彈靶作用過程中陶瓷基復合材料的表面駐留行為

（1.中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心，北京 102211；2. 民用飛機結構與復合材料北京市重點實驗室，北京 102211；3. 沖擊環(huán)境材料技術重點實驗室，北京 100081；4. 北京理工大學材料學院，北京 100081）

彈體“表面駐留”過程是在陶瓷、陶瓷基復合材料等復合裝甲與穿甲彈丸高速碰撞初期階段的一個最主要的過程，其特征是彈靶作用過程中彈體頭部發(fā)生劇烈塑性變形甚至破碎而無法侵徹靶板[1]。在表面駐留過程中彈體質量快速減少，彈體速度下降，彈丸頭部鈍化，同時也導致裝甲靶板材料產生損傷并累積。表面駐留現象在B4C、SiC、陶瓷基復合材料等[2-3]復合裝甲靶板中普遍存在，該過程中彈體消耗了大約30%～50%的初始能量，這對復合裝甲的抗彈性能將產生重要的影響。

現代輕質裝甲由金屬材料過渡到以廣泛采用陶瓷材料為主，但陶瓷材料也存在如下不足：陶瓷材料幾乎無塑性，拉伸斷裂強度低；加工工藝流程復雜，成型后難以加工等，為了改善抗彈陶瓷上述缺點，以陶瓷基復合材料（CMCs）[4]為代表的抗彈陶瓷/金屬復合材料受到廣泛的關注。通過塑性相的加入，提高復合材料的韌性；采用特定的陶瓷相和塑性相的復合結構（細觀和微觀層次的結構）以充分發(fā)揮陶瓷相的高硬度和塑性相的高韌性特點。探索復合材料新穎的抗彈機理、優(yōu)化復合材料組織結構為當前研究的熱點。特殊的表面駐留行為，優(yōu)異的抗彈性能為陶瓷基復合材料應用于輕質裝甲提供了可能。

目前，國內外尚未報道關于陶瓷基復合材料的表面駐留現象。本文采用LS-DYNA有限元分析軟件，對比分析了53式7.62mm穿燃彈（API）高速（800m/s）碰撞SiC-Al陶瓷基復合材料與SiC、AD99 Al2O3、B4C等傳統(tǒng)陶瓷靶板的作用過程，旨在通過與傳統(tǒng)裝甲陶瓷駐留過程的對比，分析陶瓷基復合材料表面駐留行為，豐富和完善陶瓷基復合裝甲材料的抗彈機理，為陶瓷基復合材料在裝甲結構設計中應用做鋪墊。

1 試驗方法

本文研究模型中金屬材料采用Johnson-Cook（JC） 本構模型[5]，陶瓷、陶瓷基復合材料采用Johnson-Holmquist Ceramic 2 （JH2） 本構模型[6]，建模過程見文獻[7]，相關參數如表1所示。

表1 4種材料JH2模型參數

為驗證數值模擬方法正確性，采用高速攝像和閃光X射線照相技術[8]分別記錄了彈體碰撞復合材料靶板的作用過程。高速攝像機為美國Vision Research公司制造的Phantom V140高速數字攝像機，最高拍攝速率為50萬幀/s；閃光X射線照相設備為瑞典Scandiflash450型閃光X射線照相系統(tǒng)，試驗是在中國兵器工業(yè)第五二研究所煙臺分所試驗室進行的。試驗用復合材料采用氣壓浸滲工藝制備得到，具體參考文獻[9]，試驗用陶瓷材料為常用的裝甲陶瓷材料。

表面駐留過程的表征方法采用表面駐留持續(xù)時間和表面駐留耗能兩個參數。表面駐留持續(xù)時間提取方法如下：提取碰撞時彈體頭部速度（即彈/靶界面速度）和彈尾速度隨時間變化曲線，彈體頭部速度瞬時增大的時刻為表面駐留結束時刻，則從彈體頭部接觸靶板至該時刻所經歷的時間為表面駐留持續(xù)時間。表面駐留耗能提取方法如下：提取彈靶碰撞的整個過程中彈體動能隨時間的變化曲線，彈體初始動能（由彈體初始速度和質量得到為1580J）減去表面駐留結束時刻對應的彈體動能即表面駐留耗能。具體提取方法見文獻[7]。表面駐留持續(xù)時間越長，則表面駐留過程耗能越多。

彈體碰撞靶板表面駐留耗能形式主要分為4類：變形與破碎的彈體攜帶的動能（Eroded KE），變形與破碎的彈體攜帶的內能（Eroded IE），面板損傷耗能（Damage E）以及剩余彈體內能（Residual IE）。4種形式能量從d3plot結果文件曲線提取得到，對應表面駐留結束時刻各能量值。

陶瓷、陶瓷基復合材料的強度由JH2模型可以得到，已知材料的JH2模型參數，其強度與所承受的靜水壓力有關。其關系[6]如下所示：

含有損傷的材料強度：

式中，σi*為材料歸一化完整強度；σf*為歸一化完全損傷強度；歸一化的強度（σi*、σf*、σ*）具有相同的表達形式：σ*=σ/σHEL，σ為某應力狀態(tài)下的材料強度，σHEL為在雨貢紐彈性限下的等效強度；D為損傷參數（0≤D≤1）。

完整強度：

式（2）、（3）中，A、B、C、M、N和SFmax為材料強度參數，SFmax為材料的最大完全損傷強度因子，其他為JH2經典模型材料強度參數；歸一化的靜水應力P*=P/PHEL，P為實際所受靜水應力，PHEL為在雨貢紐彈性極限時的靜水應力；歸一化的拉伸強度T*=T/PHEL，T為材料拉伸強度；歸一化的應變率 ε*=ε/ε0，ε為真實的應變率，ε0=1.0s-1為參考應變率。

2 結果與討論

2.1 數值模擬與試驗結果對比

通過高速攝像方法和閃光X射線照相方法記錄了彈體侵徹復合材料靶板的過程，如圖1所示，對比數值模擬和試驗結果，在不同時刻，彈體變形程度、著彈姿態(tài)以及彈體剩余長度接近一致。

圖1 不同時刻數值模擬與試驗結果對比圖Fig.1 Comparison of simulation results and experiment results at different times

圖2為最終回收的背板形貌對比圖，數值模擬背板最終形貌與試驗回收的最終背板形貌相似，對比背凸形狀和尺寸，兩者吻合較好。通過上述結果的對比，說明基于上述參數所開展的復合材料靶板與彈體的彈靶作用過程數值模擬是有效可信的。

圖2 數值模擬與試驗結果背板最終形貌對比圖Fig.2 Comparison of simulation result and test result

2.2 陶瓷基復合材料表面駐留耗能對比分析

圖3給出了彈體頭部和尾部速度隨時間變化曲線以及彈體動能隨時間變化曲線，從圖中可以得出，復合材料的駐留持續(xù)時間為19.5μs。駐留結束時，彈體剩余動能為735J，則駐留過程耗能為845J。

圖3 彈體頭部、尾部速度以及彈體動能隨時間變化曲線Fig.3 Velocity-time curve of bullet tail and nose and kinetic energy-time curve

用同樣方法得到其他常用裝甲陶瓷的表面駐留耗能，如圖4所示，由圖可知，復合材料的駐留耗能能明顯力高于SiC，AD99 Al2O3、B4C等常用裝甲陶瓷，分別提高約46.0%、30.2%、35.7%。

圖4 不同靶板材料駐留耗能對比Fig.4 Comparison of dwelling energy in different targets

相比幾種常見的裝甲陶瓷材料，復合材料駐留耗能較大，通過公式（1）～（3）計算復合材料和陶瓷的強度如圖5所示，圖5（a）為完整強度隨靜水應力變化曲線，圖5（b）為完全損傷強度隨靜水應力變化曲線。由圖可知，在初始碰撞壓力下，復合材料的完整強度比陶瓷材料小；但是其完全損傷的材料強度比陶瓷強度大。例如，在靜水壓應力為1GPa時，幾種材料強度大小對比為：B4C（4.00Gpa）＞AD99 Al2O3（3.87GPa）＞SiC（3.83GPa）＞SiC-Al（2.32GPa）；4種材料完全損傷強度大小對比為：SiC-Al（1.72GPa）＞ AD99 Al2O3（1.06GPa）＞ B4C（1.03GPa）＞SiC（0.60GPa）。由此可見，雖然復合材料完整強度較小，但當復合材料發(fā)生完全損傷時，其強度下降較小，均高于陶瓷材料完全損傷時的強度，這是因為復合材料具有陶瓷和金屬兩相網絡互穿的特殊結構，如圖6[8]所示，該圖是基于三維斷層掃描圖像數據生成的復合材料三維有限元模型，并提取一個典型截面，當復合材料中陶瓷相發(fā)生完全損傷時，并不像陶瓷材料那樣完全碎裂，而由于周圍金屬相的約束作用，增大了其所受的靜水壓力，由公式（3）可知，增大靜水壓力的情況下，會顯著提高其完全損傷強度。這使得復合材料雖然容易產生損傷，但是完全損傷的復合材料仍具有較一般陶瓷材料更高的承載能力，促使其表面駐留時間增長，駐留耗能能力增強。

圖5 復合材料與陶瓷材料強度對比圖Fig.5 Comparison of composites and ceramic strength

圖6 三維模型中典型截面Fig.6 Cross section selection from 3D model

2.3 復合材料和B4C陶瓷材料損傷演化過程對比分析

由上節(jié)得到，材料損傷形式的不同導致駐留持續(xù)時間產生差異，而在駐留過程中，陶瓷材料損傷破壞行為類似，因此本節(jié)僅以B4C陶瓷材料為例，對比分析復合材料損傷耗能及損傷演化行為。表2給出了復合材料和B4C的各類耗能及其所占比重。對比B4C和復合材料4種耗能形式，可見剩余彈體內能所占比重差別較小，而變形與破碎的彈體所攜帶的能量（動能和內能）和損傷耗能所占比重差別較大，在復合材料中，前者為45.1%，而在B4C中此項達到67.1%。圖7為復合材料和B4C損傷耗能隨時間變化曲線，在整個彈靶作用過程中，復合材料損傷耗能均大于B4C的損傷耗能，當駐留結束時，B4C損傷耗能為41.4J，僅占駐留耗能比重為7.1%，而復合材料損傷耗能為202J，占駐留耗能的比重達到23.9%，比B4C損傷耗能所占比重提高2倍多。

表2 復合材料與B4C陶瓷材料駐留耗能形式及比重的對比

圖7 B4C和復合材料面板損傷耗能曲線Fig.7 Damage energy of B4C and composites

復合材料和B4C不同的應力場導致了駐留過程、損傷演化過程中產生不同的特征。圖8給出了表面駐留過程中不同時刻復合材料和B4C損傷特征。對比t=2.5μs時兩種材料的損傷范圍，圖中實線框所選區(qū)域為損傷區(qū)域。由圖可知，在初始碰撞階段，復合材料中產生較大范圍的損傷，而在B4C中損傷區(qū)域較小。由上節(jié)分析知，復合材料的完整強度低于B4C的完整強度，在相同的初始碰撞壓力下，復合材料單元容易產生損傷，導致損傷區(qū)域較大。

圖8 復合材料與B4C損傷對比圖Fig.8 Damage nephogram comparison of composites and B4C ceramic

當t=13.8μs時兩種面板材料完全損傷程度增大，圖中虛線框所選區(qū)域為嚴重損傷區(qū)域。由圖可知，在此時刻，B4C中彈著點下方面板單元損傷較嚴重，該時刻完全損傷強度低于其所受的等效應力，表面駐留結束；在復合材料中，彈著點下方整個面板厚度范圍內單元雖然達到完全損傷，但是彈體仍然處于表面駐留狀態(tài)，究其原因在于，當該時刻復合材料出現完全損傷時，其完全損傷強度仍然高于其所受等效應力，仍能夠抵抗彈體的侵入。駐留持續(xù)過程中，完全損傷的單元在等效應力作用下發(fā)生持續(xù)變形，由于復合材料特定的網絡互穿結構，當陶瓷材料達到失效應變完全損傷時，受到周圍金屬材料的約束作用，裂紋擴展受到限制，復合材料整體并沒有失效，還可以繼續(xù)發(fā)生形變，直至達到最大失效應變，這導致復合材料較B4C具有高得多的最大失效應變，因此完全損傷單元在一定靜水壓應力下具有更持久的承載能力。

當彈體侵徹進入面板時，兩種面板材料內部損傷呈現較大的差異，當t=28μs時，B4C面板內部出現較嚴重的呈網狀的損傷區(qū)域，最終會導致面板的嚴重破碎。而對應復合材料面板中，只在彈孔周圍一定區(qū)域內損傷較嚴重，計算單元能夠承受一定程度的塑性變形，而在遠離彈孔處面板內部不會出現明顯的損傷帶，保證回收的復合材料面板保持完整。

圖9給出了復合材料靶板和B4C靶板經7.62mm彈丸撞擊后所回收靶板的宏觀形貌圖，由圖可知，復合材料靶板完整性較好，靶板僅在彈孔附近出現一定尺寸的破碎；而B4C靶板經彈擊后靶板破壞嚴重，回收的陶瓷面板只能由較小的碎塊拼接而成。由此可知，復合材料和B4C陶瓷材料面板呈現了不同的損傷累積演化形式，復合材料通過彈體磨損和金屬塑性變形吸收能量，而陶瓷材料主要通過裂紋擴展吸收能量，耗能形式不同導致兩種材料在表面駐留過程中所消耗的彈體能量不同。

圖9 靶板宏觀形貌試驗圖Fig.9 Macroscopic appearance of recovery front plates after impact（Test result）

3 結論

（1）復合材料表面駐留耗能為845J，比B4C、SiC、AD99 Al2O3陶瓷材料分別提高約46.0%、30.2%、35.7%。

（2）復合材料特殊的結構使材料發(fā)生完全損傷時，其強度下降較小，均高于陶瓷完全損傷時材料的強度，促使其表面駐留時間增長，駐留耗能能力增強。

（3）復合材料和陶瓷材料面板呈現了不同的損傷累積演化形式，使得兩種材料表面駐留過程所消耗的彈體能量不同。導致損傷耗能占總駐留耗能的比例達到23.9%，比B4C陶瓷材料提高了2倍多。

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