輕質(zhì)抗侵徹材料及結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

蘇羅川，宜晨虹，劉文杰，湯鐵鋼

(中國工程物理研究院 流體物理研究所， 四川 綿陽 621900)

作為防護(hù)裝甲，抗侵徹材料與結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域(例如軍事艦船、武器裝備以及科研裝備等)，其能有效阻止外界高速彈體或破片的侵入，保護(hù)裝備的完整性及人員安全。國防科技的快速發(fā)展對防護(hù)裝甲提出了越來越高的要求：一方面，外界彈體或破片侵徹速度的大幅提升(部分場合彈體侵徹速度超過2 km/s)使得防護(hù)等級不斷提高[1-2]；另一方面，由于裝甲機(jī)動性以及科研實驗的特殊要求，防護(hù)結(jié)構(gòu)必須滿足嚴(yán)格的輕量化(或低面密度)指標(biāo)[3]。因此，“高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、低密度”成為了新型防護(hù)裝甲的基本要求[4]，這也是目前抗侵徹研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。

圖1展示了目前抗侵徹裝甲設(shè)計常用工程材料的破壞模式[5]。伴隨著三種材料的彈性模量、動態(tài)強(qiáng)度和硬度的增加，屈服應(yīng)變和韌性依次降低，破壞模式也呈現(xiàn)出顯著不同。而不同破壞模式下材料的吸能效率也會呈現(xiàn)出較大差異，進(jìn)而影響抗侵徹效能。因此，單一的材料很難同時滿足上述“高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、低密度”要求，而通過優(yōu)化設(shè)計，利用分別具有上述部分優(yōu)良特性的多種材料組成特定結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抗侵徹功能成為了目前最為廣泛的選擇[6-8]。因此，發(fā)展新材料和優(yōu)化新結(jié)構(gòu)是輕質(zhì)防護(hù)裝甲研究領(lǐng)域兩大并重的課題。

準(zhǔn)確認(rèn)識材料或結(jié)構(gòu)在高速彈體(破片)沖擊作用下的響應(yīng)行為及破壞機(jī)制被廣泛認(rèn)為是準(zhǔn)確評價其抗侵徹能力的必要條件，也是對其抗侵徹能力進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化的基礎(chǔ)[9]。不管是單一材料還是復(fù)合結(jié)構(gòu)，其抗侵徹過程的核心均是在其自身發(fā)生有限變形的前提下，能有效吸收彈體所攜帶的巨大動能或使彈體碎裂分散，降低其穿透能力。因此，研究抗侵徹問題歸根結(jié)底是尋找或設(shè)計高效率的吸能材料或結(jié)構(gòu)[10]。對于單一材料而言，需要研究的核心問題主要有兩個：(1)材料力學(xué)性質(zhì)對其在侵徹作用下破壞模式的影響；(2)不同破壞模式下材料的能量吸收效率。而對于復(fù)合結(jié)構(gòu)而言，獲取組分材料的物理和幾何分布對其整體吸能效率的影響是研究的核心問題。

在過去的幾十年中，國內(nèi)外研究者對上述基本問題開展了廣泛探索，實現(xiàn)了對多種材料抗侵徹機(jī)理的認(rèn)識，并以此設(shè)計了許多有效的抗侵徹結(jié)構(gòu)。本文將基于已有的研究結(jié)果，首先介紹目前在抗侵徹領(lǐng)域展現(xiàn)出較大優(yōu)勢的輕質(zhì)材料及其抗侵徹機(jī)理；其次介紹利用這些材料組成的抗侵徹復(fù)合結(jié)構(gòu)及相應(yīng)吸能機(jī)理；最后給出個人關(guān)于抗侵徹研究的一些思考。

圖1 彈丸侵徹作用下，材料的破壞模式隨其力學(xué)性質(zhì)的變化[5]

1 常見抗侵徹材料及其抗侵徹機(jī)理

目前被廣泛接受用于抗侵徹領(lǐng)域的輕質(zhì)材料主要有金屬合金、陶瓷以及纖維復(fù)合材料三大類，下面分別介紹這三類材料及其抗侵徹機(jī)理。此外，雖然石墨烯材料還未被應(yīng)用于抗侵徹領(lǐng)域，但其目前表現(xiàn)出的出色動態(tài)力學(xué)性能使其展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能，本文中也將簡單介紹。

1.1 金屬合金

金屬合金是最早被應(yīng)用于抗侵徹領(lǐng)域的工程材料。從20世紀(jì)60年代開始，大量研究者致力于金屬板的抗侵徹機(jī)理研究，對金屬板在彈體侵徹下的變形過程及力學(xué)機(jī)理做了較為深入的分析[11-23]。因此，相對于陶瓷和復(fù)合材料，金屬合金的抗侵徹機(jī)理及性能目前已有較為明確的結(jié)論，并形成了相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。

圖2展示了不同性質(zhì)單層金屬板在彈體侵徹下的破壞模式[24]。對于韌性較低的金屬(如硬質(zhì)鋁、合金鋼等)，其失效模式主要有如下3種[13,15]：

(1)片層剝落(Spall Fracture)：如圖2(a)所示，彈體沖擊時產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波傳播到金屬板背面時反射形成的拉伸應(yīng)力使板在其背面出現(xiàn)拉伸斷裂，形成片層狀的剝落失效；

(2)塊體剝落(Plugging)：該失效形式如圖2(b)所示，彈體下方一塞狀的塊體被沖擊剝落，其大小與彈體相當(dāng)，該破壞主要由剪應(yīng)力作用引發(fā)；

(3)徑向斷裂(Radial fracture)：如圖2(c)所示，當(dāng)材料的拉伸強(qiáng)度較低時，在環(huán)向拉應(yīng)力作用下會出現(xiàn)徑向的斷裂，該斷裂模式在脆性較高的金屬材料中較為常見。

圖2 金屬合金板的主要破壞模式[24]

而對于韌性較高的金屬材料(如輕質(zhì)鋁合金、鎂合金等)，由于其較好的塑性延展，在沖擊作用下，金屬板會在沖擊點(diǎn)局部發(fā)生塑性變形(表現(xiàn)為塑性孔，如圖2(d)-(f))，不會有明顯的斷裂剝落。

圖3 金屬梁在彈體垂直沖擊下的失效機(jī)制(a)及抗侵徹能力預(yù)測(b)[25]

對于金屬材料，其主要通過塑性功和斷裂耗能來吸收侵徹體能量，從而實現(xiàn)抗侵徹功能。金屬合金種類繁多，其材料性質(zhì)能在較大的范圍內(nèi)變化，可以根據(jù)不同場合的抗侵徹要求而選擇不同的合金材料，因此，金屬合金從開始應(yīng)用至今，一直是裝甲結(jié)構(gòu)中重要的抗侵徹材料。在輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)中，鋁合金因其較高的比強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性得到了相對較多的應(yīng)用[26]。

1.2 陶瓷

雖然沒有金屬合金材料在韌性、強(qiáng)度和硬度等方面的綜合優(yōu)良性能，但陶瓷因其在硬度和密度方面的獨(dú)到優(yōu)勢，目前也被廣泛選用為抗侵徹材料，特別是在一些對結(jié)構(gòu)輕量化和防護(hù)等級有較高要求的場合[27-31]。

陶瓷的抗侵徹機(jī)理與上述金屬有較大差異。圖4顯示了陶瓷材料在彈丸侵徹作用下的典型破壞模式。相比于金屬材料，主要有如下兩方面的特點(diǎn)[32-33]：(1)反射的拉伸應(yīng)力波使沖擊點(diǎn)下方區(qū)域內(nèi)的陶瓷大量碎裂(相比于抗壓強(qiáng)度，陶瓷材料的抗拉強(qiáng)度較低)，形成了一個破碎區(qū)，該破碎區(qū)的直徑向下方區(qū)域不斷擴(kuò)大，破碎區(qū)邊界與垂直方向的角度與侵徹彈體的形狀、材料以及陶瓷材料自身的幾何相關(guān)，但一般情形下其為65°左右;(2)由于陶瓷材料極高的硬度和抗壓強(qiáng)度，在彈體沖擊陶瓷的過程中，彈體自身也出現(xiàn)碎裂，并向四周飛散，而在金屬材料中，彈體基本保持完整狀態(tài)。

圖4 陶瓷材料在彈丸侵徹下的破壞模式[34]

上述特點(diǎn)(1)中形成大量碎片會增強(qiáng)彈體動能的耗散，碎片的數(shù)量越多消耗的動能也越多；而特點(diǎn)(2)中的彈體碎裂會使其動能分散，降低整體的抗侵徹能力。因此，這兩種變形特點(diǎn)均有益于能量吸收，是陶瓷材料在抗侵徹方面的巨大優(yōu)勢。但是，陶瓷材料和彈體的大范圍碎裂可能帶來碎片的飛散，不利于人員和其他裝備的安全，也使其抵御二次沖擊的能力大幅降低。特別對于多彈體同時沖擊，該變形特點(diǎn)會在一定程度上降低材料整體的抗侵徹能力。

Neshpor等人提出陶瓷材料在侵徹作用下的能量吸收效率可以用如下公式預(yù)測(D準(zhǔn)則)[35]：

(1)

其中：HV為維氏硬度，E為楊氏模量，C為聲速，KIC為應(yīng)力強(qiáng)度因子。表1給出了常用抗侵徹陶瓷(碳化硼[36-37]、碳化硅[38-40]及氧化鋁[41-43])的物理性質(zhì)及相應(yīng)的D值。在三類常見陶瓷中，碳化硼陶瓷的D值明顯高于其他兩類陶瓷，即碳化硼陶瓷在侵徹防護(hù)中的吸能效率更高。因此，在目前一些防護(hù)要求較高的裝甲設(shè)計中，碳化硼陶瓷獲得了更多的應(yīng)用。

表1 常用抗侵徹陶瓷材料的物理性質(zhì)[35,44]

1.3 纖維復(fù)合材料

纖維復(fù)合材料因其在比強(qiáng)度上的巨大優(yōu)勢，發(fā)展至今一直是非常重要的一類工程材料，為工程結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)減重做出了極大的貢獻(xiàn)。近幾年來，隨著新型纖維的不斷開發(fā)，復(fù)合材料強(qiáng)度不斷提升，在抗侵徹領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛能[45]。

圖5展示了[0°/90°]3纖維復(fù)合材料在彈體侵徹沖擊下的變形機(jī)理及其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)示意圖?？梢钥吹?，復(fù)合材料內(nèi)部纖維主要承受拉伸應(yīng)力，該應(yīng)力主要來源于兩方面[46-49]：一是復(fù)合材料整體為了抵抗侵徹而產(chǎn)生面外變形，在纖維內(nèi)誘發(fā)拉應(yīng)力；二是直接接觸彈體的纖維因受到彈體擠壓會在與其垂直的鄰近纖維層內(nèi)間接引發(fā)拉伸變形。因此，纖維復(fù)合材料用于侵徹防護(hù)時，內(nèi)部纖維需要具備以下基本特點(diǎn)[50]：(1)較高的抗拉強(qiáng)度；(2)較高的失效應(yīng)變，通過大的變形吸收彈體的動能；(3)較高的彈性模量，保證材料整體不會發(fā)生較大的面外位移。

圖5 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在侵徹作用下的變形模式圖[50]

文獻(xiàn)[51-52]的進(jìn)一步研究表明，纖維復(fù)合材料的抗侵徹性能除了與上述三條件相關(guān)外，還與纖維自身密度密切相關(guān)，這是評價復(fù)合材料抗侵徹性能的一個非常關(guān)鍵的指標(biāo)，直接決定著材料對能量的吸收和貯存能力。Cunniff[53]提出纖維復(fù)合材料的彈道極限速度與如下參量呈正比例關(guān)系：

(2)

圖6分別以纖維的彈性波速和比能量吸收率為橫縱坐標(biāo)，給出了不同纖維的C*值，為抗侵徹材料的選擇提供了更為明細(xì)的依據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，Dyneema Sk76系列的UHMWPE(超高分子量聚乙烯)，Zylon系列的PBO以及M5系列的PIPD三類纖維的C*值最大。由于M5系列目前還未實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，Zylon系列對環(huán)境的影響較大(難降解)[50]，因此，Dyneema Sk76系列的UHMWPE纖維(其抗拉強(qiáng)度可高達(dá)數(shù)GPa[54])被認(rèn)為是制作抗侵徹復(fù)合材料的最優(yōu)纖維，獲得了極為廣泛的研究。數(shù)據(jù)表明[1,48,55-64]，以聚氨酯為基質(zhì)，將10～20 μm直徑的UHMWPE纖維按照[0°/90°]方向交叉鋪層后熱壓形成的疊層復(fù)合板(纖維的體積分?jǐn)?shù)約85%，密度約為0.97 g/cm3)在侵徹防護(hù)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛能，其防護(hù)效率明顯優(yōu)于現(xiàn)有的陶瓷、輕金屬以及其他纖維復(fù)合材料。

圖6 常見纖維的比能量吸收與其彈性波速的關(guān)系相應(yīng)的速度C*也在圖中給出)[50]

1.4 石墨烯

石墨烯因其極為出色的比強(qiáng)度和比剛度，從一出現(xiàn)便吸引了大量的關(guān)注，是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料[65]。2014年J.H.Lee等人的工作表明[66]，多層石墨烯材料在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為同樣出色，遠(yuǎn)高于鋼材和復(fù)合材料。圖7給出了石墨烯和其他一些材料在不同侵徹速速下吸收的比侵徹能，其中的MLG代表多層石墨烯材料?？梢钥吹剑谙嗤臎_擊速度下石墨烯吸收的比侵徹能遠(yuǎn)高于常見的抗侵徹材料，特別是在600 m/s的沖擊速度時，該比侵徹能是鋼材的十倍以上。

石墨烯材料的出色動態(tài)性能源于其在具有非常高的模量的同時(E>1 000 GPa)，還具有很低的密度(ρ≈2 200 kg/m3)，因此彈性應(yīng)力波在其中的傳播速度極高((E/ρ)1/2≈22.2 km/s )，這使得侵徹體作用時的應(yīng)力能極快地向四周擴(kuò)散，減少局部的應(yīng)力集中，從而使其具有比普通材料高的抗侵徹能力[66]。盡管目前因成本、制備等多方面原因，其未能廣泛應(yīng)用于工程實際，但其表現(xiàn)出的出色動態(tài)性能顯示了巨大的抗侵徹潛能，值得獲得后續(xù)的關(guān)注。

圖7 石墨烯材料與其他材料的比侵徹能對比[66]

2 常見抗侵徹結(jié)構(gòu)

目前的防護(hù)裝甲在防護(hù)等級和輕量化兩方面均具有極為嚴(yán)苛的指標(biāo)，上述單一材料很難同時滿足防護(hù)要求。而最佳解決手段是利用上述常見材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化后充分發(fā)揮各組分材料的吸能優(yōu)勢，最終實現(xiàn)抗侵徹和輕量化的雙重目標(biāo)。接下來介紹目前常見的幾類抗侵徹優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

2.1 疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)

疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)是最簡單的抗侵徹結(jié)構(gòu),即將兩種以上的不同材料按一定順序疊合在一起。較為常見的疊層結(jié)構(gòu)有：陶瓷/金屬，金屬/陶瓷/金屬，復(fù)合材料/金屬(陶瓷)/復(fù)合材料等[9,67-75]。

圖8(a)展示了陶瓷/金屬疊層結(jié)構(gòu)及其在侵徹作用下的破壞模式。彈體首先沖擊表面的陶瓷層，在陶瓷層大范圍碎裂的同時，彈體自身也發(fā)生破碎，而最后剩余的能量則通過背部金屬層的大范圍塑性變形來吸收。陶瓷層扮演著兩方面的作用：(1)使彈體減速的同時也令彈體變形或碎裂；(2)將彈體的沖擊力分散到一個較大的區(qū)域，使金屬背板能產(chǎn)生利于吸能的大變形，避免其在局部被直接穿透(如2.1節(jié)所述，當(dāng)只有金屬板時，彈體直接從金屬板局部穿透，難以發(fā)揮金屬板的吸能優(yōu)勢)。圖8(b)展示的是金屬/陶瓷/金屬的疊層結(jié)構(gòu)，即將陶瓷層用金屬加以包裹。面層金屬的存在一方面使得陶瓷及彈體的碎片不能自由飛散，避免產(chǎn)生附加傷害，另一方面使得碎片間能產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，將沖擊載荷分散到更大的范圍內(nèi)，擴(kuò)大整體結(jié)構(gòu)中參與吸能部分的比值，能進(jìn)一步提升吸能效率。

圖8 典型的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(a)陶瓷/金屬復(fù)合；(b)金屬/陶瓷/金屬復(fù)合[24]

除了上述結(jié)構(gòu)之外，復(fù)合材料包裹金屬合金的疊層結(jié)構(gòu)也較為常見，如圖9所示。沖擊彈體首先穿透表層的復(fù)合材料，再與中間的金屬層接觸。在彈體穿透金屬板的過程中，金屬板的變形會帶動背部復(fù)合材料層預(yù)先向面外方向加速，因此，當(dāng)彈體接觸背部復(fù)合材料時，由于復(fù)合材料已預(yù)先獲得一定的初速度，兩者相對速度減小，接觸時的作用壓力減小[50]。同時，背部復(fù)合材料產(chǎn)生的面外變形將使其主要以拉伸失效的模式阻止彈體侵徹，而這正好有利于發(fā)揮復(fù)合材料在抗拉強(qiáng)度上的極大優(yōu)勢。此外，當(dāng)內(nèi)部包裹材料為硬度較高的陶瓷時，彈體在接觸背部復(fù)合材料前碎裂，從而增大與背部的作用區(qū)域，減小接觸壓力，最終降低對背部復(fù)合材料的拉伸作用，使整體結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖9 復(fù)合材料/金屬疊層結(jié)構(gòu)抗侵徹時的變形特征[7]

需要特別指出的是，O’Masta等[50]的實驗結(jié)果表明：在同等情況下，當(dāng)靶板前部的復(fù)合材料層被切掉時，靶板整體的抗侵徹性能會增強(qiáng)。圖10顯示了彈體侵徹4種不同狀態(tài)靶板的結(jié)果(橫縱坐標(biāo)分別為彈體入射速度和殘余速度)。與金屬完全被復(fù)合材料包裹的情形相比，當(dāng)背部材料被切掉后，整體的抗侵徹性能大幅減弱；而當(dāng)面部的材料被切掉之后，整體的抗侵徹性能會大幅增強(qiáng)。這主要是由于當(dāng)切掉面部復(fù)合材料后，彈體沒有經(jīng)過面板的減速作用，直接以較高的速度沖擊金屬層，有利于其變形或碎裂，因而與背板材料的作用區(qū)域更大，接觸作用力更小，進(jìn)而不容易穿透背部材料。而當(dāng)背部材料被切掉后，面部材料因受中間金屬層約束，不能發(fā)生較大面外變形，難以發(fā)揮出抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)整體的抗侵徹能力降低。

圖10 復(fù)合材料包裹結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下時的抗侵徹性能[50]

2.2 三明治夾芯結(jié)構(gòu)

嚴(yán)格地講，金屬(以鋁為主)三明治夾芯結(jié)構(gòu)也是疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，但由于其夾芯層通常具有一定的幾何拓?fù)湫蚊?，并且該形貌對結(jié)構(gòu)整體的吸能效率會有一定的影響，因而本文將該類型抗侵徹結(jié)構(gòu)單獨(dú)列出。

按照夾芯幾何形貌的不同，常見用于抗侵徹的三明治結(jié)構(gòu)主要有兩大類，一種是波紋孔三明治結(jié)構(gòu)(圖11(a))，另一種是金屬桁架點(diǎn)陣三明治結(jié)構(gòu)(圖11(b))。開發(fā)三明治夾芯結(jié)構(gòu)的最初目的是用于沖擊波的防護(hù)[76-79]。與實心結(jié)構(gòu)相比，一方面能減輕整體重量，另一方面展現(xiàn)出更好的抵御爆炸沖擊波的能力。在同等爆炸沖擊波作用下，三明治板比實心板展現(xiàn)出了更為出色的吸能能力，這主要?dú)w功于中間夾心層具有較大的整體塑性變形能力(韌性高)，吸收沖擊波帶來的能量。然而，當(dāng)該結(jié)構(gòu)直接用于侵徹防護(hù)時，其性能不如實心板,侵徹彈丸很容易穿透整個結(jié)構(gòu)，中間的夾心部分幾乎沒有發(fā)揮抵抗作用。

圖11 兩種典型的三明治結(jié)構(gòu)(a)金屬桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)[24]；(b)波紋孔結(jié)構(gòu)[5]

三明治板夾芯部分特殊的幾何拓?fù)湫蚊彩沟迷谄鋬?nèi)部填充某些材料進(jìn)而提高其抗侵徹性能成為了可能。目前最常見也比較有效的填充材料是陶瓷(以氧化鋁和碳化硼為主)。此處將分別針對波紋孔填充(陶瓷)結(jié)構(gòu)[5,34]和點(diǎn)陣桁架填充(陶瓷)結(jié)構(gòu)[24,25,80-82]分別進(jìn)行介紹。

1) 波紋孔填充夾芯結(jié)構(gòu)

圖12展示了該類填充夾芯結(jié)構(gòu)的失效機(jī)制圖?？梢钥吹剑瑥楏w穿過表層鋁板后，擊碎下方波紋孔周期單元內(nèi)的陶瓷，同時，相鄰兩側(cè)的陶瓷也被擊碎破壞，而其他的填充陶瓷相對保持完好。因此，當(dāng)彈體沖擊位置位于圖12(a)所示的周期三角單元底邊中心時，背板處陶瓷碎裂區(qū)的寬度約為2倍波紋孔單元胞長度，并引發(fā)背板相應(yīng)區(qū)域發(fā)生向面外的位移;而當(dāng)彈體沖擊位置在圖12(b)所示的相鄰周期三角單元交匯處時，陶瓷碎裂區(qū)在背板的寬度只與波紋孔單元胞長度大致相當(dāng)[5]。圖13給出了上述夾芯板在不同彈體沖擊位置下的彈道極限值(作為比較，也給出了相同面密度實心金屬板的彈道極限值)。很明顯，彈道極限與沖擊位置相關(guān)。對于沖擊點(diǎn)位于陶瓷塊底部中心的情形，其彈道極限值高于相同面密度的金屬實心板；而對于沖擊點(diǎn)位于陶瓷塊棱邊的情形，其彈道極限值低于相同面密度的實心板。這主要由于沖擊點(diǎn)在周期單元底邊中心時，入射彈丸能與陶瓷充分接觸，發(fā)揮了陶瓷的抗侵徹功效，同時所造成的背板大范圍塑性變形也有助于發(fā)揮背板的吸能優(yōu)勢。相反，當(dāng)沖擊點(diǎn)在周期單元交匯處時，不利于入射彈丸與陶瓷充分接觸，同時背板也僅在較小范圍內(nèi)塑性變形。但是，仔細(xì)觀察圖13中的不同曲線的斜率可以發(fā)現(xiàn)：在實心金屬板中，彈體殘余速度的增長更快，即當(dāng)彈體速度遠(yuǎn)高于彈道極限時，需要更強(qiáng)的二次防護(hù)組分。因此，從該角度講，夾心填充結(jié)構(gòu)相比于實心結(jié)構(gòu)仍具有一定的綜合優(yōu)勢。

圖12 波紋孔夾心填充陶瓷結(jié)構(gòu)的抗侵徹失效機(jī)制圖[7]

H.N.G.Wadley等[34]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變夾芯部分的幾何拓?fù)湫蚊矔r，結(jié)構(gòu)整體彈道極限值也發(fā)生相應(yīng)變化。圖14列出了不同夾芯幾何形貌下的彈道極限值。隨著周期單元胞尺寸的不斷增大，彈道極限值也開始增大。這主要是由于周期性結(jié)構(gòu)尺寸的增大使得彈體在內(nèi)部的作用區(qū)域變大，即破碎區(qū)域增大，從而降低了侵徹過程中的接觸壓力。但是，如本文前面部分所述，該大范圍碎裂的破壞模式對于單個彈體沖擊時極為有利，但是當(dāng)多彈體沖擊時(破片群)，大范圍的碎裂模式會顯著降低周圍區(qū)域?qū)ζ渌麖楏w的防護(hù)能力。從圖14還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)幾何拓?fù)湫蚊矎膱D示的D到F之間變化時，彈道極限的增長速率明顯下降，此時拓?fù)湫蚊驳挠绊戦_始減弱。因此，在多彈體的抗侵徹防護(hù)中，通過對夾芯結(jié)構(gòu)周期單元胞尺寸的合理設(shè)計，能保證結(jié)構(gòu)整體具有良好的抗侵徹性能。此外，圖中信息顯示，相比于粘結(jié)制備的夾芯填充結(jié)構(gòu)，通過過盈配合制備的夾芯填充結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出更為優(yōu)良的抗侵徹性能。

圖13 波紋孔夾心填充結(jié)構(gòu)(a)與實心金屬板(b)的彈道極限值(面密度為97 kg/m2)[5]

圖14 波紋孔形貌對彈道極限值的影響[34]

為進(jìn)一步提升彈道極限值，O’ Masta等[7]提出可以利用上述2.3節(jié)中的Dyneema復(fù)合材料包裹圖12所示的三明治夾芯填充結(jié)構(gòu)。圖15展示了包裹過程的示意圖。首先將復(fù)合材料分別沿夾心結(jié)構(gòu)的兩垂直方向(圖中的0°和90°方向)依次纏繞一定的厚度。然后將纏繞好的結(jié)構(gòu)放入一定溫度下進(jìn)行壓實固化。測試結(jié)果表明，該包裹結(jié)構(gòu)的彈道極限測試值顯著高于等面密度的前述夾芯填充結(jié)構(gòu)的值。而當(dāng)去掉背部的復(fù)合材料，僅保留面層復(fù)合材料時，結(jié)構(gòu)的彈道極限值大幅降低。此結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料所起的作用與其在3.1節(jié)中的疊層結(jié)構(gòu)中所起的作用相同，即在彈體穿過中間夾心層的過程中，背部的復(fù)合材料層獲得向面外的預(yù)加速；當(dāng)彈體和背部的復(fù)合材料接觸時，二者間的相對速度較小，相應(yīng)的接觸作用力也較小，從而降低對復(fù)合材料的拉伸作用。

圖15 復(fù)合材料包裹夾芯填充結(jié)構(gòu)的制備圖[7]

2) 點(diǎn)陣桁架填充結(jié)構(gòu)

點(diǎn)陣桁架填充結(jié)構(gòu)也是一類常見的抗侵徹結(jié)構(gòu)，陶瓷塊填充于圖11(a)所示的點(diǎn)陣金屬空隙中，其余部位一般用環(huán)氧樹脂等材料填充。圖16分別給出了點(diǎn)陣金屬填充結(jié)構(gòu)與相同面密度單層金屬板的彈道極限值。對于圖中10 mm厚的單層金屬板，其彈道極限約為900 m/s，而對于點(diǎn)陣填充結(jié)構(gòu)其彈道極限增加至 1 600 m/s。陶瓷填充結(jié)構(gòu)再次展現(xiàn)出優(yōu)良的抗侵徹性能。文獻(xiàn)[80,82]中的結(jié)果表明，在填充陶瓷之間注入的環(huán)氧樹脂能夠在一定程度上保證結(jié)構(gòu)在受侵徹過程中的完整性，使應(yīng)力最大限度傳遞到各子結(jié)構(gòu)中去，因而對提升結(jié)構(gòu)整體的抗侵徹性能具有重要作用。

圖16 金屬點(diǎn)陣桁架填充陶瓷結(jié)構(gòu)的彈道極限值[24]

圖17進(jìn)一步給出了這種結(jié)構(gòu)彈道極限值隨結(jié)構(gòu)面密度變化的關(guān)系圖。對于沒有填充陶瓷的結(jié)構(gòu)(包括單層金屬板)，其彈道極限的增長與面密度的增長成正比，即如果要提升抗侵徹能力必須增加結(jié)構(gòu)重量。而對于陶瓷填充結(jié)構(gòu)，在不增加質(zhì)量的情況下，通過夾芯部分的特別設(shè)計同樣可以大幅增加彈道極限。這為抗侵徹結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了很好的參考。

圖17 點(diǎn)陣桁架結(jié)構(gòu)彈道極限值隨面密度變化情況[24]

3 抗侵徹性能測試裝置

圖18展示了典型的抗侵徹性能測試裝置。一般而言，一套完備的抗侵徹性能測試裝置應(yīng)當(dāng)包括如下基本部分：

1) 加速裝置，負(fù)責(zé)加速侵徹彈丸，常見的主要有輕氣炮、氣槍、火炮等;

2) 入射速度測試裝置，負(fù)責(zé)測試彈丸入射速度，設(shè)置于被測試樣前端，通過彈丸穿過兩片距離已知的屏幕間的時間差來計算出入射速度;

3) 高速攝像儀，負(fù)責(zé)記錄彈丸侵徹試樣的過程，獲取試樣變形細(xì)節(jié);

4) 靶板固定裝置，用于固定被測試件;

5) 彈丸回收裝置，該裝置的目的是阻止具有殘余速度的彈丸繼續(xù)作用，造成其他破壞。

圖18 典型的抗侵徹性能測試設(shè)備[50]

4 結(jié)論

在目前防護(hù)結(jié)構(gòu)輕量化的巨大要求下，本文中介紹的材料或結(jié)構(gòu)因其各自的較大優(yōu)勢，在不同的防護(hù)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用；同時，對相關(guān)材料抗侵徹機(jī)理的認(rèn)識進(jìn)一步促進(jìn)了抗侵徹結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。防護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展必須適應(yīng)軍事領(lǐng)域防護(hù)環(huán)境的新特點(diǎn)：破片速度極高(大于2 km/s),且多是破片群同時作用，即多點(diǎn)侵徹；部分場合的破片材料包括鎢合金、鈾鈮合金等，其穿甲能力極強(qiáng)；在抵御破片侵徹的同時，防護(hù)結(jié)構(gòu)通常還需要經(jīng)受強(qiáng)沖擊波的作用(反射超壓高達(dá)數(shù)十MPa)。 因此，對于輕質(zhì)抗侵徹材料及結(jié)構(gòu)的研究，除了進(jìn)一步提升其輕量化指標(biāo)外，如下兩方面工作亟需開展：

1) 多點(diǎn)侵徹問題，該問題與實際需求密切相關(guān)，同時也是目前抗侵徹研究領(lǐng)域涉及較少的問題;

2) 高速彈丸和強(qiáng)沖擊波聯(lián)合作用的問題，已有的研究表明，沖擊波防護(hù)材料(或結(jié)構(gòu))需要具有較好的韌性，而侵徹防護(hù)材料(結(jié)構(gòu))需要較高的硬度，因此，如何通過合適的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計使得防護(hù)結(jié)構(gòu)同時滿足彈丸侵徹與沖擊波作用的防護(hù)也是需要進(jìn)一步研究的問題。

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