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精细陶瓷让坦克装甲车辆“武功更高强”
2018年08月07日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:431
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坦克装甲车泛指一切具有装甲防护的军用车辆,包括主战坦克、坦克歼击车、侦察车、装甲运兵车和步兵战车等。随着科学技术和武器装备的发展,战争对坦克装甲车辆的机动、防护和火力等性能提出了越来约严苛的要求。为止,坦克装甲车所用材料的不断升级势在必行。精细陶瓷是继金属材料、高分子材料之后的第3种工程材料,其具有高温强度突出,耐磨性能优越,比重小,耐腐蚀性能极佳的特点,特别适用于极端恶劣的工作环境。将精细陶瓷应用于坦克装甲车,其优越性能可大大提升武器装备性能,可以让坦克装甲车辆“武功更高强”。 

 

1:2009年国庆60周年阅兵中的“陆战之王”99式坦克

 

精细陶瓷作为应用于极端恶劣条件的材料代表,下文小编将带大家瞧瞧其哪些特质为坦克装甲车“武功更强”做出了贡献。

 

一、动力装置上的精细陶瓷

在一定储油量条件下,发动机热效率越高,行驶里程越长,坦克装甲车辆的战役机动性就越好。提高坦克装甲车辆的机动性能关键因素在于提高发动机性能,并降低全车质量。精细陶瓷由于其具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度小、导热率低等优异性能而受到广大发动机设计、研究人员的青昧。

 

 

2: 天下武功,唯快不破

 

理论研究表明:在相同条件下,提高发动机的工作温度,其功率可相应增大,燃烧效率大大提高。采用金属材料作为发动机材料,铝合金的耐温极限为350℃,钢和铸铁为450℃,最好的超级耐热合金的耐温极限也不能超过1093℃,金属材料的耐温极限极大地限制了发动机工作温度的提升。且为金属材料降温使用的各种冷却装置不但使发动机设计复杂化,还增加质量,耗费大量功率。为了解决传统发动机结构复杂、热效率低的问题,科研人员将目光投向了导热率低,耐高温,耐腐蚀的精细陶瓷材料身上。

 

20世纪70年代,美国康明斯公司提出了陶瓷隔热涡轮复合发动机(陶瓷绝热发动机)的设想,即以精细陶瓷替代现行的金属材料制造发动机,采用减少或取消冷却系统、但保持较高工作温度的设计方案来提高发动机的热效率,并减小发动机质量。康明斯公司的设想得到了美国陆军坦克汽车指挥部和能源部的支持,并于1975年开始实施一项绝热机的长期研究计划,以期将把绝热机技术应用于军事设备,提升设备各项综合能力。除了美国人,陶瓷发动机在世界范围内也受到了热捧,各类研究也是百花齐放,如下为部分研究成果举例。

 

美国研制的无冷却式陶瓷发动机坦克,比安装相同功率钢质发动机的坦克速度每千米缩短33秒,体积和质量减少21%。日本小松制作所在运输省的资助下,于1976年开展了缸径为125mm的全陶瓷喷涂涡轮复合绝热机的研制,并在1984年完成 1000 h台架耐久试验后转入使用试验。德国联邦科学技术部1980-1983年开展了一项名为KE—BOD的汽油机,柴油机陶瓷零件研究计划。我国“七五”、“八五”和“九五”期间也开展了陶瓷柴油发动机的研制工作,并先后研制成功6105型无水冷柴油机、6135型涡轮复合绝热发动机等几种先进陶瓷发动机。”

 

然而,整体陶瓷发动机开发技术难度非常大,特别是陶瓷材料的高成本和低可靠性这2大问题实在难以解决,于是许多国家将研究重点转向陶瓷零部件,目前,这方面的成果已超出了实验室的研究阶段,许多陶瓷零部件已大批生产,并在坦克装甲车辆的发动机上得到广泛应用。

 

如下为部分成果举例:

美国:美国M1A1坦克的AGT-1500燃气轮机采用了陶瓷涡轮叶片,使发动机工作温度提高到1200℃,热效率提高45%,节省燃料30% ,并提高了坦克的机动性能。

 

俄罗斯:俄罗斯的PT-5等坦克在燃气发动机的转子叶片、透平盘和燃烧室等部件上使用了反应烧结Sic和Si3N4 陶瓷,使得最高工作温度达1400℃ ,功率在880~1100 kW 之间,最大时速达85 km。

 

德国:德国在“豹”Ⅱ等坦克中使用的MT800系列柴油机在排气口镶嵌了陶瓷构件,燃烧室采用了陶瓷涂层隔热技术,大大提高了燃烧效率、降低了油耗。

 

3德国在“豹”Ⅱ系列坦克是个畅销货(上图“豹”ⅡA6)

 

备注:坦克发动机有柴油机及燃气轮机两种。燃气轮机的特点就是体积小,重量轻,功率大,目前的燃气轮机还相对的不成熟,成本高、耗油量大、维护艰难。世界上也只有财大气粗的美国人,和石油天然气资源丰富的阿拉伯人和俄罗斯人才敢在坦克上用的起燃气轮机。

 

二、防护装置上的精细陶瓷

精细陶瓷的高强度、高硬度、低密度特性使得精细陶瓷成为制造装甲防护系统的理想材料,用作装甲的精细陶瓷维氏硬度值大多在1500HV~3500HV之间。陶瓷既轻又强的特点,可以使得单位防护面积的质量大大降低,举个例子,常用的碳化硼陶瓷其密度大约是装甲钢的1/3左右,同样的防护面积,质量却可大大减小。

 

此外,精细陶瓷还具有比金属材料高得多的动力学弹性极限。利用陶瓷材料的密度效应、吸能效应、磨损效应等特性可显著地提高坦克装甲车辆的防护能力。根据防护要求的不同,目前应用于装甲防护装置上的陶瓷材料主要有Al2O3 B4C、SiC、TiB2AlN等5种,其中应用于坦克装甲防护的主要为氧化铝和硼化物基陶瓷。

 

4 碳化硅防弹板

 

碳化硅防弹板:碳化硅陶瓷由于硬度高、比重小、弹道性能较好、价格较低,而广泛用于防弹装甲中,如车辆、舰船的防护以及民用保险柜、运钞车的防护中。碳化硅陶瓷的弹道性能优于氧化铝陶瓷,约为碳化硼陶瓷的70-80%,但由于价格较低,特别适合用于用量大,且防护装甲不能过厚、过重的场合。

 

在上述5种陶瓷材料中,硼化物基材料的抗弹侵彻性能最好,代表了坦克陶瓷装甲的发展方向,但由于其独特的金属、共价和离子型键相互作用,使得其存在熔点高、烧结困难、制备方法复杂、工艺稳定性难以控制、制造成本高昂等缺点。素有“黑钻石”之称的碳化硼抗打击能力更是一级棒,硬度如钻石般,比重却小于碳化硅及氧化铝基防护材料,但工艺难度大,制备成本极其高昂。陶瓷作为一种脆性材料,其断裂韧度值非常低,不能承受任何疲劳或结构负荷,也不能经受多重打击。因此,要达到满意的防护效果,通常采用与其他装甲材料组合使用的方式。20世纪60年代美国首次在越南战场上使用Al2O3/Al陶瓷复合装甲,经过各国研究人员多年的努力,陶瓷复合装甲系统由最初的双层装甲系统发展到后来的多层装甲系统。

 

透明装甲陶瓷是新兴的一种陶瓷装甲材料,不但具有明显的防弹能力和较高的透明度,其表面密度还仅为现有玻璃的65%左右。目前主要以铝酸镁尖晶石、硝酸氧化铝尖晶石和蓝宝石等材料为主。通常由多层组成,第一层为陶瓷面板,用于破碎弹头或使其变形;后一层为韧性较高的聚合物,用于吸收弹丸和面板碎片的残余动能;中间夹有柔性隔离层,以逐层添加的方式提供附加的防护能力,缓解由热膨胀错配造成的应力,并防止裂纹扩展。

 

三、火力装置的精细陶瓷

现代火炮系统不断向远射程、大威力的方向发展,要有更快的弹丸速度、更高的炮口能量,在高温高压以及火药气体的综合作用下,特别是连续射击时,炮管的烧蚀极为严重,严重影响了坦克装甲车辆战技性能的发挥。因此对坦克火炮身管所能承受的压力和温度的要求也越来越高而精细陶瓷具有抗高压、抗蠕变、高熔点及高温化学稳定性好的特点,可以有效预制炮管的严重烧蚀,大大延长炮管的使用寿命,让坦克的战斗力持久不衰。另一方面,火炮轻量化的需求日益突出,减薄钢炮管的厚度,代之以高强度、高模量、高韧性的复合材料,不仅可以减轻炮管质量,还可以更好地平衡炮管,以便使用更小的驱动系统,从而减轻整个武器系统的质量。

 

5 精细陶瓷让火炮火力更猛寿命更长

 

有研究认为:SiC、Si3N4 SiAlON等是最适合用作炮管内衬的陶瓷材料,包缠纤维增强复合材料外保护套是解决陶瓷材料拉伸强度低、脆性大等缺点的最佳设计。采用陶瓷内衬复合材料炮管技术可使炮管寿命提高50% ,炮管单位长度的质量减小5%-25% ,直接火力的炮口动能增加20%。

 

此外,采用微球型纳米陶瓷粉末制备的润滑剂,可使普通的滑动摩擦转变成了滚动摩擦,在火炮身管和枪管喷涂这种润滑剂后可提高弹丸初速15%以上,同时可有效减少磨损量,提高武器使用寿命

 

四、两栖装甲装备防腐蚀

在高温、高湿、高盐雾和高日照的服役环境条件下,金属材质的两栖装甲装备腐蚀较为严重。两栖装甲装备下海训练或服役后,如果不及时清洗,20~30min后车体就会出现许多红色的浮锈,12 h后浮锈部位就会形成直径约1mm左右的锈斑。两栖装甲装备如果没有一点点防备就下水,海水的腐蚀会直接导致装备维修保养工作量增大、保障费用上升、装备故障率增高、战技性能急剧下降。

 

6 两栖突击车

 

而精细陶瓷材料具有化学性质稳定、耐腐蚀的特点,不畏强酸强碱,通过在装甲钢上喷涂陶瓷层的方式可有效阻止海水对装甲钢的腐蚀;采用陶瓷泥技术可有效解决坦克轮毂处螺纹孔与螺栓的锈蚀难题;氧化铝制的陶瓷炮塔座圈弹子可有效解决坦克炮塔与座圈的咬死与粘连问题。

 

五、夜视和红外热成像系统组件

在坦克夜视装置中,红外热像仪制冷压缩机中的压缩活塞和汽缸是红外成像系统中的一个关键组件,在实际使用过程中常因各种力、力矩的作用使得工作表面形成划痕,磨损极为严重,致使压缩机在运行过程中振动加剧,噪声增大,影响制冷效果。研究人员利用精细陶瓷耐摩擦、耐磨损的特点,开发的氮化硅陶瓷压缩活塞和汽缸寿命长达2000 h,大幅度提高了微型斯特林制冷机的制冷效果。

 

备注:制冷型红外热成像仪工作时,制冷机先进行工作来降低自身的温度,这样在检测其他物体时灵敏度更高,精度更高,误差更小,检测温度范围更广,可以让坦克更加精准发现目标。斯特林制冷机具有高效率、快速制冷、小尺寸、重量轻、低功耗和高可靠性的优点,因此微型斯特林制冷机被广泛地应用于红外探测器和高温超导领域。

 

参考来源

1、精细陶瓷在坦克装甲车辆中的应用与发展;装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室,唐修检 ,田欣利,吴志远 ,姚巨坤;装甲兵工程学院科研部,何嘉武。

 

编辑:粉体圈 小白


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