方岱寧先進結構思想催生多功能復合材料結構研究新進展

傳統的裝甲鋼等金屬防彈材料是雷達波的強反射體；現代復合裝甲所用的各種防彈陶瓷介電常數大，與空氣的波阻抗匹配差；而Kevlar纖維復合材料和超高分子量聚乙烯等材料具備較好的透波性能，卻基本沒有損耗雷達波的能力。因此，若要實現裝甲車輛的雷達隱身，除了外形設計，基本只能在披掛裝甲的外側涂覆吸波涂層，但這種做法除了使裝備增重外，還有許多不足，例如吸波涂層往往只針對某些特定頻段有效而不具備寬頻隱身性能，而涂層脫落帶來的定期維護費用也將十分高昂。

鑒于此，研究者們嘗試通過向防彈材料中引入雷達波吸收劑的方式研制吸波防彈多功能一體化結構。然而，無論是對碳化硅陶瓷還是樹脂基復合材料進行改性，目前的研究尚未找到一種吸波性能和防彈能力均比較理想的材料，反而吸收劑的填加往往使得材料的防彈性能受到影響。近年來，在方岱寧院士先進結構技術新思想的啟發下，北京理工大學研究團隊從結構功能一體化設計的角度出發，嘗試解決上述技術問題，取得了初步的科研進展。

研究團隊摒棄了使某種材料同時擁有吸波和防彈性能的傳統思路，借鑒電路模擬吸收體的吸波損耗機理，將吸收劑布置在若干個厚度僅為幾十微米的薄層界面上，并按預先設計形成一定的圖案，而這些吸收劑薄層之間則以透波性能相對較好（介電常數低）的防彈材料，例如超高分子量聚乙烯和氧化鋁陶瓷等來間隔，并通過膠膜進行粘合。通過自行開發的優化設計計算程序，能夠在結構厚度等條件約束下，針對給定的吸波頻段組合與反射率水平等目標，快速地給出對這類特殊結構的優化結果，包括吸收劑薄層的數量、分布位置、圖案尺寸等具體的參數取值，以及由此得到的平板結構的寬頻反射率曲線。

研究團隊設計并制備了厚度10mm的超高分子量聚乙烯作為間隔層的吸波防彈多功能復合材料結構，實測在2.7~18GHz頻率范圍內達到-10dB的雷達反射率水平，優于文獻報道的絕大部分非磁性吸收體。V50彈道測試結果表明，所研制的多功能結構具備對小口徑手槍彈的防護能力，且吸收劑薄層的嵌入并不影響材料的彈道性能。【Composite Structures, 272:114235, 2021】

圖1 多功能復合裝甲結構照片與測試結果

為了防護威力較大的穿甲燃燒彈，將超高分子量聚乙烯、氧化鋁陶瓷、合金襯板和變形吸能背板相結合，設計吸波與防彈性能更佳的復合裝甲結構，如圖1所示。反射率測試結果表明，所設計并制備的多功能材料能夠實現2~18GHz頻率范圍內-10dB的寬頻吸波隱身。彈道實驗結果表明，所研制的多功能結構能夠抵御住單發53式7.62mm穿甲燃燒彈的侵徹，比同等防護能力的裝甲鋼減重30%以上。【Composites Part A, 160:107069, 2022】

在上述研究的基礎上，研究團隊正在致力于改善透波防彈材料和吸收劑薄層的性能，并給出更加合理的多層復合方案，改進層間粘合工藝以提高抗多發彈侵徹能力。相信在不久的將來，這類吸波防彈多功能復合材料結構有望形成產品，對裝備的升級改造做出貢獻。