W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料破片侵徹能力與后效研究*

張玉令，施冬梅，張云峰，劉國慶，甄建偉

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050000）

作為榴彈的預(yù)制破片對制作材料有很高的要求：一是密度足夠高，同等體積的破片質(zhì)量就大，存速能力強，動能大，毀傷能力強；二是具有足夠的強度，受榴彈內(nèi)炸藥爆炸驅(qū)動時預(yù)制破片不能破碎，即有足夠的爆炸完整性，而且到達目標(biāo)時，能夠有效侵徹毀傷目標(biāo)而不易破碎；三是盡可能具有較強的后效毀傷效果，比如破片貫穿目標(biāo)后能夠?qū)δ繕?biāo)后的物質(zhì)起到引燃或者引爆作用，以擴大毀傷效果。鋯基非晶合金是典型的亞穩(wěn)態(tài)材料，在高動態(tài)載荷或剪切應(yīng)力下能夠劇烈反應(yīng)并釋放能量，產(chǎn)生燃爆效果[1]。但是，鋯基非晶合金屬于脆性材料，室溫條件下塑性極差，壓縮塑性變形一般低于2%[2-4]。將非晶合金材料與其他材料進行復(fù)合，研制強塑性能優(yōu)異的鋯基非晶合金復(fù)合材料，可有效解決單一鋯基非晶合金塑性不足的問題[5]。依據(jù)增強相或增韌相引入方式的不同，復(fù)合材料可分為兩種——內(nèi)生相及外加相復(fù)合材料[6]。外加相指的是在非晶合金熔體內(nèi)添加的顆粒、纖維等第二相材料，當(dāng)外加相含量較高時，通常先將顆粒、纖維等壓制成型，再使用液態(tài)浸滲法鑄造非晶合金復(fù)合材料[7-10]。鎢是一種力學(xué)性能極其優(yōu)異的晶態(tài)金屬，鎢增強鋯基非晶合金復(fù)合材料按照鎢空間拓撲結(jié)構(gòu)的不同可分為鎢顆粒增強型、鎢纖維增強型和鎢骨架增強型三種。鎢骨架可防止非晶合金內(nèi)部剪切帶的快速擴展，非晶合金對鎢骨架中的裂紋具有阻礙作用，兩相材料能夠很好地相互抑制[11]，而且鎢骨架具有高比重、耐高溫高壓、抗熱沖擊震動等特點。因此，采用鎢骨架增強型方式制備的W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料密度大、強度高，可以用來制作榴彈的預(yù)制破片，并且在撞擊侵徹目標(biāo)的過程中，復(fù)合材料通過變形或破碎產(chǎn)生爆轟效果，能夠造成對目標(biāo)后物體的后效破壞。用W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料制成榴彈預(yù)制破片，并分析其對目標(biāo)侵徹能力的相關(guān)研究，目前還沒有文獻報道。

本文將W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料破片裝入彈體制備成預(yù)制破片彈丸，并進行實爆試驗，研究W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料預(yù)制破片侵徹靶板的能力，以及預(yù)制破片貫穿靶板后對棉被、油箱的引燃能力。

1 爆炸試驗

試驗場地布置見圖1，分別在距彈丸炸點3 m 處布置1 套靶板，5 m 處布置2 套靶板，7 m 處布置3 套靶板，10 m 處布置4 套靶板，靶板的中心正對炸點，與炸點同高，靶板長1.5 m，寬1 m，靶板材料為Q235 鋼。除了彈丸和靶板外，在距離炸點1.5、3、5、7 和10 m 處布設(shè)了5 個紅色的標(biāo)桿，復(fù)合材料破片在飛行過程中無論是撞擊到標(biāo)桿上還是撞擊到靶板上，都會爆轟。結(jié)合高速攝影可以判讀出最先撞擊到各標(biāo)桿或者各靶板上的破片的飛行時間，利用破片飛行的距離除以飛行時間就可以得到破片飛行的速度。

圖 1 試驗現(xiàn)場布置Fig. 1 Test layout

彈體側(cè)壁裝填了160 個W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料破片（如圖2 所示）。破片呈圓柱形，直徑和長度均為8 mm，密度為14.286 g/cm3，每個預(yù)制破片的平均重量為5.744 g。圖3 為W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料破片在彈丸中的布置方式，陰影部分即為預(yù)制破片，破片沿彈體軸向排列10 圈，每圈沿環(huán)向排列16 個破片。彈體裝藥為8701 炸藥，裝藥直徑為75 mm。彈體擺放于立彈架上，彈體軸線垂直于立彈架上平面，起爆端向下，立彈架上平面需用水平尺校正水平。戰(zhàn)斗部爆心與鋼靶板高度中心在同一水平面上。

圖4 為在靶板后距離靶板10 mm 處布設(shè)的棉被，用于檢驗非晶合金復(fù)合材料破片貫穿靶板后對棉被的引燃能力，長1.5 m，寬1 m，和靶板的尺寸相同。圖5 為在靶板后緊貼靶板布設(shè)的油箱，用于檢驗非晶合金復(fù)合材料破片貫穿靶板后對油箱的引燃能力，油箱長和寬均為0.5 m，壁厚為1 mm。

圖 2 W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料預(yù)制破片F(xiàn)ig. 2 Zr-based metallic glass reinforced porous W matrixcomposite fragments

圖 3 預(yù)制破片布置方式Fig. 3 Arrangement of preformed fragments

圖 4 棉被布置Fig. 4 Quilt layout

圖 5 油箱布置Fig. 5 Oil tank layout

圖 6 高速攝像機布設(shè)場景Fig. 6 High-speed camera layout

圖7 為某一次試驗所拍攝的不同時刻的高速攝影。彈丸爆炸后，向靶板飛行的非晶合金復(fù)合材料破片依次撞擊和貫穿不同距離處的靶板，在撞擊靶板時和貫穿靶板后都有很強的爆轟效果，充分表現(xiàn)出鋯基非晶合金的釋能特性。

圖 7 高速攝影Fig. 7 High-speed photography

圖8 和圖9 顯示了靶板后的棉被和油箱被引燃和侵徹的結(jié)果。非晶合金復(fù)合材料破片是規(guī)則的圓柱形，彈丸殼體破裂形成的破片是非規(guī)則的，在靶板上很容易判斷出是自然破片的穿孔，還是非晶合金復(fù)合材料破片的穿孔。從圖8 可以看出，被引燃的靶板上較多的形狀大小相近的穿孔，正是非晶合金復(fù)合材料破片造成的。在圖9(a)中的油箱穿孔是較大的自然破片造成的，油箱沒有被引燃，圖9(b)中油箱上的大穿孔是由自然破片造成的，而小穿孔是由非晶合金復(fù)合材料破片造成的，油箱中的油發(fā)生了燃燒。由此可見，非晶合金復(fù)合材料破片侵徹靶板的釋能性能夠點燃油箱。

圖 8 棉被和油箱被引燃Fig. 8 Ignited quilt and fuel tank

圖 9 被破片侵徹后的油箱Fig. 9 Oil tank penetrated by fragments

2 試驗結(jié)果分析

2.1 侵徹和引燃情況

棉被引燃試驗和油箱引燃試驗分別進行了兩次，表1 為兩次棉被引燃試驗和第一次油箱引燃試驗的結(jié)果?？梢钥闯?，雖然每次試驗中有多套靶能夠被多個非晶合金復(fù)合材料破片穿透，但是只有個別靶后的棉被或油箱被引燃，這些靶上非晶合金復(fù)合材料破片的穿孔明顯比其他靶上多。說明如果想要可靠引燃靶后的目標(biāo)，除了非晶合金復(fù)合材料破片能貫穿靶板外，貫穿靶板的非晶合金復(fù)合材料破片數(shù)量也要足夠多，即破片的穿透率要高，在單位面積上爆轟的總能量要足夠。

表 1 非晶合金復(fù)合材料破片侵徹能力及后效情況Table 1 Penetration ability and aftereffect of metallic glass composite fragments

表2 是第二次油箱引燃實驗情況，在距離炸點5、7 和10 m 處都采用了6 mm 的靶板。從表2可以看出：對于同厚度的靶板，非晶合金復(fù)合材料破片在不同距離處的穿透能力不同，距離越遠，侵徹能力越弱，這是由于收到空氣阻力作用，破片速度發(fā)生了衰減。

表 2 第二次油箱引燃試驗非晶合金復(fù)合材料破片侵徹能力及后效情況Table 2 Penetration ability and aftereffect of metallic glass composite fragments in the second fuel tank pilot test

2.2 破片飛行速度

對圖7 高速攝影中非晶合金復(fù)合材料破片與測速標(biāo)桿和靶板的撞擊效果進行判讀，得到破片在距爆炸中心3、5、7 和10 m 處的實測速度，見表3。

根據(jù)文獻[12]，破片速度衰減公式為：

表 3 破片飛行速度Table 3 Fragment speed

式中：v 為破片速度，m/s；v0為破片的初速，m/s；α 為破片的衰減系數(shù)（對于圓柱形破片，α=0.002 33），kg1/3/m；m 為破片質(zhì)量，kg；R 為破片飛行距離，m。

古代傳說中蘊含有幫助他人的大愛展示。在民間文學(xué)《許德縛與王解子》中提到，明末清初如皋有一個書生叫許德縛，發(fā)誓只為明人不與清政府相妥協(xié)，并將志向通過紋身表現(xiàn)出來。在手臂紋刻“生為明人，死為明鬼”字樣，在胸前紋上“不愧本朝”字樣，被人告發(fā)后處斬，其妻子也被牽連被流放到東北。官府押解犯人的王能敬佩許德縛寧愿赴死也不愿意更改志向清政府低頭的氣概，想到許德縛妻子孤身一人去到異地服役非常艱難，就將其可憐處境講于自家妻子聽。王能妻子就提出原意冒名許妻，代替她到邊疆服刑。后來王能就押解著自己的妻子到東北服役。

根據(jù)式（1）得到破片飛行到R1、R2處速度之比為：

則：

以飛行距離3 m 處的速度為基準(zhǔn)，按照式(3)理論計算出5、7 和10 m 處的破片速度，并與實際測量的速度對比分析，結(jié)果見表3。由表3 可知，理論計算的結(jié)果偏高。這是由于理論計算模型是在一定的假設(shè)條件下建立的，比如假設(shè)了破片在空氣中飛行時，只受到空氣阻力的作用，沒有考慮風(fēng)速等因素的影響。但是，理論計算的結(jié)果和實測的結(jié)果誤差不大，因此，可以用式（3）預(yù)測計算破片飛行不同距離處的速度。

按照爆炸試驗的布設(shè)，對于同一個靶板，靶板中心距炸點的距離最短，破片到達時的速度最大，靶板四個角距炸點的距離最長，破片到達時的速度最小。則根據(jù)式(3)計算出的破片命中靶心的速度，以及其與破片命中四個角的速度的誤差見表4。

由表4 可知，對同一靶板，破片命中四角的速度和命中靶心的速度誤差非常小，完全可以忽略不計，因此，對同一靶板，破片命中不同部位時的速度差別對穿透率影響甚微。

表 4 破片命中靶板不同位置的速度Table 4 Velocities of fragments hitting different positions of the steel plate

2.3 貫穿能力分析

2.3.1 試驗結(jié)果

棉被引燃試驗和第一次油箱引燃實驗中，3 m處的靶板厚度均為10 mm，5 m 處的靶板厚度均為8 mm，7 m 處的靶板厚度都為6 mm，10 m 處的靶板厚度都為4 mm。由表1 可知，破片對同距離同厚度靶板侵徹情況有區(qū)別，如表1 中同為距離7 m 處的6 mm 靶板，每個靶板非晶破片穿透和未穿透的比例有差別，這是由于破片為圓柱形，破片命中靶板時的姿態(tài)比較隨機，侵徹效果就會有所不同。為了減少隨機性的影響，根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，按照同距離同靶板厚度匯總的方法，研究非晶合金復(fù)合材料破片侵徹能力，得到了穿透率的試驗結(jié)果，見表5。

表 5 三次試驗非晶合金復(fù)合材料破片侵徹能力匯總分析表Table 5 Summary and analysis of penetration ability of metallic glass composite fragments in three tests

2.3.2 理論分析

在理論分析破片侵徹靶板的問題時，通常先將靶板厚度按照硬鋁（一般為LY12 鋁）的厚度來等效，等效公式有3 種，分別為[13]：

式中：bal為靶板等效硬鋁厚度，b 為靶板厚度，σt為靶板強度極限，σal為硬鋁強度極限，ρt為靶板密度，ρal為硬鋁密度，Et為靶板彈性模量，Eal為硬鋁彈性模量。本文以LY12 鋁為標(biāo)準(zhǔn)進行等效處理，其密度為2 700 kg/m3，彈性模量為70 GPa；Q235 鋼的密度為7 850 kg/m3，彈性模量為200 GPa。

式中：vh為破片著靶速度，m/s。

根據(jù)式（4）～（6），靶板與硬鋁強度的比值越大，等效厚度就越大，穿透概率就越小。試驗所用靶板的材料為Q235 鋼，Q235 鋼的強度極限為375～500 MPa。關(guān)于LY12 鋁的強度極限，各個文獻中有所不同，最小的為395 MPa。Q235鋼強度極限取最大值500 MPa，LY12 鋁強度極限取最小值395 MPa，根據(jù)表5 中靶板不同距離處靶板的厚度、表3 中破片飛行到不同距離處的速度，利用式（9）和式（10）計算出試驗所用5.744 g 圓柱形破片在不同距離處對相應(yīng)靶板的擊穿概率，見表6。

將表5 和表6 對比可知，在靶板與硬鋁強度的比值取值最大的情況下，即穿透率理論計算值最小的情況下，理論計算的穿透率仍然明顯大于試驗的結(jié)果。

表 6 試驗破片靶板穿透率理論計算結(jié)果Table 6 Theoretical penetration ratios of fragments to target plates

2.3.3 影響因素分析

穿透率試驗結(jié)果明顯小于理論計算結(jié)果的主要原因有兩個：一是理論計算過程中，都是按照破片垂直侵徹靶板的方式計算的，而實際上，由于存在飛散角，大部分破片是斜侵徹靶板，由于侵徹角度的問題，破片貫穿靶板的位移大于靶板的厚度，厚度越大，破片穿透率就越低；二是在理論計算時沒有考慮侵徹過程中破片變形帶來的影響，圖10 中靶板部位有4 個非晶合金復(fù)合材料破片侵徹，1 個穿透靶板，3 個沒有穿透，沒有穿透的破片明顯失去了初始的圓柱體形狀，發(fā)生了嚴(yán)重變形，破片的變形會消耗一部分能量，這些都會最終影響破片的穿透率。

但需要注意的是，上述結(jié)論是基于圖1 所示的試驗現(xiàn)場得出的，試驗時炸點距離靶板較遠，而如果炸點與靶板較近，或者靶板的尺寸明顯大于炸點與靶板的距離，炸點至靶板四個角的距離就會明顯大于炸點至靶板中心的距離，破片速度衰減的因素就不能忽略了，而且飛散角帶來的破片侵徹靶板厚度變相增加的因素也必須加以考慮。

圖 10 侵徹破片變形情況Fig. 10 Fragment deformation

3 結(jié) 論

（1）制備的W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料破片密度大、強度高，能夠滿足榴彈預(yù)制破片爆炸完整性的要求，具有較強的侵徹能力。非晶合金復(fù)合材料破片穿透靶板后的爆轟作用能夠引燃靶后的棉被和油箱，但前提條件是貫穿靶板的非晶合金復(fù)合材料破片數(shù)量要達到一定數(shù)量，即穿透率要高。

（2）當(dāng)靶板中心與炸點的距離明顯大于靶板尺寸時，破片飛散角的因素對穿透率影響很小，可以忽略不計。但當(dāng)靶板中心與炸點的距離接近或小于靶板尺寸時，破片侵徹過程中自身的變形，以及破片飛散角帶來的破片速度衰減和靶板厚度變相增加的問題都是影響非晶合金復(fù)合材料破片穿透率的因素。

（3）如若設(shè)計制備W 骨架/Zr 基非晶合金復(fù)合材料預(yù)制破片戰(zhàn)斗部，為了保證其毀傷效應(yīng)，應(yīng)該提高破片的侵徹能力、爆轟能力、破片飛散密集度，具體應(yīng)該做到：一是提高破片的密度，增大單位體積破片的質(zhì)量；二是優(yōu)化設(shè)計破片形狀，減小侵徹阻力；三是優(yōu)化材料設(shè)計，減少破片侵徹靶板過程中的變形，增加單個破片的爆轟引燃能力；四是優(yōu)化戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，尤其是破片預(yù)制體的結(jié)構(gòu)，增加破片飛散密集度。