隨著高新技術的發展，現代戰爭不斷向信息化戰爭演變，地面武器裝備的技術密集度越來越高，且武器裝備的精確要求越來越高，同時，地面打擊力量在現代戰爭中仍具有相當的主導作用。傳統材料的規格、性能，以及冶煉技術等已遠遠不能適應高新武器的研發需求，有時甚至成為制約其發展的“瓶頸”。因此，對地面機動武器裝備軍用材料提出了更新、更高的要求。

    目前，地面機動武器裝備主要包括坦克、火炮、裝甲車、雷達、通信裝備等多種類型，服務于地面突擊、戰略打擊、信息支援、防空反導、海上攻擊和后勤保障等，以構建地面攻防一體化作戰平臺。對大部分地面機動武器裝備，有威力、機動、防護三大性能指標。傳統的采用炮鋼、裝甲鋼等材料制造的地面武器裝備的三大性能指標相互制約，難以同時提高，而三者的權重與平衡一直是地面機動武器設計的難點問題。在這種情況下，纖維增強樹脂基復合材料憑借其優良特性被逐漸應用到各種常規武器裝備，在地面機動武器裝備的防護、輕量化、高性能化等方面發揮著重要的作用，并促進了地面武器裝備的結構一體化和低成本制造，成為了重要的軍用材料。

    1　樹脂基復合材料的特性及應用

    目前，纖維增強樹脂基復合材料的制造與裝備技術已經比較成熟，是應用最為廣泛的一類復合材料。這種材料以熱固性或熱塑性塑料為基體，以短切或連續纖維織物為增強材料，經過一定的工藝處理復合而成，具有比強度高、比剛度高、耐腐蝕、耐磨損、疲勞壽命高、可一體化成型等優點，還可以加入一定的阻燃劑等填料以提高阻燃性。隨著研究應用的發展，以碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP） 為代表的纖維增強樹脂基復合材料自問世以來就憑借其優良的力、聲、磁、電學性能（ 透波、透聲性好，無磁性，介電性能優良），良好的耐腐蝕性能（ 耐酸腐蝕、堿腐蝕、海水侵蝕），良好的設計、加工、維護性能，輕質性能，在國內外的軍事領域特別是航空航天領域中發揮著越來越重要的作用。

    1.1　高強耐磨性及應用

    纖維增強樹脂基復合材料具有較高的振動阻尼和自振頻率，因此有很強的吸振能力，可以幫助地面武器裝備在行進過程中保持更好的平穩狀態。此外，纖維增強樹脂基復合材料的疲勞極限是其拉伸強度的70%～80%，遠高于金屬材料的30%～50%。另外，不同的纖維增強材料可以通過不同的內部鋪層方式滿足所需載荷要求，應用無損檢測等技術對關鍵部件及時檢測、維護、補修，以延長使用壽命，具有高強耐磨性和良好的可靠性。

    對于坦克等地面機動武器裝備，應用樹脂基復合材料高強耐磨性的同時，還能充分發揮其良好的耐腐蝕性、耐高溫蠕變性、導電性。在炮塔等結構內部安裝具有耐腐蝕性的樹脂基復合材料的結構部件，可以更好地防止酸雨和鹽分等外部環境的侵害，對設備的維修保養十分有利。

    1.2　高防護性及應用

    對于水陸兩棲戰車等地面機動武器裝備，將樹脂基復合材料應用在武器外罩、翼子板、甲板防護板上，或將其作為導彈沖擊遮護板，可以減免榴霰彈和高速射彈的沖擊。日本專家對于以CFRP 為代表的纖維增強樹脂基復合材料應用到武器裝備結構上后在耐爆炸以及耐燃燒性能方面的研究已達到了軍用武器裝備的使用標準，為樹脂基復合材料提升地面武器裝備的生存能力提供了一定的研究理論基礎。

    以前，為了達到更高的安全性，裝甲鋼板設計得非常厚，但這會使機動武器車輛裝備整車質量增加，影響機動性能。目前，美國、德國、俄羅斯等國已經對用復合材料替代金屬部件進行了大量研究。美國、英國等在研究中都將新型樹脂基復合材料作為車體的首選材料，使得主戰坦克等地面武器裝備的車體在輕量化進程中，可同步提高抗彈性、隱身性，減小雷達反射截面積，這已成為各國的熱點軍備項目之一。美國于20 世紀90 年代開始復合材料裝甲戰車車體的研究，開展了復合材料裝甲車輛——先進技術驗證計劃，設計制造的復合材料驗證車在減重達30% 以上時，還具有良好的隱身效果，另外，美國陸軍采用S2 玻璃纖維增強酚醛樹脂復合材料取代早期的芳綸纖維復合材料制造的M113A3裝甲人員輸送車車體，不但提高了防火、防煙霧特性，還降低了成本。美國在“未來戰斗系統（FCS）”研究計劃中，也將發展復合材料原型車樣車。目前，已完成了FCS 履帶式和輪式兩種車型的底盤設計制造，采用玻璃纖維增強樹脂基復合材料制造了樣車的上車身、下車身及乘員艙。

    同時，纖維增強樹脂基復合材料在優化外形、改善振動及噪聲阻尼、降低腐蝕及凹陷、在高速撞擊下保護乘員安全等方面有著很大的優勢。纖維增強樹脂基復合材料應用于裝甲板、艙門等方面，由于其具有更低的磁特性、熱傳導性，良好的阻聲性等，在坦克、裝甲車等地面武器裝備受到外來襲擊帶來的熱量及噪聲影響時，可比傳統的炮鋼等材料制成的裝甲板等構件更好地起到隔熱、降噪、阻燃、防碎片的作用，從而更好地保護炮手和成員。表1 列出一些美國已經成功制備的部分地面武器裝備復合材料部件。

    表1　美國地面武器裝備復合材料部件

    1.3　電磁隱蔽性及應用

    纖維增強樹脂基復合材料可具有特殊的電磁性能。一方面，在其內部加入具有透波、吸波功能的聚對苯撐苯并二惡唑纖維等纖維材料或鐵氧體、BaTiO3 等納米顆粒，或在其表面噴涂隱身涂料，可以減少武器裝備的雷達、光電、紅外等觀測特征，提高地面機動武器裝備的生存能力和作戰效能；另一方面，通過對地面機動武器裝備的外形結構進行優化設計，在結構表面引入異型透波、吸波結構，或將機構表面及各連接處進行光滑處理，可以降低雷達散射截面值，同時提高地面機動武器裝備的電磁隱蔽性。

    另外，復合材料排氣裝置在具有質輕、成本低等優點的同時，具備優良的熱絕緣性能，能夠削弱雷達信號進而有助于提高地面武器裝備的隱身性，并且已經在部分武器裝備上成功應用。

    1.4　高輕量化及應用

    現代高科技戰爭既要求裝甲裝備具有高抗彈性，又追求其輕量化、高機動靈活性，以及良好的防護性等，為了滿足這些要求，各國都在不斷積極探索并深入研究，廣泛采用樹脂基復合材料以期減輕裝甲裝備質量，而復合材料在裝甲車輛上的應用已從簡單的非承力件向結構件、動力系統乃至大型整體部件發展。俄羅斯將纖維增強樹脂基復合材料成功地應用于主戰坦克的裝甲防護，以均質鋼作為面板和背板，以酚醛復合材料和抗彈陶瓷作為中間層，制得T–80 坦克復合裝甲；以覆蓋了芳綸纖維復合材料的均質鋼作為面板和背板，以酚醛樹脂復合材料作為中間層，制得了T–72 主戰坦克的輕型復合裝甲，大幅度提高了頂部防護能力。

    纖維增強樹脂基復合材料與常規金屬和非金屬材料相比，具有優異的輕質高強性，CFRP 的密度為鋁的3／5、鋼的1／5，比強度卻是鋁的4 倍、鋼的5 倍，同時，拉伸強度一般都在3 500 MPa 以上，是鋼的7～9 倍，拉伸彈性模量為230～430 GPa ，也高于鋼[12–13]。因此，CFRP 的比強度（ 強度與密度之比） 可達到2 000 MPa／（g · cm–3） 以上，而A3鋼的比強度僅為59 MPa／（g · cm–3） 左右，可見其比模量也比鋼高。另外，樹脂基復合材料還憑借其復雜部件的可設計性，良好的減震性、吸能性、抗疲勞性、耐腐蝕性等，被應用到地面機動武器裝備上以有效地減輕整體的質量，減少燃油消耗，提高機動性能、運載能力和可持續作戰時間，進而在地面武器裝備上得到越來越廣泛的應用。

    英國材料系統實驗室對碳纖維復合材料的減輕質量的效果研究表明，CFRP 車身質量為172 kg，而鋼制車身質量為368 kg，減輕質量約50%。可見，復合材料可為機動武器的輕量化做出的貢獻毋庸置疑。在地面機動武器裝備的底座設計中，一個復合材料的底座比同尺寸的鋼底座輕58%，且可以提供足夠的保護，使機械和設備免受或抵抗沖擊損壞。與此同時，由于它的阻尼性和無磁性，復合材料底座能夠降低武器裝備的聲音和磁特性。纖維增強樹脂基復合材料在輕質的同時，還能同時保證一定的強度要求。樹脂基復合材料具有高于鋼幾倍的拉伸強度，可以滿足對機動武器車輛安全性能的需求。

    在地面武器裝備推進系統的動力傳輸等部件的裝備輕量化過程中，當要求傳動裝置的部件最少、質量最輕時，采用由CFRP 等樹脂基復合材料制備的驅動軸可以輕而易舉地滿足要求，并且軸越長，減重效果越明顯。臨界速度提高，可減免長軸系上布置的軸承，軸承數量減少，還可以降低成本。

    另外，復合材料驅動軸還具有低噪聲、無磁性、不導電、無摩擦、耐腐蝕等優良性能。

    1.5　整體成型及應用

    纖維增強樹脂基復合材料通過不同的纖維編織工藝、預成型體成型工藝等，可以加工成格柵式、蜂窩式等多種形式的層壓板結構，還可以進行不同層次的尺寸和形狀優化，具有良好的可設計性和加工成型性，有利于將部分相關零件集中生產加工到一個部件上，對于加工復雜地面武器裝備上的結構件大有益處。

    美國使用CFRP 一次成型制造了最大的船體“短劍”，在整體制造成型過程中不使用傳統的焊接、鉚接技術，使得構件外表面十分光滑，船體的質量也大大減少。雖然目前的成本相對于普通的鋼和鋁合金偏高，但應用這—技術進行綜合構件的整體設計，使得進行批量生產的成本有較大的下降空間。同樣的技術，目前已被初步應用到地面武器裝備的設計制造中。這樣的整體成型，在節約時間和成本、減輕了構件的整體質量的同時，也節省了燃料，提高了可持續戰斗的時間。

    目前，還有科研人員采用由聚氯乙烯和碳纖維乙烯基酯層壓板構成的夾心結構，與傳統材料相比，它不但強度高、耐用性好、而沖擊性強、整體成型性好，還無磁性，有利于降低武器裝備產生的磁場，并有良好的抗震性能。

    2　軍用復合材料應用的關鍵技術

    軍用材料經過多年發展，已取得長足進步，但在系列化、通用化、維修性等方面還存在一定的問題，影響著軍用材料科研體系的整體效益和武器裝備研制生產的保障能力，因此，亟需建立合適的軍用材料體系標準。另外，地面武器在戰場上需要執行各種復雜的戰略任務，對復合材料在武器裝備上的應用提出了更加嚴苛的要求，亟需突破以下幾方面關鍵技術。

    （1） 低成本制造技術。

    雖然纖維增強樹脂基復合材料優點眾多，但目前依舊存在制造和安裝成本比鋼制件高20%～90% 的缺點。一方面，纖維增強材料的制備、鋪層，樹脂基體的制備，以及纖維和樹脂兩者的復合等都需要降低成本；另一方面，就目前來看，地面機動武器裝備的主體依舊是炮鋼等材料，纖維增強樹脂基復合材料制件與周圍鋼結構的連接處需要足夠的抗內部沖擊損壞能力，由此使得成本大幅提高。

    發展低成本設計與制造，將會顯著提高纖維增強樹脂基復合材料在地面武器裝備上的應用范圍。目前，國內外的一些軍工企業已將軍用復合材料的發展重點逐步從材料的性能轉到低成本制造技術，由此帶動了自動纖維纏繞技術、自動帶料鋪層技術、預浸料技術、樹脂傳遞模塑成型技術、電子束固化技術等低成本制造技術的發展。

    （2） 結構功能設計一體化集成技術。

    在地面機動武器裝備的設計、制造中需要綜合考慮威力、機動、防護等多方面要求。因此，需要在多個層次上開展武器裝備的設計、制造、測試、使用和維護等方面的一體化集成設計。纖維增強樹脂基復合材料在地面機動武器裝備上的應用，一方面，可以通過CAD 和CAM 仿真為武器結構設計一體化的實現提供更廣的操作空間；另一方面，可以為阻尼／結構、防熱／結構、隱身／結構等功能／結構一體化武器構件的制備提供有效的途徑，進而提高地面武器裝備的自適應、自診斷和自修復能力。

    （3） 損傷容限失效評估與維修技術。

    軍用復合材料的可靠性和維修性同樣是其得到良好應用的必須保障。纖維增強樹脂基復合材料為主體或增強結構的地面武器裝備，構件若出現微觀損傷，容易演變成宏觀失效，在一定程度上加大了對武器裝備質量控制的難度。因此，通過建立相關計算標準和設計規范數據庫，進而建立軍用樹脂基復合材料損傷容限失效評估模式、設備故障評估模式、維修性設計與分析模式，進而預估地面武器裝備的使用壽命與維修方案，將對纖維增強樹脂基復合材料在地面武器裝備上的應用具有一定的指導作用。

    3　結語

    世界范圍內的軍用新材料每年以5％的速度增長，目前已有上萬種。地面武器裝備用復合材料正向高功能化、低成本化和輕量化等方向發展。纖維增強樹脂基復合材料在軍用材料領域表現出巨大的潛在應用價值，隨著其成型工藝及制造技術的提高，其必將以多功能集于一體的形式更多地應用到現代武器裝備領域中，為武器裝備性能的提高起到積極的推動作用。（原作者：齊文 趙俊利 等 來源：知網）

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責任編輯：王元

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