超级军网[转帖]复合材料集成装甲的性能量度标准
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/28 18:36:12
未来战斗系统的研究必定集中于轻型、高机动性和可运输的装甲车辆。正在发展轻型复合材料集成装甲系统，以便满足未来战斗系统装甲的需求。本文的目的是重点阐述具有抗弹、结构、抗冲击、防电磁和防火等多种功能的复合材料集成装甲的一些设计要求。还阐述了集成装甲的结构要求、抗弹要求以及制造技术与寿命周期性能。提出的一些特殊技术题目包括高应变速率试验和模拟、抗弹试验和模拟、低周期疲劳、破坏耐受度、维修、减少工序的工艺、全厚度增强、能量分散、取决速率的破坏机理以及非线性机理。
1 .引言
1.1 部队的需求
第二次世界大战之后，部队对抗弹和多功能生存能力的要求不断提高以及美国地面部队的前方突击战略，刺激地面战斗车辆发展到目前的70吨重量。
在新形势下，美国要求本土的地面小部队能够迅速部署到世界上的任何地方。因此，美国的部队必须在战略、战术和武器方面进行革命性的变革。美国陆军在战略和战术上以惊人的灵活性适应了过去10年的快速变革。在美国的现役和后备部队中，进行了军事条令、战术训练和完全改组等方面的变革。然而在武器方面所需的革命性变革没有跟上形势。美国需要新型的武器系统，以便能够把本土的部队部署到宽广的地区和环境中作战。为了使战略和战术上使用的现武器系统适应在遥远的地方进行最佳部署和作战的要求，美国陆军正在进行2010～2025年的中、长期计划。美国陆军通过未来战斗系统（FCS）计划,正积极把其重型部队转变为轻型、战略上可展开、占优势和可持续作战的地面战斗部队。FCS计划要求大量减少陆军重型部队的重量，大大增加陆军轻型部队和单个士兵的杀伤能力和生存能力。陆军的计划集中在可用大量获得和普遍部署的C-130飞机运输的快速部署部队上。这个能飞和能跑的部队不仅较传统的部队需大量减轻重量（是现重量的三分之一），还需大量减轻基本负荷（是现负荷的三分之一）和补给要求。预想中的重量减少量和大量限制寿命周期费用，要求使用具有多种生存能力和结构作用的轻型材料。也就是说，陆军的地面武器系统需满足杀伤力、提高战区内与战区间的战略机动性以及战术机动性、最大的生存能力、承载能力、高效费比、可生产性、真正的可支撑性、降低采办和寿命周期费用等要求，因而需发展分担功能、非寄生的轻型集成材料系统，即陶瓷和聚合物基复合材料装甲。
此外，实现能够预测的各种多功能结构（它们具有最佳重量－性能等级，最突出的特点是能迅速把轻型集成材料系统插入新结构和武器平台），需发展集成设计方法，它们可使最佳的装甲设计迅速而精确地使用各种组成材料。必须以集成的模型和应用的先进最佳化技术为基础完成这类结构装甲。
未来装甲系统的多功能要求必然把各种功能分担到各种材料组分之中。一种这类多功能装甲方案是独特集成的聚合物基复合材料和陶瓷材料。该集成装甲复合了每种材料的最佳功能（结构或抗弹功能），可使具有结构功能的材料有助于整体抗弹性能，可使具有抗弹功能的材料有助于整体结构性能。在这样的复合材料集成装甲设计之中，利用了组成材料的多种叠加作用。
虽然高机动性的部队能够获得多种防护等级，但是，必须承认，他们大量减轻重量之后必然比传统重型部队的静态生存力低。然而，轻型战术车辆的动态生存能力高，它们大大提高了机动性，即提高了速度、敏捷性和躲避障碍与打击的能力，从而可改善战斗系统的总生存能力。集成先进的降低信号特征技术（材料自带的和几何形状赋予的）也将增加轻型战斗部队的生存能力。轻型装甲需进行革命性发展，以便填补高机动性战斗小队和杀伤力较大的较重型部队之间的风险空白。有关防护等级以及中期与远期目标等许多情况，取决于研究中的系统。虽然这些目标是保密的，不能在这里公布，但是，它们一般都提出了面密度指标，即面密度指标是对付从轻武器（例如7.62毫米穿甲弹）到大口径坦克弹药（120～140毫米动能弹）全部威胁的现装甲面密度的三分之一。
为了实现这些目标，尤其是在面临较大威胁等级时实现这些目标，一些防护方案可能包含增强防护的主动装甲或反应装甲。这些增强防护的装甲减轻了现装甲静态结构、抗弹和抗冲击防护的重量。需支撑主动防护系统的基础装甲仍然是轻型装甲研究者面临的一个重大课题。也有可能把各种轻型材料（例如钛）用于整车防护。然而，人们普遍认为，与其它材料系统（例如陶瓷瓦）集成的聚合物基复合材料将是未来战斗系统的轻型装甲最具有深远意义的发展。
熟悉每种车辆设计所需面密度为一个数量级的轻型装甲族带或不带主动防护系统是重要的。这些车辆可能是有人驾驶的或无人驾驶的、战术的或非战术的以及轮式的或履带式的。这些装甲还可用于飞机乘员舱、指挥所掩体、电子部件的外壳、发电机罩、各种工业人员防护以及基础结构的增强防护。
1.2 复合材料集成装甲
通过一些重要的研究和发展计划，美国陆军建立了可充满信心应用聚合物基复合材料的基础，以便完成减轻重型部队重量，提高轻型部队生存能力任务。在80年代末的一个演示计划中，首次把厚壁的聚合物基复合材料应用于装甲车辆。该计划的内容是，研究了用聚酯/玻璃复合材料车体取代布雷德利步兵战车的铝车体。制成的车辆具有厚壁复合材料车体和附加的装甲块，成为众所周知的复合材料步兵战车，并演示了能够用作装甲车辆优良结构材料的聚合物基复合材料。90年代中期，复合材料装甲车辆计划评价了聚合物基复合材料在地面装甲车辆设计中的应用。在执行复合材料装甲车辆计划时，为了满足严格的重量和抗弹性能要求，研究了以聚合物基复合材料为主体的一种多功能装甲。这种复合材料集成装甲的效果特别好，随后被采纳用于美国陆军的十字军战士新型自行榴弹炮的大型部件。
复合材料装甲车辆用复合材料集成装甲中的每一层都具有特殊的使用目的。这种多层复合体还具有功能分担作用。各个单层通过与相邻层的相互配合独特设计，还具有多功能作用（例如结构、抗多发弹丸打击和抗弹丸冲击）。车辆外表面的聚合物基复合材料薄防护面板防止抗弹陶瓷瓦易出现的破坏，并限定全厚度陶瓷。面板之下为氧化铝陶瓷瓦层，该层通过使弹丸滞留、在高压下的混合式断裂以及弹丸的烧蚀与变形等综合作用吸收弹丸的绝大部分动能。在陶瓷瓦之后为三元乙丙橡胶（EPDM）层，该层防止复合材料背板过早破坏，提高抗多发弹丸打击的抗弹性能，衰减扩展的高频应力波。在橡胶层之后为厚壁复合材料板，该板是抗弹陶瓷瓦的背衬，使车辆具有结构支撑性能。车辆内表面为耐火的防崩落内衬层。还可加入具有防电磁、控制信号和防较大弹丸冲击等作用的其它层结构。
虽然遵照复合材料装甲车辆计划和十字军战士自行榴弹炮计划发展的复合材料集成装甲，对建立信心用聚合物基复合材料同时满足战斗车辆的抗弹和结构性能起了很大作用，但是，其质量防护系数（大致为每单位面密度的抗弹性能）远远达不到陆军的要求。复合材料装甲车辆/十字军战士榴弹炮装甲的发展思路是，把完全的抗弹可靠性归因于聚合物基复合材料背板，把完全的结构可靠性归因于由陶瓷瓦和外包覆层建立的夹层结构，其防0.5英寸口径穿甲弹的面密度大约为25磅/平方英尺。自那时以来，各种增强复合材料装甲车辆的方案提供了大约20磅/平方英尺的面密度。然而，这些较轻的装甲没有在制造环境下和车辆上进行演示。虽然轻型装甲已发展进步，但是，其目前的能力离未来战斗系统特殊的基础装甲防护等级所需大约10磅/平方英尺面密度的目标还很远。为了实现未来战斗系统的目标，在材料、破坏的物理过程、计算机模拟、设计最佳化、集成结构的制造工艺以及降低成本的制造技术等方面必须发生革命性的进步。一项最近启动的陆军战略研究目标项目，"设计的装甲材料"旨在把国内和国外的研究项目，集中于鉴定与探索解决这些问题的新颖方案与方法以及能使轻型装甲的能力发生革命性的进步等方向上。陆军战略研究目标的目的是，根据组成部分的基本性能以及对与材料和工艺有关的能量吸收现象的具体了解，按照特殊的要求，建立设计装甲材料的能力。
2、性能量度标准
2.1 抗弹性能量度标准
在复合材料集成装甲结构（防火、热信号和电磁屏蔽也包括在其中）的设计中，成本、可制造性以及抗弹、抗冲击与结构性能是相互依赖的要求。设计时，有许多方法可增加一种性能要求，而同时降低另一种性能要求。还进行材料和设计的协调，以便在这些性能要求中具有竞争的性能量度标准。抗弹性能中的一个突出例子是抗单发弹丸打击性能与抗多发弹丸打击性能之间的关系。要求抗多发弹丸打击性能的特殊装甲必须在遭受特殊威胁的条件下，于规定的半径内承受多发弹丸打击而不被侵彻。改进抗单发弹丸打击的V50不一定会改进抗多发弹丸打击的能力，反之亦然。
虽然设计装甲的总目标是平衡所有的性能要求，但是，抗弹性能量度标准一般控制装甲设计。一般的抗弹试验是V50抗弹极限速度试验。设计装甲的目的是，使其在最小面密度时具有很高的V50值，以便对付特殊的威胁。虽然传统的延性和脆性装甲材料的V50概率峰值可用单一的速度识别，但是，Chang和Bodt证明，陶瓷基装甲的侵彻破坏方式取决于速度变化，可能具有双峰侵彻概率。这导致建议改变V50试验。这种特殊的抗弹性能表示陶瓷基装甲抗机枪弹丸碰撞时取决于速率的复杂破坏方式。在进行这些装甲结构的抗弹极限试验时测量侵彻弹丸的残余速度，然后计算抗弹极限，显然也是很不精确的。还会产生弹芯摧毁机理问题、从侵彻为主的机理转变到轻型装甲材料相互作用为主的机理问题以及降低弹芯摧毁陶瓷机理的远场结构效应作用的计算机代码问题。
在抗弹过程中，陶瓷材料不断经受材料中大的交替压缩应力波和拉应力波作用。在拉负荷（I型破坏）和经受压缩应力波时的剪切（Ⅱ/Ⅲ型混合式破坏）作用下，陶瓷发生破坏，具有良好抗弹性能的陶瓷瓦产生大量碎块，从而在弹丸侵彻到复合材料背板之前大量分散其能量并使其变形。陶瓷（原始或断裂状态）在弹丸侵彻之前持续时间越长，装甲摧毁弹丸的性能越好。一种陶瓷瓦的有效形状是六边形，因为这种形状可使其进行最佳装配，并接近圆形，从而可使陶瓷瓦在抗弹过程中的断裂百分比达到最大程度。按照考虑的威胁、陶瓷瓦的厚度和在陶瓷中的破坏方式等因素，陶瓷瓦的表面尺寸达到最佳化。当然，薄弱位置在3块陶瓷瓦的会聚点。弹丸直接击中该位置，也必须满足装甲的抗弹性能要求。
影响总抗弹性能的另一个重要量度标准是，装甲在抗弹过程中经受的动载挠曲，即塑性和弹性挠曲。挠曲距离决定装配于车辆内部的设备所需的间隔距离。一方面需要大的动载挠曲，因为大的动载挠曲会提高抗弹效果。此外，大的动载挠曲还产生车辆内基本负荷和士兵不需要的空间负担。当对比装甲设计的厚度时，考虑"动态厚度"是重要的，"动态厚度"是静态厚度与动载挠曲的总和。仅考虑单一的性能量度标准对比装甲有很大的风险。
除了复合材料内的破坏机理之外，装甲板在抗弹过程中的挠曲响应也影响表面的破坏程度。相邻陶瓷瓦的破坏（殉破坏）或者复合材料背板中的破坏超过临界尺寸，将影响装甲抗多发弹丸打击的性能和碰撞后的结构性能。事实上，复合材料背板的破坏可发生在弹丸侵彻复合材料背板之前，从而降低V50性能和/或增加动载挠曲以及使脱层破坏扩展超过临界尺寸。因此，其它的抗弹性能量度标准是瞬时抗弹破坏性能（量度标准为抗弹过程之中的碰撞和抗弹之后产生的破坏程度）以及抗弹后的破坏耐受度（量度标准为在碰撞之后保留的机械性能和抗弹性能）。抗弹性能量度标准与结构性能量度标准及抗破坏性能量度标准紧密相连。事实上，轻型装甲中这些设计的性能量度标准用于抵御飞行速度比组成材料中声速慢的弹丸，必须相互依赖。正是这些抗弹和结构性能的相互依赖性导致人们进行材料研究项目、计算分析项目以及新颖的装甲设计项目。正在重新评价遵照摧毁机理和计算设计的传统远场效应（抗弹－结构相互依赖性）的设想。
抗弹丸冲击是另外一个装甲设计要求，该要求对轻型车辆，可能对装甲设计遵守临界冲击弹道的位置是重要的。当瞬时应力波（包括从弹丸冲击到静态的频率范围）从弹丸碰撞位置贯穿到车辆中时，发生弹丸冲击破坏。这些冲击波能够破坏从结构连接部位到电子部件的一切车辆中的部件和部位。较轻的车辆较难于有时间衰减掉这些应力波，因而使连接部位的设计以及电子部件隔绝冲击的设计较困难，较重和较昂贵。最新的消息是，复合材料集成装甲具有巨大的设计灵活性以及设计固有耐冲击轻型装甲的新可能性。同时设计抗弹性能、抗弹丸破坏性能和缓解弹丸冲击性能的关键是，通过模型实施应力波的共同管理，这些模型包括和连接全部频率范围和组成部分可定量的破坏物理过程。
2.2 结构性能和破坏耐受度性能量度标准
复合材料集成装甲具有或没有破坏以及不考虑破坏源（制造缺陷、疲劳诱发的降解、低速碰撞和抗弹碰撞等），都必须经受象其它的厚壁复合材料一样的结构性能和破坏耐受度性能量度标准。目前选择用作复合材料集成装甲复合材料背板的材料是编织的织物和结构树脂。通常，背板中的全厚度方向需要加入增强物，以便控制破坏模型的起始能量，并把平面脱层破坏限制到临界尺寸范围内。最终获得的厚截面复合材料结构具有独特的非线性机械性能，可满足变化的应变速率负荷、高负荷、低周期疲劳以及独特的破坏后军用性能要求。
临界缺陷尺寸取决于抗多发弹丸打击、破坏扩展（在静态、动态和疲劳负荷之下）以及残余刚性与强度等条件。疲劳条件包括高负荷、未破坏和破坏材料的低周期疲劳、复合材料集成装甲结构粘接方式的疲劳、因火炮负荷产生的脉冲振动疲劳以及有限应变速率周期负荷效应。残余刚性与强度不仅受破坏区尺寸的影响，而且还受破坏区内降低模量的影响。还可以通过破坏位置（例如车辆的棱角附近）以及维修条件确定临界破坏。非临界缺陷可能成为通过标准的周期车辆负荷或者由抗弹过程产生的随后局部负荷的关键。因为直接维修军用地面车辆并非总是可行的，所以，临界破坏评价必须包括减少的疲劳负荷性能以及预测的剩余寿命。
2.3 可制造性、成本以及维修性能量度标准
复合材料集成装甲结构的可制造性和效费比高的制造技术是意义不同、但相互有关的量度标准。复合材料集成装甲结构可制造性的特殊问题是包括接近净形状的预成形、抗弹陶瓷瓦的制造与配置、效费比高的陶瓷瓦限定策略、采用多树脂（结构、防火和导电）、残余应力控制、全厚度增强方法、类似的材料附着性以及与工艺有关的特殊问题，例如树脂粘度和固化控制。当然，制造技术的改革影响采办费用和可制造性问题，例如全厚度增强、陶瓷瓦的配置和非类似材料的粘接影响可维修性以及随后的寿命周期费用。厚壁复合材料，尤其是复合材料集成装甲结构的维修是一项未研究的技术。使用传统的平齐工艺方法，把足够的压力传递到维修的部分使其恢复到接近极限值的强度是不可能的。需要研究新颖的方法。此外，维修必须考虑恢复抗弹功能和结构功能。象材料选择（例如增韧的环氧对低成本乙烯基酯）、工艺（例如纤维束布置对真空辅助树脂传递模塑）和工艺准备（例如手工布置对自动预成形）等其它问题控制采办费用。制造技术的改革和材料选择还影响抗弹性能和结构性能要求。复合材料集成装甲结构性能量度标准之间的相互有关性的性质要求研究集成方法。
3 集成研究举例
3.1 工艺举例
陆军研究实验室和Delaware大学研究了一种减少复合材料装甲结构制造成本的工艺方法，是集成性能要求和制造技术改革的一个例子。共注射树脂传递模塑（CIRTM）是真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和Seemann复合材料树脂浸渗模塑工艺（SCRIMPa）的改型工艺。CIRTM工艺的突出优点是，能够把包括各种玻璃纤维织物、弹性体层和陶瓷瓦在内的所有复合材料装甲组件包容于一次预成形部件之中。研究CIRTM工艺的结果，获得了降低成本、平衡复合材料集成装甲抗弹性能、结构性能和防火性能的工艺。美国陆军已用CIRTM工艺生产压合层压装甲，该装甲与参考的美国复合材料装甲车辆中的复合材料集成装甲结构相比，具有优良的抗多发弹丸打击性能和破坏耐受度。美国L.P.联合防务公司用共注塑方法制造了压合集成装甲板，该装甲板抵御了6发弹丸打击，而没有使抗弹内衬剥落。
3.2 材料举例
真正的多功能结构，尤其是具有最轻重量的最佳结构，使任何各个组成部分的寄生性能达到最低程度。复合材料集成装甲的结构性能、抗弹性能和抗冲击性能通常可受各个单独材料层的影响。在这个例子中，研究人员用密度为40％的铝泡沫取代美国复合材料装甲车辆中3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层，该层的作用是增强抗多发弹丸打击的能力。美国复合材料装甲车辆参考复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，其从外向内的结构是：1.27毫米厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层和17.02毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。本例子复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，从外向内的结构是：1.27毫米 厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、19.05毫米铝泡沫层和13.97毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。在本例子中，除去了部分背板中的S-2玻璃纤维/乙烯基酯树脂材料，以便接纳19.05毫米 稍重的铝泡沫。本例子的目的是，根据作者对美国复合材料装甲车装甲的各种破坏机理、负荷传递、摧毁机理以及应力波扩展的了解，确定用另一种材料（铝泡沫）取代单一组成材料（橡胶）可能产生的优点。铝泡沫除了在防护相邻陶瓷瓦而改进多发弹丸打击性能方面具有类似的功能之外，还有其它的功能：在不增重时通过提高结构刚性而改善结构性能；在抗弹过程中，通过改善能量在铝泡沫中的分散能力而可能提高抗单发弹丸打击的性能；增加了静态厚度，但通过减少动载挠曲降低动态厚度而对V50无不利的影响；通过有效地阻尼全厚度和平面内的冲击波而提高抗冲击性能；通过降低复合材料背板的破坏程度而提高抗弹性能和结构破坏耐受度。
使用相同的技术制造了估计尺寸为77.42厘米2的装甲试验板。用20毫米破片模拟弹以838.2米/秒的标称速度对该试验板进行了弹道冲击试验。选择的该速度可保证靶板不被完全侵彻，弹丸被俘获在该试验装甲板中。用X射线计算机断层分析（CT）检验了美国复合材料装甲车参考装甲的弹丸碰撞中心以及上述装甲试验板的弹丸碰撞中心，表明泡沫铝具有下列优点：相邻陶瓷瓦具有较小的视在殉破坏；复合材料背板具有较少的脱层破坏；碰撞的陶瓷瓦具有较多的碎片，可增加弹芯的滞留时间；动载挠曲大大降低，由美国复合材料装甲车参考装甲的4.06厘米动载挠曲减少到泡沫铝基装甲板的2.29厘米动载挠曲。虽然本文介绍的内容不足以得出有关在提高生存性的复合材料集成装甲中如何最佳使用金属泡沫的专门结论，但是，有确凿的证据证明，选择材料可对装甲的非寄生多功能性产生积极的影响，从而提高结构和多参数抗弹综合性能。
4 、结论
美国陆军要求地面战斗车辆在2025年时大量增加聚合物基复合材料的使用量。已经发展了明显改善可迅速部署的轻型车辆比抗弹性能的PMC基装甲。但是，需进行轻型装甲如何抗弹的革命性思考以及装甲设计的革命性改进，以便达到美国陆军的性能目标。需要研究集成多功能材料和工艺的装甲材料设计方法，以便最佳综合平衡包括抗弹、结构、抗冲击、防火、成本和信号等多种性能量度标准。复合材料集成装甲设计的竞争量度标准是：
抗弹性能
·抗单发弹丸打击的V50
·抗多发弹丸打击的V50，殉破坏
·动载挠曲
·三块陶瓷瓦的交汇点
·抗弹丸破坏
·抗弹后的破坏耐受度
·抗弹丸冲击
·抗崩落/抗二次弹丸
结构性能
·静态性能变量（强度，刚性）
·抗低速碰撞破坏
·抗低周期和脉冲振动疲劳
·破坏耐受度
·临界缺陷尺寸/位置
其它量度标准还有：面密度 ；可维修性；可制造性；制造技术/部件成本；着火/发烟/毒性 ；热和电磁屏蔽/信号；内部空间要求 ；连接设计/装配公差。
多功能材料实施功能分担可使重量达到最轻程度。一种性能量度标准的改善常伴随牺牲其它的性能量度标准。熟悉性能量度标准之间的相互关系、复合材料装甲和集成复合材料装甲微观到宏观取决速率的性能以及材料设计方法，可设计出美国未来战斗系统需要的轻型装甲。
（宋继鑫 供稿）未来战斗系统的研究必定集中于轻型、高机动性和可运输的装甲车辆。正在发展轻型复合材料集成装甲系统，以便满足未来战斗系统装甲的需求。本文的目的是重点阐述具有抗弹、结构、抗冲击、防电磁和防火等多种功能的复合材料集成装甲的一些设计要求。还阐述了集成装甲的结构要求、抗弹要求以及制造技术与寿命周期性能。提出的一些特殊技术题目包括高应变速率试验和模拟、抗弹试验和模拟、低周期疲劳、破坏耐受度、维修、减少工序的工艺、全厚度增强、能量分散、取决速率的破坏机理以及非线性机理。
1 .引言
1.1 部队的需求
第二次世界大战之后，部队对抗弹和多功能生存能力的要求不断提高以及美国地面部队的前方突击战略，刺激地面战斗车辆发展到目前的70吨重量。
在新形势下，美国要求本土的地面小部队能够迅速部署到世界上的任何地方。因此，美国的部队必须在战略、战术和武器方面进行革命性的变革。美国陆军在战略和战术上以惊人的灵活性适应了过去10年的快速变革。在美国的现役和后备部队中，进行了军事条令、战术训练和完全改组等方面的变革。然而在武器方面所需的革命性变革没有跟上形势。美国需要新型的武器系统，以便能够把本土的部队部署到宽广的地区和环境中作战。为了使战略和战术上使用的现武器系统适应在遥远的地方进行最佳部署和作战的要求，美国陆军正在进行2010～2025年的中、长期计划。美国陆军通过未来战斗系统（FCS）计划,正积极把其重型部队转变为轻型、战略上可展开、占优势和可持续作战的地面战斗部队。FCS计划要求大量减少陆军重型部队的重量，大大增加陆军轻型部队和单个士兵的杀伤能力和生存能力。陆军的计划集中在可用大量获得和普遍部署的C-130飞机运输的快速部署部队上。这个能飞和能跑的部队不仅较传统的部队需大量减轻重量（是现重量的三分之一），还需大量减轻基本负荷（是现负荷的三分之一）和补给要求。预想中的重量减少量和大量限制寿命周期费用，要求使用具有多种生存能力和结构作用的轻型材料。也就是说，陆军的地面武器系统需满足杀伤力、提高战区内与战区间的战略机动性以及战术机动性、最大的生存能力、承载能力、高效费比、可生产性、真正的可支撑性、降低采办和寿命周期费用等要求，因而需发展分担功能、非寄生的轻型集成材料系统，即陶瓷和聚合物基复合材料装甲。
此外，实现能够预测的各种多功能结构（它们具有最佳重量－性能等级，最突出的特点是能迅速把轻型集成材料系统插入新结构和武器平台），需发展集成设计方法，它们可使最佳的装甲设计迅速而精确地使用各种组成材料。必须以集成的模型和应用的先进最佳化技术为基础完成这类结构装甲。
未来装甲系统的多功能要求必然把各种功能分担到各种材料组分之中。一种这类多功能装甲方案是独特集成的聚合物基复合材料和陶瓷材料。该集成装甲复合了每种材料的最佳功能（结构或抗弹功能），可使具有结构功能的材料有助于整体抗弹性能，可使具有抗弹功能的材料有助于整体结构性能。在这样的复合材料集成装甲设计之中，利用了组成材料的多种叠加作用。
虽然高机动性的部队能够获得多种防护等级，但是，必须承认，他们大量减轻重量之后必然比传统重型部队的静态生存力低。然而，轻型战术车辆的动态生存能力高，它们大大提高了机动性，即提高了速度、敏捷性和躲避障碍与打击的能力，从而可改善战斗系统的总生存能力。集成先进的降低信号特征技术（材料自带的和几何形状赋予的）也将增加轻型战斗部队的生存能力。轻型装甲需进行革命性发展，以便填补高机动性战斗小队和杀伤力较大的较重型部队之间的风险空白。有关防护等级以及中期与远期目标等许多情况，取决于研究中的系统。虽然这些目标是保密的，不能在这里公布，但是，它们一般都提出了面密度指标，即面密度指标是对付从轻武器（例如7.62毫米穿甲弹）到大口径坦克弹药（120～140毫米动能弹）全部威胁的现装甲面密度的三分之一。
为了实现这些目标，尤其是在面临较大威胁等级时实现这些目标，一些防护方案可能包含增强防护的主动装甲或反应装甲。这些增强防护的装甲减轻了现装甲静态结构、抗弹和抗冲击防护的重量。需支撑主动防护系统的基础装甲仍然是轻型装甲研究者面临的一个重大课题。也有可能把各种轻型材料（例如钛）用于整车防护。然而，人们普遍认为，与其它材料系统（例如陶瓷瓦）集成的聚合物基复合材料将是未来战斗系统的轻型装甲最具有深远意义的发展。
熟悉每种车辆设计所需面密度为一个数量级的轻型装甲族带或不带主动防护系统是重要的。这些车辆可能是有人驾驶的或无人驾驶的、战术的或非战术的以及轮式的或履带式的。这些装甲还可用于飞机乘员舱、指挥所掩体、电子部件的外壳、发电机罩、各种工业人员防护以及基础结构的增强防护。
1.2 复合材料集成装甲
通过一些重要的研究和发展计划，美国陆军建立了可充满信心应用聚合物基复合材料的基础，以便完成减轻重型部队重量，提高轻型部队生存能力任务。在80年代末的一个演示计划中，首次把厚壁的聚合物基复合材料应用于装甲车辆。该计划的内容是，研究了用聚酯/玻璃复合材料车体取代布雷德利步兵战车的铝车体。制成的车辆具有厚壁复合材料车体和附加的装甲块，成为众所周知的复合材料步兵战车，并演示了能够用作装甲车辆优良结构材料的聚合物基复合材料。90年代中期，复合材料装甲车辆计划评价了聚合物基复合材料在地面装甲车辆设计中的应用。在执行复合材料装甲车辆计划时，为了满足严格的重量和抗弹性能要求，研究了以聚合物基复合材料为主体的一种多功能装甲。这种复合材料集成装甲的效果特别好，随后被采纳用于美国陆军的十字军战士新型自行榴弹炮的大型部件。
复合材料装甲车辆用复合材料集成装甲中的每一层都具有特殊的使用目的。这种多层复合体还具有功能分担作用。各个单层通过与相邻层的相互配合独特设计，还具有多功能作用（例如结构、抗多发弹丸打击和抗弹丸冲击）。车辆外表面的聚合物基复合材料薄防护面板防止抗弹陶瓷瓦易出现的破坏，并限定全厚度陶瓷。面板之下为氧化铝陶瓷瓦层，该层通过使弹丸滞留、在高压下的混合式断裂以及弹丸的烧蚀与变形等综合作用吸收弹丸的绝大部分动能。在陶瓷瓦之后为三元乙丙橡胶（EPDM）层，该层防止复合材料背板过早破坏，提高抗多发弹丸打击的抗弹性能，衰减扩展的高频应力波。在橡胶层之后为厚壁复合材料板，该板是抗弹陶瓷瓦的背衬，使车辆具有结构支撑性能。车辆内表面为耐火的防崩落内衬层。还可加入具有防电磁、控制信号和防较大弹丸冲击等作用的其它层结构。
虽然遵照复合材料装甲车辆计划和十字军战士自行榴弹炮计划发展的复合材料集成装甲，对建立信心用聚合物基复合材料同时满足战斗车辆的抗弹和结构性能起了很大作用，但是，其质量防护系数（大致为每单位面密度的抗弹性能）远远达不到陆军的要求。复合材料装甲车辆/十字军战士榴弹炮装甲的发展思路是，把完全的抗弹可靠性归因于聚合物基复合材料背板，把完全的结构可靠性归因于由陶瓷瓦和外包覆层建立的夹层结构，其防0.5英寸口径穿甲弹的面密度大约为25磅/平方英尺。自那时以来，各种增强复合材料装甲车辆的方案提供了大约20磅/平方英尺的面密度。然而，这些较轻的装甲没有在制造环境下和车辆上进行演示。虽然轻型装甲已发展进步，但是，其目前的能力离未来战斗系统特殊的基础装甲防护等级所需大约10磅/平方英尺面密度的目标还很远。为了实现未来战斗系统的目标，在材料、破坏的物理过程、计算机模拟、设计最佳化、集成结构的制造工艺以及降低成本的制造技术等方面必须发生革命性的进步。一项最近启动的陆军战略研究目标项目，"设计的装甲材料"旨在把国内和国外的研究项目，集中于鉴定与探索解决这些问题的新颖方案与方法以及能使轻型装甲的能力发生革命性的进步等方向上。陆军战略研究目标的目的是，根据组成部分的基本性能以及对与材料和工艺有关的能量吸收现象的具体了解，按照特殊的要求，建立设计装甲材料的能力。
2、性能量度标准
2.1 抗弹性能量度标准
在复合材料集成装甲结构（防火、热信号和电磁屏蔽也包括在其中）的设计中，成本、可制造性以及抗弹、抗冲击与结构性能是相互依赖的要求。设计时，有许多方法可增加一种性能要求，而同时降低另一种性能要求。还进行材料和设计的协调，以便在这些性能要求中具有竞争的性能量度标准。抗弹性能中的一个突出例子是抗单发弹丸打击性能与抗多发弹丸打击性能之间的关系。要求抗多发弹丸打击性能的特殊装甲必须在遭受特殊威胁的条件下，于规定的半径内承受多发弹丸打击而不被侵彻。改进抗单发弹丸打击的V50不一定会改进抗多发弹丸打击的能力，反之亦然。
虽然设计装甲的总目标是平衡所有的性能要求，但是，抗弹性能量度标准一般控制装甲设计。一般的抗弹试验是V50抗弹极限速度试验。设计装甲的目的是，使其在最小面密度时具有很高的V50值，以便对付特殊的威胁。虽然传统的延性和脆性装甲材料的V50概率峰值可用单一的速度识别，但是，Chang和Bodt证明，陶瓷基装甲的侵彻破坏方式取决于速度变化，可能具有双峰侵彻概率。这导致建议改变V50试验。这种特殊的抗弹性能表示陶瓷基装甲抗机枪弹丸碰撞时取决于速率的复杂破坏方式。在进行这些装甲结构的抗弹极限试验时测量侵彻弹丸的残余速度，然后计算抗弹极限，显然也是很不精确的。还会产生弹芯摧毁机理问题、从侵彻为主的机理转变到轻型装甲材料相互作用为主的机理问题以及降低弹芯摧毁陶瓷机理的远场结构效应作用的计算机代码问题。
在抗弹过程中，陶瓷材料不断经受材料中大的交替压缩应力波和拉应力波作用。在拉负荷（I型破坏）和经受压缩应力波时的剪切（Ⅱ/Ⅲ型混合式破坏）作用下，陶瓷发生破坏，具有良好抗弹性能的陶瓷瓦产生大量碎块，从而在弹丸侵彻到复合材料背板之前大量分散其能量并使其变形。陶瓷（原始或断裂状态）在弹丸侵彻之前持续时间越长，装甲摧毁弹丸的性能越好。一种陶瓷瓦的有效形状是六边形，因为这种形状可使其进行最佳装配，并接近圆形，从而可使陶瓷瓦在抗弹过程中的断裂百分比达到最大程度。按照考虑的威胁、陶瓷瓦的厚度和在陶瓷中的破坏方式等因素，陶瓷瓦的表面尺寸达到最佳化。当然，薄弱位置在3块陶瓷瓦的会聚点。弹丸直接击中该位置，也必须满足装甲的抗弹性能要求。
影响总抗弹性能的另一个重要量度标准是，装甲在抗弹过程中经受的动载挠曲，即塑性和弹性挠曲。挠曲距离决定装配于车辆内部的设备所需的间隔距离。一方面需要大的动载挠曲，因为大的动载挠曲会提高抗弹效果。此外，大的动载挠曲还产生车辆内基本负荷和士兵不需要的空间负担。当对比装甲设计的厚度时，考虑"动态厚度"是重要的，"动态厚度"是静态厚度与动载挠曲的总和。仅考虑单一的性能量度标准对比装甲有很大的风险。
除了复合材料内的破坏机理之外，装甲板在抗弹过程中的挠曲响应也影响表面的破坏程度。相邻陶瓷瓦的破坏（殉破坏）或者复合材料背板中的破坏超过临界尺寸，将影响装甲抗多发弹丸打击的性能和碰撞后的结构性能。事实上，复合材料背板的破坏可发生在弹丸侵彻复合材料背板之前，从而降低V50性能和/或增加动载挠曲以及使脱层破坏扩展超过临界尺寸。因此，其它的抗弹性能量度标准是瞬时抗弹破坏性能（量度标准为抗弹过程之中的碰撞和抗弹之后产生的破坏程度）以及抗弹后的破坏耐受度（量度标准为在碰撞之后保留的机械性能和抗弹性能）。抗弹性能量度标准与结构性能量度标准及抗破坏性能量度标准紧密相连。事实上，轻型装甲中这些设计的性能量度标准用于抵御飞行速度比组成材料中声速慢的弹丸，必须相互依赖。正是这些抗弹和结构性能的相互依赖性导致人们进行材料研究项目、计算分析项目以及新颖的装甲设计项目。正在重新评价遵照摧毁机理和计算设计的传统远场效应（抗弹－结构相互依赖性）的设想。
抗弹丸冲击是另外一个装甲设计要求，该要求对轻型车辆，可能对装甲设计遵守临界冲击弹道的位置是重要的。当瞬时应力波（包括从弹丸冲击到静态的频率范围）从弹丸碰撞位置贯穿到车辆中时，发生弹丸冲击破坏。这些冲击波能够破坏从结构连接部位到电子部件的一切车辆中的部件和部位。较轻的车辆较难于有时间衰减掉这些应力波，因而使连接部位的设计以及电子部件隔绝冲击的设计较困难，较重和较昂贵。最新的消息是，复合材料集成装甲具有巨大的设计灵活性以及设计固有耐冲击轻型装甲的新可能性。同时设计抗弹性能、抗弹丸破坏性能和缓解弹丸冲击性能的关键是，通过模型实施应力波的共同管理，这些模型包括和连接全部频率范围和组成部分可定量的破坏物理过程。
2.2 结构性能和破坏耐受度性能量度标准
复合材料集成装甲具有或没有破坏以及不考虑破坏源（制造缺陷、疲劳诱发的降解、低速碰撞和抗弹碰撞等），都必须经受象其它的厚壁复合材料一样的结构性能和破坏耐受度性能量度标准。目前选择用作复合材料集成装甲复合材料背板的材料是编织的织物和结构树脂。通常，背板中的全厚度方向需要加入增强物，以便控制破坏模型的起始能量，并把平面脱层破坏限制到临界尺寸范围内。最终获得的厚截面复合材料结构具有独特的非线性机械性能，可满足变化的应变速率负荷、高负荷、低周期疲劳以及独特的破坏后军用性能要求。
临界缺陷尺寸取决于抗多发弹丸打击、破坏扩展（在静态、动态和疲劳负荷之下）以及残余刚性与强度等条件。疲劳条件包括高负荷、未破坏和破坏材料的低周期疲劳、复合材料集成装甲结构粘接方式的疲劳、因火炮负荷产生的脉冲振动疲劳以及有限应变速率周期负荷效应。残余刚性与强度不仅受破坏区尺寸的影响，而且还受破坏区内降低模量的影响。还可以通过破坏位置（例如车辆的棱角附近）以及维修条件确定临界破坏。非临界缺陷可能成为通过标准的周期车辆负荷或者由抗弹过程产生的随后局部负荷的关键。因为直接维修军用地面车辆并非总是可行的，所以，临界破坏评价必须包括减少的疲劳负荷性能以及预测的剩余寿命。
2.3 可制造性、成本以及维修性能量度标准
复合材料集成装甲结构的可制造性和效费比高的制造技术是意义不同、但相互有关的量度标准。复合材料集成装甲结构可制造性的特殊问题是包括接近净形状的预成形、抗弹陶瓷瓦的制造与配置、效费比高的陶瓷瓦限定策略、采用多树脂（结构、防火和导电）、残余应力控制、全厚度增强方法、类似的材料附着性以及与工艺有关的特殊问题，例如树脂粘度和固化控制。当然，制造技术的改革影响采办费用和可制造性问题，例如全厚度增强、陶瓷瓦的配置和非类似材料的粘接影响可维修性以及随后的寿命周期费用。厚壁复合材料，尤其是复合材料集成装甲结构的维修是一项未研究的技术。使用传统的平齐工艺方法，把足够的压力传递到维修的部分使其恢复到接近极限值的强度是不可能的。需要研究新颖的方法。此外，维修必须考虑恢复抗弹功能和结构功能。象材料选择（例如增韧的环氧对低成本乙烯基酯）、工艺（例如纤维束布置对真空辅助树脂传递模塑）和工艺准备（例如手工布置对自动预成形）等其它问题控制采办费用。制造技术的改革和材料选择还影响抗弹性能和结构性能要求。复合材料集成装甲结构性能量度标准之间的相互有关性的性质要求研究集成方法。
3 集成研究举例
3.1 工艺举例
陆军研究实验室和Delaware大学研究了一种减少复合材料装甲结构制造成本的工艺方法，是集成性能要求和制造技术改革的一个例子。共注射树脂传递模塑（CIRTM）是真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和Seemann复合材料树脂浸渗模塑工艺（SCRIMPa）的改型工艺。CIRTM工艺的突出优点是，能够把包括各种玻璃纤维织物、弹性体层和陶瓷瓦在内的所有复合材料装甲组件包容于一次预成形部件之中。研究CIRTM工艺的结果，获得了降低成本、平衡复合材料集成装甲抗弹性能、结构性能和防火性能的工艺。美国陆军已用CIRTM工艺生产压合层压装甲，该装甲与参考的美国复合材料装甲车辆中的复合材料集成装甲结构相比，具有优良的抗多发弹丸打击性能和破坏耐受度。美国L.P.联合防务公司用共注塑方法制造了压合集成装甲板，该装甲板抵御了6发弹丸打击，而没有使抗弹内衬剥落。
3.2 材料举例
真正的多功能结构，尤其是具有最轻重量的最佳结构，使任何各个组成部分的寄生性能达到最低程度。复合材料集成装甲的结构性能、抗弹性能和抗冲击性能通常可受各个单独材料层的影响。在这个例子中，研究人员用密度为40％的铝泡沫取代美国复合材料装甲车辆中3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层，该层的作用是增强抗多发弹丸打击的能力。美国复合材料装甲车辆参考复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，其从外向内的结构是：1.27毫米厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层和17.02毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。本例子复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，从外向内的结构是：1.27毫米 厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、19.05毫米铝泡沫层和13.97毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。在本例子中，除去了部分背板中的S-2玻璃纤维/乙烯基酯树脂材料，以便接纳19.05毫米 稍重的铝泡沫。本例子的目的是，根据作者对美国复合材料装甲车装甲的各种破坏机理、负荷传递、摧毁机理以及应力波扩展的了解，确定用另一种材料（铝泡沫）取代单一组成材料（橡胶）可能产生的优点。铝泡沫除了在防护相邻陶瓷瓦而改进多发弹丸打击性能方面具有类似的功能之外，还有其它的功能：在不增重时通过提高结构刚性而改善结构性能；在抗弹过程中，通过改善能量在铝泡沫中的分散能力而可能提高抗单发弹丸打击的性能；增加了静态厚度，但通过减少动载挠曲降低动态厚度而对V50无不利的影响；通过有效地阻尼全厚度和平面内的冲击波而提高抗冲击性能；通过降低复合材料背板的破坏程度而提高抗弹性能和结构破坏耐受度。
使用相同的技术制造了估计尺寸为77.42厘米2的装甲试验板。用20毫米破片模拟弹以838.2米/秒的标称速度对该试验板进行了弹道冲击试验。选择的该速度可保证靶板不被完全侵彻，弹丸被俘获在该试验装甲板中。用X射线计算机断层分析（CT）检验了美国复合材料装甲车参考装甲的弹丸碰撞中心以及上述装甲试验板的弹丸碰撞中心，表明泡沫铝具有下列优点：相邻陶瓷瓦具有较小的视在殉破坏；复合材料背板具有较少的脱层破坏；碰撞的陶瓷瓦具有较多的碎片，可增加弹芯的滞留时间；动载挠曲大大降低，由美国复合材料装甲车参考装甲的4.06厘米动载挠曲减少到泡沫铝基装甲板的2.29厘米动载挠曲。虽然本文介绍的内容不足以得出有关在提高生存性的复合材料集成装甲中如何最佳使用金属泡沫的专门结论，但是，有确凿的证据证明，选择材料可对装甲的非寄生多功能性产生积极的影响，从而提高结构和多参数抗弹综合性能。
4 、结论
美国陆军要求地面战斗车辆在2025年时大量增加聚合物基复合材料的使用量。已经发展了明显改善可迅速部署的轻型车辆比抗弹性能的PMC基装甲。但是，需进行轻型装甲如何抗弹的革命性思考以及装甲设计的革命性改进，以便达到美国陆军的性能目标。需要研究集成多功能材料和工艺的装甲材料设计方法，以便最佳综合平衡包括抗弹、结构、抗冲击、防火、成本和信号等多种性能量度标准。复合材料集成装甲设计的竞争量度标准是：
抗弹性能
·抗单发弹丸打击的V50
·抗多发弹丸打击的V50，殉破坏
·动载挠曲
·三块陶瓷瓦的交汇点
·抗弹丸破坏
·抗弹后的破坏耐受度
·抗弹丸冲击
·抗崩落/抗二次弹丸
结构性能
·静态性能变量（强度，刚性）
·抗低速碰撞破坏
·抗低周期和脉冲振动疲劳
·破坏耐受度
·临界缺陷尺寸/位置
其它量度标准还有：面密度 ；可维修性；可制造性；制造技术/部件成本；着火/发烟/毒性 ；热和电磁屏蔽/信号；内部空间要求 ；连接设计/装配公差。
多功能材料实施功能分担可使重量达到最轻程度。一种性能量度标准的改善常伴随牺牲其它的性能量度标准。熟悉性能量度标准之间的相互关系、复合材料装甲和集成复合材料装甲微观到宏观取决速率的性能以及材料设计方法，可设计出美国未来战斗系统需要的轻型装甲。
（宋继鑫 供稿）
1 .引言
1.1 部队的需求
第二次世界大战之后，部队对抗弹和多功能生存能力的要求不断提高以及美国地面部队的前方突击战略，刺激地面战斗车辆发展到目前的70吨重量。
在新形势下，美国要求本土的地面小部队能够迅速部署到世界上的任何地方。因此，美国的部队必须在战略、战术和武器方面进行革命性的变革。美国陆军在战略和战术上以惊人的灵活性适应了过去10年的快速变革。在美国的现役和后备部队中，进行了军事条令、战术训练和完全改组等方面的变革。然而在武器方面所需的革命性变革没有跟上形势。美国需要新型的武器系统，以便能够把本土的部队部署到宽广的地区和环境中作战。为了使战略和战术上使用的现武器系统适应在遥远的地方进行最佳部署和作战的要求，美国陆军正在进行2010～2025年的中、长期计划。美国陆军通过未来战斗系统（FCS）计划,正积极把其重型部队转变为轻型、战略上可展开、占优势和可持续作战的地面战斗部队。FCS计划要求大量减少陆军重型部队的重量，大大增加陆军轻型部队和单个士兵的杀伤能力和生存能力。陆军的计划集中在可用大量获得和普遍部署的C-130飞机运输的快速部署部队上。这个能飞和能跑的部队不仅较传统的部队需大量减轻重量（是现重量的三分之一），还需大量减轻基本负荷（是现负荷的三分之一）和补给要求。预想中的重量减少量和大量限制寿命周期费用，要求使用具有多种生存能力和结构作用的轻型材料。也就是说，陆军的地面武器系统需满足杀伤力、提高战区内与战区间的战略机动性以及战术机动性、最大的生存能力、承载能力、高效费比、可生产性、真正的可支撑性、降低采办和寿命周期费用等要求，因而需发展分担功能、非寄生的轻型集成材料系统，即陶瓷和聚合物基复合材料装甲。
此外，实现能够预测的各种多功能结构（它们具有最佳重量－性能等级，最突出的特点是能迅速把轻型集成材料系统插入新结构和武器平台），需发展集成设计方法，它们可使最佳的装甲设计迅速而精确地使用各种组成材料。必须以集成的模型和应用的先进最佳化技术为基础完成这类结构装甲。
未来装甲系统的多功能要求必然把各种功能分担到各种材料组分之中。一种这类多功能装甲方案是独特集成的聚合物基复合材料和陶瓷材料。该集成装甲复合了每种材料的最佳功能（结构或抗弹功能），可使具有结构功能的材料有助于整体抗弹性能，可使具有抗弹功能的材料有助于整体结构性能。在这样的复合材料集成装甲设计之中，利用了组成材料的多种叠加作用。
虽然高机动性的部队能够获得多种防护等级，但是，必须承认，他们大量减轻重量之后必然比传统重型部队的静态生存力低。然而，轻型战术车辆的动态生存能力高，它们大大提高了机动性，即提高了速度、敏捷性和躲避障碍与打击的能力，从而可改善战斗系统的总生存能力。集成先进的降低信号特征技术（材料自带的和几何形状赋予的）也将增加轻型战斗部队的生存能力。轻型装甲需进行革命性发展，以便填补高机动性战斗小队和杀伤力较大的较重型部队之间的风险空白。有关防护等级以及中期与远期目标等许多情况，取决于研究中的系统。虽然这些目标是保密的，不能在这里公布，但是，它们一般都提出了面密度指标，即面密度指标是对付从轻武器（例如7.62毫米穿甲弹）到大口径坦克弹药（120～140毫米动能弹）全部威胁的现装甲面密度的三分之一。
为了实现这些目标，尤其是在面临较大威胁等级时实现这些目标，一些防护方案可能包含增强防护的主动装甲或反应装甲。这些增强防护的装甲减轻了现装甲静态结构、抗弹和抗冲击防护的重量。需支撑主动防护系统的基础装甲仍然是轻型装甲研究者面临的一个重大课题。也有可能把各种轻型材料（例如钛）用于整车防护。然而，人们普遍认为，与其它材料系统（例如陶瓷瓦）集成的聚合物基复合材料将是未来战斗系统的轻型装甲最具有深远意义的发展。
熟悉每种车辆设计所需面密度为一个数量级的轻型装甲族带或不带主动防护系统是重要的。这些车辆可能是有人驾驶的或无人驾驶的、战术的或非战术的以及轮式的或履带式的。这些装甲还可用于飞机乘员舱、指挥所掩体、电子部件的外壳、发电机罩、各种工业人员防护以及基础结构的增强防护。
1.2 复合材料集成装甲
通过一些重要的研究和发展计划，美国陆军建立了可充满信心应用聚合物基复合材料的基础，以便完成减轻重型部队重量，提高轻型部队生存能力任务。在80年代末的一个演示计划中，首次把厚壁的聚合物基复合材料应用于装甲车辆。该计划的内容是，研究了用聚酯/玻璃复合材料车体取代布雷德利步兵战车的铝车体。制成的车辆具有厚壁复合材料车体和附加的装甲块，成为众所周知的复合材料步兵战车，并演示了能够用作装甲车辆优良结构材料的聚合物基复合材料。90年代中期，复合材料装甲车辆计划评价了聚合物基复合材料在地面装甲车辆设计中的应用。在执行复合材料装甲车辆计划时，为了满足严格的重量和抗弹性能要求，研究了以聚合物基复合材料为主体的一种多功能装甲。这种复合材料集成装甲的效果特别好，随后被采纳用于美国陆军的十字军战士新型自行榴弹炮的大型部件。
复合材料装甲车辆用复合材料集成装甲中的每一层都具有特殊的使用目的。这种多层复合体还具有功能分担作用。各个单层通过与相邻层的相互配合独特设计，还具有多功能作用（例如结构、抗多发弹丸打击和抗弹丸冲击）。车辆外表面的聚合物基复合材料薄防护面板防止抗弹陶瓷瓦易出现的破坏，并限定全厚度陶瓷。面板之下为氧化铝陶瓷瓦层，该层通过使弹丸滞留、在高压下的混合式断裂以及弹丸的烧蚀与变形等综合作用吸收弹丸的绝大部分动能。在陶瓷瓦之后为三元乙丙橡胶（EPDM）层，该层防止复合材料背板过早破坏，提高抗多发弹丸打击的抗弹性能，衰减扩展的高频应力波。在橡胶层之后为厚壁复合材料板，该板是抗弹陶瓷瓦的背衬，使车辆具有结构支撑性能。车辆内表面为耐火的防崩落内衬层。还可加入具有防电磁、控制信号和防较大弹丸冲击等作用的其它层结构。
虽然遵照复合材料装甲车辆计划和十字军战士自行榴弹炮计划发展的复合材料集成装甲，对建立信心用聚合物基复合材料同时满足战斗车辆的抗弹和结构性能起了很大作用，但是，其质量防护系数（大致为每单位面密度的抗弹性能）远远达不到陆军的要求。复合材料装甲车辆/十字军战士榴弹炮装甲的发展思路是，把完全的抗弹可靠性归因于聚合物基复合材料背板，把完全的结构可靠性归因于由陶瓷瓦和外包覆层建立的夹层结构，其防0.5英寸口径穿甲弹的面密度大约为25磅/平方英尺。自那时以来，各种增强复合材料装甲车辆的方案提供了大约20磅/平方英尺的面密度。然而，这些较轻的装甲没有在制造环境下和车辆上进行演示。虽然轻型装甲已发展进步，但是，其目前的能力离未来战斗系统特殊的基础装甲防护等级所需大约10磅/平方英尺面密度的目标还很远。为了实现未来战斗系统的目标，在材料、破坏的物理过程、计算机模拟、设计最佳化、集成结构的制造工艺以及降低成本的制造技术等方面必须发生革命性的进步。一项最近启动的陆军战略研究目标项目，"设计的装甲材料"旨在把国内和国外的研究项目，集中于鉴定与探索解决这些问题的新颖方案与方法以及能使轻型装甲的能力发生革命性的进步等方向上。陆军战略研究目标的目的是，根据组成部分的基本性能以及对与材料和工艺有关的能量吸收现象的具体了解，按照特殊的要求，建立设计装甲材料的能力。
2、性能量度标准
2.1 抗弹性能量度标准
在复合材料集成装甲结构（防火、热信号和电磁屏蔽也包括在其中）的设计中，成本、可制造性以及抗弹、抗冲击与结构性能是相互依赖的要求。设计时，有许多方法可增加一种性能要求，而同时降低另一种性能要求。还进行材料和设计的协调，以便在这些性能要求中具有竞争的性能量度标准。抗弹性能中的一个突出例子是抗单发弹丸打击性能与抗多发弹丸打击性能之间的关系。要求抗多发弹丸打击性能的特殊装甲必须在遭受特殊威胁的条件下，于规定的半径内承受多发弹丸打击而不被侵彻。改进抗单发弹丸打击的V50不一定会改进抗多发弹丸打击的能力，反之亦然。
虽然设计装甲的总目标是平衡所有的性能要求，但是，抗弹性能量度标准一般控制装甲设计。一般的抗弹试验是V50抗弹极限速度试验。设计装甲的目的是，使其在最小面密度时具有很高的V50值，以便对付特殊的威胁。虽然传统的延性和脆性装甲材料的V50概率峰值可用单一的速度识别，但是，Chang和Bodt证明，陶瓷基装甲的侵彻破坏方式取决于速度变化，可能具有双峰侵彻概率。这导致建议改变V50试验。这种特殊的抗弹性能表示陶瓷基装甲抗机枪弹丸碰撞时取决于速率的复杂破坏方式。在进行这些装甲结构的抗弹极限试验时测量侵彻弹丸的残余速度，然后计算抗弹极限，显然也是很不精确的。还会产生弹芯摧毁机理问题、从侵彻为主的机理转变到轻型装甲材料相互作用为主的机理问题以及降低弹芯摧毁陶瓷机理的远场结构效应作用的计算机代码问题。
在抗弹过程中，陶瓷材料不断经受材料中大的交替压缩应力波和拉应力波作用。在拉负荷（I型破坏）和经受压缩应力波时的剪切（Ⅱ/Ⅲ型混合式破坏）作用下，陶瓷发生破坏，具有良好抗弹性能的陶瓷瓦产生大量碎块，从而在弹丸侵彻到复合材料背板之前大量分散其能量并使其变形。陶瓷（原始或断裂状态）在弹丸侵彻之前持续时间越长，装甲摧毁弹丸的性能越好。一种陶瓷瓦的有效形状是六边形，因为这种形状可使其进行最佳装配，并接近圆形，从而可使陶瓷瓦在抗弹过程中的断裂百分比达到最大程度。按照考虑的威胁、陶瓷瓦的厚度和在陶瓷中的破坏方式等因素，陶瓷瓦的表面尺寸达到最佳化。当然，薄弱位置在3块陶瓷瓦的会聚点。弹丸直接击中该位置，也必须满足装甲的抗弹性能要求。
影响总抗弹性能的另一个重要量度标准是，装甲在抗弹过程中经受的动载挠曲，即塑性和弹性挠曲。挠曲距离决定装配于车辆内部的设备所需的间隔距离。一方面需要大的动载挠曲，因为大的动载挠曲会提高抗弹效果。此外，大的动载挠曲还产生车辆内基本负荷和士兵不需要的空间负担。当对比装甲设计的厚度时，考虑"动态厚度"是重要的，"动态厚度"是静态厚度与动载挠曲的总和。仅考虑单一的性能量度标准对比装甲有很大的风险。
除了复合材料内的破坏机理之外，装甲板在抗弹过程中的挠曲响应也影响表面的破坏程度。相邻陶瓷瓦的破坏（殉破坏）或者复合材料背板中的破坏超过临界尺寸，将影响装甲抗多发弹丸打击的性能和碰撞后的结构性能。事实上，复合材料背板的破坏可发生在弹丸侵彻复合材料背板之前，从而降低V50性能和/或增加动载挠曲以及使脱层破坏扩展超过临界尺寸。因此，其它的抗弹性能量度标准是瞬时抗弹破坏性能（量度标准为抗弹过程之中的碰撞和抗弹之后产生的破坏程度）以及抗弹后的破坏耐受度（量度标准为在碰撞之后保留的机械性能和抗弹性能）。抗弹性能量度标准与结构性能量度标准及抗破坏性能量度标准紧密相连。事实上，轻型装甲中这些设计的性能量度标准用于抵御飞行速度比组成材料中声速慢的弹丸，必须相互依赖。正是这些抗弹和结构性能的相互依赖性导致人们进行材料研究项目、计算分析项目以及新颖的装甲设计项目。正在重新评价遵照摧毁机理和计算设计的传统远场效应（抗弹－结构相互依赖性）的设想。
抗弹丸冲击是另外一个装甲设计要求，该要求对轻型车辆，可能对装甲设计遵守临界冲击弹道的位置是重要的。当瞬时应力波（包括从弹丸冲击到静态的频率范围）从弹丸碰撞位置贯穿到车辆中时，发生弹丸冲击破坏。这些冲击波能够破坏从结构连接部位到电子部件的一切车辆中的部件和部位。较轻的车辆较难于有时间衰减掉这些应力波，因而使连接部位的设计以及电子部件隔绝冲击的设计较困难，较重和较昂贵。最新的消息是，复合材料集成装甲具有巨大的设计灵活性以及设计固有耐冲击轻型装甲的新可能性。同时设计抗弹性能、抗弹丸破坏性能和缓解弹丸冲击性能的关键是，通过模型实施应力波的共同管理，这些模型包括和连接全部频率范围和组成部分可定量的破坏物理过程。
2.2 结构性能和破坏耐受度性能量度标准
复合材料集成装甲具有或没有破坏以及不考虑破坏源（制造缺陷、疲劳诱发的降解、低速碰撞和抗弹碰撞等），都必须经受象其它的厚壁复合材料一样的结构性能和破坏耐受度性能量度标准。目前选择用作复合材料集成装甲复合材料背板的材料是编织的织物和结构树脂。通常，背板中的全厚度方向需要加入增强物，以便控制破坏模型的起始能量，并把平面脱层破坏限制到临界尺寸范围内。最终获得的厚截面复合材料结构具有独特的非线性机械性能，可满足变化的应变速率负荷、高负荷、低周期疲劳以及独特的破坏后军用性能要求。
临界缺陷尺寸取决于抗多发弹丸打击、破坏扩展（在静态、动态和疲劳负荷之下）以及残余刚性与强度等条件。疲劳条件包括高负荷、未破坏和破坏材料的低周期疲劳、复合材料集成装甲结构粘接方式的疲劳、因火炮负荷产生的脉冲振动疲劳以及有限应变速率周期负荷效应。残余刚性与强度不仅受破坏区尺寸的影响，而且还受破坏区内降低模量的影响。还可以通过破坏位置（例如车辆的棱角附近）以及维修条件确定临界破坏。非临界缺陷可能成为通过标准的周期车辆负荷或者由抗弹过程产生的随后局部负荷的关键。因为直接维修军用地面车辆并非总是可行的，所以，临界破坏评价必须包括减少的疲劳负荷性能以及预测的剩余寿命。
2.3 可制造性、成本以及维修性能量度标准
复合材料集成装甲结构的可制造性和效费比高的制造技术是意义不同、但相互有关的量度标准。复合材料集成装甲结构可制造性的特殊问题是包括接近净形状的预成形、抗弹陶瓷瓦的制造与配置、效费比高的陶瓷瓦限定策略、采用多树脂（结构、防火和导电）、残余应力控制、全厚度增强方法、类似的材料附着性以及与工艺有关的特殊问题，例如树脂粘度和固化控制。当然，制造技术的改革影响采办费用和可制造性问题，例如全厚度增强、陶瓷瓦的配置和非类似材料的粘接影响可维修性以及随后的寿命周期费用。厚壁复合材料，尤其是复合材料集成装甲结构的维修是一项未研究的技术。使用传统的平齐工艺方法，把足够的压力传递到维修的部分使其恢复到接近极限值的强度是不可能的。需要研究新颖的方法。此外，维修必须考虑恢复抗弹功能和结构功能。象材料选择（例如增韧的环氧对低成本乙烯基酯）、工艺（例如纤维束布置对真空辅助树脂传递模塑）和工艺准备（例如手工布置对自动预成形）等其它问题控制采办费用。制造技术的改革和材料选择还影响抗弹性能和结构性能要求。复合材料集成装甲结构性能量度标准之间的相互有关性的性质要求研究集成方法。
3 集成研究举例
3.1 工艺举例
陆军研究实验室和Delaware大学研究了一种减少复合材料装甲结构制造成本的工艺方法，是集成性能要求和制造技术改革的一个例子。共注射树脂传递模塑（CIRTM）是真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和Seemann复合材料树脂浸渗模塑工艺（SCRIMPa）的改型工艺。CIRTM工艺的突出优点是，能够把包括各种玻璃纤维织物、弹性体层和陶瓷瓦在内的所有复合材料装甲组件包容于一次预成形部件之中。研究CIRTM工艺的结果，获得了降低成本、平衡复合材料集成装甲抗弹性能、结构性能和防火性能的工艺。美国陆军已用CIRTM工艺生产压合层压装甲，该装甲与参考的美国复合材料装甲车辆中的复合材料集成装甲结构相比，具有优良的抗多发弹丸打击性能和破坏耐受度。美国L.P.联合防务公司用共注塑方法制造了压合集成装甲板，该装甲板抵御了6发弹丸打击，而没有使抗弹内衬剥落。
3.2 材料举例
真正的多功能结构，尤其是具有最轻重量的最佳结构，使任何各个组成部分的寄生性能达到最低程度。复合材料集成装甲的结构性能、抗弹性能和抗冲击性能通常可受各个单独材料层的影响。在这个例子中，研究人员用密度为40％的铝泡沫取代美国复合材料装甲车辆中3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层，该层的作用是增强抗多发弹丸打击的能力。美国复合材料装甲车辆参考复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，其从外向内的结构是：1.27毫米厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层和17.02毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。本例子复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，从外向内的结构是：1.27毫米 厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、19.05毫米铝泡沫层和13.97毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。在本例子中，除去了部分背板中的S-2玻璃纤维/乙烯基酯树脂材料，以便接纳19.05毫米 稍重的铝泡沫。本例子的目的是，根据作者对美国复合材料装甲车装甲的各种破坏机理、负荷传递、摧毁机理以及应力波扩展的了解，确定用另一种材料（铝泡沫）取代单一组成材料（橡胶）可能产生的优点。铝泡沫除了在防护相邻陶瓷瓦而改进多发弹丸打击性能方面具有类似的功能之外，还有其它的功能：在不增重时通过提高结构刚性而改善结构性能；在抗弹过程中，通过改善能量在铝泡沫中的分散能力而可能提高抗单发弹丸打击的性能；增加了静态厚度，但通过减少动载挠曲降低动态厚度而对V50无不利的影响；通过有效地阻尼全厚度和平面内的冲击波而提高抗冲击性能；通过降低复合材料背板的破坏程度而提高抗弹性能和结构破坏耐受度。
使用相同的技术制造了估计尺寸为77.42厘米2的装甲试验板。用20毫米破片模拟弹以838.2米/秒的标称速度对该试验板进行了弹道冲击试验。选择的该速度可保证靶板不被完全侵彻，弹丸被俘获在该试验装甲板中。用X射线计算机断层分析（CT）检验了美国复合材料装甲车参考装甲的弹丸碰撞中心以及上述装甲试验板的弹丸碰撞中心，表明泡沫铝具有下列优点：相邻陶瓷瓦具有较小的视在殉破坏；复合材料背板具有较少的脱层破坏；碰撞的陶瓷瓦具有较多的碎片，可增加弹芯的滞留时间；动载挠曲大大降低，由美国复合材料装甲车参考装甲的4.06厘米动载挠曲减少到泡沫铝基装甲板的2.29厘米动载挠曲。虽然本文介绍的内容不足以得出有关在提高生存性的复合材料集成装甲中如何最佳使用金属泡沫的专门结论，但是，有确凿的证据证明，选择材料可对装甲的非寄生多功能性产生积极的影响，从而提高结构和多参数抗弹综合性能。
4 、结论
美国陆军要求地面战斗车辆在2025年时大量增加聚合物基复合材料的使用量。已经发展了明显改善可迅速部署的轻型车辆比抗弹性能的PMC基装甲。但是，需进行轻型装甲如何抗弹的革命性思考以及装甲设计的革命性改进，以便达到美国陆军的性能目标。需要研究集成多功能材料和工艺的装甲材料设计方法，以便最佳综合平衡包括抗弹、结构、抗冲击、防火、成本和信号等多种性能量度标准。复合材料集成装甲设计的竞争量度标准是：
抗弹性能
·抗单发弹丸打击的V50
·抗多发弹丸打击的V50，殉破坏
·动载挠曲
·三块陶瓷瓦的交汇点
·抗弹丸破坏
·抗弹后的破坏耐受度
·抗弹丸冲击
·抗崩落/抗二次弹丸
结构性能
·静态性能变量（强度，刚性）
·抗低速碰撞破坏
·抗低周期和脉冲振动疲劳
·破坏耐受度
·临界缺陷尺寸/位置
其它量度标准还有：面密度 ；可维修性；可制造性；制造技术/部件成本；着火/发烟/毒性 ；热和电磁屏蔽/信号；内部空间要求 ；连接设计/装配公差。
多功能材料实施功能分担可使重量达到最轻程度。一种性能量度标准的改善常伴随牺牲其它的性能量度标准。熟悉性能量度标准之间的相互关系、复合材料装甲和集成复合材料装甲微观到宏观取决速率的性能以及材料设计方法，可设计出美国未来战斗系统需要的轻型装甲。
（宋继鑫 供稿）未来战斗系统的研究必定集中于轻型、高机动性和可运输的装甲车辆。正在发展轻型复合材料集成装甲系统，以便满足未来战斗系统装甲的需求。本文的目的是重点阐述具有抗弹、结构、抗冲击、防电磁和防火等多种功能的复合材料集成装甲的一些设计要求。还阐述了集成装甲的结构要求、抗弹要求以及制造技术与寿命周期性能。提出的一些特殊技术题目包括高应变速率试验和模拟、抗弹试验和模拟、低周期疲劳、破坏耐受度、维修、减少工序的工艺、全厚度增强、能量分散、取决速率的破坏机理以及非线性机理。
1 .引言
1.1 部队的需求
第二次世界大战之后，部队对抗弹和多功能生存能力的要求不断提高以及美国地面部队的前方突击战略，刺激地面战斗车辆发展到目前的70吨重量。
在新形势下，美国要求本土的地面小部队能够迅速部署到世界上的任何地方。因此，美国的部队必须在战略、战术和武器方面进行革命性的变革。美国陆军在战略和战术上以惊人的灵活性适应了过去10年的快速变革。在美国的现役和后备部队中，进行了军事条令、战术训练和完全改组等方面的变革。然而在武器方面所需的革命性变革没有跟上形势。美国需要新型的武器系统，以便能够把本土的部队部署到宽广的地区和环境中作战。为了使战略和战术上使用的现武器系统适应在遥远的地方进行最佳部署和作战的要求，美国陆军正在进行2010～2025年的中、长期计划。美国陆军通过未来战斗系统（FCS）计划,正积极把其重型部队转变为轻型、战略上可展开、占优势和可持续作战的地面战斗部队。FCS计划要求大量减少陆军重型部队的重量，大大增加陆军轻型部队和单个士兵的杀伤能力和生存能力。陆军的计划集中在可用大量获得和普遍部署的C-130飞机运输的快速部署部队上。这个能飞和能跑的部队不仅较传统的部队需大量减轻重量（是现重量的三分之一），还需大量减轻基本负荷（是现负荷的三分之一）和补给要求。预想中的重量减少量和大量限制寿命周期费用，要求使用具有多种生存能力和结构作用的轻型材料。也就是说，陆军的地面武器系统需满足杀伤力、提高战区内与战区间的战略机动性以及战术机动性、最大的生存能力、承载能力、高效费比、可生产性、真正的可支撑性、降低采办和寿命周期费用等要求，因而需发展分担功能、非寄生的轻型集成材料系统，即陶瓷和聚合物基复合材料装甲。
此外，实现能够预测的各种多功能结构（它们具有最佳重量－性能等级，最突出的特点是能迅速把轻型集成材料系统插入新结构和武器平台），需发展集成设计方法，它们可使最佳的装甲设计迅速而精确地使用各种组成材料。必须以集成的模型和应用的先进最佳化技术为基础完成这类结构装甲。
未来装甲系统的多功能要求必然把各种功能分担到各种材料组分之中。一种这类多功能装甲方案是独特集成的聚合物基复合材料和陶瓷材料。该集成装甲复合了每种材料的最佳功能（结构或抗弹功能），可使具有结构功能的材料有助于整体抗弹性能，可使具有抗弹功能的材料有助于整体结构性能。在这样的复合材料集成装甲设计之中，利用了组成材料的多种叠加作用。
虽然高机动性的部队能够获得多种防护等级，但是，必须承认，他们大量减轻重量之后必然比传统重型部队的静态生存力低。然而，轻型战术车辆的动态生存能力高，它们大大提高了机动性，即提高了速度、敏捷性和躲避障碍与打击的能力，从而可改善战斗系统的总生存能力。集成先进的降低信号特征技术（材料自带的和几何形状赋予的）也将增加轻型战斗部队的生存能力。轻型装甲需进行革命性发展，以便填补高机动性战斗小队和杀伤力较大的较重型部队之间的风险空白。有关防护等级以及中期与远期目标等许多情况，取决于研究中的系统。虽然这些目标是保密的，不能在这里公布，但是，它们一般都提出了面密度指标，即面密度指标是对付从轻武器（例如7.62毫米穿甲弹）到大口径坦克弹药（120～140毫米动能弹）全部威胁的现装甲面密度的三分之一。
为了实现这些目标，尤其是在面临较大威胁等级时实现这些目标，一些防护方案可能包含增强防护的主动装甲或反应装甲。这些增强防护的装甲减轻了现装甲静态结构、抗弹和抗冲击防护的重量。需支撑主动防护系统的基础装甲仍然是轻型装甲研究者面临的一个重大课题。也有可能把各种轻型材料（例如钛）用于整车防护。然而，人们普遍认为，与其它材料系统（例如陶瓷瓦）集成的聚合物基复合材料将是未来战斗系统的轻型装甲最具有深远意义的发展。
熟悉每种车辆设计所需面密度为一个数量级的轻型装甲族带或不带主动防护系统是重要的。这些车辆可能是有人驾驶的或无人驾驶的、战术的或非战术的以及轮式的或履带式的。这些装甲还可用于飞机乘员舱、指挥所掩体、电子部件的外壳、发电机罩、各种工业人员防护以及基础结构的增强防护。
1.2 复合材料集成装甲
通过一些重要的研究和发展计划，美国陆军建立了可充满信心应用聚合物基复合材料的基础，以便完成减轻重型部队重量，提高轻型部队生存能力任务。在80年代末的一个演示计划中，首次把厚壁的聚合物基复合材料应用于装甲车辆。该计划的内容是，研究了用聚酯/玻璃复合材料车体取代布雷德利步兵战车的铝车体。制成的车辆具有厚壁复合材料车体和附加的装甲块，成为众所周知的复合材料步兵战车，并演示了能够用作装甲车辆优良结构材料的聚合物基复合材料。90年代中期，复合材料装甲车辆计划评价了聚合物基复合材料在地面装甲车辆设计中的应用。在执行复合材料装甲车辆计划时，为了满足严格的重量和抗弹性能要求，研究了以聚合物基复合材料为主体的一种多功能装甲。这种复合材料集成装甲的效果特别好，随后被采纳用于美国陆军的十字军战士新型自行榴弹炮的大型部件。
复合材料装甲车辆用复合材料集成装甲中的每一层都具有特殊的使用目的。这种多层复合体还具有功能分担作用。各个单层通过与相邻层的相互配合独特设计，还具有多功能作用（例如结构、抗多发弹丸打击和抗弹丸冲击）。车辆外表面的聚合物基复合材料薄防护面板防止抗弹陶瓷瓦易出现的破坏，并限定全厚度陶瓷。面板之下为氧化铝陶瓷瓦层，该层通过使弹丸滞留、在高压下的混合式断裂以及弹丸的烧蚀与变形等综合作用吸收弹丸的绝大部分动能。在陶瓷瓦之后为三元乙丙橡胶（EPDM）层，该层防止复合材料背板过早破坏，提高抗多发弹丸打击的抗弹性能，衰减扩展的高频应力波。在橡胶层之后为厚壁复合材料板，该板是抗弹陶瓷瓦的背衬，使车辆具有结构支撑性能。车辆内表面为耐火的防崩落内衬层。还可加入具有防电磁、控制信号和防较大弹丸冲击等作用的其它层结构。
虽然遵照复合材料装甲车辆计划和十字军战士自行榴弹炮计划发展的复合材料集成装甲，对建立信心用聚合物基复合材料同时满足战斗车辆的抗弹和结构性能起了很大作用，但是，其质量防护系数（大致为每单位面密度的抗弹性能）远远达不到陆军的要求。复合材料装甲车辆/十字军战士榴弹炮装甲的发展思路是，把完全的抗弹可靠性归因于聚合物基复合材料背板，把完全的结构可靠性归因于由陶瓷瓦和外包覆层建立的夹层结构，其防0.5英寸口径穿甲弹的面密度大约为25磅/平方英尺。自那时以来，各种增强复合材料装甲车辆的方案提供了大约20磅/平方英尺的面密度。然而，这些较轻的装甲没有在制造环境下和车辆上进行演示。虽然轻型装甲已发展进步，但是，其目前的能力离未来战斗系统特殊的基础装甲防护等级所需大约10磅/平方英尺面密度的目标还很远。为了实现未来战斗系统的目标，在材料、破坏的物理过程、计算机模拟、设计最佳化、集成结构的制造工艺以及降低成本的制造技术等方面必须发生革命性的进步。一项最近启动的陆军战略研究目标项目，"设计的装甲材料"旨在把国内和国外的研究项目，集中于鉴定与探索解决这些问题的新颖方案与方法以及能使轻型装甲的能力发生革命性的进步等方向上。陆军战略研究目标的目的是，根据组成部分的基本性能以及对与材料和工艺有关的能量吸收现象的具体了解，按照特殊的要求，建立设计装甲材料的能力。
2、性能量度标准
2.1 抗弹性能量度标准
在复合材料集成装甲结构（防火、热信号和电磁屏蔽也包括在其中）的设计中，成本、可制造性以及抗弹、抗冲击与结构性能是相互依赖的要求。设计时，有许多方法可增加一种性能要求，而同时降低另一种性能要求。还进行材料和设计的协调，以便在这些性能要求中具有竞争的性能量度标准。抗弹性能中的一个突出例子是抗单发弹丸打击性能与抗多发弹丸打击性能之间的关系。要求抗多发弹丸打击性能的特殊装甲必须在遭受特殊威胁的条件下，于规定的半径内承受多发弹丸打击而不被侵彻。改进抗单发弹丸打击的V50不一定会改进抗多发弹丸打击的能力，反之亦然。
虽然设计装甲的总目标是平衡所有的性能要求，但是，抗弹性能量度标准一般控制装甲设计。一般的抗弹试验是V50抗弹极限速度试验。设计装甲的目的是，使其在最小面密度时具有很高的V50值，以便对付特殊的威胁。虽然传统的延性和脆性装甲材料的V50概率峰值可用单一的速度识别，但是，Chang和Bodt证明，陶瓷基装甲的侵彻破坏方式取决于速度变化，可能具有双峰侵彻概率。这导致建议改变V50试验。这种特殊的抗弹性能表示陶瓷基装甲抗机枪弹丸碰撞时取决于速率的复杂破坏方式。在进行这些装甲结构的抗弹极限试验时测量侵彻弹丸的残余速度，然后计算抗弹极限，显然也是很不精确的。还会产生弹芯摧毁机理问题、从侵彻为主的机理转变到轻型装甲材料相互作用为主的机理问题以及降低弹芯摧毁陶瓷机理的远场结构效应作用的计算机代码问题。
在抗弹过程中，陶瓷材料不断经受材料中大的交替压缩应力波和拉应力波作用。在拉负荷（I型破坏）和经受压缩应力波时的剪切（Ⅱ/Ⅲ型混合式破坏）作用下，陶瓷发生破坏，具有良好抗弹性能的陶瓷瓦产生大量碎块，从而在弹丸侵彻到复合材料背板之前大量分散其能量并使其变形。陶瓷（原始或断裂状态）在弹丸侵彻之前持续时间越长，装甲摧毁弹丸的性能越好。一种陶瓷瓦的有效形状是六边形，因为这种形状可使其进行最佳装配，并接近圆形，从而可使陶瓷瓦在抗弹过程中的断裂百分比达到最大程度。按照考虑的威胁、陶瓷瓦的厚度和在陶瓷中的破坏方式等因素，陶瓷瓦的表面尺寸达到最佳化。当然，薄弱位置在3块陶瓷瓦的会聚点。弹丸直接击中该位置，也必须满足装甲的抗弹性能要求。
影响总抗弹性能的另一个重要量度标准是，装甲在抗弹过程中经受的动载挠曲，即塑性和弹性挠曲。挠曲距离决定装配于车辆内部的设备所需的间隔距离。一方面需要大的动载挠曲，因为大的动载挠曲会提高抗弹效果。此外，大的动载挠曲还产生车辆内基本负荷和士兵不需要的空间负担。当对比装甲设计的厚度时，考虑"动态厚度"是重要的，"动态厚度"是静态厚度与动载挠曲的总和。仅考虑单一的性能量度标准对比装甲有很大的风险。
除了复合材料内的破坏机理之外，装甲板在抗弹过程中的挠曲响应也影响表面的破坏程度。相邻陶瓷瓦的破坏（殉破坏）或者复合材料背板中的破坏超过临界尺寸，将影响装甲抗多发弹丸打击的性能和碰撞后的结构性能。事实上，复合材料背板的破坏可发生在弹丸侵彻复合材料背板之前，从而降低V50性能和/或增加动载挠曲以及使脱层破坏扩展超过临界尺寸。因此，其它的抗弹性能量度标准是瞬时抗弹破坏性能（量度标准为抗弹过程之中的碰撞和抗弹之后产生的破坏程度）以及抗弹后的破坏耐受度（量度标准为在碰撞之后保留的机械性能和抗弹性能）。抗弹性能量度标准与结构性能量度标准及抗破坏性能量度标准紧密相连。事实上，轻型装甲中这些设计的性能量度标准用于抵御飞行速度比组成材料中声速慢的弹丸，必须相互依赖。正是这些抗弹和结构性能的相互依赖性导致人们进行材料研究项目、计算分析项目以及新颖的装甲设计项目。正在重新评价遵照摧毁机理和计算设计的传统远场效应（抗弹－结构相互依赖性）的设想。
抗弹丸冲击是另外一个装甲设计要求，该要求对轻型车辆，可能对装甲设计遵守临界冲击弹道的位置是重要的。当瞬时应力波（包括从弹丸冲击到静态的频率范围）从弹丸碰撞位置贯穿到车辆中时，发生弹丸冲击破坏。这些冲击波能够破坏从结构连接部位到电子部件的一切车辆中的部件和部位。较轻的车辆较难于有时间衰减掉这些应力波，因而使连接部位的设计以及电子部件隔绝冲击的设计较困难，较重和较昂贵。最新的消息是，复合材料集成装甲具有巨大的设计灵活性以及设计固有耐冲击轻型装甲的新可能性。同时设计抗弹性能、抗弹丸破坏性能和缓解弹丸冲击性能的关键是，通过模型实施应力波的共同管理，这些模型包括和连接全部频率范围和组成部分可定量的破坏物理过程。
2.2 结构性能和破坏耐受度性能量度标准
复合材料集成装甲具有或没有破坏以及不考虑破坏源（制造缺陷、疲劳诱发的降解、低速碰撞和抗弹碰撞等），都必须经受象其它的厚壁复合材料一样的结构性能和破坏耐受度性能量度标准。目前选择用作复合材料集成装甲复合材料背板的材料是编织的织物和结构树脂。通常，背板中的全厚度方向需要加入增强物，以便控制破坏模型的起始能量，并把平面脱层破坏限制到临界尺寸范围内。最终获得的厚截面复合材料结构具有独特的非线性机械性能，可满足变化的应变速率负荷、高负荷、低周期疲劳以及独特的破坏后军用性能要求。
临界缺陷尺寸取决于抗多发弹丸打击、破坏扩展（在静态、动态和疲劳负荷之下）以及残余刚性与强度等条件。疲劳条件包括高负荷、未破坏和破坏材料的低周期疲劳、复合材料集成装甲结构粘接方式的疲劳、因火炮负荷产生的脉冲振动疲劳以及有限应变速率周期负荷效应。残余刚性与强度不仅受破坏区尺寸的影响，而且还受破坏区内降低模量的影响。还可以通过破坏位置（例如车辆的棱角附近）以及维修条件确定临界破坏。非临界缺陷可能成为通过标准的周期车辆负荷或者由抗弹过程产生的随后局部负荷的关键。因为直接维修军用地面车辆并非总是可行的，所以，临界破坏评价必须包括减少的疲劳负荷性能以及预测的剩余寿命。
2.3 可制造性、成本以及维修性能量度标准
复合材料集成装甲结构的可制造性和效费比高的制造技术是意义不同、但相互有关的量度标准。复合材料集成装甲结构可制造性的特殊问题是包括接近净形状的预成形、抗弹陶瓷瓦的制造与配置、效费比高的陶瓷瓦限定策略、采用多树脂（结构、防火和导电）、残余应力控制、全厚度增强方法、类似的材料附着性以及与工艺有关的特殊问题，例如树脂粘度和固化控制。当然，制造技术的改革影响采办费用和可制造性问题，例如全厚度增强、陶瓷瓦的配置和非类似材料的粘接影响可维修性以及随后的寿命周期费用。厚壁复合材料，尤其是复合材料集成装甲结构的维修是一项未研究的技术。使用传统的平齐工艺方法，把足够的压力传递到维修的部分使其恢复到接近极限值的强度是不可能的。需要研究新颖的方法。此外，维修必须考虑恢复抗弹功能和结构功能。象材料选择（例如增韧的环氧对低成本乙烯基酯）、工艺（例如纤维束布置对真空辅助树脂传递模塑）和工艺准备（例如手工布置对自动预成形）等其它问题控制采办费用。制造技术的改革和材料选择还影响抗弹性能和结构性能要求。复合材料集成装甲结构性能量度标准之间的相互有关性的性质要求研究集成方法。
3 集成研究举例
3.1 工艺举例
陆军研究实验室和Delaware大学研究了一种减少复合材料装甲结构制造成本的工艺方法，是集成性能要求和制造技术改革的一个例子。共注射树脂传递模塑（CIRTM）是真空辅助树脂传递模塑（VARTM）和Seemann复合材料树脂浸渗模塑工艺（SCRIMPa）的改型工艺。CIRTM工艺的突出优点是，能够把包括各种玻璃纤维织物、弹性体层和陶瓷瓦在内的所有复合材料装甲组件包容于一次预成形部件之中。研究CIRTM工艺的结果，获得了降低成本、平衡复合材料集成装甲抗弹性能、结构性能和防火性能的工艺。美国陆军已用CIRTM工艺生产压合层压装甲，该装甲与参考的美国复合材料装甲车辆中的复合材料集成装甲结构相比，具有优良的抗多发弹丸打击性能和破坏耐受度。美国L.P.联合防务公司用共注塑方法制造了压合集成装甲板，该装甲板抵御了6发弹丸打击，而没有使抗弹内衬剥落。
3.2 材料举例
真正的多功能结构，尤其是具有最轻重量的最佳结构，使任何各个组成部分的寄生性能达到最低程度。复合材料集成装甲的结构性能、抗弹性能和抗冲击性能通常可受各个单独材料层的影响。在这个例子中，研究人员用密度为40％的铝泡沫取代美国复合材料装甲车辆中3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层，该层的作用是增强抗多发弹丸打击的能力。美国复合材料装甲车辆参考复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，其从外向内的结构是：1.27毫米厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、3.175毫米厚度三元乙丙橡胶层和17.02毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。本例子复合材料集成装甲的面密度为97.65千克/米2，从外向内的结构是：1.27毫米 厚度表面层、17.78毫米厚度Al2O3层、19.05毫米铝泡沫层和13.97毫米厚度S-2玻璃/乙烯基酯层。在本例子中，除去了部分背板中的S-2玻璃纤维/乙烯基酯树脂材料，以便接纳19.05毫米 稍重的铝泡沫。本例子的目的是，根据作者对美国复合材料装甲车装甲的各种破坏机理、负荷传递、摧毁机理以及应力波扩展的了解，确定用另一种材料（铝泡沫）取代单一组成材料（橡胶）可能产生的优点。铝泡沫除了在防护相邻陶瓷瓦而改进多发弹丸打击性能方面具有类似的功能之外，还有其它的功能：在不增重时通过提高结构刚性而改善结构性能；在抗弹过程中，通过改善能量在铝泡沫中的分散能力而可能提高抗单发弹丸打击的性能；增加了静态厚度，但通过减少动载挠曲降低动态厚度而对V50无不利的影响；通过有效地阻尼全厚度和平面内的冲击波而提高抗冲击性能；通过降低复合材料背板的破坏程度而提高抗弹性能和结构破坏耐受度。
使用相同的技术制造了估计尺寸为77.42厘米2的装甲试验板。用20毫米破片模拟弹以838.2米/秒的标称速度对该试验板进行了弹道冲击试验。选择的该速度可保证靶板不被完全侵彻，弹丸被俘获在该试验装甲板中。用X射线计算机断层分析（CT）检验了美国复合材料装甲车参考装甲的弹丸碰撞中心以及上述装甲试验板的弹丸碰撞中心，表明泡沫铝具有下列优点：相邻陶瓷瓦具有较小的视在殉破坏；复合材料背板具有较少的脱层破坏；碰撞的陶瓷瓦具有较多的碎片，可增加弹芯的滞留时间；动载挠曲大大降低，由美国复合材料装甲车参考装甲的4.06厘米动载挠曲减少到泡沫铝基装甲板的2.29厘米动载挠曲。虽然本文介绍的内容不足以得出有关在提高生存性的复合材料集成装甲中如何最佳使用金属泡沫的专门结论，但是，有确凿的证据证明，选择材料可对装甲的非寄生多功能性产生积极的影响，从而提高结构和多参数抗弹综合性能。
4 、结论
美国陆军要求地面战斗车辆在2025年时大量增加聚合物基复合材料的使用量。已经发展了明显改善可迅速部署的轻型车辆比抗弹性能的PMC基装甲。但是，需进行轻型装甲如何抗弹的革命性思考以及装甲设计的革命性改进，以便达到美国陆军的性能目标。需要研究集成多功能材料和工艺的装甲材料设计方法，以便最佳综合平衡包括抗弹、结构、抗冲击、防火、成本和信号等多种性能量度标准。复合材料集成装甲设计的竞争量度标准是：
抗弹性能
·抗单发弹丸打击的V50
·抗多发弹丸打击的V50，殉破坏
·动载挠曲
·三块陶瓷瓦的交汇点
·抗弹丸破坏
·抗弹后的破坏耐受度
·抗弹丸冲击
·抗崩落/抗二次弹丸
结构性能
·静态性能变量（强度，刚性）
·抗低速碰撞破坏
·抗低周期和脉冲振动疲劳
·破坏耐受度
·临界缺陷尺寸/位置
其它量度标准还有：面密度 ；可维修性；可制造性；制造技术/部件成本；着火/发烟/毒性 ；热和电磁屏蔽/信号；内部空间要求 ；连接设计/装配公差。
多功能材料实施功能分担可使重量达到最轻程度。一种性能量度标准的改善常伴随牺牲其它的性能量度标准。熟悉性能量度标准之间的相互关系、复合材料装甲和集成复合材料装甲微观到宏观取决速率的性能以及材料设计方法，可设计出美国未来战斗系统需要的轻型装甲。
（宋继鑫 供稿）