多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)彈擊損傷特征研究

王超　謝永亮　盧楊　萬隆

摘 要：為研究多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，制備陶瓷/金屬、泡沫鋁/金屬兩種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用高速沖擊空氣炮系統(tǒng)，對兩種結(jié)構(gòu)及均質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈擊損傷試驗，研究不同結(jié)構(gòu)的彈擊損傷特征，對比分析三種結(jié)構(gòu)的抗侵徹機制。研究表明：多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效發(fā)揮各層次材料的力學(xué)性能，較大的改善了防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹能力。

關(guān)鍵詞：多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)；垂直侵徹；彈擊特征；抗侵徹機制

中圖分類號：TJ410.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）07-0057-01

引言

防護(hù)結(jié)構(gòu)作為抵抗預(yù)定殺傷武器破壞作用的工程結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭武器性能日漸提升，破壞力、精確度大幅提高的條件下，其防護(hù)能力亟待提升。復(fù)合結(jié)構(gòu)綜合了不同材料的防護(hù)特性，較好的改善了結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力，使得其在防護(hù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。復(fù)合結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮不同層次材料的力學(xué)性能。一些學(xué)者對復(fù)合材料夾層板結(jié)構(gòu)[1]進(jìn)行了研究，在爆炸荷載作用下，其顯示出良好的工作性能，它不僅構(gòu)造簡單、重量輕，而且能充分發(fā)揮面層和芯層的力學(xué)性能。

對于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)層要發(fā)揮不同的性能特點。選取陶瓷/金屬、泡沫鋁/金屬兩種多層復(fù)合介質(zhì)進(jìn)行單機損傷試驗，研究兩種在遭受破壞時具有不同響應(yīng)機理的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)在侵徹后的宏觀、微觀斷裂特征，分析其動態(tài)斷裂失效機制，與均質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，分析不同結(jié)構(gòu)的抗彈耗能性能，對復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計有積極的指導(dǎo)作用。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

制備兩種多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.1.1 陶瓷多層復(fù)合結(jié)構(gòu)

面層和背板層選用5mm高硬度CrNiMo裝甲鋼，芯層材料選用10mmAl2O3陶瓷+5mm。

1.1.2 泡沫鋁多層復(fù)合結(jié)構(gòu)

面層至背板層選用5mm高硬度CrNiMo裝甲鋼，芯層材料選用10mm泡沫鋁；并制備20mm的單層高硬度CrNiMo裝甲鋼防護(hù)結(jié)構(gòu)作為對比試驗材料。

1.2 試驗方法

本次試驗采用的是高速沖擊空氣炮試驗裝置。炮的主體部分由發(fā)射管、高壓氣室、緩沖裝置和釋放機構(gòu)組成。發(fā)射時先通過釋放機構(gòu)的快速打開閥門，氣體壓力直接作用到彈丸底部，或?qū)⒆訌楄偳对趫A柱形軟木塊中，彈丸被加速直到撞擊模擬試驗裝置。

實驗彈選用的材料是45#鋼，外部尺寸為直徑12.7mm，長51mm，質(zhì)量48.5g，半球形彈頭。通過將子彈鑲嵌在圓柱形軟木快上實現(xiàn)氣體壓力的加載。在炮管的末端置有專用機構(gòu)在不減小子彈速度的情況下將子彈和軟木塊分離，攔阻軟木塊，只有子彈撞擊式樣板。對彈擊后的各個試驗面板進(jìn)行回收，觀察其宏觀裂紋形貌，并分析特征部位的斷口特征，分析結(jié)構(gòu)抗侵徹機制。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀損傷特征

本次試驗中高速沖擊空氣炮發(fā)射的子彈速度大約在350m/s左右。3種防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈擊損傷示意圖如圖1所示。

對試驗回收的3種不同結(jié)構(gòu)的面板進(jìn)行宏觀分析。

2.1.1 均質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)

子彈侵徹深度在17mm左右，背面有鼓包。

2.1.2 陶瓷多層復(fù)合結(jié)構(gòu)

面層鋼板屈服，被子彈穿透；中間層產(chǎn)生眾多的徑向裂紋和少量的環(huán)向裂紋，徑向裂紋由迎彈區(qū)向背彈區(qū)擴散；背板損傷較小，基本無鼓包。

2.1.3 泡沫鋁多層復(fù)合結(jié)構(gòu)

面層鋼板屈服，被子彈穿透；中間層發(fā)生塌陷破壞，泡沫鋁孔洞發(fā)生坍塌，并被壓實；背板略微有鼓包。

2.2 抗侵徹機制分析

對于均質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)，主要選取裝甲鋼材料。裝甲鋼本身具有良好穩(wěn)定的力學(xué)性能，從而決定了其在防護(hù)結(jié)構(gòu)抗侵徹過程中具有較好的抗彈性能，依靠其本身的高硬度抵抗彈體攻擊，其本身又具有較好的韌性，在遭受破壞時能夠產(chǎn)生一定的塑性變形，提高了一定的抗侵徹能力。

對于復(fù)合結(jié)構(gòu)，面層材料承受一定的沖擊荷載，避免了芯層材料與破壞荷載的直接接觸；芯層材料可采用泡沫結(jié)構(gòu)材料，如泡沫鋁材料，可以發(fā)揮其良好的抗沖擊性能和優(yōu)越的吸能減震特性，通過塑性變形，消耗沖擊能量，緩解沖擊荷載對防護(hù)背板的應(yīng)力脈沖；芯層材料也可采用高硬度脆性材料，如陶瓷材料，在遭受較高速度的撞擊破壞時，在接觸點附近形成錐形破壞區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，脆性材料由于承受較高的壓力而處于流體狀態(tài)，侵徹彈體將受到靶板碎片的嚴(yán)重侵蝕，消耗大量動能；背板材料提供一定的剛性支撐，并吸收剩余能量。通過不同層次材料的力學(xué)性能的結(jié)合，有效提高了結(jié)構(gòu)的抗侵徹能量。

3 結(jié)論

通過研究多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的彈擊損傷特征，分析多層復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗侵徹機理，從而得出：復(fù)合結(jié)構(gòu)有機結(jié)合了各層次材料的材料特性，發(fā)揮不同材料各自的優(yōu)勢，從而提升了結(jié)構(gòu)的抗侵徹能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 邊小華，康建功，等.一種新型防護(hù)結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊波衰減特性的研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報，2005（4）：39-45.

作者簡介：王超（1989-），男，漢族，碩士研究生，就讀于中國人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院機場工程與保障系。研究方向：軍事后勤與軍事裝備工程。