警用特种车辆轻量化技术研究

2018-01-15 神汽专用车

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一、引言

目前,国际反恐形势异常尖锐复杂,防弹车辆成为各国警察维护社会治安和处置突发事件的重要装备。车辆经改装防弹后,整备质量的大幅度增加成为影响整车燃油经济性和机动性能的重要因素。采用非金属复合防弹材料可以大幅度减轻重量,或在相同重量条件下提供更高的防弹防护性能因此,研究和探索轻质、高效的非金属复合材料用于防弹车辆,有效降低防弹车辆的重量,成为不少国家关注的焦点。随着我国治安形势的不断变化,警用防弹车(以下简称“防弹车”)配置和保有量的不断增加,实现防弹车轻量化对于提高车辆保障能力、节省能源、降低消耗、增加队伍战斗力具有十分重要的意义。


二、现状

防弹车属警用防暴车的分类车型。目前,我国公安机关配置的防弹车,有些是直接采用军用制式装甲车变更车身涂装改装而成,也有在普通民用车基础上改装的防弹车。为满足防弹性能的要求,防弹车改装时加装了相应厚度的防弹钢板,大大增加了整备质量,加剧了燃油消耗,影响了车辆作战机动性能。因此,防弹车的轻量化、经济性、,机动性以及适应城市行驶的车身造型和外观成为各地公安机关的迫切需求。


三、非金属防弹材料轻量化技术研究

(一)研究目标

在分析国内外非金属防弹复合材料研究应用现状的基础上,研究具有自主知识产权的国产高性能纤维防弹材料应用于防弹车改装的可行性,探索提高防弹车轻量化防护技术的途径和方法,替代进口,取代现用的钢板防护,进一步降低车辆运行能耗,提高防护性能和使用经济性,大力推进非金属防弹防护材料在防弹车的应用技术,实现防弹车的轻量化。具体目标是研究国产高性能纤维的防弹性能、轻量化技术和可加工性能,并研究用于防弹车内饰防护材料和低成本、易于推广和产业化的可行性。

(二)材料性能

1.研究进展

自20世纪20年代以来,世界各国对车辆的防弹材料从金属到非金属的研究与应用可分为五个阶段。

2. 玻璃纤维

玻璃纤维复合材料价格比较低廉,具有较好的抗震动、抗冲击性能。20世纪80年代初期,国内有人研究将玻璃纤维应用于轿车车身。目前,国内大客车及部分车型的车身部件仍采用玻璃纤维构件。玻璃纤维具有较好的防弹性能,其抗弹能力可达到钢的3倍以上,由于玻璃纤维复合材料具有很好的性价比,因而目前仍在装甲防护中得到应用。玻璃纤维的弊端一是重量较重,二是弹击后易崩落碎片。

3.芳纶纤维

芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE )复合材料是第三阶段研究的防弹复合材料,与玻璃纤维复合材料相比,主要降低了材料密度,减轻材料重量,在国内外较为广泛应用于防弹衣、头盔以及车身防弹板”。对位芳纶纤维由杜邦公司在20世纪70年代开发。对位芳纶纤维主要是聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA )纤维,我国称为芳纶1414或芳纶1.对位芳纶纤维高强度、高模量、耐高温特性,同时还具有耐化学腐蚀、耐疲劳等特点,应用比较广泛。

4.PBO纤维防弹复合材料

PBO纤维是聚苯丙双感唑纤维的简称,具有很好的耐热性能和阻燃性能,被认为是目前强度最高、综合性能最好的高性能有机纤维”。

PBO纤维突出的高强、高韧性能使其具有极佳的能量吸收特性,同时其微纤化结构和较低的界面粘接性能使其复合材料可通过原纤化和分层变形进一步吸收冲击能量,因此特别适合用于防护领域的抗弹抗冲击材料。在相同的条件下,PBO纤维复合材料的最大冲击载荷和能量吸收远高于芳纶和碳纤维。但随着使用时间的延长,这种纤维的缺点暴露了出来。试验表明:该纤维在低于100C以下,或在普通日光照射下,性能会逐渐下降。目前,国外深入开展PBO纤维研究并取得一定成果,可大幅度减轻装甲重量用。

5.混杂纤维防弹复合材料

混杂纤维复合材料可以弥补单一纤维材料的性能缺陷,使复合材料具有良好的综合性能,同时,可以合理利用价格昂贵的纤维和低成本的纤维混杂增强同一树脂基体,使材料成本降低,更具有实用性。国外采用PBO纤维与碳纤维混杂制备兼具抗弹和结构性能的结构轻质装甲”,用于装甲车辆、战斗机和战斗舰船的防弹防护。

6.石墨烯复合材料

石墨烯是近年来发现的新材料,石墨烯的应用研究在全球范围内急剧增加”,世界即将走进“膜”时代。石墨烯具有非凡的物理及电学特性,在力学性能方面是当今发现的最好的材料之一。有关研究表明间,石墨烯纤维与其他物质纤维复合形成特定功能的石墨烯功能纤维,可用于研制轻质、柔性、高效的防弹衣,大幅度提高防弹衣的防弹性能和可穿着性能。金属基石墨烯与金属复合形成新型材料,大幅度提高材料强度、硬度、柔性,与常规的金属防弹车辆和非金属复合车辆相比,具有重量轻、体积小、性能高等特点,可用于防弹车辆防护材料,但其商品化和产业化尚待进一步研究发展。


四、非金属防弹材料应用技术研究

(一) 材料的抗老化性能研究

目前,非金属防弹材料的高分子聚合物普遍存在固有的老化特性。材料老化过程的研究重点主要包括三方面:一是外界因素(日光、气候、冷热、盐碱) 对防弹性能的影响,特别是有效改善羟基及双键聚合物对280nm~400nm紫外线的吸收,改善短支链抗交联和断裂性能,降低分子或原子跃迁激发,提高材料的光稳定性等方面研究。二是材料力学性能1包括张力、弯曲、剪切、冲击、延伸率等)的变化与材料纤维改善的可行性,在高聚物加工过程中添加抗氧化物,降低分子活性的研究; 材料表面处理提高材料寿命的研究。如,在防弹材料表面附着防护材料,警车内饰材料表面覆盖深色无纺布织物,提高材料环境适应性。三是老化评价体系,目前,非金属防弹材料评价体系尚待进一步研究,在试验基础上梳理现有材料,制定材料型谱,规范有试验方法和程序,为非金属防弹材料轻量化研究、应用和老化报废提供量化的依据,研究制定公安防弹防护装备材料寿命评价体系已势在必行。具体的试验方法可采取阿氏模型(ARRHENIUS )加速老化寿命试验; 通过自然光或人工环模方法进行日光紫外线、冷热等耐久性试验,保障非金属防弹防护材料安全、经济、高效。

(二)3D机织技术研究

该项应用技术具有高强度、抗冲击、轻量化的特点,主要应用于航天航空装备。其主要应用技术是通过高性能纤维3D机织工艺方案即多轴向铺层系统,形成具有防弹特性的板材。基本原理是通过使铺层结构每层中的每根纱线可配置到精确的位置上,以达到给定方向的最大抗拉强度,或在各方向上都有相同的抗拉强度。还可通过改变增强纤维、树脂基体种类及纤维含量、纤维集合形式及排列方式、铺层结构等材料和结构参数等多种设计方案,满足对复合材料结构和性能的各种设计要求。因此,在一定的约束条件下,可以设计得到最佳强度和抗弹性能纤维复合材料的设计方案”。

(三)多材料复合技术研究

芳纶纤维复合材料层压板与陶瓷复合,可用于防穿甲弹和破甲弹。该项应用技术利用芳纶纤维优越的抗拉强度和陶瓷特有的耐冲击硬度,二者复合形成新型防弹材料。也有使用陶瓷与钢板复合,同等防弹性能条件小,与单独使用防弹钢板相比,可以达到减重20%.~ 30%的目标。该项技术可用于对现有防弹车防护等级的升级,具有良好的经济性和社会效益。

(四) 新工艺技术研究

根据防弹车内饰特点,充分利用非金属防弹复合材料便于成型的特点,研究车辆内饰板一次整体成型技术,不但能够实现防弹性能要求,而且可以保持原车造型,具有良好的伪装隐蔽作用。该项技术可用于防弹车顶棚、门内护板、侧围内板、地板、后围内板等内饰材料或车身外覆盖件的部件,不但大大减轻整备质量,而且简化加工工艺,一般不需要如防弹钢板加工那样进行焊、铆、切割等二次加工。

鉴于以上特点,高性能防弹复合材料倍受国内外相关专业的高度重视,越来越多地研究用于车辆的防弹改装,以达到减轻装甲重量和提升防护性能的目的。

(五)国产纤维研制技术研究

针对防弹车车身轻量化技术要求,国内一些大学和有关项目承研单位,在对芳纶纤维国产化多年攻关和技术研究的基础上,结合轻量化攻关课题项目要求,展开了关于防弹复合材料轻量化关键技术研究和攻关工作。经多次试制试验,现已成功研制出由自主知识产权的芳纶防弹材料,其理化性能指标和防弹性能不低于国外同类产品。经试验室测试,防弹性能良好网,


五、非金属防弹材料轻量化技术验证分析

采用非金属防弹复合材料不仅有效降低整备质量,达到了轻量化要求,而且保持了良好的防弹性能,还具有隔热效果好、易成型曲面构件等特点,可用于车辆内饰,进一步发挥车辆动力性能,降低燃油消耗,节约能源,具有良好的社会经济效益。