复合装甲为何成现代坦克的标配:可有效提升防御能力
1888年英国人首次推出了全钢装甲板,在接下来的半个多世纪的时间内,全钢装甲板就成为了装甲防护领域的标配,坦克诞生以后装甲钢因为抗弹性能高,工艺性好、成本较低,容易成型和装配的特点就成为了坦克的基础装甲,为了提高装甲钢的硬度,传统的装甲钢主要通过提高含碳量的手段来实现(五六十年代以前的装甲钢含碳量高达6%)。然而弹甲之争永远都是螺旋上升的,随着反坦克弹药的不断发展,装甲钢仅仅拥有极高的硬度还不行,还必须兼具一定的韧性,装甲钢必须在穿甲弹的高速冲击下在强度和韧性之间做出平衡,然而对于传统装甲钢来说,随着碳含量的增加,装甲钢的韧性是极速下降的,于是就有了一种渗碳技术,通过渗碳工艺装甲钢的表面硬度极高,底层装甲的硬度低但是韧性强,这就是渗碳装甲,也就是所谓的表面硬化装甲(当然通过添加一些稀有金属也能提高装甲钢的韧性,比如钼)。
▲装甲的好坏和强度和韧性有着直接的关系,强度太低不能抵御高速冲击的穿甲弹,韧性太低则装甲有可能会出现崩落断裂的现象,而且还不能有效的防御二次效应,上图就是德国二战末期的装甲在苏军炮火的试验下出现的断裂现象
二战结束以后,随着材料科学技术的快速发展,有机聚合物和陶瓷这类的新型材料技术不断地进步,并不断地应用到各行各业,于是复合装甲作为一种全新的防护装甲便开始走上了历史的舞台。除此之外破甲弹在二战结束以后迎来了高速发展,这种利用空心装药技术的全新弹药对均质钢装甲的打击堪称毁灭性,如果一味的堆砌装甲厚度,那意味着防护、火力、机动三合一的坦克将彻底的失去平衡。苏联人率先创造性的在t-64A上面使用了复合装甲,除此之外以“乔巴姆”为首的西方复合装甲也迎来了高速发展时期,如今世界上几乎所有的主战坦克都使用了复合装甲,有些坦克的复合装甲更是发展到了第三代,那么复合装甲到底有何过人之处?
▲西方的乔巴姆复合装甲,这应该是一种金属非金属厚复合装甲
什么是复合装甲
复合装甲,从字面意思上理解就是由多种不同材料复合而成的装甲。其主要由普通结构和特殊材料结构组成,普通结构主要依靠材料的强度来提高抗弹能力,比如均质装甲钢板,合金板,玻璃钢板等;特殊结构主要依靠材料的特殊特性来提高抗弹能力,比如耐高温的陶瓷板,炭纤维/石英复合板,能有效防御碎甲弹的空气间隙等(其实间隙装甲也是复合装甲的一种,只不过它的特殊填充材料就是生活中最常见的空气),根据特殊结构材料的不同,复合装甲有很多种,主要由金属复合装甲、金属非金属复合装甲,非金属复合装甲。
▲美帝M1主战坦克披挂的陶瓷复合装甲块,这种外挂的复合装甲能够有效的防御穿甲弹和破甲弹的打击
复合装甲相较于传统的钢装甲抗弹能力得到了大幅增强,因为复合装甲能够在弹药击中的一瞬间产生多种防护效应,比如随着多层薄装甲板的应用,应力波可以在间隙间来回多次反射,就能有效的抵御碎甲弹,再比如不同形状的陶瓷块能够有效的防御破甲弹;还比如多层排杆结构(就是里面有很多横置排列的杆状单元)的复合装甲能产生不对称的方向力,会加剧长杆穿甲弹的上下偏转甚至使其发生断裂,降低其穿甲威力。而且在防御穿甲弹、破甲弹、碎甲弹等不同弹药时复合装甲所产生的防护效应是各不相同的,相较于防护效应单一的钢装甲,复合装甲更加全面而且强悍。此外复合装甲在等抗弹能力的情况下,不论是重量还是厚度都要远远低于钢装甲,此外多种材料组成的复合装甲设计性更强,可以根据不同的防护需求或防护位置设计出不同性能、厚度的复合装甲,应用范围相比于钢装甲大幅提升,最后复合装甲还能设计成各种不同的模块,根据防护位置的不同来搭配不同性能的模块化单元,利于更换和维护。
金属复合装甲
▲432工程上使用的铸铝合金夹层复合装甲(也就是钢铝金属复合装甲),铝合金直接铸入钢槽之中,这种复合装甲在减重的同时还能提高抗破甲弹的能力,但是面对穿甲弹时有一些不足,后来苏联人以432工程为平台弄出了一个钛合金-玻璃纤维-钛合金复合装甲,只不过因为成本和工艺性较高而被放弃
这种复合装甲的材料全都是金属,只不过由不同强度或硬度的金属装甲板组成,金属可以是钢,可以是铝,还可以是像钢铝、钢钛这样的复合金属,铝的特点就是重量轻,钛重量轻且强度较高,但是这两种金属都不易焊接,所以普遍应用在步战车、空降战车这类对防护性能要求较小的装甲战车上面。这里以钢复合装甲为例,最基础的钢制复合装甲就是一块强度和硬度都极高的面板和一块韧性极强的背板组成(这种双层的金属复合装甲已经不怎么使用了),高硬度面板能够有效的抵御穿甲弹的冲击甚至使其破碎,高韧性的背板能够吸收穿甲弹的能量,防止装甲开裂崩落,抵御破片的二次效应,不过金属复合装甲要求不同装甲层之间的结合要十分的牢固,而且不同层的最佳厚度也需要着重考虑。最后这种钢复合装甲只能有效的防御穿甲弹,对于破甲弹防御并不是很高。
金属非金属复合装甲
▲上图就是金属非金属厚复合装甲和金属非金属薄复合装甲的结构示意图,金属非金属厚复合装甲通常会采用模块单元的结构,有点像巧克力
金属非金属复合装甲是目前应用最广的一种复合装甲,普遍装备在各国的主战坦克上面。金属非金属复合装甲也可以分为两种,一种就是金属非金属厚复合装甲,主要由壳体(壳体包括面板,背板,侧板,连接装置,就类似于一个金属盒子)和夹层材料组成,内部结构更加的复杂。另一种就是金属非金属薄复合装甲,这种复合装甲就没有壳体了,就是简单的金属-非金属板叠合起来或者是金属板夹非金属板的结构,金属材料一般都是普通的均值钢装甲,这里就着重的说一下非金属夹层材料,首先就是以不同强度、形状(一般为块状,晶体状和纤维状)的非金属(比如陶瓷、碳、氧化铝等)为增强体,以金属为基体的夹层材料,这种夹层材料耐疲劳、强度高、耐腐蚀、耐高温,而且质量较小,被长杆穿甲弹击中时因为各部分硬度的不同会导致受力不同,容易发生偏转。但是这种材料的制作难度较高成本也大,很难做到大规模普及。
▲上世纪苏联279坦克采用的金属非金属复合装甲,苏联研究发现金属非金属复合装甲的防护能力要强于普通的金属复合装甲,后来在测试了陶瓷、石英砂、石棉板、普通混凝土后,最终选择了将陶瓷柱或陶瓷球镶嵌在装甲内部,可惜279死的早。后来的陶瓷复合装甲夹层材料不是单纯的陶瓷,而是以陶瓷为基体,金属材料,碳材料,陶瓷材料作为增强体的复合夹层,有个特例就是伊拉克猴版T-72的夹层材料就是普通的沙子,好好地石英碳材料直接被缩水成了沙子
接下来就是玻璃钢夹层和陶瓷夹层了,玻璃钢的强度能够和钢相媲美,但是相较于钢更加的耐高温,抗弯曲和拉伸,具备很强的冲击韧性,这种夹层材料能够有效的抵御金属射流,当破甲弹的金属射流穿入时,会发生弯曲,断裂,破碎,而且玻璃钢的孔壁会回缩包裹住金属射流,这样一来大量的金属射流就会被消耗在孔壁,很难加深,最后金属射流的能量被逐渐的消耗直至消失,此外在抗穿甲弹方面玻璃钢同样要优于钢装甲,因此比较常见。还有一种比较常见的就是以陶瓷材料作为基体,以金属、陶瓷,炭纤维、有机材料(比如石英碳化硅、氮化硅、橡胶等)作为增强体的夹层材料,其中金属增强体强度高;陶瓷和炭纤维强度高,稳定性好,耐高温;有机材料橡胶冲击韧性高。而且除了整块复合装甲可以倾斜放置外,其内部的夹层也是可以倾斜放置的,这样一来防护能力就会大幅提升。
▲乌克兰T-84堡垒主战坦克的金属非金属复合装甲为钢-玻璃纤维-钢-间隙-玻璃纤维-钢多层组合的复合装甲(图片来源:新浪微博)
非金属复合装甲
最后就是非金属复合装甲了,顾名思义这种复合装甲主要由非金属材料组成,这种复合装甲的抗弹能力较差,一般仅能防御小口径弹药和炮弹破片等,所以坦克一般不会采用,还是以金属非金属复合装甲为主,这种复合材料一般为双层结构,根据不同的需求可以选择不同材料作为面板(比如高硬度的陶瓷板)和背板(比如玻璃钢),由于其能在控制重量的情况下增强防护能力,可以应用在武装直升机,对地攻击机等上面。
▲因为碎甲弹特殊的作用机制,多层间隙复合装甲几乎就让碎甲弹失去了作用机制,只不过碎甲弹的装药是高塑性的炸药,也能当做高爆弹来使用,是一种多用途弹药,这也是碎甲弹没有被淘汰的重要原因,下图就是勒克莱尔主战坦克空心装甲中携带的杂物,这种设计能够在弹丸接触到主装甲前将投射物先行引爆
多层的复合装甲还能有效的防御碎甲弹,碎甲弹引发的应力波在第一次装甲上能造成较大的层裂效应,但是在两层装甲之间会来回的反射分散,进入到第二层装甲时已经没有多大的效果了,现代复合装甲也会大量的应用间隙装甲,间隙装甲还能起到一个泄压的作用,能有效的降低爆炸产生的爆轰波对战车的冲击,在应对多发穿甲弹时防护效果极佳,此外中间的间隙也可以作为储物箱,实在不行还可以在间隙之间添加附加装甲来提高战车的防护能力。(作者署名:武备营)