6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料抗彈性能和抗彈機理研究

胡 勤， 王進華， 呂 娟， 邢志媛， 吳岳壹

(中國兵器科學(xué)研究院寧波分院,浙江 寧波 315100)

裝甲車輛的發(fā)展趨勢是“輕量化”，因此設(shè)計的防彈材料的密度要盡可能小。目前世界各國都非常注重戰(zhàn)車的機動性能，而戰(zhàn)車的整體質(zhì)量是影響這一性能的關(guān)鍵因素，要求研制的防彈材料具有更高的性能質(zhì)量比。輕質(zhì)陶瓷裝甲材料作為一種優(yōu)良裝甲防護材料的研制和推廣應(yīng)用受到各個國家的普遍重視。

目前世界各國研究機構(gòu)都在進行金屬/非金屬約束陶瓷復(fù)合材料的研究工作，陶瓷顆粒增強的復(fù)合裝甲材料是一種重要的發(fā)展趨勢[1-3]。各國研究機構(gòu)以及裝甲公司對金屬或非金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝和材料性能等方面進行了多方面的研究，Wang等[4]對聚合物約束均質(zhì)陶瓷球材料進行了設(shè)計和12.7 mm穿燃彈性能測試，該材料在重量較輕的情況下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗彈性能。Zeng等[5]研究了金屬約束陶瓷復(fù)合材料的抗彈性能。Jovicic等[6]以及蔣寶權(quán)等[7]研究了陶瓷顆粒分布規(guī)律對該類復(fù)合材料抗侵徹過程的影響。劉桂武等[8]和晏麓暉等[9]綜述了陶瓷/金屬復(fù)合材料的制備方法及約束效應(yīng)，表明綜合約束效應(yīng)對復(fù)合材料的性能具有明顯影響。Kim等[10]對非金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的制備方法進行了介紹。Chin等[11]制備了金屬/非金屬約束的梯度陶瓷球復(fù)合材料。侯海量等[12]和Shenllan等[13]研究了陶瓷/金屬復(fù)合裝甲材料的抗彈機理。李聰[14]通過粉末冶金的方法制備了剛玉球/鋁合金復(fù)合材料并對其抗彈性能進行了研究，表明該材料具有良好的抗彈性能同時重量較輕。郭銳[15]等通過對陶瓷/金屬點陣材料的抗彈測試驗證了該材料具有良好的抗彈性能。本文針對金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的制備方法、抗彈性能及抗彈機理研究，采用擠壓鑄造浸滲成型方法制備了6061鋁合金約束的Al2O3陶瓷球復(fù)合材料，通過仿真模擬和抗彈測試結(jié)合的方法對其抗彈性能及抗彈機理進行了分析。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及制備方法

擠壓鑄造6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料中使用的6061鋁合金根據(jù)擠壓鑄造工藝以及考慮到鋁合金與Al2O3陶瓷球的潤濕性能，在6061合金成分的基礎(chǔ)上設(shè)計了本試驗中的成分。設(shè)計的6061鋁合金的成分(質(zhì)量分數(shù))為：wMg=1.2%，wSi=0.6%，wCr=0.25%，wCu=0.3%，余量為Al。使用的陶瓷材料為ZrO2增韌的Al2O3陶瓷球，其中ZrO2的質(zhì)量分數(shù)為15%，陶瓷球的直徑為6 mm。陶瓷球在復(fù)合材料中所占的體積分數(shù)為40%～45%。

采用RZU-2000HC擠壓鑄造液態(tài)壓機擠壓鑄造6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料。主要的工藝過程為：鑄型準(zhǔn)備、陶瓷球預(yù)處理、澆注、合型加壓、保壓和開型取件。主要工藝參數(shù)為：加壓壓力100 MPa，保壓時間60 s，模具溫度為200～300 ℃，澆注溫度為720～740 ℃。

1.2 試驗方案

抗彈測試是衡量裝甲材料防護性能高低的一種手段。靶板由復(fù)合材料和鋼板組成，迎彈面為6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合板，背板為標(biāo)準(zhǔn)603鋼。兩者之間的連接形式,如圖1所示。首先將金屬階梯塊預(yù)制件鑲鑄于金屬約束陶瓷復(fù)合材料中，再經(jīng)鉆孔、攻絲實現(xiàn)復(fù)合材料與鋼板的連接。復(fù)合板長度和寬度均為420 mm。對復(fù)合靶板分別進行12.7 mm穿燃彈(鋼殼，全彈質(zhì)量為131 g，全長為147 mm)和30 mm穿甲彈(口徑為30 mm×165 mm)進行射擊試驗，射距均為100 m，垂直入射。采用抗彈測試后測量殘余穿深，再計算靶板的質(zhì)量防護系數(shù)的方法來評價復(fù)合靶板的抗彈性能。

圖1 金屬約束陶瓷球復(fù)合板與鋼板連接方式1-603鋼板； 2-金屬約束陶瓷球復(fù)合材料；3-連接螺栓；4-預(yù)制件鑲塊Fig.1 The connection method of metal-confined ceramic composite material and steel board

1.3 仿真模擬

采用ANSYS/LS-DYNA模擬分析軟件，模型的失效可以通過強度極限或應(yīng)變極限來進行控制。金屬約束陶瓷球復(fù)合材料計算模型，如圖2所示。設(shè)定材料大小為127 mm×127 mm×25 mm，圖片上方錐形部分為12.7 mm穿燃彈，下方復(fù)合材料中黑色部分為金屬基體。基體上分布的圓球為陶瓷球。計算中穿燃彈和基體金屬材料采用Jhonson-Cook模型，陶瓷球采用J-H模型。金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的計算模型四邊施加全約束，12.7 mm穿燃彈的初始速度設(shè)為820 m/s。

圖2 金屬約束陶瓷球復(fù)合材料計算模型Fig.2 The simulation analysis mold for composite material

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 仿真模擬結(jié)果分析

為了探尋金屬約束陶瓷球復(fù)合材料抗彈能力的規(guī)律，對不同陶瓷球的大小和種類進行有限元分析計算，確定金屬約束陶瓷球復(fù)合材料組合的最佳方案。首先對不同陶瓷球尺寸的復(fù)合材料進行了抗彈能力的模擬分析，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同陶瓷球直徑時的計算結(jié)果

從表1可知，陶瓷球直徑越大，金屬約束陶瓷球復(fù)合材料對穿燃彈的抵抗能力就越小，所吸收的能量也越少。而陶瓷球直徑為5 mm與6 mm時，穿燃彈剩余動能及剩余速度相同。在不考慮復(fù)合材料厚度變化的情況下，可認為6 mm陶瓷球為該厚度下的臨界值，陶瓷球直徑再小，對抗穿燃彈的作用已無增強效果。

不同陶瓷球種類的金屬約束陶瓷球復(fù)合材料抗彈能力的模擬分析計算結(jié)果如表2所示。計算時設(shè)定各種陶瓷球直徑均為6 mm。由表2中規(guī)律可知，不同的陶瓷材料對于復(fù)合材料的抗沖擊能力的影響是不一樣的，按照抗沖擊能力由強到弱的排列順序為SiC，B4C，AlN，Al2O3。通過對仿真模擬結(jié)果的分析，雖然Al2O3陶瓷球抗彈能力相對較弱，但結(jié)合實際情況，制備時選取直徑為6 mm的ZrO2增韌Al2O3陶瓷球。

表2 不同陶瓷種類時的計算結(jié)果

在確定材料后，對穿燃彈沖擊金屬約束陶瓷球復(fù)合材料過程進行了仿真模擬，穿燃彈沖擊金屬約束陶瓷球復(fù)合材料時的破壞情況模擬結(jié)果，如圖3所示。復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時表現(xiàn)為逐層破壞形式，作用面積不斷增大。金屬基體將陶瓷球包裹起來，對其進行約束和分隔，起到防止裂紋擴展的作用，金屬基體和陶瓷球間的彈、塑性差別很大，可以在二者間出現(xiàn)大的波阻抗，產(chǎn)生強烈的波反射，從而降低了撞擊產(chǎn)生的沖擊波對整個復(fù)合材料造成的破壞。

2.2 試驗結(jié)果

對厚度為28.5 mm的復(fù)合材料+15 mm厚603標(biāo)準(zhǔn)鋼的復(fù)合靶進行12.7 mm穿燃彈射擊測試。試驗參數(shù)和計算出來的相應(yīng)的質(zhì)量防護系數(shù)，如表3所示。從表3可知，28.5 mm厚的復(fù)合材料板材其抗12.7 mm穿燃彈的質(zhì)量防護系數(shù)超過了2.2。這一數(shù)據(jù)要明顯高于鋁合金裝甲和鋼裝甲，接近氧化鋁陶瓷板復(fù)合裝甲材料的質(zhì)量防護系數(shù)。圖4為12.7 mm穿燃彈測試后復(fù)合材料彈坑的正反面圖。由于陶瓷球?qū)_擊力的逐層分散使沖擊力作用面積逐漸增大。

圖3 穿燃彈沖擊金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的破壞情況Fig.3 The simulation analysis for penetration process

序號復(fù)合板厚/mm背板厚度/mm著速/(m·s-1)殘余穿深/mm標(biāo)準(zhǔn)穿深/mm密度/(g·cm-3)質(zhì)量防護系數(shù)Em128.58172.03.42.25228.5158252.5303.42.21328.58212.03.42.25

圖4 12.7 mm穿燃彈測試后彈坑圖Fig.4 Appearance of the 12.7 mm AP shot

對厚度為60 mm復(fù)合材料+40 mm厚603標(biāo)準(zhǔn)鋼的復(fù)合靶進行30mm穿甲彈射擊測試。試驗參數(shù)和計算出來的相應(yīng)的質(zhì)量防護系數(shù)，如表4所示。從表4可知， 6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料，在厚度為60 mm的條件下，其抗30 mm穿甲彈的質(zhì)量防護系數(shù)超過了1.77。這一數(shù)據(jù)表明這種材料抗30 mm穿甲彈侵徹的防護能力要比同等質(zhì)量的均質(zhì)裝甲鋼強的多。同時對比該材料抗12.7 mm穿燃彈的防護系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者之間的差距并不大，表明了這種材料對于像30 mm穿甲彈這類小口徑炮彈的防護能力較強。

表4 復(fù)合材料抗30 mm穿甲彈試驗結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

陶瓷球在金屬約束陶瓷球復(fù)合材料中的排列方式示意圖，如圖5所示。為了分析展示金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的受力傳遞分布狀態(tài)。根據(jù)彈丸對靶板沖擊建立幾何模型和力學(xué)模，假設(shè)彈丸撞擊到金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的瞬間：①彈頭正好擊中一個陶瓷球，垂直作用力為F；②彈丸高速沖擊下，假設(shè)金屬基體發(fā)生塑性拉伸變形，忽略金屬對陶瓷球沖擊動力的約束阻力；③忽略陶瓷球碎裂和塑性變形吸能，假設(shè)陶瓷球能夠?qū)楊^沖擊力均勻傳遞。

圖5 陶瓷球在金屬約束陶瓷球復(fù)合材料中的排列結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The sketch map of the array mode of ceramic ball

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，即第一層1個球承受的作用力為F，傳遞到第二層時，則每個球承受的作用力為F/3。依次類推，如金屬約束陶瓷球復(fù)合材料中陶瓷球為十層，則作用力傳遞到第十層時，每個球承受的作用力只有F/75，如考慮上述假設(shè)金屬基體的隔裂抗力和陶瓷球碎裂吸能，實際沖擊作用力遠小于F/75，作用力在傳遞過程中逐層分散，單位面積的受力迅速減小。金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的靜態(tài)受力分析示意圖，如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料的靜態(tài)受力分析示意圖Fig.6 The schematic diagram of force analysis of metal-confined ceramic composite materials

穿甲試驗中采用603標(biāo)準(zhǔn)裝甲鋼作為背板組合，鋼背板在測試后的壓痕呈現(xiàn)圓形大面積壓痕損傷，如圖7所示。驗證了6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料中陶瓷球受力傳遞均勻，與分布狀態(tài)相似。

圖7 復(fù)合靶板抗30 mm穿甲彈測試后鋼背板彈坑形貌Fig.7 The deformation morphology of steel board

6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料侵徹過程的破壞形式主要包括重復(fù)開坑，陶瓷球粉碎、基體金屬斷裂，粉體沿侵徹的相反方向流動同時彈丸向靶板內(nèi)推進幾個過程。從能量角度分析彈丸侵徹金屬約束陶瓷球復(fù)合材料，彈丸從侵徹開始到終止，彈丸的初始動能全部轉(zhuǎn)換為在金屬約束陶瓷球復(fù)合材料中傳播的沖擊波、透射波和反射波能量，具體包括陶瓷球粉碎能量、基體金屬變形與斷裂能量、彈體與陶瓷、金屬混合粉末反向移動摩擦熱能、以及側(cè)向擠壓和反射波共同作用下金屬約束陶瓷球復(fù)合材料反向錐形撕裂能量。

高速前進與旋轉(zhuǎn)的彈頭對裝甲材料產(chǎn)生強烈的沖擊、研磨及產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致裝甲材料破壞，由于陶瓷球受金屬基體緊湊約束，陶瓷良好的抗沖擊、絕熱性能和金屬基體高強韌性能相結(jié)合，金屬約束陶瓷球復(fù)合材料著彈后，隨著彈頭不斷前行破碎陶瓷球，陶瓷破碎、粉末反向流動，不斷磨蝕、磨損彈丸的質(zhì)量消耗能量。對陶瓷球施加三維約束，限制陶瓷在彈丸沖擊作用下擴容與飛濺，不僅可以增加彈丸在陶瓷材料內(nèi)的駐留時間，提高裝甲抗彈能力，而且可以提高裝甲抗重復(fù)打擊性能。

在彈丸剛接觸到靶板時，由于接觸界面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力大于復(fù)合材料的壓縮強度，在著彈點陶瓷球形成一個碎裂的錐體，碎片和粉末在沖擊載荷作用下，將產(chǎn)生橫向和反沖擊方向流動，彈體在進一步侵徹過程中將受到陶瓷碎塊的進一步磨蝕而消耗動能，并使其頭部形狀變鈍，彈丸的速度和能量都降低，直至能量消耗殆盡。彈丸撞擊靶板的同時會在靶板內(nèi)產(chǎn)生壓縮波和與彈丸反向傳播的拉伸波。一種是根據(jù)金屬約束陶瓷球復(fù)合材料的排列順序，壓縮波沿著彈丸入射方向約45°角反向向外擴展，將彈丸沖擊波向背板方向傳遞，由于承載面積迅速增大，對背板的沖擊力迅速分散。另一種是當(dāng)這個壓縮波到達靶板背面時將反射為拉伸波。反射拉伸波與入射壓縮波相互疊加產(chǎn)生的拉應(yīng)力，導(dǎo)致基體金屬裂紋形成并在拉應(yīng)力作用下迅速擴展，隨著彈丸的繼續(xù)深入，參與反向流動的材料不斷增多，作用力也急劇增大，形成與侵徹方向成約-45°角反向擴展破壞裂紋，并帶有一定動能的蹦落物飛離靶板；基體金屬撕裂能有效吸收彈丸傳遞到靶板中的能量，此外破片的飛出也能帶走大量動能從而消耗彈丸傳遞到靶板中的能量。6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料的抗彈破壞模式分析，如圖8所示。復(fù)合材料抗30 mm穿甲彈的破壞形貌，如圖9所示。這與前面仿真模擬得到的復(fù)合材料破壞形式相吻合。

對于金屬約束陶瓷球復(fù)合材料，陶瓷球具有高強度、高硬度的特點，在與彈丸作用過程中鈍化彈頭；陶瓷球受力時與相鄰球體發(fā)生碰撞，把彈丸的集中沖擊載荷變成分布載荷，增大了彈丸作用面積；硬質(zhì)陶瓷球與金屬材料交替排布，抑制了沖擊波對陶瓷損傷裂紋擴展，加快了彈丸的激波反射和衰減速率，達到了分散能量延長沖擊波作用時間的優(yōu)良效果。陶瓷球?qū)拥那娼Y(jié)構(gòu)誘使彈丸在侵徹過程中易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使金屬約束陶瓷球復(fù)合材料具有更高的抗侵徹性能。因此，金屬約束陶瓷復(fù)合材料將具有優(yōu)異的抗彈性能。

圖8 復(fù)合靶板抗彈測試后復(fù)合材料彈坑形貌示意圖Fig.8 Sketch map of deformation shape of composite target

圖9 復(fù)合靶板抗30 mm穿甲彈測試后復(fù)合材料彈坑形貌Fig.9 Deformation condition of composite material target

3 結(jié) 論

(1)通過擠壓鑄造浸滲成型的方法制備了6061鋁合金約束直徑為6 mm的Al2O3陶瓷球復(fù)合材料，解決了金屬基體對多層陶瓷球的浸滲問題。復(fù)合材料的密度為3.3～3.4 g/cm3，陶瓷球在復(fù)合材料中所占的體積分數(shù)為40%～45%。

(2)通過12.7 mm穿燃彈和30 mm穿甲彈對6061鋁合金約束Al2O3陶瓷球復(fù)合材料進行了抗彈性能測試，結(jié)果表明復(fù)合材料抗12.7 mm穿燃彈的質(zhì)量防護系數(shù)大于2.2，抗30 mm穿甲彈的質(zhì)量防護系數(shù)大于1.7。

(3)金屬約束陶瓷球復(fù)合材料能夠約束陶瓷材料在外力作用下的變形及移動，提高了陶瓷材料破壞值，充分發(fā)揮了陶瓷材料高硬度及耐高溫的優(yōu)勢，使高速彈丸消耗能量，產(chǎn)生自身碎裂，同時金屬基體良好包裹陶瓷球時能發(fā)揮復(fù)合材料軟硬相交替的多層增韌作用，大幅提高了材料的綜合防護性能。