这种材料做的穿甲弹,威力不输“准核武器”贫铀弹

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 鸿鹄,科技爱好者

  提起非晶合金,可能有些人会觉得比较陌生,但说起iPhone手机,大家就比较熟悉了,其实,iPhone那个小小的卡针就用到了这种材料。此外,生活中非晶合金还广泛应用于手机卡托、手环表壳、USB接口和变压器上等等各个方面。

  而在军事上,很多国家正在研究将非晶和金作为弹芯材料,制造穿甲弹等破甲武器,替代对人类健康和生态环境造成严重危害的贫铀弹。

  那么,非晶合金究竟有啥特别之处?用它做成的穿甲弹又是怎样的存在?今天我们就来谈谈它。

  

  

  (美军士兵在搬运贫铀弹)

  (一)贫铀弹突破装甲的能力为什么强?

  穿甲弹是装甲装备的主要弹种之一(此外常见的还有破甲弹和碎甲弹),其结构基本都可以拆分为两个部分,头部的弹芯和尾部的弹药。

  

  

  (穿甲弹结构)

  穿甲弹之所以能贯穿装甲并摧毁目标,依靠的主要是弹丸命中目标过程中产生的强大动能。而作为一种动能武器,如果想获得更好的穿甲效果,高密度的弹芯必不可少,这也是穿甲弹常常使用钨合金、铀合金等高密度材料作为弹芯的原因。

  虽然弹头重量越大,效果越好,不过为了保证远的射程,弹头部分一般都设计得很小,此外,为了保证弹药充足,还会与之搭配大口径的火炮。而为了配合细的弹头和粗的弹筒就有了脱壳穿甲弹的设计,其中尾翼稳定脱壳穿甲弹被包括中国在内的世界各国大量采用。

  相比于其他种类的炮弹,穿甲弹作用以穿甲为主,需要依靠炮弹本身强大的动能以硬碰硬,穿透坦克的防护装甲。

  穿甲前期,高速运动的弹丸和装甲高速碰撞,飞行的弹体遇阻碍,与装甲钢之间产生高应力作用,正常情况下弹体会不断破碎、飞溅,弹丸的动能此时转化为热能,加热与弹丸接触的装甲材料,使得接触面破碎的装甲飞溅出去,并在装甲表面形成一个口部不断扩大的凹坑。

  而贫铀弹因为其本身硬度高、韧性好,所以在碰撞的过程中更难破碎,穿透能力更好。同时,铀容易氧化,撞击产生的高温,会引发铀燃烧,从而产生更高的温度,使得装甲的强度进一步下降,破坏效果更好。

  穿甲中期,弹体持续往装甲内部穿透,进入坑内后,弹体在破碎的同时不断侵彻装甲,弹体产生的碎块被反挤在弹体周围,使得凹坑进一步扩大,在弹体侵彻到一定深度后,会在装甲背面出现鼓包。贫铀穿甲弹在穿甲过程中,弹头会不断“自锐”,使其穿甲能力相比自钝的钨合金穿甲弹进一步增强。

  所谓的“自锐”是指贫铀合金在温度上升时带来的强度降低程度超过了这一过程中自身变形得到的强化,从而产生绝热剪切带,弹芯头部因碰撞产生的裂痕会沿着该剪切带扩展,裂纹持续扩展后使得弹芯头部边缘材料崩落,弹头就相当于被削尖了。

  

  

  (贫铀弹弹头的自锐过程,相比而言,贫铀合金在较低的反应率下就会产生绝热剪切带,更容易引发自锐效应)

  穿甲末期,虽然弹体的破碎不再继续,但装甲背面的鼓包仍会在惯性作用下继续扩大,而装甲的凹坑部位因为变形量过大,抗力也越来越小,最终在最薄弱处被穿透,弹体的残余部分及产生的破片,以剩余速度从装甲背面形成的孔中高速喷出,杀伤装甲内部的坦克成员和破坏装甲内部装备。

  此时,贫铀弹会造成放射性污染,并在铀燃烧时产生大量云雾状氧化铀尘埃,这些物质一旦被吸入人体就会造成内脏组织的永久性损伤,甚至导致死亡。

  (二)非晶合金穿甲弹为何可以做贫铀弹的替代品?

  弹芯是穿甲弹的主体,弹芯材料的物理特性直接决定穿甲弹的侵彻性能,所以穿甲弹的技术核心还是在于弹芯,特别是弹芯材料的选择上。

  在各类型的穿甲弹中,贫铀弹的性能相对比较优异,价格也比较便宜,但它在使用过程造成的放射性污染会对人体造成极大的伤害,这也是许多国家不愿意使用这种武器的主要原因。因此,寻找可替代的材料逐渐成为各国研究的重点。

  然而,可供选择的贫铀弹替代品,要么就是效果没铀合金好,要么就是价格昂贵。

  目前使用量最大的主流替代品是钨合金,但是钨合金的密度不够高,物理特性也没贫铀好。另一种使用量大的则是碳纤维材料,主要是普通碳纤维和碳纳米管,它们和铀合金一样具有自锐的特性,但缺点是碳纤维材料一般都非常轻,相比合金弹头而言动能太低,而如果只用来包裹弹芯材料使用的话,又会明显地降低整个弹头的硬度。

  

  

  (相同条件下钨合金弹芯(左)和钨纤维复合材料弹芯(右)打靶的弹孔纵剖面对比:钨纤维/非晶合金复合材料穿甲弹,在对装甲的侵彻过程中,能形成狭窄弹孔,而钨合金穿甲弹形成的弹孔直径不断增大,说明复合材料的弹芯产生了自锐效应)

  中国钨的储量十分丰富,所以在弹芯材料的选择上,能接受略贵一些的钨合金作为穿甲弹弹芯的主体材料,但是钨合金弹头的自钝性在战场上却是无法接受的。想要让弹头像贫铀弹一样既有自锐性又有高密度,核心的秘密就是非晶合金加上钨合金的组合了。

  中美两国都在积极地研发将非晶合金应用到穿甲弹上的技术,美国研究制备了钨丝嵌在连续的非晶态(金属玻璃)或纳米晶金中的复合材料穿甲弹弹芯。复合后的弹芯在综合性能表现及物理特性上都完全可以达到贫铀弹的穿甲能力。

  

  

  而中国则以一种新型的钨纤维/锆合金金属玻璃(非晶合金)基复合材料作为穿甲弹的弹芯,在与钨合金穿甲弹进行靶场侵彻性能的对比试验时,其性能要优于钨合金穿甲弹:

  (1)在复合材料弹芯中,弹芯基体(锆基非晶合金)在侵彻时会断裂和破碎,但不会像钨合金那样发生塑性变形和墩粗,形成蘑菇头,这是产生自锐行为的主要原因。而加入的钨纤维则起到增强韧性,提高材料的断裂强度,同时增加弹芯密度的作用。实验中复合材料的侵彻深度比钨合金弹芯高约72%。

  (2)在冲击和摩擦过程中,非晶合金因为弹头动能转化为热能而被加热,非晶会结晶化,并且放出热量,这与铀合金受热燃烧类似,温度的上升容易使装甲软化,穿甲能力提高。

  (3)复合材料弹芯在穿甲侵彻过程中,撞击产生的强大应力会使非晶合金基体发生破碎、钨纤维产生大角度的弯曲甚至断裂,但破坏失效区域可以局限在弹芯头部的狭小边缘层内。而内部的基体和钨纤维的微结构无明显变化,这使得复合材料弹芯的穿甲性能可靠性得到进一步的保证。

  虽然弹芯中只加了少量的非晶合金,但钨合金的弹芯却有了与贫铀合金弹芯一较高下的能力。

  (三)除了取代贫铀弹,非晶合金还能让变压器提效、飞行器上天

  非晶合金采用超急冷凝固制备工艺获得,由于凝固过程过快,合金中的原子来不及扩散和运动,不能在形成有序排列后再结晶,这使得形成的固态合金内部原子排序呈长程无序结构,不像晶态合金那样存在晶粒、晶界。而且,与相比传统的金属合金材料,非晶合金更容易表现出特殊的力学性能,比如极高的断裂强度和硬度,并且晶界的消失,意味着它比晶态合金具有更强的局部耐蚀性能。


  (非晶合金材料与普通金属材料的原子结构区别,右为非晶合金材料)

  因此,非晶合金不仅能让常规穿甲弹进化出接近贫铀弹的神奇效能,还可以用在很多高科技领域,取代原有的材料,获得更好的性能。

  除了前述的穿甲弹外,在航空航天领域,利用大块非晶合金的高比强度和比刚度的优异力学性能,制造出的结构件(主框架,结构珩架,轴承等),相比于传统的结构材料制造的构建,重量可以大幅降低,性能却更强,能使飞行器发挥出更大的优势。

  

  

  (使用非晶合金材料制造的多种高强度工具)

  另外,利用非晶合金在超冷液相区具有优异塑性变形能力的特性,可以将其加工成高精度、高强度的微型复杂机械。铁基非晶合金具有高导磁率、低损耗特点,以此材料作为铁芯制得的变压器,效率大大提高,电网损耗进一步降低。此外,非晶合金基的复合材料既然能用在穿甲弹上,那么大块非晶合金同样也可以成为穿甲防护材料的最优选择。

  结语

  非晶合金在高科技领域的作用日益受到各国重视,中国非晶合金的研究虽然整体起步晚,但发展很快,2000年便建成了年产600吨非晶配电变压器铁芯生产线,非晶带材的生产能力当时便已位居世界前三。

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  编辑| 史文慧

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