方岱宁先进结构思想催生多功能复合材料结构研究新进展

传统的装甲钢等金属防弹材料是雷达波的强反射体；现代复合装甲所用的各种防弹陶瓷介电常数大，与空气的波阻抗匹配差；而Kevlar纤维复合材料和超高分子量聚乙烯等材料具备较好的透波性能，却基本没有损耗雷达波的能力。因此，若要实现装甲车辆的雷达隐身，除了外形设计，基本只能在披挂装甲的外侧涂覆吸波涂层，但这种做法除了使装备增重外，还有许多不足，例如吸波涂层往往只针对某些特定频段有效而不具备宽频隐身性能，而涂层脱落带来的定期维护费用也将十分高昂。

鉴于此，研究者们尝试通过向防弹材料中引入雷达波吸收剂的方式研制吸波防弹多功能一体化结构。然而，无论是对碳化硅陶瓷还是树脂基复合材料进行改性，目前的研究尚未找到一种吸波性能和防弹能力均比较理想的材料，反而吸收剂的填加往往使得材料的防弹性能受到影响。近年来，在方岱宁院士先进结构技术新思想的启发下，北京理工大学研究团队从结构功能一体化设计的角度出发，尝试解决上述技术问题，取得了初步的科研进展。

研究团队摒弃了使某种材料同时拥有吸波和防弹性能的传统思路，借鉴电路模拟吸收体的吸波损耗机理，将吸收剂布置在若干个厚度仅为几十微米的薄层界面上，并按预先设计形成一定的图案，而这些吸收剂薄层之间则以透波性能相对较好（介电常数低）的防弹材料，例如超高分子量聚乙烯和氧化铝陶瓷等来间隔，并通过胶膜进行粘合。通过自行开发的优化设计计算程序，能够在结构厚度等条件约束下，针对给定的吸波频段组合与反射率水平等目标，快速地给出对这类特殊结构的优化结果，包括吸收剂薄层的数量、分布位置、图案尺寸等具体的参数取值，以及由此得到的平板结构的宽频反射率曲线。

研究团队设计并制备了厚度10mm的超高分子量聚乙烯作为间隔层的吸波防弹多功能复合材料结构，实测在2.7~18GHz频率范围内达到-10dB的雷达反射率水平，优于文献报道的绝大部分非磁性吸收体。V50弹道测试结果表明，所研制的多功能结构具备对小口径手枪弹的防护能力，且吸收剂薄层的嵌入并不影响材料的弹道性能。【Composite Structures, 272:114235, 2021】

图1 多功能复合装甲结构照片与测试结果

为了防护威力较大的穿甲燃烧弹，将超高分子量聚乙烯、氧化铝陶瓷、合金衬板和变形吸能背板相结合，设计吸波与防弹性能更佳的复合装甲结构，如图1所示。反射率测试结果表明，所设计并制备的多功能材料能够实现2~18GHz频率范围内-10dB的宽频吸波隐身。弹道实验结果表明，所研制的多功能结构能够抵御住单发53式7.62mm穿甲燃烧弹的侵彻，比同等防护能力的装甲钢减重30%以上。【Composites Part A, 160:107069, 2022】

在上述研究的基础上，研究团队正在致力于改善透波防弹材料和吸收剂薄层的性能，并给出更加合理的多层复合方案，改进层间粘合工艺以提高抗多发弹侵彻能力。相信在不久的将来，这类吸波防弹多功能复合材料结构有望形成产品，对装备的升级改造做出贡献。