金属泡沫：防弹新材料

诸平

据北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）2019年6月5日提供的消息，该大学的研究人员与美国陆军作战能力发展司令部，航空和导弹中心（U.S. Army Combat Capabilities Development Command, Aviation & Missile Center）的研究人员合作，开发出一种的复合金属泡沫材料（composite metal foam，简称CMF），在重量不到一半的情况下可以阻止0.50口径的子弹和钢铁子弹。

研究人员已经证明，使用CMF的车辆装甲可以阻止子弹和0.50口径的穿甲弹。而且与传统的钢铁装甲战车相比较，重量尚不足一半。这一发现意味着，车辆设计师将能够在不牺牲安全性的前提下，开发更轻的军用车辆，或者在不增加车辆重量的前提下提高防护能力。

CMF是一种由中空的金属球组成的泡沫，这些金属球由不锈钢或钛等材料制成，嵌入由钢、钛、铝或其他金属合金制成的金属基体中。在这项研究中，研究人员使用了钢-钢CMF，这意味着球体和基体都是由钢制成的。另外，研究人员还制造了一种由陶瓷面板、CMF核心和铝制薄板组成的硬装甲系统，以便进行装甲测试使用。0.50口径的子弹和穿甲弹，测试装甲的发射速度从每秒500米到每秒885米不等。

装甲的CMF层能够吸收72%-75%的弹丸动能，68%-78%的穿甲弹动能。

“CMF装甲的重量还不到实现相同保护水平所需的轧制均匀钢装甲重量的一半，”北卡罗莱纳州立大学机械和航空航天工程学教授、该研究论文的通讯作者Afsaneh Rabiei说。CMF的发明者Afsaneh Rabiei为其开发和测试已经花费了数年功夫。

 “换句话说，我们能够在不牺牲保护的情况下实现显著的重量减轻——这有利于车辆性能和燃料效率，” Afsaneh Rabiei说，“这项工作表明CMF可以为车辆装甲提供一个显著的优势，但仍有改进的空间，” “这些发现源于我们对装甲的测试，我们简单地将钢-钢CMF与现成的陶瓷面板、铝背板和粘合剂材料结合起来。我们只优化了CMF材料，用钢质CMF装甲代替了标准车辆装甲钢板。我们还可以做更多的工作使它变得更好。例如，我们希望优化陶瓷、CMF和铝层的附着力和厚度，这可能会导致更低的总重量和提高最终装甲的效率。”

在之前的工作中，Afsaneh Rabiei和她的合作者证明了CMF可以阻止高爆燃烧弹以每秒5000英尺的速度在18英寸外爆炸时产生爆炸压力和碎裂。她的团队还表明，CMF可以在总厚度不到1英寸的情况下，阻止7.62 x 63mmM2的穿甲弹，而在背面的压痕小于8mm。作为背景，美国国家司法研究所的标准允许在盔甲背面留下44mm的凹痕。

此外，Afsaneh Rabiei的团队已经证明，CMFs除了重量轻之外，在屏蔽x射线、伽马射线和中子辐射方面也非常有效——而且它处理火和热的能力是普通金属材料的两倍。

Afsaneh Rabiei说:“简而言之，CMFs有希望应用于各种各样的领域:从太空探索到运输核废料、爆炸物和危险材料，到军事和安全应用，甚至汽车、公共汽车和火车。”

这篇论文于2019年5月28日已经发表在《复合结构》（Composite Structures）杂志上——Jacob Marx, Marc Portanova, Afsaneh Rabiei. Ballistic Performance of Composite Metal Foam against Large Caliber Threats. Composite Structures, (2019). DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111032。更多信息请注意浏览原文（comp struct.2019.111032.pdf

）或者相关报道。如何制备CMF，请注意浏览下面视频：

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Abstract

The goal of this study is to investigate the effectiveness of Composite Metal Foam (CMF) armors against 0.50 caliber ballistic threats. A hard armor was manufactured using a sandwich panel construction consisting of a ceramic faceplate, a CMF core, and a thin aluminum back plate. The hard armor system was tested against 0.50 caliber (12.7 x 99 mm) ball and armor piercing (AP) rounds. The CMF armors were tested with a variety of areal densities at impact velocities between 500-885 m/s. The armors stopped the threats at speeds up to 819 m/s without penetration. The CMF layer was found to absorb 72-75% and 68-78% of the kinetic energy of the ball and AP round respectively. When compared to rolled homogeneous steel armor (RHA), the CMF hard armors, in their current unoptimized condition, have a mass efficiency of approximately 2.1. The CMF armor offers a much needed weight savings without sacrificing protection. Finite element analysis was completed using ANSYS/AUTODYN Explicit Dynamics solver to study the material interactions and impact. The results are shown to be in good agreement with the experimental findings.