爆炸成型弹丸对Al_2O_3装甲陶瓷材料的侵彻实验研究

用爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)对Al2O3装甲陶瓷材料进行了侵彻(depth ofpenetration,DOP)实验,得到了99Al2O3装甲陶瓷对模拟EFP的质量防护因数和差分防护因数及他们随陶瓷块厚度的变化规律,初步评估了99Al2O3装甲陶瓷对EFP的抗侵彻性能,解释了装甲陶瓷对EFP的抗侵彻过程和机理。研究结果表明,增加约束可以提高陶瓷的抗侵彻性能。

装甲陶瓷的界面击溃效应

界面击溃效应(interface defeat)是射弹撞击陶瓷材料过程中,陶瓷表面产生的特有现象.国内外学者在近30年来对陶瓷界面击溃效应开展的大量研究工作表明界面击溃效应中射弹界面驻留(dwell)时间的增加以及界面击溃/侵彻转变速度的升高能够大量消耗弹体动能、有效提高装甲陶瓷的抗弹性能.本文主要从实验、理论和数值模拟三方面介绍国内外学者开展的工作,包括陶瓷界面击溃效应的宏观与微观力学机制及其研究方法等.针对现今对界面击溃效应研究的不足,提出了关于未来研究方向的建议.

长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变速度理论模型

为预测长杆弹撞击装甲陶瓷界面击溃/侵彻转变过程,采用Hertz接触理论确定靶体内部应力,将其分别应用于陶瓷锥裂纹与翼型裂纹扩展理论。通过比较两种裂纹扩展模型计算得到的界面击溃/侵彻转变速度,提出准确预测界面击溃/侵彻转变速度的理论模型。结果表明:将两种裂纹扩展理论相结合的理论模型可以合理地解释界面击溃/侵彻转变过程,转变速度计算结果与已有实验结果吻合较好。弹体半径较小时,锥裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程;弹体半径较大时,翼型裂纹扩展控制界面击溃/侵彻转变过程。

长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应数值模拟

利用动力有限元软件AUTODYN模拟了长杆弹撞击装甲陶瓷的界面击溃效应及其影响因素。在验证计算模型、参数及算法可靠的基础上,模拟研究了长杆弹头部形状、盖板、陶瓷预应力等对界面击溃效应的影响规律。结果表明:平头、球形和锥形头部形状长杆弹界面击溃/侵彻转变速度有显著差异;增加盖板及对陶瓷施加预应力均可减小陶瓷的损伤破坏程度,提高陶瓷的界面击溃/侵彻转变速度,提高装甲陶瓷抗弹能力。

三层组合陶瓷复合装甲的抗侵彻性能及其损伤机制

为了研究相同面密度下Kevlar/SiC-TC4-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合靶板的复合结构参数对其抗弹性能的影响和失效机理,选用4组不同厚度组合的靶板试样,并使用12.7 mm穿燃弹以相同着靶速度(488 m/s)进行弹道冲击实验。使用扫描电子显微镜(SEM)研究复合装甲板在弹道侵彻下的损伤模式。实验结果表明:在所述实验条件下8 mm+2 mm+10 mm厚度组合的Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板是最佳的抗侵彻工程应用结构;在同等面密度条件下,将1 mm厚陶瓷替换成同等面密度的TC4钛合金背板(约0.5 mm厚)时,复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约29.69%,可见钛合金的结构参数对复合装甲板抗弹性能的影响权重大于SiC;钛合金背板面密度的增加不仅增强了对陶瓷的支撑作用,而且增加了弹-靶作用时间,提升了复合靶板的整体防护性能;12.7 mm穿燃弹侵彻后复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、钛合金背板少量隆起变形及十字形拉伸撕裂损伤、UHMWPE层合纤维背板剪切断裂、层间分离和纤维拉伸;在整体复合装甲的设计中,应将高抗剪材料放置在背板的前几层,将高抗拉材料放置在背板后几层,以充分利用每种材料。

陶瓷复合装甲的研究现状及发展

陶瓷复合装甲是现有复合装甲中的主体,被广泛应用于轻型坦克装甲车辆、武装直升机等的装甲防护及单兵人体防护。本文结合传统陶瓷复合装甲技术面临的主要问题,通过分析近年来的研究热点和发展现状,对未来陶瓷复合装甲技术的发展方向进行了展望。

陶瓷复合装甲弹道极限速度与抗重复打击性能研究

为研究某型轻质陶瓷/纤维复合装甲(碳化硼陶瓷/碳纤维/芳纶/超高分子量聚乙烯)抗12.7 mm穿甲燃烧弹打击的能力,试验得到了单发12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻轻质陶瓷/纤维复合装甲的弹道极限速度。借助LS-DYNA软件建立枪弹侵彻陶瓷复合装甲的有限元模型,采用有限单元-光滑粒子耦合算法(FEM-SPH)计算了其极限穿透速度,分析得到了侵彻过程中陶瓷复合装甲的响应特性,仿真弹道极限速度结果与试验的误差小于5%,验证了模型的合理性。在此基础上进一步研究了靶板的有效防护区域分布和抗双发枪弹重复打击的能力及其影响因素。结果表明:陶瓷复合装甲平面内抗弹性能并不一致,受弹着点位置影响可大致分为中心区、偏心区和边缘区。偏心区整体抗侵彻性能优于中心区,但是背板变形量更大,平均增加了约30%,复合材料层间分层破坏明显;边缘区由于不能形成完整的陶瓷锥,抗侵彻性能最差,不能形成有效防护。靶板抗双发枪弹打击的能力受着靶间距的影响,当枪弹同时着靶时,若着靶间距不小于4倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击;当枪弹先后着靶时,若着靶间距不小于6倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击。

碳化硅装甲陶瓷的磨削钻孔及机理

碳化硅陶瓷因其高硬度和高脆性,孔加工异常困难。分析了碳化硅装甲陶瓷材料去除时的临界切削厚度以及其对金刚石强研磨性的磨削特性,研制了不同胎体性能的烧结金刚石薄壁钻头以及不同结构的钎焊、电镀钻头,对碳化硅陶瓷进行了磨削钻孔实验。分析了轴向压力及主轴转速对加工效率的影响和碳化硅陶瓷的磨削钻孔机理。结果表明:烧结金刚石钻头容易钝化、打滑,加工效率低;钎焊钻头磨损严重;电镀薄壁钻头的加工效率最高,钻头寿命最长,孔加工质量最好,但轴向压力不宜超过800N,主轴转速不宜超过2600r/min。脆性断裂去除是碳化硅陶瓷材料的主要去除方式,磨削表面同时具有脆性断裂和塑性流动的特征。采用双面加工工艺,避免孔出口的崩豁,改善了孔的加工质量。

多孔钛合金夹芯层陶瓷/UHMWPE复合结构的抗侵彻性能

陶瓷/纤维复合装甲的纤维背板由于其刚度较低,无法为陶瓷面板提供足够的支撑,削弱了陶瓷面板对弹丸的侵蚀作用。为了增强复合装甲的整体结构刚度,在陶瓷/纤维复合装甲中加入了金属夹芯层材料,通过试验和数值模拟研究了夹芯复合装甲对12.7 mm穿燃弹的抗弹性能。试验结果表明,穿燃弹弹芯表现出脆性断裂的失效模式,复合材料装甲表现出多种失效模式,包括夹芯层的花瓣形扩孔,UHMWPE(ultra-high molecular weight polyethylene)层压板的分层和凸起变形。建立了三维数值模型来分析整个弹道响应的演变,通过试验结果验证了模拟的准确性。模拟结果表明,12.7 mm穿燃弹的被甲会对陶瓷造成损伤,同时陶瓷会侵蚀弹芯的尖卵形头部,使弹芯头部变钝从而削弱弹芯对UHMWPE背板的侵彻能力。残余弹体的动能大部分由UHMWPE层吸收,UHMWPE层压板的失效模式会随着层数的增加由剪切失效转变为拉伸失效占主导地位。此外,作为夹芯层的多孔TC4板能够为陶瓷面板提供支撑,提高陶瓷面板的吸能效果以及弹体的侵蚀作用,并且12 mm孔径的TC4夹芯层能够提供更大的刚度支撑,使整体复合结构的吸能效率提升10%。

SiC/β-Sialon装甲陶瓷的制备及性能

采用无压烧结工艺制备高比强度SiC/β-sialon复相陶瓷。研究了原料组成和第一阶段反应温度对合成β-sialon相的影响,分析了氧化物添加剂和第二阶段烧结温度对材料烧结性能和力学性能的影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜以及万能试验机表征样品的物相组成、微观结构和力学性能。结果表明:用10%(质量分数,下同)的苏州土部分替代Al2O3和SiO2能有效促进β-sialon相的生成,在1500℃保温2h合成出无杂相的β-sialon相;复合添加5%ZrO2和5%Y2O3可促进样品的烧结致密化。当温度为1650℃时,样品的体积密度为2.90g/cm3,抗弯强度和断裂韧性分别达到375MPa和3.24(MPa.m1/2),弯曲比强度为1.29×105(N.m)/kg,比Al2O3提高了40%以上。

不同背板对陶瓷复合装甲抗弹性能影响的研究

用12.7mm穿燃弹对几种不同背板的陶瓷复合装甲进行了实弹射击试验,以研究复合装甲中陶瓷与背板组成的界面对其抗枪弹性能的影响。试验中在有效弹速下,以弹丸在后效板上的垂直残余穿深来作为衡量陶瓷复合装甲抗弹性能的指标。陶瓷复合装甲由Al2O3陶瓷层和不同密度的均质材料组成。根据试验结果及对其的分析讨论,看出随着背板材料声阻抗的提高,界面阻止弹丸侵彻的能力也是降低的。

陶瓷/金属复合装甲抗弹约束效应述评

通过对陶瓷/金属复合装甲及其陶瓷约束的介绍,综述了陶瓷复合装甲的抗弹性能表征和3种陶瓷约束(轴向、侧向和三维约束)对抗弹性能及机理的影响.作者认为,采用金属铸造工艺制备金属封装陶瓷复合装甲具有潜在的应用前景,同时应加强对新型陶瓷复合装甲的综合抗弹性能表征、动力学特性、结构优化设计等方面的研究.

大倾角陶瓷复合装甲抗弹性能研究

为了提高装甲车辆的防护和机动能力,减轻其自重,采用25mm弹道炮和底推式105mm穿甲模拟弹进行试验,研究大倾角陶瓷复合装甲结构单元中陶瓷的厚度、倾角、约束条件等因素对抗穿甲性能的影响规律。运用DOP法评估陶瓷复合装甲的抗弹性能。研究结果表明:在大倾角情况下,陶瓷复合装甲的防护系数同样随着厚度的增加而降低;陶瓷复合装甲外置时的抗弹性能比内置时高,内置使用时选择合适的厚度也能获得很好的抗弹性能。

轻型陶瓷/金属复合装甲抗弹机理研究

为探讨轻型陶瓷复合装甲抗弹机理,采用弹道冲击试验研究了高速破片冲击下轻型陶瓷/金属复合装甲的冲击响应,对弹体、陶瓷面板及金属背板的破坏现象进行了物理描述和唯象分析,指出了陶瓷面板和金属背板的破坏模式,分析了陶瓷/金属复合装甲的弹道吸能机理及抗弹性能。结果表明,锥形碎裂是陶瓷面板的主要破坏模式,其宏观裂纹主要有:径向、环向及与初始表面法线方向约65°夹角向外扩展的锥形裂纹;此外还会形成与背表面法线间的夹角约为65°的倒锥形断裂面。背板的变形范围、破坏程度及破坏模式均与船用钢靶板有较大区别,当弹速低于靶板弹道极限时,背板变形模式为隆起-碟型变形,当弹速大于靶板弹道极限时,随着陶瓷面板相对厚度的增加,金属背板的破坏失效模式有:剪切冲塞失效、碟型变形-剪切-花瓣型失效、碟型变形-花瓣型失效;弹体动能主要耗散在弹体和背板的破坏与变形;弹道极限速度附近,弹体和金属背板破坏吸能量会由于陶瓷面板的相对厚度不同而不同,但他们的总吸能量可占弹体初始冲击动能的90%以上,而陶瓷面板碎裂及反冲击方向喷射的动能小于弹体初始冲击动能的10%。

陶瓷复合装甲抗穿甲模拟弹厚度效应研究

试验采用底推式105mm穿甲模拟弹进行,研究陶瓷的厚度效应对抗穿甲性能的影响规律。采用DOP法评估陶瓷复合装甲的抗弹性能。研究结果表明:随陶瓷装甲厚度增加陶瓷复合装甲的防护系数降低;相同陶瓷装甲厚度下,多层陶瓷复合装甲比单层陶瓷具有更好抗弹性能。

30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合装甲的弹着角效应研究

设计了30mm半穿甲弹斜侵彻陶瓷/钢复合靶的弹道试验,采用高速摄像记录了弹靶作用过程,研究了弹着角、弹丸位移以及背板变形挠度的图像测量方法,通过仿真验证了该方法的可行性与准确性。基于高速摄像序列图像对弹靶作用过程进行了测量分析,结合试验数据研究了弹着角对半穿甲弹侵彻效能的影响。结果表明:弹着角导致弹丸受靶板的不对称阻力作用,侧向力及侧向力矩使得弹丸在侵彻过程中不断偏转,表现为侵彻路径呈曲线;在相同速度条件下,随着弹着角的增大,侵靶时间延长,背板变形挠度减小,侵彻效能降低。

船用轻型陶瓷复合装甲抗弹性能实验研究

为探讨舰艇抵御高速破片弹遭侵彻的装甲防护结构,设计船用钢装甲和3种陶瓷复合装甲结构,并采用弹道冲击实验,研究其在高速破片冲击下的抗弹性能。结果表明:高速破片穿透普通舰艇结构后仍具有较强杀伤威力,必须为舰艇设置专门防护装甲抵御高速破片的冲击;高速破片冲击下,船用钢装甲的破坏模式为延性扩孔和剪切冲塞的组合形式;增加陶瓷面板后,钢背板的冲击响应类似于低速卵形弹冲击下的薄板穿甲,变形范围和变形程度大大增加,其变形失效模式有蝶形变形和花瓣开裂型穿甲,此外陶瓷对弹体的侵蚀、钝化及碎裂能大大降低弹体的侵彻能力,碎裂陶瓷锥的运动还将吸收部分弹体动能,降低弹体剩余速度,并和剩余弹体共同冲击背板;陶瓷复合装甲的单位面密度吸能量较船用钢提高35%以上,其结构质量较船用钢装甲轻25%以上。

高速长杆弹对陶瓷装甲侵彻的数值模拟

利用三维非线性动力有限元程序LS-DYNA3D,建立了高速钨质长杆弹对多层陶瓷装甲侵彻的有限元分析模型,描述了侵彻全过程的有关物理和力学现象,对进一步研究陶瓷装甲防护及弹体侵彻性能具有一定的参考价值。

聚能射流对陶瓷装甲侵彻深度灰色预估

文中通过聚能射流对多层陶瓷靶元侵彻试验获取的少样本侵彻深度试验数据,利用灰色预测模型对聚能射流侵彻陶瓷装甲的P-T和P-H关系进行预估,得到预估模型。实验验证表明灰色预估在预测聚能射流侵彻穿深上准确性较高,在类似领域具有较高的推广价值。

连结状况对陶瓷复合装甲抗弹性能的影响

连结状况对陶瓷复合靶板抗弹性能的影响,从应力波角度分析。并在试验基础上,采用LS-DYNA程序数字模拟7.62mm穿甲子弹不同工况下侵彻陶瓷复合装甲,分析不同粘结剂和不同粘结层厚度的影响。背板波阻抗大于或接近陶瓷面板,有利于提高复合靶板的整体抗弹性能。波阻抗较大的材料,有利于压缩波的透射。合适的粘结层厚度能使陶瓷保持完整性,延缓陶瓷锥的形成,并扩大背板塑性变形区。