硬質(zhì)合金球形破片侵徹UHMWPE纖維層合板試驗研究

馮志威，董方棟，王志軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051； 2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室，北京 102202)

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE纖維)是由高分子量聚乙烯紡制而成的高強(qiáng)度、高模量的高性能纖維，具有優(yōu)良的耐沖擊和抗切割性能，在各種防彈衣和防彈頭盔中應(yīng)用廣泛[1]，了解纖維層合板在沖擊情況下彈道極限、失效模式與變形過程，對提升破片的侵徹能力與復(fù)合材料防護(hù)性能都具有重要意義。

周楠[2]通過球形破片侵徹鋼/鋁復(fù)合靶板，發(fā)現(xiàn)靶板總厚度增大時，靶板更易發(fā)生剪切沖塞破壞。曲科佛[3]通過對比多層復(fù)合式、間隔式鋁板的侵徹深度，總結(jié)得出高速正侵徹條件下，球形破片的侵徹能力最強(qiáng)。周卿[4]研究了平頭破片侵徹中厚Q235靶板，認(rèn)為靶板的破壞模式是影響靶板彈道極限的主要原因。Naik[5]認(rèn)為玻璃纖維靶板在柱形破片沖擊作用下，除背面少量層發(fā)生拉伸破壞，其余層由于剪切沖塞作用失效。蔣萬樂[6]研究了玻璃纖維層合板低能量沖擊試驗，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料層合板的主要損傷為基體開裂和層間分離。王曉強(qiáng)[7]認(rèn)為7.5 mm立方體高速破片沖擊UFRP厚板時應(yīng)考慮墩粗變形對吸能模式的影響。周慶[8]認(rèn)為纖維拉伸變形和分層是裝甲板主要的吸能模式。顧冰芳[9]以立方體破片沖擊UHMWPE纖維復(fù)合材料，靶板呈現(xiàn)多種和多階段的破壞模式、著靶姿態(tài)對材料的彈道性能有一定的影響。

目前研究中對于UHMWPE纖維層合板受到?jīng)_擊作用后的變形過程認(rèn)識不清，對沖擊過程中纖維的主要破壞模式和吸能機(jī)理認(rèn)識具有分歧。尤其是隨著破片性能的進(jìn)一步提升，UHMWPE纖維層合板的彈道特性更為復(fù)雜。

本文采用具有高密度、高硬度、高強(qiáng)度等特點的硬質(zhì)合金[10]球形破片，開展硬質(zhì)合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板試驗研究，對于認(rèn)識硬質(zhì)合金破片的侵徹能力、彈道特性，分析UHMWPE纖維層合板的破壞模式和吸能模式具有重要工程意義，相關(guān)試驗結(jié)果可以為高效殺傷武器設(shè)計和防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 彈道槍加載試驗

試驗采用的硬質(zhì)合金破片材料為碳化鎢，利用粉末冶金技術(shù)制成。球形破片質(zhì)量0.716 g，直徑4.5 mm，密度15 g/cm3。

UHMWPE纖維層合板作為靶板，板面尺寸為300 mm×300 mm，厚度11 mm，密度0.97 g/cm3，制作方式是將UHMWPE纖維單向平行排列用熱塑性樹脂粘接得到UHMWPE預(yù)浸料后，將上百層預(yù)侵料正交疊放在一起，熱壓后制成[11]。

試驗場地位于中國兵器工業(yè)第二零八研究所測試試驗中心。試驗布置如圖1所示，包含φ7.62 mm口徑彈道槍、彈丸速度測試系統(tǒng)、靶架、高速攝影照相機(jī)等。

硬質(zhì)合金球形破片置于彈托內(nèi)，由于彈托口徑大于破片口徑，利用流動性較差黃油將破片固定于彈托內(nèi)，通過增減發(fā)射藥量控制破片的發(fā)射速度。利用彈丸速度測試系統(tǒng)測量破片的入射速度，高速攝影(補充幀頻)可以分析破片侵徹靶板的變形過程和測量貫穿靶板后的剩余速度。

圖1 試驗場地布置圖

2 試驗結(jié)果分析

2.1 彈道極限速度

按照試驗布置對不同裝藥量的球形硬質(zhì)合金破片20發(fā)進(jìn)行試驗，第13組試驗從回收的靶板(圖2)進(jìn)行分析，破片貫穿了靶板，由于試驗高速攝影未觸發(fā)，無法得到破片剩余速度。從破片侵徹UHMWPE纖維層合板彈道極限與破片能量損失方面進(jìn)行分析，有效試驗數(shù)據(jù)共19組。

圖2 第13組破試驗后靶板形貌

表1為球形硬質(zhì)合金破片侵徹UHMWPE纖維層合板的試驗結(jié)果，ν0為入射速度，νs為剩余速度。隨著裝藥量減少，硬質(zhì)合金破片入射速度逐漸降低，由表1可知破片最高入射速度在1 230 m/s，最低速度為314 m/s。硬質(zhì)合金破片貫穿靶板的最低入射速度為663 m/s，破片未能貫穿靶板的最高入射速度為608 m/s。

彈道極限速度是彈丸侵入靶板與完全穿透靶板的平均值，是衡量靶板抗彈性能的重要指標(biāo)。對于11 mm UHMWPE層合板，硬質(zhì)合金球形破片的彈道極限范圍為608～663 m/s。

表1 不同速度球形破片試驗結(jié)果

利用美國Frankford兵工廠試驗數(shù)據(jù)處理方法[12]計算彈道極限：

其中：ν50為破片貫穿靶板彈道極限速度；νA為混合區(qū)內(nèi)全部測試速度的平均值；Np為局部貫穿數(shù)；Nc為完全貫穿數(shù)；νHP為局部貫穿時的最高速度；νLC為完全貫穿時的最低速度。選取710 m/s、706 m/s、665 m/s、608 m/s、606 m/s五組數(shù)據(jù)計算彈道極限為657.5 m/s。

圖3中散點橫縱坐標(biāo)分別表示每一發(fā)破片的入射速度與剩余速度，圖中的直線為各個點利用最小二乘法擬合的直線。線性系數(shù)表示變量之間線性相關(guān)程度的量，線性系數(shù)越接近1，變量間線性相關(guān)性越強(qiáng)，默認(rèn)相關(guān)系數(shù)大于0.99時，線性關(guān)系具有可信度。硬質(zhì)合金破片貫穿靶板時，入射速度與剩余速度線性相關(guān)系數(shù)為0.993，表明入射速度與剩余速度線性相關(guān)。

圖3 破片入射速度與剩余速度的關(guān)系

文獻(xiàn)[13]中，試驗使用的靶板材料與本實驗中靶板材料相同，試驗結(jié)果具有可比性。對于平均速度為880 m/s的鋼球沖擊11 mm UHMWPE纖維層合板剩余速度為277±48 m/s。利用圖2擬合的入射速度與剩余速度的直線，計算硬質(zhì)合金侵徹11 mm纖維層合板的剩余速度為424 m/s，顯著高于鋼球侵徹纖維層合板的速度，歸因于硬質(zhì)合金強(qiáng)度高、硬度高、密度大，其侵徹能力顯著高于鋼制材料的侵徹體。

圖4是根據(jù)圖3中線性關(guān)系利用動能定理計算的貫穿靶板情況下破片的能量損失，當(dāng)硬質(zhì)合金破片速度大于彈道極限時，隨著破片速度逐漸增加，高速碰撞中由于材料的應(yīng)變率效應(yīng)，侵徹同樣的靶板所需的能量1 146.71 m/s時貫穿靶板比彈道極限657.5 m/s所需能量增大54.4%。

圖4 破片入射速度與侵徹靶板能量損失曲線

2.2 靶板沖擊情況下變形量

在進(jìn)行的20組試驗中，試驗中第1、2兩組由于高速相機(jī)幀率設(shè)置較低，未能觀測到靶板的響應(yīng)，第13、19兩組未觸發(fā)高速攝影，分析靶板在破片沖擊下動態(tài)響應(yīng)的有效數(shù)據(jù)共有16組。

圖5是硬質(zhì)合金破片對UHMWPE纖維層合板沖擊的典型過程。圖5(a)為靶板沖擊前樣貌，可見靶板背面平整；圖5(b)～圖5(f)為破片在靶板內(nèi)運動時靶板的變形過程，靶板正面的纖維在侵徹體的沖擊作用下，發(fā)生剪切失效。由沖擊作用產(chǎn)生的壓縮波傳播至靶板背面反射成拉伸波，背面的纖維層受到拉伸波的作用，形成鼓包凸起。隨著侵徹過程的進(jìn)行，鼓包范圍逐漸擴(kuò)大，鼓包高度逐漸增加，當(dāng)纖維的拉伸變形增大到拉伸極限時，纖維發(fā)生拉伸破壞。當(dāng)纖維層全部破壞后，破片和由剪切沖塞作用產(chǎn)生的沖塞體在摩擦力的作用下從靶板中飛出后圖5(g)～圖5(h)，此后鼓包變形開始回彈，鼓包變形范圍逐漸縮小，鼓包高度減小，靶板中產(chǎn)生分層破壞。

圖5 破片侵徹靶板過程示意圖

圖6表示破片貫穿層合板的情況下，靶板在沖擊作用下由于纖維拉伸變形形成的最大鼓包變形。為了便于對比觀察，以靶板背面為x坐標(biāo)軸，以破片入射方向為y軸，在變形界面取點擬合曲線后，將不同速度下的擬合最大鼓包變形輪廓繪制于同一副圖內(nèi)，即為圖7。隨著入射速度接近臨界速度，鼓包高度逐漸增加，變形范圍擴(kuò)大。入射速度從1 229 m/s減小到710 m/s，鼓包高度增加30%，鼓包區(qū)域增加4倍。隨著破片速度逐漸增加，纖維層合板剪切破壞層數(shù)逐漸增加，拉伸破壞層數(shù)逐漸減小，造成層合板鼓包變形減小

圖6 不同速度下層合板最大鼓包變形

圖7 高速沖擊下層合板鼓包變形輪廓

選取未穿透的入射速度為585 m/s、318 m/s的UHMWPE纖維層合板，利用上述方法對鼓包變形輪廓進(jìn)行分析，鼓包變形輪廓比較如圖8所示。層合板鼓包高度較小且不明顯，入射速度從585 m/s減小到318 m/s，鼓包高度減小50%左右。由于破片未穿透UHMWPE纖維層合板，應(yīng)力波沿纖維方向在靶面內(nèi)傳播距離相同，使低速沖擊下層合板鼓包變形范圍幾乎無變化。

圖8 低速沖擊下層合板鼓包變形輪廓

硬質(zhì)合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板鼓包高度在入射速度高于彈道極限時，層合板鼓包高度隨入射速度增大而減?。划?dāng)入射速度低于彈道極限時，鼓包高度隨入射速度增加而增大。當(dāng)入射速度等于彈道極限時，層合板在硬質(zhì)合金破片沖擊下鼓包高度最大。

UHMWPE纖維層合板背面鼓包由纖維拉伸變形引起，彈道沖擊下，層合板背面纖維拉伸變形越劇烈，層合板鼓包高度越大，拉伸破壞的纖維層數(shù)越多。彈道沖擊中纖維層破壞雖以剪切沖塞破壞為主，但仍有少量背面纖維層可能由于拉伸作用而破壞。隨著破片速度逐漸增大,層合板正面由于剪切作用破壞的層數(shù)逐漸增多，背面由于拉伸作用破壞纖維層數(shù)也逐漸增多，鼓包高度隨之升高。當(dāng)破片入射速度達(dá)到彈道極限，纖維層在剪切作用及拉伸作用下全部破壞，拉伸破壞層數(shù)達(dá)到最多，鼓包高度達(dá)到最大。隨著破片速度繼續(xù)增加，剪切沖塞破壞層數(shù)繼續(xù)增加，由于纖維層合板總層數(shù)一定，拉伸破壞層數(shù)逐漸減少，鼓包高度隨之降低。

如圖9所示，定義層合板沖擊狀態(tài)下最大鼓包變形的頂點與未變形區(qū)域連線形成的角度為層合板的變形角度，角度越小，變形越劇烈，角度越大，變形越輕微。最大鼓包點與未變形區(qū)過渡越劇烈，纖維拉伸變形以塑性變形為主。角度越大，變形越平和，最大鼓包點與未變形區(qū)過渡越平緩，纖維拉伸變形以彈性變形為主。

圖9 層合板鼓包變形角度示意圖

在試驗的各個速度段選取一個典型入射速度，繪制入射速度與變形角度的散點圖。如圖10所示，入射速度由1 229 m/s減小到31 8m/s的，層合板的變形角度由128.7°增加到170.1°，層合板鼓包變形趨于平緩，纖維拉伸由塑性變形向彈性變形轉(zhuǎn)變。

圖10 入射速度與變形角度散點圖

3 切割后靶板變形

由于高速攝影只能從外部觀察彈道沖擊下UHMWPE纖維層合板的變形過程，為了觀察沖擊后的彈道內(nèi)部纖維斷裂特征，選擇在彈道沖擊中點處沿厚度方向切割，觀察沖擊的剖面。選擇水刀切割的方式(圖11)進(jìn)行彈道靶板切割。

圖11 水刀切割方式加工試件圖

由圖12靶板切割后彈道剖面形態(tài)，硬質(zhì)合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板后，靶板正面與反面均有凸起。層合板采用熱壓的方式加工，內(nèi)部殘存一定預(yù)應(yīng)力，靶板在沖擊作用下產(chǎn)生分層破壞，黏接基體開裂，壓縮應(yīng)力釋放，靶板產(chǎn)生凸起。靶板受到破片沖擊后，內(nèi)部產(chǎn)生壓縮波，壓縮波傳播至靶板背面時反射形成拉伸波，拉伸波引起纖維層拉伸變形，形成鼓包變形后回彈也是形成背面凸起的重要原因。

圖12 水刀切割后彈道剖面形態(tài)

從彈道剖面纖維斷裂方式來看，無論破片入射速度是否高于彈道極限，從靶板正面到背面多數(shù)纖維斷裂剖面都齊整，表明硬質(zhì)合金侵徹UHMWPE纖維層合板以剪切沖塞破壞為主。靶板背面由于沖擊作用形成的鼓包變形，造成纖維的失效模式為拉伸失效，背面少數(shù)幾層可見纖維絲脫落。試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[5]計算結(jié)果相同，只有背面最后幾層拉伸應(yīng)變超過了失效應(yīng)變，其他層都是由于剪切沖塞失效。

4 結(jié)論

1) 0.716 g硬質(zhì)合金球形破片沖擊11 mm UHMWPE纖維層合板的彈道極限為657.5 m/s，當(dāng)破片速度高于彈道極限時，入射速度與剩余速度呈線性相關(guān)。 由于應(yīng)變率效應(yīng)的影響，破片速度越高，貫穿靶板損失能量越多，1146.71 m/s比657.5 m/s貫穿靶板多損失54.4%能量。

2) 當(dāng)硬質(zhì)合金破片入射速度等于彈道極限時，UHMWPE纖維層合板鼓包高度最大。 UHMWPE纖維層合板在球形硬質(zhì)合金破片沖擊下發(fā)生剪切沖塞、拉伸變形、分層和基體開裂等破壞形式，彈道沖擊后分層破壞使層合板正反面均有發(fā)生凸起，彈道主要破壞形式為剪切沖塞破壞。