側(cè)向約束陶瓷抗侵徹性能試驗研究

曹凌宇， 羅興柏， 劉國慶， 甄建偉， 陳思揚

(陸軍工程大學石家莊校區(qū)彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

陶瓷材料憑借高硬度、高強度、低密度等優(yōu)良的抗侵徹特性成為裝甲防護材料的良好選擇，但其存在脆性較大和受到侵徹后破碎面積較大的缺點，從而限制了陶瓷板抗多次打擊的能力。研究表明[1]：陶瓷材料的形狀、尺寸、排列方式對抗彈性能有較大影響，且對陶瓷材料施加合理約束也是影響陶瓷抗侵徹性能的主要因素之一。WESTERLING等[2]通過試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)：施加約束效應的陶瓷對低速破片抗侵徹效果明顯，對高速破片抗侵徹性能變化不大。文獻[3-4]作者利用AUTODYN有限元軟件仿真研究發(fā)現(xiàn)：對陶瓷施加預應力約束可有效減小陶瓷損傷，提高陶瓷抗侵徹能力。FRANZEN等[5]研究發(fā)現(xiàn)：陶瓷抗彈性能與橫向約束強度正相關(guān)。筆者等[6]利用AUTODYN有限元仿真軟件研究了約束條件下不同尺寸陶瓷破壞模式和抗侵徹性能的變化規(guī)律。然后，上述研究缺少對薄厚度、小尺寸陶瓷約束效應的研究，且對陶瓷預應力研究停留在數(shù)值模擬上，未經(jīng)試驗驗證。因此，筆者針對小尺寸薄陶瓷，設(shè)計了陶瓷抗侵徹穿深(Depth Of Penetration，DOP)試驗，對陶瓷在無約束、無預應力約束及預應力約束3種條件下的的防護系數(shù)進行比較，并對3種條件下破壞的陶瓷及破片的碎片進行回收觀察，比較不同條件下陶瓷抗侵徹性能的變化情況，以期為約束效應更好地改善陶瓷性能以及在整體靶板上的設(shè)計應用提供參考。

1 試驗材料及裝置

1.1 試驗材料

試驗的主要材料分別為氧化鋁陶瓷、6061裝甲鋁合金、T12A鋼及304鋼4種材料。其中：陶瓷材料型號為AD95，密度為3.7 g/cm3，陶瓷圓塊尺寸為φ50 mm×h10 mm；選用的6061裝甲鋁合金密度為2.7 g/cm3，2種尺寸分別為300 mm×200 mm×70 mm和300 mm×200 mm×30 mm；爆炸模擬破片采用與12.7 mm穿甲彈材料相同的T12A鋼，破片尺寸為φ12 mm×h25 mm，如圖1所示。陶瓷約束材料選用較為常見的304鋼，約束結(jié)構(gòu)分為上下2塊，徑向厚度為25 mm，約束裝置如圖2所示。

1.2 試驗裝置

對破片進行高速加載，使其高速沖擊毀傷防護材料是評價材料防護性能的重要手段[7]。筆者采用57 mm輕氣炮對破片進行速度加載。

1.2.1 輕氣炮

輕氣炮是以壓縮氣體為能源將試驗彈體在炮管內(nèi)加速，最終獲得一定速度而進行相關(guān)試驗的設(shè)備。其主要由高壓氣室部件、炮管、觀測室、回收室等構(gòu)成，采用膜片沖擊爆裂模式，高壓氣室的工作氣體釋放速度快，是輕氣炮的驅(qū)動效率較高的方式。輕氣炮試驗系統(tǒng)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.2.2 測速原理

彈丸測速裝置由金屬環(huán)片、測速探針及DSOX3054T型示波器組成。在測試過程中，帶有金屬環(huán)片的子彈彈托在高壓氣室壓力作用下向前加速運動，在出炮口處金屬環(huán)片依次撞擊測試探針上3個金屬觸頭，產(chǎn)生3個脈沖信號，并在示波器上記錄顯示3個波峰，得到3個時間點t1、t2、t3，通過3個時間點得出相應時間間隔Δt1和Δt2，即可求得破片出炮口時的瞬時速度

(1)

式中：x1、x2分別為探針觸點間隔距離。

1.3 試驗方法

試驗采用DOP試驗法，圖4為試驗示意圖[8]。靶試前需進行空白威力測試，測量破片對均質(zhì)裝甲鋁(6061鋁合金)的穿深，將其作為評定復合裝甲抗彈能力的依據(jù)。測量穿深需用到的工具有鋼板尺(精度為1 mm)、游標卡尺(精度為0.02 mm)、圓形架等。防護系數(shù)計算公式為

(2)

式中：ρs為均質(zhì)鋁板的密度；ρc、δc分別為待測靶板的密度和厚度；L0為均質(zhì)鋁板穿深；Lr為后效鋁板穿深。

2 試驗方案

試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

在側(cè)向約束陶瓷抗侵徹性能DOP試驗中，分別設(shè)計表1中4組試驗。其中：第1組，空白試驗，使用爆炸模擬破片對未放置陶瓷塊的70 mm厚鋁合金板進行侵徹，記錄速度與穿深；第2組，在30 mm厚鋁合金板前固定一塊無側(cè)向約束的陶瓷塊，而后進行試驗，記錄速度與穿深；第3組，對陶瓷塊施加無預應力約束，提供約束的上下鋼環(huán)與陶瓷間未施加壓力，而后將陶瓷塊和鋼環(huán)固定于30 mm厚鋁合金板前進行試驗，記錄速度與穿深；第4組，通過圖2約束裝置中內(nèi)六角螺釘對陶瓷塊施加壓力，從而實現(xiàn)對陶瓷的預應力約束，而后將陶瓷塊和鋼環(huán)固定于30 mm厚鋁合金板前進行試驗，記錄速度與穿深。圖5為設(shè)計的固定臺，用于放置鋁合金塊。

3 結(jié)果與分析

首先進行空白試驗，經(jīng)測量，爆炸模擬破片對70 mm厚裝甲鋁合金的垂直侵徹深度L0=26.85 mm，以此作為評定不同條件下陶瓷抗破片侵徹能力的標準，對被侵徹的裝甲鋁合金進行線切割處理，由于破片嵌入鋁合金板中，因此鋁合金板和破片均被切割開，如圖6所示。

然后進行另外3種條件下的陶瓷抗侵徹試驗，試驗結(jié)束后，回收603裝甲鋁基板，測量彈丸在鋁基板上的穿深，并對試驗后破碎的陶瓷塊及侵徹后破壞的破片碎片進行回收。由于游標卡尺直接測量穿深會導致誤差較大，因此在測量穿深時需在待測鋁板上放置一個圓形架，如圖7所示，利用游標卡尺測量破片侵徹坑深處到圓型架上方的距離，再減去圓形架和鋼條到鋁板的距離，即可得到破片對6061裝甲鋁合金的剩余穿深。

最后通過式(2)對試驗數(shù)據(jù)進行相應計算，得到每組不同條件下陶瓷的防護系數(shù)N，試驗結(jié)果和計算結(jié)果如表2所示。

圖8為陶瓷在無約束、無預應力約束和預應力約束條件下鋁合金板的破壞情況。結(jié)合表2中數(shù)據(jù)分析可知：陶瓷在3種條件下的抗侵徹性能排序為無約束<無預應力約束<預應力約束。以無約束條件下陶瓷作參照，對陶瓷施加無預應力約束后，鋁合金板被侵徹深度下降了17.90%，防護系數(shù)增加了8.14%；對陶瓷施加預應力約束后，鋁合金板被侵徹深度下降了74.19%，防護系數(shù)增加了33.3%。從破壞情況對比可知：無約束作用時，由于陶瓷在侵徹作用下破碎飛散嚴重，破片侵徹作用區(qū)域集中在侵徹點處，侵徹深度較大；無預應力約束作用時，約束作用的存在限制了陶瓷裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，阻擋了破碎陶瓷的橫向飛散，且側(cè)面反射的壓縮應力波也增強了陶瓷中心區(qū)域的抗侵徹能力，鋁板破壞區(qū)域有所增大，但侵徹深度降低；預應力約束作用時，預應力約束作用對陶瓷施加了徑向應力作用，更好地限制了陶瓷裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，陶瓷抗侵徹性能增強明顯，背板只出現(xiàn)了一定凹陷，侵徹深度明顯降低。

組數(shù)穿深Lr/mm防護系數(shù)N126.85—28.371.3536.871.4642.161.80

圖9、10分別為陶瓷在無約束、無預應力約束和預應力約束條件下陶瓷碎片及破片碎片回收情況。在3種條件下侵徹試驗結(jié)束后，對觀測回收室內(nèi)破碎的陶瓷塊及破壞的爆炸模擬破片進行清理回收，從陶瓷受侵徹破壞情況看，回收的陶瓷塊破碎顆粒尺寸大小排序為無約束>無預應力約束>預應力約束；從回收的爆炸模擬破片破壞情況看，回收的破片碎片尺寸大小排序為無約束>無預應力約束>預應力約束。上述試驗現(xiàn)象說明：對陶瓷施加預應力約束和無預應力約束條件，使得陶瓷與侵徹破片對抗作用更加充分，陶瓷和破片的破壞更加嚴重，破片能量更多消耗于陶瓷破碎分散、摩擦破壞上，較大地提高了陶瓷抗侵徹性能。在無預應力約束和預應力約束條件下，觀察破片沖擊端面處，可以看到破片端面處粘附有較多的陶瓷粉末，這是破片侵徹過程中與陶瓷劇烈摩擦作用產(chǎn)生的。

圖11為陶瓷在無約束、無預應力約束和預應力約束條件下破片斷面處微觀形貌(放大250倍)?？梢钥闯觯?)無約束條件下，破片侵徹陶瓷后，陶瓷破碎飛散較快，破片端部與陶瓷作用時間較短，所以破片端部受力較小，端面破壞較為圓滑；2)無預應力約束條件下，破片侵徹陶瓷后，由于側(cè)向約束作用的存在，陶瓷無法側(cè)向擴容飛散，破片需要消耗較大的能量將陶瓷進一步粉碎，粉碎的陶瓷只能沿破片侵徹方向反向流出，對破片產(chǎn)生侵蝕，破片與陶瓷端部作用時間加長，所受壓力及摩擦力較大，為此，端面處相較無約束情況出現(xiàn)了明顯的摩擦侵蝕破壞；3)預應力約束情況下，陶瓷在破片侵徹前已受到徑向預應力的加強作用，破片侵徹陶瓷后，預應力的存在延緩了陶瓷裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，對陶瓷起到加強作用，破片侵徹過程將伴隨著與陶瓷更為強烈的相互作用力，斷面處不僅出現(xiàn)了明顯的摩擦侵蝕破壞，同時還伴隨著斷裂與破碎現(xiàn)象。

4 結(jié)論

筆者分別在陶瓷無約束、無預應力約束和預應力約束3種條件下，設(shè)計了陶瓷抗侵徹DOP試驗，并分別對3種條件下破壞的陶瓷及破片碎片進行回收觀察，主要結(jié)論如下：

破片低速侵徹小尺寸薄陶瓷時，約束效應能有效改善陶瓷的破壞模式，提高陶瓷防護系數(shù)；無預應力約束及預應力約束條件使得陶瓷與破片間相互作用更加強烈，破壞程度更大，破片斷面不僅存在摩擦破壞，同時還伴隨著斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，對陶瓷施加合理約束能使陶瓷充分發(fā)揮抗侵徹性能，破片消耗能量更多，破碎程度更大，可有效提高陶瓷抗侵徹性能。下一步需對陶瓷預應力約束進行定量研究，探索預應力與陶瓷抗侵徹性能之間的關(guān)系，為預應力陶瓷應用提供借鑒。