战争与材料_信息与战争
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中化新网讯 北京理工大学工程兵工程学院伪装与仿真工程系教授吕绪良：从冷兵器到热兵器直到现在的核武器、战略导弹防御系统，各类材料尤其是先进材料起了关键作用。有人认为二次世界大战在某种程度上是钢铁之战。日本当年之所以能够发动战争，就因为有了年产800万吨钢铁的资本。进入21世纪的两场战争(阿富汗战争、伊拉克战争)，则无不是当代高科技以及新材料的大展示。
比如2003年的伊拉克战争，美国特种部队和精锐的陆军步兵部队均配备了新型头盔。这种头盔有6～8层泡沫材料衬垫防震系统，带在头上几分钟后，头盔里的衬垫就会变得松软，最后将完全适合士兵的头形，增强了头盔的防撞击能力。
中国工程院院士周国泰：材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础。长期以来各国一直把材料、能源和信息作为社会发展的重要支柱。尤其进入当今时代，高科技材料更成为国防建设的强大支撑力量。
在军事领域，高性能纤维是火箭、导弹、战斗机、作战装甲、海军舰船等尖端武器装备的重要基础材料。如战略导弹飞行中温度极高，只有碳/碳复合材料才能满足需要。战略导弹的弹头重量每减1千克，射程便可大大增加。所以，各国都高度重视高科技材料在军事上的广泛应用。如碳纤维、芳纶和高强高模聚乙烯纤维等高性能纤维，都具有比普通材料高很多的强度和模量，有优异的耐高温性能及难燃性和突出的化学稳定性。
芳纶纤维是当今极为重要的国防军工材料。它具有超高强度、高模量和耐高温、重量轻、耐酸耐碱等优异性能,其强度是钢丝的5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，重量仅为钢丝的1/5左右，且绝缘性能良好，抗老化，有很长的使用周期。为适应现代战争需要，目前美、英等发达国家的防弹衣均采用了芳纶材质。芳纶防弹衣和头盔的轻型化，大大提高了快速反应能力、战斗力和防护能力。目前，对位芳纶是全球发展最快、产量最高、用途最广的高科技纤维。可喜的是，我国已拥有自主知识产权的工艺和工程化技术，标志我们已有能力打破国外垄断，并为产业化发展打下重要基础。
总参某部博士生导师厉新光：近年随着对纳米材料的开发，其特殊性能很快就引起了军事上的高度重视。虽然目前纳米技术尚不成熟，但由于其具有明显的军事潜力，极大地刺激着人们寻求纳米技术在军事上的应用。世界主要军事大国相继制定了军用纳米技术开发计划。美国开发纳米技术的经费中有一半左右来自国防部系统；日本也认识到纳米技术在军事领域应用的长远潜力，建成了第一个分子装配器；欧洲有关纳米技术的一项军事研究计划已在法国一个实验室开始起步。
采用纳米技术，可使现有雷达在体积缩小的同时，其信息获取能力却极大提高；能够把超高分辨力的合成孔径雷达安放在卫星上，进行高精度对地侦察。纳米技术还可以使武器表面变得更灵巧。利用纳米材料作武器的蒙皮，可以察觉细微的外界刺激。用纳米材料制造潜艇的蒙皮，可以灵敏地感觉水流、水温、水压等极细微的变化，并及时反馈给中央计算机，最大限度地降低噪声、节约能源；能根据水波的变化提前察觉来袭的敌方鱼雷，使潜艇及时规避。用纳米材料做军用机器人的“皮肤”，可以使之具有比真人的皮肤还要灵敏的触感，从而能更有效地完成军事任务。
中国化学会某会员：目前战机对雷达隐身的主要方法是机体材料和涂料。根据能掌握的权威资料，中国在军用航空复合材料的技术和应用上，已经取得非常大的成绩。例如，国产歼-11BS多通途双座重型战斗轰炸机，其机体就大量应用了中国自己研制的新型复合材料。其中，两个高大的垂尾有近五分之四的体积使用了复合材料，而全动平尾则全是复合材料。同时还在主翼、边条、进气口和尾翼以及前缘机动襟翼大量使用复合材料和不导电材料。在一种战斗机上如此大比例的使用复合材料，这在目前已知的国产战斗机中是极其罕见的。同时喷涂有国产新型雷达吸波涂料。这证明中国在战斗机大规模复合材料运用方面，已经取得突破性进展。因此从歼-11BS身上，我们可以在某方面管窥到歼-20的部分技术。
歼-20机身复合材料使用比例很可能会达到40%～50%。这其中主要是环氧树脂基复合材料和碳纤维，其他部分主要是钛合金和传统铝合金。复合材料主要是做机体，也就是通常所说的“皮肉”,而金属材料则充当“骨架”。从目前的高清照片看，歼-20的外表面非常光滑，没有任何多余的突起物。这有两种可能。一是机体外表工艺非常好，铆钉等都处理得非常好，而且吸波材料涂层很厚，覆盖了铆钉等物件。二是运用了大面积复合材料外蒙皮一体化整体成型、组装技术。就是首先依照骨架外形，用复合材料制造一整张大面积整体蒙皮，然后整体一次性覆盖、安装在骨架上。其优点就是可以尽最大可能减少表面接缝等，可以极大地提高隐身能力。但该技术难度非常高，目前世界上只有极少数几个国家掌握。
二
今天的战斗场所已经从露天战场转为城市战争，需要装甲来防护更致命的弹药，抵抗多发子弹的打击。从狙击手射击到劣质简易爆炸设备的危险已经在传统的增强聚合物复合材料装甲领域促进了装甲系统的快速发展。材料一定是优化了重量、弹道防御能力和成本的活动目标。
纤维化学领域的创新同时影响了软、硬装甲的发展，尽管每种装甲对复合材料的需求是不同的。软装甲通常是柔软、坚固和轻质的，具有高弹性模量，可以在尽可能大的装甲面积上分散冲击能量。硬装甲通常是坚硬且更厚的，可能含有以层压或纤维形式与钢或陶瓷复合的聚合物复合材料。
软、硬复合材料装甲在单一产品中的应用实例是一种坚固柔软的防弹背心，它带有一个或多个硬板形式的轻型武器防护插板（SAPI）。较大的复合材料板用作军用盾牌、车辆装甲和基础设施的爆炸防护。芳纶纤维
杜邦先进纤维系统公司生命防护小组的全球技术经理Bruce Burkholder表示，现在的Kevlar 对位芳纶纤维至少比31年前所测试的防弹背心中的纤维坚固50%。聚对苯甲酰胺中的高定向长链具有牢固的链间化学键，使得Kevlar的强度比钢高5倍。
他补充说，Kevlar Comfort XLT是杜邦最新的以Kevlar为基础的弹道产品，与全芳纶防弹背心相比，它将防弹背心的重量减少了25%，同时也减少了背面的层压层数且降低了变形的可能。
Burkholder说，Kevlar Comfort XLT通过将纤维和织物结合接近了单向结构的性能，因此可以在经纬两个方向充分利用纤维强度。这就使所有纱线交叉点分担的载荷达到了最大，同时又以更轻的重量保持了结构的稳定性，提高了弹道性能。
Burkholder所描述的“近来全世界对更高水平的安全防护产品日益增长的需求”使得Kevlar经过了几次扩产，自2000年以来，已达9300万欧元（12000万美元）之多。他说：“杜邦正与美国国防部紧密合作，以满足市场对Kevlar防弹衣、头盔和车辆上层装甲的巨大需求。”
杜邦2006年第二季度的盈利报告显示，其安全和防护部门的税前运营收入较2005年第二季度增长了10%，达24200万欧元（31000万美元），其中包括Kevlar装甲产品。
在今天的战争地区，最知名的一种车辆是坚固的高机动多用途轮式车辆（HMMWV或Humvee）。这种2.4吨多用途卡车制造商AM General公司的公共关系总监Craig MacNab确定，杜邦Kevlar和钢质装甲正被用于这种自1985年开始大量生产的轻型装甲Humvee。继第一辆型号为M1114的 “上部装甲的”Humvee推出之后，该公司已经生产出M1116、M1151、M1152和M1165几种型号。这些车使用了多种材料，包括增强复合材料。
荷兰Arhem市的Teijin Twaron公司向全球供应Twaron对位芳纶纤维和纱，通过几次扩产，也已经在弹道制品和安全产品市场取得了发展。Teijin报导说，与全钢材装甲相比，商业化车辆装甲中Twaron复合材料和钢材的复合所导致的重量减轻，只将车辆的最高速度降低了5 km/h。该公司新一代的Twaron纤维Twaron CT含有50%以上的微丝，使得防弹背心具有了较高的弹性模量，而且重量比以前的Twaron纤维低23%。在德国军用头盔中，Twaron CT比钢质头盔的弹道性能提高了100%。
美国装甲兵的Interceptor防弹背心目前是最先进的多功能个人装甲。杜邦的Kevlar、Teijin的Twaron和DSM的Dyneema纤维都已被选定用于其增强型侧面防弹插板（ESBI）载体以及轻型武器防护插板（SAPI）和增强型轻型武器防护插板（ESAPI）组件中。Spectra纤维
霍尼韦尔（Honeywell）国际公司的特殊材料集团位于美国维吉尼亚州的Colonial Heights，该公司使用凝胶自旋拉丝工艺生产Spectra超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，并在弹道复合材料中使用Spectra防护板（SpectraShield）技术。Spectra比钢坚固10倍，比大多数芳纶纤维轻，在软硬装甲中都起到了很好的增强作用。用Spectra纤维增强的是标准Spectra Shield、Spectra Shield Plus和Spectra Shield II材料；用芳纶纤维增强的是Gold Flex和Gold Shield材料。
Spectra Shield产品适用于Humvee装甲、美国海军的Sea Knight直升机、防弹背心、增强型轻型武器防护插板和增强型侧面防弹插片板和美国马萨诸塞州Pittsfield市Protech公司装甲控股子公司（Amor Holdings）的防爆织物。占霍尼韦尔整个公司销售额15%的特殊材料部门今年计划增加93600万欧元（12亿美元）的销售额，部门收益将近42800万欧元（55000万美元）。
过去十年，只有美国德克萨斯州圣安东尼奥市德克萨斯装甲公司（Texas Armoring）一直对私人车辆（从豪华轿车到SUV）进行装甲。该公司CEO Trent Kimball指出了大量增强纤维在公司装甲产品中的应用，包括Spectra和Spectra Shield、DSM的Dyneema、玻璃纤维和硬化钢。
“纤维增强复合材料已经从重量方面促进了整个装甲行业的进步。用复合材料装甲的车辆减少了磨损和破环，使用寿命可以延长两到三年。”
Kimball估计，一辆全复合材料车辆装甲系统的重量大约为136千克（300磅），而一个复合材料/钢系统的全部重量为680千克（1500磅）。
Dyneema纤维
另一种先进的高模量、高性能聚乙烯（HPPE）是来自DSM的Dyneema纤维，该纤维在美国北卡莱罗纳州的Greenville市和荷兰的Heeren市生产。
去年12月，DSM进行了四年之内的第五次扩产，将全球产能翻倍。Dyneema系列最新的弹道材料包括硬装甲用HB25和HB26单向增强复合材料，它们可以比其它传统编织物更快、更有效地沿着纤维传输冲击能量。使用HB26制备装甲的制造商将处理时间减少了一半，加快了生产速度。丹麦装甲兵测试了车辆装甲中的HB26复合材料，发现它们是有效的 ；HB25复合材料在中型战术车辆驾驶室装甲中应用效果良好。
DSM还复合了Dyneema HPPE纤维和钢丝材料用于防弹背心的刺伤防护，该防弹衣符合英国HG1A/KR1标准。英国国防部将很快把Dyneema单向纤维混合在新型Osprey防弹衣的陶瓷板背面。DSM还创造了一种Dyneema HPPE纤维和Dyneema单向纤维带制成的混合层压片材，该材料可以抵抗弹药、刀子和针状物的攻击。
DSM Dyneema LLC生命防护（美国）公司高级副总裁Jan Grimberg告诉《增强塑料》，弹道市场开发轻质材料是必然的。他说：“Dyneema HPPE中的碳-碳键创造了世界上最坚固的轻质纤维——与钢材相比表面密度最高可降低75%。现在我们仅仅使用了Dyneema纤维强度的20%，因此它在弹道产品中还有着巨大的潜力。”
军事终端用户对HB26的认可来自于对它的期望。Grimberg说：“我们期待DSM公司在年底前公布更多关于HPPE纤维的创新，降低硬装甲的重量，提高其强度。”
该公司2006年第二季度的财政报告表明，高性能材料部门的运营收益（包括Dyneema产品）比去年同期增长了14%。
最近，加利福尼亚州Del Mar市装甲制造商Homeland Security国际集团和美国维吉尼亚州Dulles市的Protective Enterprises公司都成功制成了混合纤维增强的复合材料SAPI板。
将Dyneema和Spectra纤维混合在SAPI板中，复合材料部件重量平均可降低到1.5千克，而其它复合材料板则为2.6千克。位于以色列Herzliya市的Rabintex 工业公司使用几种芳纶纤维增强材料生产Knightex弹道板。该公司报导说，一块5毫米厚的复合材料防弹背心SAPI板重量仅为4.2 kg/m2。
玻璃纤维
尽管玻璃纤维被认为是最重的弹道增强纤维，但其仍然在复合材料装甲领域占有一席之地。美国乔治亚州Aiken市的AGY公司是全球唯一的S-2（商标）玻璃纤维生产商。其新业务发展经理David Fecko认为，他们的纤维平衡了拉伸强度、压缩性能、硬度和疲劳性能，在复合材料层压板中既具有弹道性能，也具有结构性能。
该公司的HJ1硬装甲板材使用S-2玻纤增强的酚醛树脂基织物制成，用于Humvee M1114和CAV-100 European维和车辆的装甲。AGY公司现在拥有23个HJ1系统的许可证。
科罗拉多州Montrose市Polystrand公司的ThermoBallistic-H装甲板使用公司牌号为X-Ply的E和S玻纤/聚丙烯混合片材。这种复合材料板材由0/90°层压板与打击面的E玻纤和背面的S玻纤制成。
Polystrand公司总裁Ed Pipel说：“玻璃纤维可能比芳纶纤维和碳纤维更重，但它更便宜，应用也更广泛。”他指出，X-Ply不需要特殊的储藏条件，保存期没有限制，层压板形式比其它弹道学复合材料成本更低。另外，与传统热固性复合材料弹道板材相比，Polystrand材料可以将挤压时间缩短40%~60%，去除了除气过程，并释放挥发性有机化合物。
新型玻璃纤维和纳米防护材料
复合材料装甲的新型增强纤维正快速发展着。位于美国维吉尼亚州Richmond市的杜邦先进纤维系统公司和Magellan系统国际公司发现了一种适用于M5的弹道纤维，这是一种复杂的聚亚苯基纤维化学品，Magella将其描述为“一种坚硬的棒状聚合物，具有双向氢键，可以产生三维蜂窝网络结构”。
弹道市场的另一种新型热塑性复合材料是增强聚丙烯基材的高度抗拉伸的聚丙烯带纱，这是美国南卡莱罗纳州Spartanburg市美立肯纤维公司模压织物技术（MFT）的一部分。该公司已经实现了车辆装甲的商业化，而且正在开发用于头盔和个人装甲的MFT技术。
美立肯公司的一名利润增长战略专家Todd Kleman说：“热塑性材料逐渐在装甲市场赢得一席之地。这一市场的买家是不愿承担风险的，因此任何新材料都要通过严格的测试才能被鉴定为合格。”
Delaware大学复合材料中心和美国军事研究实验室武器材料研究会的研究者们已经取得了进展，制成了剪切稠化液体（STF）：一种独特的“液体装甲”。STF在正常条件下处于一种类似液体的弹性状态，但在冲击作用下会变硬，以便在几毫秒之内阻止穿透。Armor控股公司是今年唯一取得STF技术许可的公司。
香港科技大学的纳米技术研发是关于复合材料形式的多壁碳纤维管增强UHMWPE薄膜的研究。研究发现，仅仅增加1%的纳米管，就可以大大提高薄膜强度和模量。这种混合作用似乎还可以减少纺纱纤维中纳米管形成的结所导致的UHMWPE纤维损失。高平教授说，装甲制造商对这项研究显示了相当大的兴趣，该大学和DSM公司正在商讨进行合作的可能。
美国北卡莱罗纳州New Bern市Lifetek Armor公司目前正在其产品中使用聚合物增强复合材料，公司总裁Terry Nelson认为电子武器可能是下一代的战争威胁。他说：“纳米材料可以为这种武器提供装甲解决方案。”
可以确定，在战火下的生死对决中，未来的装甲材料将包括增强复合材料，这种材料对于各种危险环境中的生命保护来讲是很重要的。
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