保护士兵和车辆的材料领域的发展
本文概述了保护系统发展背景下的材料及其组合。
保护和质量 - 成本之间的权衡关系对于所有类型的装甲始终是恒定的,无论是装甲还是车辆装甲,并且没有单一的解决方案或材料可称为灵丹妙药,这就是目前使用如此多种材料的原因。和他们的组合
装甲比人类年长数百万年,它的发展主要是为了防止颌骨和爪子。 很可能鳄鱼和海龟可以部分地激发一个人创造安全功能。 所有的 武器 动能,无论是史前球杆还是穿甲射弹,都是为了将一个大的力量集中在一个小区域,其任务是刺穿目标并对其造成最大的伤害。 因此,装甲的工作是通过偏转或破坏攻击装置和/或在尽可能大的区域上消散冲击能量来防止这种情况,以便最小化对其保护的人力,运输系统和设施的任何损害。
现代装甲通常由用于阻止,偏转或破坏抛射物的固体外层,以及非常大的“破坏作用”为特征的中间层和用于防止裂缝和碎片形成的粘性内层组成。
钢
尽管铝和钛的轻合金,陶瓷,聚合物基体复合材料,玻璃纤维增强,芳纶和超高分子量聚乙烯以及复合材料的出现,钢材仍然成为第一种广泛用于制造装甲车辆的材料。具有金属基质的材料。
包括SSAB在内的许多钢厂继续开发用于重量关键的各种应用的高强度钢,例如用于制造额外的保护板。 ARM OX 600T铠装钢,厚度为4-20,可提供从570到640 HBW单元的硬度保证(简称硬度,布氏,Wolfram;标准直径钨球压入已知强度的材料样品中的测试,测量所形成的凹槽的直径,然后将这些参数代入允许获得硬度单位数的公式中。
SSAB还强调了在硬度和韧性之间取得适当平衡的重要性,以提供防止渗透和爆炸的保护。 与所有钢材一样,ARMOX 600T由铁,碳和许多其他合金成分组成,包括硅,锰,磷,硫,铬,镍,钼和硼。
所使用的生产技术受到限制,特别是在温度方面。 这种钢不适用于额外的热处理;当在交付后加热到170°C以上时,SSAB不保证其性能的保存。 能够绕过这种限制的公司更有可能吸引装甲制造商的密切关注。
另一家瑞典公司Deform为装甲车辆制造商提供防弹装甲钢的热冲压零件,特别是那些从事提高商业/民用车辆保护水平的公司。
变形固体防火墙安装在日产PATROL 4x4,大众T6 TRANSPORTER小巴和五十铃D-MAX皮卡以及相同材料的坚固地板上。 在由Deform开发并用于生产板材的热成型工艺中,硬度600НВ[HBW]得以保留。
该公司表示,它可以恢复市场上所有装甲钢的性能,同时保持结构上预定的形状,而所得到的零件远远优于传统的焊接和部分重叠结构。 在Deform开发的方法中,板材的硬化和回火遵循热冲压。 由于这个过程,有可能获得无法通过冷成型获得的三维形式,而在这种情况下,“在关键点处违反完整性的焊接”是强制性的。
自10年代初以来,BAE Systems的BVS-90和CV90机器以及许多Kraus-Maffei Wegmann(KMW)机器都使用了热成型的变形钢板。 用于制造XNUMXD装甲板的订单 短歌 LEOPARD 2和用于BOXER和PUMA机器的几块异型板,再加上用于多个Rheinmetall机器(包括BOXER)以及WIESEL机器的舱口的异型板材。 变形还可以与其他保护材料一起使用,包括铝,芳纶/芳纶和钛。
将丰田LC2016汽车的坚固防火隔板交付给200的澳大利亚客户Craig International Ballistics。
铝的进步
至于装甲车辆,铝制装甲首次被广泛用于制造M113装甲运兵车,该装载车由年度1960生产。 它是一种合金,命名为5083,含有4,5%镁,含量远低于锰,铁,铜,碳,锌,铬,钛等。 虽然5083合金在焊接后仍保持良好的强度,但它不适用于可热处理的合金。 它对7,62-mm穿甲弹没有那么好的抵抗力,但是,正如官方测试所证实的那样,它可以阻止苏式14,5-mm穿甲弹的钢,同时减轻重量并增加所需的强度。 对于这种保护水平,铝板比9 r / cm265密度更低,3倍于钢,导致结构质量减少。
装甲车制造商很快就开始要求更轻,弹道更耐用,可焊接和热处理的铝制装甲,这使得Alcan开发出主要是7039合金和7017,两者都具有高锌含量。
与钢的情况一样,冲压和随后的组装会对铝的保护性能产生不利影响。 焊接时,热影响区域会变软,但由于自然老化过程中的硬化,其强度会部分恢复。 金属结构在焊缝附近的狭窄区域中变化,由于焊接和/或组装中的误差而产生大的残余应力。 因此,生产技术应尽量减少它们,同时应尽量减少应力腐蚀开裂的风险,特别是当机器的估计使用寿命预计超过三十年时。
应力腐蚀开裂是腐蚀环境中裂缝的出现和生长的过程,随着合金元素的数量增加,裂缝趋于恶化。 由于氢沿晶界扩散,裂缝的形成及其随后的生长发生。
裂解敏感性的测定始于从裂缝中提取少量电解质及其分析。 在低应变率下进行应力腐蚀试验以确定特定合金的撞击严重程度。 两个样品的机械拉伸发生(一个在腐蚀性环境中,另一个在干燥空气中)直到它们坍塌,然后比较破坏部位的塑性变形 - 样品拉伸到失效越多越好。
在加工过程中可以改善耐腐蚀性。 例如,根据Total Materia的参考资料,它称自己为“世界上最大的材料数据库”,Alcan将40合金在加速应力腐蚀开裂试验中的性能提高了7017倍。 所获得的结果还使得开发焊接结构的腐蚀保护方法成为可能,其中难以避免残余应力。 旨在改进合金以优化焊接接头的电化学特性的研究正在不断进行。 新型热加工合金的工作重点是提高其强度和耐腐蚀性,而热不可加工合金的工作旨在消除焊接性要求所带来的限制。 开发中最耐用的材料将比目前使用的最佳铝制装甲强50%。
低密度合金,例如铝 - 锂合金,与具有相当的防弹性的先前合金相比,重量减少约10%,但根据Total Materia,其弹道特性仍需要进行全面评估。
焊接方法,包括机器人,也在不断改进。 要解决的任务之一是最小化供热,由于能量和电线供应系统的改进而产生更稳定的焊接电弧,以及由专家系统监控和控制过程。
MTL Advanced Materials公司与着名的铝装甲板制造商ALCOA Defense合作,正如该公司所描述的那样,开发出“可靠且可重复的冷冲压工艺”。 该公司指出,专为装甲应用而设计的铝合金并非设计用于冷成型,也就是说,其新工艺应有助于避免常见的破坏模式,包括开裂。 据该公司称,最终目标是让机器开发人员最大限度地减少焊接需求并减少零件数量。 该公司强调,减少焊接量可以提高结构强度和保护船员,同时降低生产成本。 从久经考验的5083-H131合金开始,该公司开发了一种冷成型零件的工艺,沿着和穿过晶粒的弯曲角度为90度,然后进行更复杂的材料,如7017,7020和7085合金,也取得了良好的效果。
摩根先进材料公司的SAMAC预留系统由先进的陶瓷和结构复合材料组合而成。
陶瓷和复合材料
几年前,摩根先进材料公司宣布开发了几种SAMAC预留系统,其中包括用于结构目的的先进陶瓷和结构材料的组合。 该产品系列包括铰链装甲,防碎片,由结构复合材料制成的可生存性胶囊,用于替换金属外壳和保护适合居住和无人居住的武器模块。 所有这些都可以定制或定制。
提供符合北约STANAG 2 6-4569级别的保护,以及多冲击特性和减重(该公司声称这些系统的重量是同类钢产品的一半),以及适应特定威胁,平台和任务。 分割件可以由平面12,3 kg面板制成,以覆盖m0,36(约2 kg / m34)的2区域或12,8 kg / m0,55的2 kg重量的单件形状部件。
根据摩根先进材料公司的说法,为新的和升级现有平台而设计的额外装甲提供相同的功能,重量只有一半。 该专利系统可以对各种威胁提供最大程度的保护,包括中小口径武器,简易爆炸装置(IED)和火箭推进式手榴弹,以及多重击打特性。
针对武器模块(除了空气和海洋应用)提出了具有良好耐腐蚀性的“半结构”预留系统,并且除了节省质量和最小化重心问题之外,与钢相比产生的电磁兼容性问题更少。
保护武器模块是一个特殊问题,因为它们是一个有吸引力的目标,因为它们从系统中移除会严重恶化机组人员拥有的情况以及机器处理附近威胁的能力。 他们还设置了“温和”的光电子和易损电动机。 由于它们通常安装在汽车的顶部,因此预订应该很容易,以保持尽可能低的重心。
武器模块的保护系统,可能包括装甲玻璃和上部保护,完全可折叠,两个人可以在90秒内重新组装。 复合活力胶囊由公司描述为“独特的耐用材料和聚合物”制成,它们可以防止碎屑,并且可以在现场进行修复。
士兵保护
由3M Ceradyne开发的士兵防护系统SPS(士兵保护系统)包括用于集成头部保护系统IHPS和VTP(重要躯干保护)身体防护的头盔和防弹衣插件 - ESAPI(增强型小型武器防护插入件)组件 - SPS系统的改进插入物,用于防止小型武器)。
IHPS要求包括减轻重量,被动听力保护和改进的防止钝音的保护。 该系统还包括附件,例如用于保护士兵下颚的部件,保护性遮阳板,用于夜视护目镜的支架,例如用于手电筒和照相机的导向装置,以及附加的模块化防弹保护装置。 价值超过7百万美元的合同规定了5300头盔的订单交付。 与此同时,合同将花费36数百万的ESAPI 30000套件 - 用于防弹衣的轻型刀片。 这些套件的生产始于2017年。
同样根据SPS计划,KDH Defense从霍尼韦尔SPECTRA SHIELD和GOLD SHIELD中选择了五个子系统的材料,包括Torso和Extremity Protection子系统,这些子系统应该为SPS项目提供。 26%上的TER保护系统更轻,最终减轻了SPN系统在10%上的重量。 KDH将使用基于UHMWPE的SPECTRA SHIELD和基于芳纶纤维的GOLD SHIELD,用于该系统的自有产品。
SPECTRA纤维
霍尼韦尔采用成型和拉伸聚合物纤维的专有工艺将起始材料 - UHMWPE聚乙烯 - 嵌入SPECTRA纤维中。 该材料在重量方面比钢强10倍,其比强度比芳纶纤维的比强度大40%,与其他聚合物相比,它具有比标准聚乙烯(150°С)更高的熔点和更高的耐磨性,例如,聚酯。
坚固耐用的材料SPECTRA在断裂时表现出高变形,即在坍塌之前,它非常拉伸; 此属性允许您吸收大量的冲击能量。 在霍尼韦尔,他们说SPECTRA纤维复合材料在高速撞击时表现非常好,例如步枪打击和冲击波。 据该公司称,“我们的先进纤维通过快速去除冲击区的动能来响应冲击......它还能很好地吸收振动,具有良好的抗重复变形能力和优异的纤维内摩擦特性,并具有出色的耐化学品性,耐水性和紫外线。“
在其SHIELD技术中,霍尼韦尔折叠平行的纤维束并通过浸渍先进的树脂将它们连接在一起,以获得单向胶带。 然后将该带的各层以直角交叉放置,并在给定的温度和压力下钎焊到复合结构中。 对于柔软的应用,身体保护层压在两层薄而柔韧的透明薄膜之间。 由于纤维保持笔直且平行,因此与将它们编织成机织织物相比,它们更有效地消散冲击能量。
Short Bark Industries还在SPS TER系统的BCS(弹道战斗衬衫)身体保护中使用SPECTRA SHIELD材料。 Firm Short Bark专营柔软保护,战术服装和配饰。
根据霍尼韦尔的说法,士兵们选择使用这些材料制成的保护元素,因为它们表现出比芳族聚酰胺纤维更高的性能。
在网站的材料上:
www.nationaldefensemagazine.org
www.ssab.com
www.rheinmetall.com
www.deform.com
www.riotinto.com
www.totalmateria.com
www.mtladv.com
www.alcoa.com
www.morganadvancedmaterials.com
www.3m.com
www.wikipedia.org
www.honeywell.com
保护和质量 - 成本之间的权衡关系对于所有类型的装甲始终是恒定的,无论是装甲还是车辆装甲,并且没有单一的解决方案或材料可称为灵丹妙药,这就是目前使用如此多种材料的原因。和他们的组合
装甲比人类年长数百万年,它的发展主要是为了防止颌骨和爪子。 很可能鳄鱼和海龟可以部分地激发一个人创造安全功能。 所有的 武器 动能,无论是史前球杆还是穿甲射弹,都是为了将一个大的力量集中在一个小区域,其任务是刺穿目标并对其造成最大的伤害。 因此,装甲的工作是通过偏转或破坏攻击装置和/或在尽可能大的区域上消散冲击能量来防止这种情况,以便最小化对其保护的人力,运输系统和设施的任何损害。
现代装甲通常由用于阻止,偏转或破坏抛射物的固体外层,以及非常大的“破坏作用”为特征的中间层和用于防止裂缝和碎片形成的粘性内层组成。
钢
尽管铝和钛的轻合金,陶瓷,聚合物基体复合材料,玻璃纤维增强,芳纶和超高分子量聚乙烯以及复合材料的出现,钢材仍然成为第一种广泛用于制造装甲车辆的材料。具有金属基质的材料。
包括SSAB在内的许多钢厂继续开发用于重量关键的各种应用的高强度钢,例如用于制造额外的保护板。 ARM OX 600T铠装钢,厚度为4-20,可提供从570到640 HBW单元的硬度保证(简称硬度,布氏,Wolfram;标准直径钨球压入已知强度的材料样品中的测试,测量所形成的凹槽的直径,然后将这些参数代入允许获得硬度单位数的公式中。
SSAB还强调了在硬度和韧性之间取得适当平衡的重要性,以提供防止渗透和爆炸的保护。 与所有钢材一样,ARMOX 600T由铁,碳和许多其他合金成分组成,包括硅,锰,磷,硫,铬,镍,钼和硼。
所使用的生产技术受到限制,特别是在温度方面。 这种钢不适用于额外的热处理;当在交付后加热到170°C以上时,SSAB不保证其性能的保存。 能够绕过这种限制的公司更有可能吸引装甲制造商的密切关注。
另一家瑞典公司Deform为装甲车辆制造商提供防弹装甲钢的热冲压零件,特别是那些从事提高商业/民用车辆保护水平的公司。
变形固体防火墙安装在日产PATROL 4x4,大众T6 TRANSPORTER小巴和五十铃D-MAX皮卡以及相同材料的坚固地板上。 在由Deform开发并用于生产板材的热成型工艺中,硬度600НВ[HBW]得以保留。
该公司表示,它可以恢复市场上所有装甲钢的性能,同时保持结构上预定的形状,而所得到的零件远远优于传统的焊接和部分重叠结构。 在Deform开发的方法中,板材的硬化和回火遵循热冲压。 由于这个过程,有可能获得无法通过冷成型获得的三维形式,而在这种情况下,“在关键点处违反完整性的焊接”是强制性的。
自10年代初以来,BAE Systems的BVS-90和CV90机器以及许多Kraus-Maffei Wegmann(KMW)机器都使用了热成型的变形钢板。 用于制造XNUMXD装甲板的订单 短歌 LEOPARD 2和用于BOXER和PUMA机器的几块异型板,再加上用于多个Rheinmetall机器(包括BOXER)以及WIESEL机器的舱口的异型板材。 变形还可以与其他保护材料一起使用,包括铝,芳纶/芳纶和钛。
将丰田LC2016汽车的坚固防火隔板交付给200的澳大利亚客户Craig International Ballistics。
铝的进步
至于装甲车辆,铝制装甲首次被广泛用于制造M113装甲运兵车,该装载车由年度1960生产。 它是一种合金,命名为5083,含有4,5%镁,含量远低于锰,铁,铜,碳,锌,铬,钛等。 虽然5083合金在焊接后仍保持良好的强度,但它不适用于可热处理的合金。 它对7,62-mm穿甲弹没有那么好的抵抗力,但是,正如官方测试所证实的那样,它可以阻止苏式14,5-mm穿甲弹的钢,同时减轻重量并增加所需的强度。 对于这种保护水平,铝板比9 r / cm265密度更低,3倍于钢,导致结构质量减少。
装甲车制造商很快就开始要求更轻,弹道更耐用,可焊接和热处理的铝制装甲,这使得Alcan开发出主要是7039合金和7017,两者都具有高锌含量。
与钢的情况一样,冲压和随后的组装会对铝的保护性能产生不利影响。 焊接时,热影响区域会变软,但由于自然老化过程中的硬化,其强度会部分恢复。 金属结构在焊缝附近的狭窄区域中变化,由于焊接和/或组装中的误差而产生大的残余应力。 因此,生产技术应尽量减少它们,同时应尽量减少应力腐蚀开裂的风险,特别是当机器的估计使用寿命预计超过三十年时。
应力腐蚀开裂是腐蚀环境中裂缝的出现和生长的过程,随着合金元素的数量增加,裂缝趋于恶化。 由于氢沿晶界扩散,裂缝的形成及其随后的生长发生。
裂解敏感性的测定始于从裂缝中提取少量电解质及其分析。 在低应变率下进行应力腐蚀试验以确定特定合金的撞击严重程度。 两个样品的机械拉伸发生(一个在腐蚀性环境中,另一个在干燥空气中)直到它们坍塌,然后比较破坏部位的塑性变形 - 样品拉伸到失效越多越好。
在加工过程中可以改善耐腐蚀性。 例如,根据Total Materia的参考资料,它称自己为“世界上最大的材料数据库”,Alcan将40合金在加速应力腐蚀开裂试验中的性能提高了7017倍。 所获得的结果还使得开发焊接结构的腐蚀保护方法成为可能,其中难以避免残余应力。 旨在改进合金以优化焊接接头的电化学特性的研究正在不断进行。 新型热加工合金的工作重点是提高其强度和耐腐蚀性,而热不可加工合金的工作旨在消除焊接性要求所带来的限制。 开发中最耐用的材料将比目前使用的最佳铝制装甲强50%。
低密度合金,例如铝 - 锂合金,与具有相当的防弹性的先前合金相比,重量减少约10%,但根据Total Materia,其弹道特性仍需要进行全面评估。
焊接方法,包括机器人,也在不断改进。 要解决的任务之一是最小化供热,由于能量和电线供应系统的改进而产生更稳定的焊接电弧,以及由专家系统监控和控制过程。
MTL Advanced Materials公司与着名的铝装甲板制造商ALCOA Defense合作,正如该公司所描述的那样,开发出“可靠且可重复的冷冲压工艺”。 该公司指出,专为装甲应用而设计的铝合金并非设计用于冷成型,也就是说,其新工艺应有助于避免常见的破坏模式,包括开裂。 据该公司称,最终目标是让机器开发人员最大限度地减少焊接需求并减少零件数量。 该公司强调,减少焊接量可以提高结构强度和保护船员,同时降低生产成本。 从久经考验的5083-H131合金开始,该公司开发了一种冷成型零件的工艺,沿着和穿过晶粒的弯曲角度为90度,然后进行更复杂的材料,如7017,7020和7085合金,也取得了良好的效果。
摩根先进材料公司的SAMAC预留系统由先进的陶瓷和结构复合材料组合而成。
陶瓷和复合材料
几年前,摩根先进材料公司宣布开发了几种SAMAC预留系统,其中包括用于结构目的的先进陶瓷和结构材料的组合。 该产品系列包括铰链装甲,防碎片,由结构复合材料制成的可生存性胶囊,用于替换金属外壳和保护适合居住和无人居住的武器模块。 所有这些都可以定制或定制。
提供符合北约STANAG 2 6-4569级别的保护,以及多冲击特性和减重(该公司声称这些系统的重量是同类钢产品的一半),以及适应特定威胁,平台和任务。 分割件可以由平面12,3 kg面板制成,以覆盖m0,36(约2 kg / m34)的2区域或12,8 kg / m0,55的2 kg重量的单件形状部件。
根据摩根先进材料公司的说法,为新的和升级现有平台而设计的额外装甲提供相同的功能,重量只有一半。 该专利系统可以对各种威胁提供最大程度的保护,包括中小口径武器,简易爆炸装置(IED)和火箭推进式手榴弹,以及多重击打特性。
针对武器模块(除了空气和海洋应用)提出了具有良好耐腐蚀性的“半结构”预留系统,并且除了节省质量和最小化重心问题之外,与钢相比产生的电磁兼容性问题更少。
保护武器模块是一个特殊问题,因为它们是一个有吸引力的目标,因为它们从系统中移除会严重恶化机组人员拥有的情况以及机器处理附近威胁的能力。 他们还设置了“温和”的光电子和易损电动机。 由于它们通常安装在汽车的顶部,因此预订应该很容易,以保持尽可能低的重心。
武器模块的保护系统,可能包括装甲玻璃和上部保护,完全可折叠,两个人可以在90秒内重新组装。 复合活力胶囊由公司描述为“独特的耐用材料和聚合物”制成,它们可以防止碎屑,并且可以在现场进行修复。
士兵保护
由3M Ceradyne开发的士兵防护系统SPS(士兵保护系统)包括用于集成头部保护系统IHPS和VTP(重要躯干保护)身体防护的头盔和防弹衣插件 - ESAPI(增强型小型武器防护插入件)组件 - SPS系统的改进插入物,用于防止小型武器)。
IHPS要求包括减轻重量,被动听力保护和改进的防止钝音的保护。 该系统还包括附件,例如用于保护士兵下颚的部件,保护性遮阳板,用于夜视护目镜的支架,例如用于手电筒和照相机的导向装置,以及附加的模块化防弹保护装置。 价值超过7百万美元的合同规定了5300头盔的订单交付。 与此同时,合同将花费36数百万的ESAPI 30000套件 - 用于防弹衣的轻型刀片。 这些套件的生产始于2017年。
同样根据SPS计划,KDH Defense从霍尼韦尔SPECTRA SHIELD和GOLD SHIELD中选择了五个子系统的材料,包括Torso和Extremity Protection子系统,这些子系统应该为SPS项目提供。 26%上的TER保护系统更轻,最终减轻了SPN系统在10%上的重量。 KDH将使用基于UHMWPE的SPECTRA SHIELD和基于芳纶纤维的GOLD SHIELD,用于该系统的自有产品。
SPECTRA纤维
霍尼韦尔采用成型和拉伸聚合物纤维的专有工艺将起始材料 - UHMWPE聚乙烯 - 嵌入SPECTRA纤维中。 该材料在重量方面比钢强10倍,其比强度比芳纶纤维的比强度大40%,与其他聚合物相比,它具有比标准聚乙烯(150°С)更高的熔点和更高的耐磨性,例如,聚酯。
坚固耐用的材料SPECTRA在断裂时表现出高变形,即在坍塌之前,它非常拉伸; 此属性允许您吸收大量的冲击能量。 在霍尼韦尔,他们说SPECTRA纤维复合材料在高速撞击时表现非常好,例如步枪打击和冲击波。 据该公司称,“我们的先进纤维通过快速去除冲击区的动能来响应冲击......它还能很好地吸收振动,具有良好的抗重复变形能力和优异的纤维内摩擦特性,并具有出色的耐化学品性,耐水性和紫外线。“
在其SHIELD技术中,霍尼韦尔折叠平行的纤维束并通过浸渍先进的树脂将它们连接在一起,以获得单向胶带。 然后将该带的各层以直角交叉放置,并在给定的温度和压力下钎焊到复合结构中。 对于柔软的应用,身体保护层压在两层薄而柔韧的透明薄膜之间。 由于纤维保持笔直且平行,因此与将它们编织成机织织物相比,它们更有效地消散冲击能量。
Short Bark Industries还在SPS TER系统的BCS(弹道战斗衬衫)身体保护中使用SPECTRA SHIELD材料。 Firm Short Bark专营柔软保护,战术服装和配饰。
根据霍尼韦尔的说法,士兵们选择使用这些材料制成的保护元素,因为它们表现出比芳族聚酰胺纤维更高的性能。
在网站的材料上:
www.nationaldefensemagazine.org
www.ssab.com
www.rheinmetall.com
www.deform.com
www.riotinto.com
www.totalmateria.com
www.mtladv.com
www.alcoa.com
www.morganadvancedmaterials.com
www.3m.com
www.wikipedia.org
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