 、 在 诱 导 轮 和 主 动 轮 轮 缘 上 使 用 高 阻 尼 胶 垫 ， 可 使 坦 克 行 动 部 分 的 噪 声 降 低 1 5 ～ 2 0 d B ； 使
用 高 阻 尼 合 金 制 造 发 动 机 和 传 动 部 分 的 低 负 荷 齿 轮 、 凸 轮 、 油 泵 齿 轮 ， 并 采 用 高 阻 尼 材 料 隔 振 、 隔 舱 处
理 就 有 可 能 使 全 车 噪 声 降 至 1 0 0 d B 以 下 。
目 前 高 阻 尼 材 料 分 为 金 属 、 非 金 属 两 大 类 。 非 金 属 材 料 主 要 是 指 高 分 子 聚 合 物 。 这 种 材 料 当 受 到 拉
伸 外 力 作 用 时 ， 在 一 定 温 度 范 围 内 呈 现 粘 弹 性 ， 即 外 力 去 除 后 被 拉 伸 的 分 子 链 恢 复 原 位 ， 而 分 子 链 段 间
的 滑 移 不 能 复 原 ， 使 得 这 部 分 不 能 返 回 的 功 以 热 形 式 释 放 ， 起 到 减 振 降 噪 作 用 。 这 类 材 料 有 压 敏 型 胶 ，
热 塑 性 塑 料 ， （ 如 聚 氨 酯 、 聚 氯 乙 烯 、 环 氧 树 脂 型 胶 、 氯 丁 橡 胶 、 有 机 硅 、 I P N 类 的 共 混 体 等 ） ， 泡 沫 塑
料 及 树 脂 基 复 合 材 料 （ 由 前 类 材 料 复 合 而 成 ） 。
金 属 阻 尼 材 料 即 高 阻 尼 合 金 ， 大 致 分 为 均 质 合 金 、 粉 末 冶 金 、 复 合 材 料 。 均 质 合 金 又 可 分 为 位 错 型
（ 如 M g - Z r 合 金 ） 、 复 相 型 （ 如 Z n - A l 合 金 ） 、 孪 晶 型 （ 如 M n - C u 合 金 ） 及 铁 磁 型 （ 如 F e - C r - x 合 金 ） 。
这 类 合 金 的 发 展 方 向 是 研 制 既 有 高 阻 尼 特 性 又 有 高 机 械 性 能 ， 工 作 温 度 宽 的 新 合 金 。
8.6.2 兵器 用隐 身材料 技术
现 代 兵 器 （ 如 坦 克 ） 隐 身 是 一 个 十 分 复 杂 的 问 题 。 如 何 对 付 现 代 可 见 光 探 测 ， 主 、 被 动 红 外 探 测 与
寻 的 ， 激 光 测 距 、 半 主 动 寻 的 ， 毫 米 波 主 、 被 动 寻 的 ， 微 波 雷 达 探 测 等 已 成 为 今 后 坦 克 等 兵 器 发 展 的 重
要 课 题 。
坦 克 隐 身 大 致 采 用 两 条 途 径 ， 一 是 改 变 坦 克 结 构 设 计 ， 尽 可 能 降 低 红 外 信 号 特 征 ； 另 一 是 改 变 车 辆
结 构 材 料 、 采 用 隐 身 涂 料 ， 尽 可 能 吸 收 探 测 、 寻 的 波 束 ， 降 低 自 身 辐 射 ， 使 坦 克 外 形 轮 廓 模 糊 ， 减 小 被
发 现 、 捕 捉 的 几 率 。 本 节 将 主 要 讨 论 隐 身 涂 料 。
采 用 伪 装 涂 料 是 目 前 坦 克 隐 身 最 为 普 通 使 用 的 办 法 ， 现 在 的 趋 势 是 发 展 全 频 谱 伪 装 涂 料 。 至 今 研 究使 用 的 伪 装 涂 料 大 致 有 以 下 几 类 ：
( 1 ) 迷 彩 伪 装 涂 料 。 这 类 涂 料 主 要 用 来 对 付 可 见 光 、 主 动 红 外 和 电 视 探 察 、 寻 的 。 涂 层 的 颜 色 和 颜
色 亮 度 是 根 据 背 景 的 地 形 地 貌 、 环 境 条 件 而 定 ， 目 的 是 减 小 坦 克 等 兵 器 与 土 地 、 植 被 间 反 差 ， 降 低 自 视
发 现 几 率 。 以 往 ， 坦 克 被 涂 成 与 背 景 相 适 应 的 单 一 颜 色 ， 现 在 ， 多 数 采 用 三 色 或 四 色 迷 彩 图 形 ， 企 图 从
心 理 上 破 坏 观 察 者 眼 中 图 象 形 状 和 轮 廓 。 德 国 的 三 色 迷 彩 优 于 美 国 的 四 色 迷 彩 图 形 ， 它 由 聚 氨 酯 和 丙 烯
酸 盐 加 褐 、 黑 、 绿 三 色 颜 料 配 制 而 成 ， 色 泽 暗 淡 ， 在 远 距 离 观 察 时 ， 对 坦 克 的 伪 装 效 果 甚 佳 ， 大 大 延 长
了 探 测 到 坦 克 所 需 要 的 时 间 。 一 般 ， 若 使 探 测 时 间 减 少 5 S ， 则 探 测 到 的 机 率 减 少 了 二 分 之 一 ， 若 减 少
1 0 s ， 则 探 测 到 的 机 率 减 少 了 三 分 之 二 。
( 2 ) 微 波 / 毫 米 波 伪 装 涂 层 。 这 类 涂 料 通 常 用 于 对 频 率 范 围 5 0 0 H z ～ 1 0 0 G H z 的 电 磁 波 隐 身 对 抗 。 该
材 料 主 要 采 用 中 性 载 体 材 料 并 掺 入 适 当 吸 收 材 料 ， 从 而 构 成 涂 料 。 吸 收 微 波 的 材 料 通 常 是 铁 氧 体 ， 而 铝
铁 金 属 粉 、 不 锈 钢 纤 维 、 石 墨 粉 、 炭 黑 等 属 于 具 有 特 殊 电 磁 特 性 的 材 料 。 铁 氧 体 微 波 吸 收 涂 料 使 微 波 反
射 能 量 衰 减 1 7 ～ 3 0 d B ， 所 以 毫 米 波 的 吸 收 材 料 可 为 铁 氧 体 、 纤 维 等 ， 同 时 聚 醚 一 醚 一 酮 （ P E E K ） 、 聚
醚 一 酮 （ P E S ） 及 聚 醚 一 亚 胺 （ P E I ） 等 新 型 热 塑 性 塑 料 可 作 为 磁 损 材 料 使 用 。
( 3 ) 热 红 外 伪 装 涂 层 。 这 类 涂 层 主 要 通 过 降 低 目 标 本 身 的 辐 射 热 量 ， 使 得 目 标 与 背 景 的 温 度 差 变 小
而 不 易 被 热 红 外 侦 察 和 热 寻 的 系 统 发 现 。 低 发 射 率 的 热 红 外 伪 装 涂 层 有 三 种 ， 即 有 掺 入 物 （ 颜 料 ） 的 油
漆 涂 料 、 半 导 体 薄 膜 和 类 金 刚 石 碳 膜 。 例 如 ， 在 无 机 磷 酸 盐 粘 合 剂 中 掺 入 铝 （ 薄 片 ） ， 所 获 涂 层 的 发 射
率 为 0 . 2 0 ～ 0 . 6 0 ， 而 基 料 也 可 为 有 机 醇 酸 树 脂 、 聚 氨 酯 树 脂 等 。 虽 然 半 导 体 薄 膜 的 发 射 率 不 大 于 0 . 0 5 ，
大 大 低 于 油 漆 涂 层 ， 但 制 作 需 要 专 门 设 备 ， 成 本 较 高 。 英 国 研 制 的 一 种 类 金 刚 石 碳 膜 ， 是 在 铝 板 上 喷 镀
的 一 层 厚 为 1 μ m 的 碳 层 ， 发 射 率 仅 为 0 . 1 ～ 0 . 2 。
( 4 ) 全 频 波 伪 装 涂 层 。 坦 克 在 未 来 战 场 上 同 时 遭 受 雷 达 、 可 见 光 、 红 外 和 激 光 多 波 段 威 胁 是 十 分 可
能 ， 因 此 双 波 段 、 三 波 段 的 宽 波 段 伪 装 涂 层 得 到 发 展 。 例 如 一 种 双 波 段 伪 装 涂 层 ， 它 是 在 被 伪 装 的 表 面
上 涂 覆 一 层 金 属 反 射 包 底 漆 或 金 属 层 ， 这 样 该 面 在 整 个 热 红 外 光 谱 区 具 有 高 反 射 率 ， 然 后 根 据 背 景 情 况
再 涂 覆 一 层 红 外 透 明 的 伪 装 色 。 又 如 一 种 可 同 时 对 抗 可 见 光 、 近 红 外 激 光 、 热 红 外 及 雷 达 的 多 用 途 伪 装
涂 料 ， 它 是 在 粘 合 剂 （ 漆 、 塑 料 、 合 成 树 脂 ） 中 掺 入 半 导 体 成 分 ， 粘 合 剂 本 身 在 热 红 外 、 微 波 、 毫 米 波
范 围 内 尽 量 是 透 明 的 ， 而 其 色 泽 、 亮 度 则 由 半 导 体 材 料 和 表 面 粗 糙 度 确 定 。 这 种 涂 料 对 可 见 光 与 近 红 外
波 长 的 反 射 率 极 低 、 热 红 外 波 段 的 发 射 率 亦 低 ， 而 微 波 和 毫 米 波 波 段 的 吸 收 率 却 很 高 。
8.6.3 兵器用 功能 陶瓷材 料
精 细 陶 瓷 是 重 要 的 新 型 兵 器 材 料 之 一 。 这 种 陶 瓷 由 于 采 用 粒 度 很 细 的 精 选 原 料 ， 有 的 粒 度 甚 至 可 达
到 分 子 级 ， 而 且 有 精 确 控 制 的 化 学 成 分 ， 这 样 通 过 严 格 控 制 其 成 形 的 优 良 烧 结 方 法 ， 使 制 得 的 构 件 合 乎
设 计 要 求 、 尺 寸 精 确 且 性 能 优 良 。 精 细 陶 瓷 始 于 6 0 年 代 ， 当 时 出 现 了 热 膨 胀 系 数 为 零 的 陶 瓷 、 透 明 的 氧
化 铝 陶 瓷 、 结 晶 化 玻 璃 陶 瓷 等 ， 并 被 用 于 微 电 子 工 业 。 7 0 年 代 ， 由 于 能 源 危 机 ， 节 能 材 料 获 得 了 迅 速 发
展 ， 出 现 了 氮 化 硅 系 、 碳 化 硅 系 等 非 氧 化 物 系 陶 瓷 ， 高 温 下 该 材 料 具 有 高 强 度 、 高 抗 蚀 性 等 特 性 。 目 前
按 用 途 分 有 电 子 材 料 、 光 学 材 料 、 机 械 材 料 、 热 功 能 材 料 、 生 物 化 学 材 料 ， 其 中 以 电 子 材 料 应 用 最 为 广
泛 。 但 是 ， 该 材 料 作 为 新 型 结 构 材 料 现 正 在 得 到 迅 速 发 展 ， 自 7 0 年 代 起 在 兵 器 领 域 内 也 广 泛 开 展 了 陶 瓷
作 为 功 能 材 料 和 结 构 材 料 的 应 用 研 究 。 这 里 仅 介 绍 陶 瓷 在 发 动 机 上 的 应 用 研 究 情 况 。
陶 瓷 在 发 动 机 上 的 应 用 研 究 始 于 7 0 年 代 。 为 了 节 约 能 源 ， 降 低 燃 烧 产 物 排 放 量 ， 高 效 率 、 轻 质 量 、
多 燃 料 的 发 动 机 得 到 了 发 展 。 采 用 陶 瓷 制 造 发 动 机 零 部 件 则 是 低 散 热 （ 绝 热 ） 发 动 机 的 关 键 技 术 之 一 。
采 用 先 进 的 陶 瓷 材 料 ， 可 使 发 动 机 的 热 效 率 提 高 5 0 ％ ， 燃 油 经 济 性 改 善 3 0 ％ 左 右 。 至 今 陶 瓷 在 柴 油 机 、
燃 汽 轮 机 、 转 子 发 动 机 及 斯 特 林 发 动 机 上 均 已 开 展 了 应 用 研 究 ， 在 生 产 型 热 机 上 陶 瓷 涉 及 的 部 件 有 预 燃
式 燃 烧 室 、 涡 轮 增 压 器 、 排 气 道 衬 套 、 活 塞 第 一 环 镶 嵌 环 槽 、 点 火 塞 、 氧 气 探 测 器 和 高 温 下 的 摩 擦 与 磨
损 件 等 ， 其 应 用 的 形 式 主 要 为 隔 热 件 、 静 止 或 运 动 结 构 件 、 减 摩 、 耐 热 、 防 腐 涂 层 、 润 滑 轴 承 等 。 现 在
有 些 陶 瓷 发 动 机 部 件 已 商 品 化 。 美 国 已 将 陶 瓷 绝 热 技 术 用 于 第 四 代 主 战 坦 克 候 选 动 力 X A V － 2 8 柴 油 机
上 。 美 A A 7 5 0 的 5 1 5 k W 绝 热 涡 轮 复 合 柴 油 机 型 是 轻 型 装 甲 车 辆 的 动 力 源 ， A A 7 5 0 机 的 高 温 构 件 采 用 金
属 和 陶 瓷 复 合 技 术 制 造 ， 缸 盖 底 部 隔 热 板 和 活 塞 顶 采 用 部 分 稳 定 氧 化 锆 材 料 ， 缸 套 内 表 面 用 等 离 子 喷 涂氧 化 铬 增 韧 的 氧 化 诸 涂 层 ， 进 、 排 气 口 的 隔 热 材 料 为 整 体 浇 注 的 铸 酸 铝 ， 压 气 机 、 涡 轮 和 动 力 涡 轮 组 的
总 效 率 达 0 . 6 4 。 绝 热 发 动 机 的 进 一 步 发 展 当 属 最 小 摩 擦 绝 热 发 动 机 ， 即 无 冷 却 无 常 润 滑 的 发 动 机 。 这 种
发 动 机 将 更 依 赖 于 高 温 材 料 及 高 温 摩 擦 磨 损 技 术 。 美 国 寇 明 斯 公 司 研 究 的 一 种 最 小 摩 擦 绝 热 发 动 机 ， 其
曲 轴 箱 主 轴 承 、 连 杆 轴 承 和 活 塞 销 轴 承 采 用 热 压 氮 化 硅 流 通 往 轴 承 ， 同 时 采 用 了 气 体 润 滑 、 固 体 润 滑 等
技 术 ， 其 热 效 率 估 计 达 到 5 6 ％ ， 比 燃 油 耗 量 大 大 下 降 。
表 8 - 2 2 日 本 和 美 国 用 于 发 动 机 的 陶 瓷 性 能 要 求
要 求 的 性 能
隔 热 零 件 高 技 术 陶 瓷
低 摩 擦 低 重 量 隔 热 耐 磨 耐 热 耐 腐 蚀 膨 胀 系 数
活 塞 ○ ○ ○ ○ ○ S i N ， P S Z , T T A
3 4
缸 套 ○ ○ ○ ○ ○ S i N ， P S Z 涂 层
3 4
预 燃 室 ○ ○ ○ P S Z ， S i N
3 4
S S N ， P S Z ， 复 合 材
气 阀 ○ ○ ○ ○ ○
料
气 阀 座 镶 块 ○ ○ ○ ○ P S Z ， S S N
气 阀 导 杆 ○ ○ ○ P S Z ， S S N ， S i C
排 气 / 进 气 口 ○ ○ ○ Z r O ， S i N ， T i O
2 3 4 2
歧 管 ○ ○ ○ Z r O ， S i N
2 3 4
推 杆 ○ ○ ○ P S Z ， S i C ， S i 3 N 4
机 械 密 封 ○ ○ ○ S i C ， S i 3 N 4 , P S Z
涡 轮 增 压 器
转 子 ○ ○ ○ ○ ○ S i N , S i C
3 4
壳 体 ○ ○ ○ ○ L A S
热 屏 蔽 ○ ○ ○ ○ Z r O ， L A S
2
陶 瓷 轴 承 ○ ○ ○ ○ ○ ○ S S N
活 塞 环 ○ ○ S S N ， P S Z 涂 层
表 中 ： S S N 烧 结 氮 化 硅 ， L A S 硅 酸 氧 化 铝 锂 ， T T A 变 质 加 韧 氧 化 铝 。
由 上 可 见 ， 高 温 高 性 能 陶 瓷 对 于 热 机 发 展 起 着 重 要 的 推 动 作 用 ， 目 前 日 本 和 美 国 用 于 发 动 机 的 高 性
能 陶 瓷 的 性 能 要 求 如 表 8 - 2 2 所 示 。 在 低 散 热 发 动 机 上 应 用 研 究 的 陶 瓷 材 料 主 要 是 氮 化 硅 、 碳 化 硅 、 部 分
稳 定 氧 化 铝 等 几 种 。
（ 1 ） 氮 化 硅 ： 因 加 工 工 艺 不 同 ， 分 为 热 压 氮 化 硅 （ H P S N ） 和 反 应 烧 结 氮 化 硅 。 热 压 氮 化 硅 是 一 种
气 孔 率 近 于 零 的 致 密 陶 瓷 ， 该 陶 瓷 强 度 高 （ 在 1 0 0 0 ℃ 时 弯 曲 强 度 开 始 下 降 ） ， 抗 热 震 性 好 ， 但 因 其 机 械
加 工 困 难 ， 使 其 应 用 受 限 。 反 应 烧 结 氮 化 硅 由 于 通 过 反 应 烧 结 过 程 中 物 质 间 相 互 反 应 生 成 新 物 质 而 制 成 ，
因 而 该 陶 瓷 气 孔 率 高 （ 达 2 1 % ） ， 致 密 度 低 ， 坯 体 尺 寸 大 ， 不 易 氮 化 透 ， 使 其 强 度 较 低 。 氮 化 硅 陶 瓷 的
最 大 问 题 是 隔 热 性 能 差 。 然 而 对 发 动 机 瞬 态 热 通 量 变 化 而 言 ， 陶 瓷 材 料 的 导 热 性 、 密 度 和 比 热 却 又 是 十
分 重 要 的 参 数 ， 因 此 ， 这 就 限 制 了 氮 化 硅 的 使 用 。
（ 2 ） 碳 化 硅 ： 可 根 据 制 造 方 法 分 为 热 压 碳 化 硅 、 高 温 分 解 沉 淀 碳 化 硅 、 反 应 烧 结 碳 化 硅 。 这 类 陶
瓷 摩 擦 系 数 小 ， 抗 磨 损 性 、 抗 腐 蚀 性 好 ， 导 热 系 数 高 ， 热 震 抗 力 较 高 ， 其 中 热 压 密 碳 化 硅 致 密 度 最 高 ，
高 温 时 能 保 持 高 强 度 ， 但 在 发 动 机 6 0 0 ℃ ～ 1 0 0 0 ℃ 使 用 温 度 下 ， 其 强 度 不 如 氨 化 硅 ， 且 其 热 震 抗 力 也 不
如 氮 化 硅 。
3
（ 3 ） 部 分 稳 定 氧 化 锆 （ P S Z ） 。 其 密 度 约 为 5 . 5 g / c m ， 高 于 碳 化 硅 或 氮 化 硅 ， 摩 擦 系 数 小 ， 导 热 系
数 小 ， 热 膨 胀 系 数 约 为 铸 铁 的 8 0 ％ 左 右 ， 热 震 抗 力 大 ， 抗 腐 蚀 性 好 ， 室 温 强 度 高 ， 断 裂 韧 性 高 。 目 前 这
类 陶 瓷 有 最 大 强 度 （ M S ） 型 和 抗 热 震 （ T S ） 型 两 类 ， 它 们 多 数 用 于 要 求 抗 热 震 的 发 动 机 零 件 如 表 8 - 2 3所 示 。 但 是 ， 部 分 稳 定 氧 化 锆 的 高 温 强 度 较 低 ， 在 1 0 0 0 ℃ 时 ， M g · P S Z 陶 瓷 的 强 度 下 降 7 0 ％ ， Y · P S Z
的 强 度 下 降 5 0 ％ 。 此 外 ， 这 种 陶 瓷 的 四 方 晶 → 单 斜 晶 的 相 变 以 及 持 久 性 能 亦 不 能 完 全 满 足 发 动 机 工 作 要
求 。
表 8 - 2 3 韧 化 P S Z 在 发 动 机 零 件 方 面 的 应 用
用 途
磨 损 表 面
气 阀 座 气 论 导 杆 气 缸 套 预 燃 室 燃 烧 隔 板 （ 热 板 ） 活 塞 顶
（ 如 挺 杆 衬 垫 ）
要 求 的 性 能
强 度 √ √ √ √
压 缩 强 度 √ √
断 裂 韧 性 √ √ √ √
与 钢 的 粘 合 力 √
抗 热 震 性 √ √ √ √ √
相 对 钢 的 热 膨
√ √ √ √ √ √
胀
低 的 摩 擦 系 数 √ √
抗 腐 蚀 / 侵 蚀 性 √ √ √ √ √
隔 热 性 √ √ √ √
抗 磨 擦 / 接 缸 性 √ √
疲 劳 强 度 ?
为 了 进 一 步 提 高 均 质 陶 瓷 的 强 度 、 塑 性 ， 尤 其 是 使 陶 瓷 材 料 具 有 金 属 的 塑 性 和 韧 性 ， 先 进 的 第 二 代
陶 瓷 材 料 正 在 得 到 发 展 。 例 如 ， 陶 瓷 合 金 、 陶 瓷 复 合 材 料 （ 陶 瓷 纤 维 增 强 的 陶 瓷 基 复 合 材 料 、 玻 璃 基 或
玻 璃 一 陶 瓷 基 复 合 材 料 ） 。 一 种 S i C / A l N 复 合 陶 瓷 1 4 0 0 ℃ 时 强 度 为 5 5 0 M P a 。 连 续 陶 瓷 纤 维 增 强 的 硅 基
陶 瓷 复 合 材 料 能 抗 1 4 3 0 ℃ 高 温 。 化 学 汽 相 沉 积 的 S i C 纤 维 / 反 应 绕 结 S i N 。 复 合 材 料 提 高 了 氮 化 硅 陶 瓷
3 4
的 抗 蠕 变 性 能 ， 在 1 2 0 0 ℃ 、 1 4 0 0 ℃ 流 动 空 气 中 1 0 0 h 抗 拉 强 度 有 的 下 降 ， 但 室 温 弯 曲 强 度 一 直 保 持 到
1 / 2 1 / 2
1 3 0 0 ℃ 。 2 0 ％ 体 积 S i C 晶 须 增 强 的 氧 化 铝 陶 瓷 复 合 材 料 使 断 裂 韧 性 从 4 . 2 M p a m 提 高 到 8 . 3 M p a m ， 而
1 0 ％ （ 体 积 ） S i C 晶 须 A I O 。 复 合 材 料 使 材 料 密 度 从 理 论 密 度 的 9 2 . 1 ％ 提 高 到 9 6 . 3 ％ 。
2 3
陶 瓷 应 用 的 另 一 个 技 术 障 碍 是 尚 未 解 决 好 陶 瓷 加 工 技 术 。 为 了 提 高 陶 瓷 材 料 的 可 靠 性 ， 在 制 粉 和 装
填 技 术 上 ， 需 要 采 用 超 细 高 纯 粉 末 及 均 匀 装 填 技 术 ， 以 获 得 高 强 韧 性 和 高 抗 氧 化 能 力 ； 在 成 形 加 工 技 术
上 ， 需 要 解 决 特 殊 形 件 生 产 技 术 ， 发 展 动 态 压 实 、 等 静 压 技 术 ， 以 提 高 陶 瓷 致 密 度 ， 制 得 高 强 韧 零 件 。
在 测 试 技 术 上 ， 需 要 解 决 陶 瓷 材 料 缺 陷 表 征 技 术 和 寿 命 评 估 方 法 等