仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料研究進(jìn)展

曾 凡，張志明，范根蓮，譚占秋，李志強(qiáng)

(上海交通大學(xué) 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

1 前 言

裝甲材料面臨著彈丸的高速短時(shí)沖擊及沖擊發(fā)展成的應(yīng)力波、中彈時(shí)的高應(yīng)力應(yīng)變及其引發(fā)的局部失效、與彈丸作用時(shí)的高溫高壓，以及爆炸和腐蝕等嚴(yán)酷的服役環(huán)境。其主要作用是破碎彈丸、吸收或重新分配產(chǎn)生的能量，以徹底防止彈丸的侵徹，或者延緩彈丸到達(dá)靶體的時(shí)間。因此，裝甲材料應(yīng)當(dāng)具有高硬、高強(qiáng)、高韌度、較小的面密度等特性。隨著武器的進(jìn)步，裝甲材料向著高強(qiáng)韌、輕量化、多功能化和高效化的方向發(fā)展，從金屬裝甲、陶瓷裝甲、復(fù)合材料裝甲，發(fā)展到今天的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)等裝甲材料[1]。

金屬裝甲材料因其易加工成各種形狀和厚度的特性，制備改性技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣泛，歷史也最長(zhǎng)，但由于密度較大，已不能滿足各種輕量化的需求。隨后發(fā)展的陶瓷裝甲材料具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、低密度、耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)，但其塑性差、斷裂強(qiáng)度低、易產(chǎn)生脆性斷裂，因此多用于面板設(shè)計(jì)，不能作為均質(zhì)裝甲材料。纖維裝甲材料比強(qiáng)度比模量高、密度小、減震效果好、抗腐蝕、熱導(dǎo)率低，但在耐熱性、界面粘接、熱膨脹和阻燃性能等方面還有很多需要改進(jìn)的地方，因此需要和其他材料進(jìn)行復(fù)合設(shè)計(jì)[2, 3]。層狀復(fù)合裝甲材料可以針對(duì)不同的防彈需求進(jìn)行不同的材料設(shè)計(jì)，是目前常用的裝甲材料之一。層狀復(fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，通常由面板和背板組成，同時(shí)也會(huì)存在層間分離等缺陷。而為了得到更為優(yōu)異的力學(xué)性能和防彈性能，研究人員提出了仿照自然界生物的盔甲等結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)合裝甲的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，主要以仿照貝殼珍珠母層的多級(jí)疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主。

自然界的一些生物為了應(yīng)對(duì)惡劣的自然環(huán)境，優(yōu)勝劣汰進(jìn)化出了天然防護(hù)盔甲，例如貝殼、骨頭、魚(yú)鱗、犰狳鱗板等。這些結(jié)構(gòu)具有體溫調(diào)節(jié)、變色偽裝、種族識(shí)別等多種功能，大體上這種復(fù)雜的多級(jí)有序結(jié)構(gòu)能讓它們?cè)诓粻奚鄰?qiáng)度的情況下大幅增長(zhǎng)塑韌性[4]。貝殼珍珠母層由95%的文石片(CaCO3)和5%的有機(jī)質(zhì)(蛋白質(zhì)和多糖)組成，盡管珍珠母層中的有機(jī)質(zhì)僅占5%，但它在空間和化學(xué)層面上控制了晶體的成核和生長(zhǎng)，在微觀結(jié)構(gòu)的改善和韌性的增強(qiáng)方面起著重要作用[5]。貝殼珍珠母層的韌性可達(dá)文石片的3000多倍，其優(yōu)異的強(qiáng)度、韌度綜合性能得益于其特殊的軟相、硬相相互交替疊合的多級(jí)疊層結(jié)構(gòu)[6]，由于外形類似，也可稱為“磚-泥”結(jié)構(gòu)，如圖1所示[7, 8]。

圖1 雙殼類軟體動(dòng)物殼解剖示意圖，顯示了角質(zhì)層、棱柱層和珍珠層(a)[7]；珍珠層的多級(jí)疊層結(jié)構(gòu)，顯示了從原子尺度、納米尺度、微米尺度到介觀、宏觀尺度的五個(gè)層級(jí)(b)[8]Fig.1 Schematic diagram of bivalve molluscan anatomy showing the periostracum, prismatic layer and nacre(a) [7]; Multi-layered hierarchical structure of nacre, showing five levels from nanoscale, microscale to macro scale(b) [8]

具有這種軟相、硬相相互交替疊合的“磚-泥”結(jié)構(gòu)的仿貝殼珍珠母層材料具有常規(guī)裝甲材料所不具備的強(qiáng)度、韌度匹配的優(yōu)異性能，即在不損失強(qiáng)度的情況下具備非常好的韌度，既能以高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量來(lái)應(yīng)對(duì)彈體的侵徹，又能以高的延展性和韌度來(lái)滿足裝甲所需的抗沖擊和抗崩落能力。因此，以貝殼軟、硬交疊的微納“磚-泥”疊層結(jié)構(gòu)為模型來(lái)制備的復(fù)合材料已經(jīng)成為國(guó)外內(nèi)學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)新型裝甲復(fù)合材料提供了理論支持，使得裝甲防護(hù)能力更強(qiáng)、質(zhì)量更輕、面密度更小成為可能。本文將對(duì)仿貝殼層狀裝甲材料的強(qiáng)韌化原理、制備技術(shù)和防護(hù)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為裝甲材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供新的思路。

2 貝殼的強(qiáng)韌化原理

復(fù)合材料的增韌原理可以分為內(nèi)在增韌機(jī)制和外在增韌機(jī)制兩種[9]。

對(duì)于貝殼增韌原理的研究多在于外在增韌機(jī)制，即這種軟硬相交替的多層增韌結(jié)構(gòu)以其特殊的止裂機(jī)制，極大程度地增強(qiáng)了材料的斷裂韌性。例如，在材料斷裂過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裂紋在層間出現(xiàn)了多次的偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)增大了裂紋擴(kuò)展的途徑，從而極大地增加了裂紋擴(kuò)展所需要的能量。同時(shí)，也觀察到了纖維拔出的現(xiàn)象，文石片的拔出不僅要克服與有機(jī)質(zhì)層的結(jié)合力與摩擦力，還要斷開(kāi)該層所有未脫離的有機(jī)質(zhì)，這些阻礙都勢(shì)必導(dǎo)致材料韌性的增強(qiáng)[10]。此外，有機(jī)質(zhì)橋接模型[11]、文石片互鎖模型[12, 13]、礦物橋接模型[14-17]等機(jī)理的提出，補(bǔ)充完善了貝殼的強(qiáng)韌化機(jī)理。

Launey等[18]認(rèn)為如圖2a和2b所示的多裂紋開(kāi)裂比單裂紋開(kāi)裂使得貝殼更具韌性。Ji等[19]通過(guò)逐步壓縮試驗(yàn)研究了貝殼中層狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和增韌機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，在較低的載荷下，堆疊方向上產(chǎn)生的裂紋在鋪層方向上會(huì)產(chǎn)生未斷裂的韌帶橋聯(lián)和文石片的纖維橋聯(lián)，如圖2c和2d所示；在較高的載荷下，裂紋的擴(kuò)展行為主要包括在鋪層方向上的裂紋偏轉(zhuǎn)和在堆疊方向上的階梯狀開(kāi)裂。此外，Ji等還觀察到了魚(yú)骨狀的互鎖機(jī)制。Sch?ffer等[14]通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)等表征手段發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)層間有5～50 nm的孔洞，分布間距為20～100 nm，間接說(shuō)明了礦物橋的存在。Song等[15]用透射電子顯微鏡(TEM)直接證明了礦物橋的存在。同時(shí)他的研究表明，礦物橋除了使晶片的晶向保持一致外，對(duì)材料力學(xué)性能影響也很大：強(qiáng)度增加4倍、裂紋阻力增至1.25倍、斷裂韌性增至2.5倍、裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度縮小至1/4。

圖2 貝殼裂紋偏轉(zhuǎn)(a)與層間拔出(b)[18]；貝殼中未斷裂的韌帶橋聯(lián)(c)與文石片的纖維橋聯(lián)(d)[19]Fig.2 Crack deflection(a),pull-out mechanism(b) [18]; uncracked-ligament bridging(c),aragonite fiber bridging (d)[19]

關(guān)于貝殼增韌原理，內(nèi)部增韌的原理的研究則比較少。Huang等[20, 21]認(rèn)為高應(yīng)變速率(～103s-1)比準(zhǔn)靜態(tài)(10-3s-1)加載的情況下斷裂韌性更高，其主要原因在于產(chǎn)生的不全位錯(cuò)和變形孿晶的協(xié)同作用。其后又發(fā)現(xiàn)了裂紋會(huì)直接穿越文石片，從而增加斷裂的能量耗散。Li等[22]同樣發(fā)現(xiàn)在侵徹區(qū)域周圍產(chǎn)生了寬度為～50 nm的納米變形孿晶，而納米變形孿晶能引發(fā)各種能量耗散機(jī)制，例如晶界和晶內(nèi)的納米裂紋、有機(jī)質(zhì)的粘塑性伸長(zhǎng)、納米晶的變形和重定向等，從而增大了能量耗散密度。

總而言之，貝殼強(qiáng)度和韌性的匹配是各個(gè)尺度下各種外在和內(nèi)在機(jī)制綜合作用的結(jié)果[23]。對(duì)貝殼強(qiáng)韌化機(jī)理的研究也因而促進(jìn)了各種新材料仿貝殼的技術(shù)和應(yīng)用的研究發(fā)展。

3 仿貝殼層狀復(fù)合材料的制備技術(shù)與性能

目前，貝殼仿生在很大程度上仍受限于缺乏合適的制備方法。大多數(shù)制備方法只能在一定程度上模仿貝殼的微觀結(jié)構(gòu)，還未有方法能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)貝殼的結(jié)構(gòu)和性能的有效調(diào)控。熱壓輔助注漿成型法[24]還有待減少孔隙率、增強(qiáng)層間結(jié)合；而電泳沉積[25, 26]、層層自組裝[27]等方法多用于制備薄膜材料，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。大多數(shù)方法僅能制備出微觀疊層厚度為幾十至幾百微米的材料，性能都不理想。大多數(shù)方法仍處于實(shí)驗(yàn)階段，大規(guī)模商業(yè)化和大尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)仍是非常大的挑戰(zhàn)[28]。

冰凍鑄造法(freezing casting)[18, 29-31]能夠制備出具有“磚-泥”結(jié)構(gòu)的材料。如圖3a所示[30]，這種方法主要是利用水在結(jié)冰過(guò)程中，溶質(zhì)會(huì)從水中排出，留在冰的空隙中。因此在陶瓷漿料的定向凝固過(guò)程中，陶瓷顆粒的析出會(huì)產(chǎn)生與冰凍前沿平行取向的層狀微結(jié)構(gòu)，再通過(guò)向陶瓷顆粒形成的層狀骨架浸滲第二相(金屬或聚合物)得到致密的復(fù)合材料。此外，未及時(shí)完全排出的陶瓷顆粒，最終形成了類似于礦物橋的微結(jié)構(gòu)。Munch等[30]制備的Al2O3/PMMA復(fù)合材料的斷裂韌性達(dá)到了組成成分的300倍(能量角度)，屈服強(qiáng)度為200 MPa的情況下斷裂韌性達(dá)到了30 MPa·m1/2。在這種“磚-泥”結(jié)構(gòu)中，聚合物層的平均厚度約為1～2 μm，在某些區(qū)域達(dá)到了與珍珠層相似的亞微米厚度，如圖3b所示[30]。同時(shí)，陶瓷層上的表面凸起也與貝殼的礦物橋微結(jié)構(gòu)十分相似，如圖3c所示[30]。Launey等[18]制備的40%Al2O3/Al-Si復(fù)合材料(體積分?jǐn)?shù)，下同)微觀片層厚度可達(dá)10 μm，在拉伸強(qiáng)度約為300 MPa的情況下斷裂韌性達(dá)到了40 MPa·m1/2。Shen等[32]通過(guò)改變合金元素、調(diào)控界面反應(yīng)等手段，采用冰凍鑄造法制備了各種抗壓性能優(yōu)異的陶瓷增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料，其中Al-Mg-Si/Al2O3復(fù)合材料的頂部抗壓強(qiáng)度達(dá)到了1190±50 MPa，但底部的抗壓性能較差。

片狀粉末冶金法(flake powder metallurgy, flake PM)是一種簡(jiǎn)單、快速且批量生產(chǎn)的方法，在仿貝殼材料領(lǐng)域也有所應(yīng)用。Jiang等[33]將Al片上天然形成的Al2O3薄膜和Al片狀粉末組裝成Al2O3/Al納米復(fù)合材料。首先通過(guò)球磨得到片狀的鋁粉，然后加熱得到帶有Al2O3薄膜的Al片，帶有Al2O3薄膜的Al片在自然重力作用下趨于平行排列，再通過(guò)冷壓燒結(jié)擠壓等致密化工序得到致密的Al2O3/Al納米復(fù)合材料，如圖4所示。其中Al2O3薄膜厚度約為10 nm，Al層厚度為300～500 nm。最終得到的產(chǎn)品在強(qiáng)度為262 MPa的情況下塑性為22.9%。Li等[34]通過(guò)片狀粉末冶金的方法制備了還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, RGO)增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。其中Al層的厚度約為190 nm，長(zhǎng)度約為800 nm，石墨烯層的厚度極薄，只有少數(shù)幾層石墨烯片，分布在相鄰Al層的5 nm氧化鋁薄膜之間，這與貝殼珍珠母層的“磚-泥”疊層結(jié)構(gòu)十分相似。制備出的0.75%(TGO/Al)和1.5%RGO/Al復(fù)合材料在延伸率變化不大的情況下，具有比鋁基體更高的硬度和強(qiáng)度，其中1.5%RGO/Al復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到了300 MPa。TEM下的原位拉伸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，裂紋首先萌發(fā)在增強(qiáng)體與基體的界面上，然后產(chǎn)生的橋接阻礙了裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，最終形成了曲折的裂紋偏轉(zhuǎn)效果。這種阻礙裂紋擴(kuò)展的方式與貝殼中的增韌方式十分相似，很好地補(bǔ)充了傳統(tǒng)復(fù)合材料中缺少的外在韌化方式。片狀粉末冶金方法制備的上述仿貝殼金屬基復(fù)合材料，在形態(tài)、尺度上與貝殼非常相像，其良好的強(qiáng)韌性是以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主的內(nèi)在韌化與以裂紋偏轉(zhuǎn)為輔的外在韌化相結(jié)合的結(jié)果。但仿貝殼金屬基復(fù)合材料中以金屬軟相為“磚”，納米增強(qiáng)體硬相為“泥”，與貝殼中文石片硬相為“磚”，有機(jī)質(zhì)軟相為“泥”的結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別。將比金屬更硬的陶瓷作為硬相，而金屬作為粘合軟相，將可能是高硬度高模量仿貝殼金屬基復(fù)合裝甲材料的發(fā)展方向之一。

圖3 冰凍鑄造法原理示意圖(a)[29]；Al2O3/PMMA復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)SEM照片(b)[30]；Al2O3/PMMA復(fù)合材料的微觀礦物橋結(jié)構(gòu)SEM照片(c)[30]Fig.3 Schematic diagram of freezing casting (a) [29]; SEM images of laminated structure of the Al2O3/PMMA composite (b) and mineral bridges in the Al2O3/PMMA composite (c) [30]

圖4 片狀粉末冶金法制備Al2O3薄膜/Al復(fù)合材料[33]：(a) 材料結(jié)構(gòu)及制備原理示意圖，(b,c) Al2O3薄膜/Al復(fù)合材料斷口形貌SEM照片；(d) 層狀結(jié)構(gòu)TEM照片F(xiàn)ig.4 Al2O3 skin/Al composite prepared by flake powder metallurgy[33]: (a) schematic diagram,(b)SEM image of the fracture morphology of the Al2O3 skin/Al composite,(c) SEM image of the enlarged fracture morphology,(d)TEM image shows laminated structure of Al2O3 skin/Al composite

此外，還有一些其他的方法例如共擠壓[35, 36](coextrusion)等，所制備的材料同樣較好地模仿了貝殼的結(jié)構(gòu)和性能。Wilkerson等[35]通過(guò)單/多通道共擠壓熱壓的方法制備了Al2O3/10Ni復(fù)合材料，具有200 MPa的強(qiáng)度和5 MPa·m1/2的斷裂韌性，層厚達(dá)到了150 μm。該復(fù)合材料層狀效果好，但性能有待加強(qiáng)。Wilkerson等[36]隨后還對(duì)共擠壓的Al2O3/Ni復(fù)合材料的尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，研究表明，復(fù)合材料的微觀層厚降低有利于性能提升，而且界面強(qiáng)度是限制材料性能提升的一個(gè)重要因素。

仿貝殼材料的研究方法很多，但大多數(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還需要經(jīng)過(guò)更多的優(yōu)化和細(xì)化，對(duì)貝殼更為微觀結(jié)構(gòu)的模仿還鮮有涉及，對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控還需更加深入。例如層與層之間的界面行為、尺寸效應(yīng)、應(yīng)力應(yīng)變的分布等對(duì)性能的影響，都是未來(lái)研究的方向。尤其是在防彈防護(hù)方面的應(yīng)用中，仿貝殼層狀裝甲材料在制備技術(shù)方面還有很長(zhǎng)一段路要走。

4 仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料的防護(hù)性能

裝甲材料面對(duì)破甲彈和穿甲彈的多重作用，有著強(qiáng)度、韌度等復(fù)雜的性能需求。層狀裝甲材料就是將不同材料的力學(xué)性能、理化特性進(jìn)行組合，從而達(dá)到一個(gè)較好的綜合防彈性能。而區(qū)別于普通的面板背板設(shè)計(jì)的層狀復(fù)合裝甲材料，仿貝殼的層狀裝甲材料往往是多層復(fù)合，尺度也小得多，甚至達(dá)到微米亞微米級(jí)別。因此，仿貝殼的層狀裝甲材料具有更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，破壞原理和實(shí)際防護(hù)效果也會(huì)與普通層狀復(fù)合裝甲材料相比有很大的不同。

在實(shí)際對(duì)仿貝殼層狀裝甲材料的研究當(dāng)中，各種不同的材料都有涉及。

4.1 陶瓷/樹(shù)脂仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料的防護(hù)性能

陶瓷材料是典型的具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐熱性的材料，但同時(shí)極易發(fā)生脆性斷裂，在彈道沖擊過(guò)程中往往發(fā)生的是粉碎性破壞。因此，陶瓷材料在裝甲材料中的應(yīng)用更多地是和其它防護(hù)材料一起構(gòu)成復(fù)合裝甲材料。而這些其它防護(hù)材料起到的作用往往是提供更高的斷裂韌性，能在彈道沖擊過(guò)程中吸收更多的能量，從而整體增強(qiáng)該復(fù)合材料的防彈性能，達(dá)到更好的防彈效果。

黃玉松等[37]研究了5種樹(shù)脂基復(fù)合材料與氧化鋁抗彈陶瓷的相互作用，制備了軟相、硬相交替疊合的多層增韌的貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)仿生復(fù)合材料，其中陶瓷薄片和樹(shù)脂基復(fù)合材料薄膜都是亞毫米級(jí)的厚度，然后再用該復(fù)合材料與5 mm厚的鋼板進(jìn)行復(fù)合，用口徑7.62 mm的標(biāo)準(zhǔn)彈道槍進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，共聚酰胺樹(shù)脂基仿生復(fù)合材料的防護(hù)效果最好，仿貝殼層狀裝甲材料比普通抗彈陶瓷材料更易吸收破壞過(guò)程中的能量，其具有低密度、高斷裂韌性的特點(diǎn)，斷裂功提高了約12倍。Wang等[38]制備了一種層狀交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的陶瓷磚，并用樹(shù)脂進(jìn)行粘合，進(jìn)一步對(duì)這種粘合的陶瓷磚進(jìn)行了落錘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究了陶瓷磚的形狀大小、參錯(cuò)形式、沖擊位置和粘合形式等對(duì)整體材料的抗沖擊性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿貝殼的層狀結(jié)構(gòu)陶瓷磚能限制裂紋擴(kuò)展，并使裂紋偏轉(zhuǎn)，從而提高復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度。

數(shù)值模擬方面，Grujicic等[39]通過(guò)瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)和有限元分析法建立了B4C/聚脲復(fù)合材料的模型，增加了表面輪廓處理，粗糙度處理及礦物橋結(jié)構(gòu)，研究了普通正射和15°斜射情況下的實(shí)心圓筒彈丸對(duì)材料的沖擊作用，如圖5所示。研究表明，固定的面密度和彈丸速度情況下，仿貝殼的B4C/聚脲復(fù)合材料比單一的B4C材料具有更好的彈道保護(hù)效果，且高表面粗糙度和礦物橋等結(jié)構(gòu)對(duì)材料防彈效果具有非常大的改善作用。

4.2 金屬/樹(shù)脂仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料的防護(hù)性能

金屬在裝甲材料中應(yīng)用廣泛，其在很多裝甲材料的實(shí)際應(yīng)用中都有非常好的表現(xiàn)。在仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也會(huì)仿照貝殼對(duì)金屬進(jìn)行片層化設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)往往是用一定厚度的純金屬或者合金片來(lái)模擬貝殼中的文石片；用一定含量的樹(shù)脂材料對(duì)金屬片層進(jìn)行粘合，模擬貝殼中的有機(jī)質(zhì)層；再通過(guò)實(shí)際力學(xué)性能試驗(yàn)、防彈性能試驗(yàn)或者數(shù)值模擬來(lái)對(duì)材料最終性能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證這種仿貝殼設(shè)計(jì)的優(yōu)越性或者發(fā)現(xiàn)其中更多的規(guī)律和機(jī)理。

Flores-Johnson等[40]用環(huán)氧樹(shù)脂將1.1 mm厚的7075鋁合金塊粘合起來(lái)，使其具備了一定的表面起伏和界面粘合強(qiáng)度，通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了厚度分別為5.4, 7.5和9.6 mm鋁合金復(fù)合材料的靶板分別被半球形剛性彈丸沖擊的過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，5.4 mm仿貝殼結(jié)構(gòu)的鋁合金板比相同厚度的整體板塊的能量吸收效果好得多，無(wú)論是通過(guò)片層的變形導(dǎo)致的局部能量吸收，還是層間拔出和摩擦導(dǎo)致的總體能量吸收。而且對(duì)于給定的彈丸和靶板，隨著層厚的增加，這種改善效果逐漸減少。Miao等[41]用環(huán)氧樹(shù)脂將1 mm厚的AA7075-T651合金塊粘合起來(lái)，分別制備出了5，7，9層的仿貝殼鋁合金復(fù)合裝甲材料，并用半球形的鋼制槍彈在340～450 m/s速度下進(jìn)行了實(shí)彈測(cè)試，如圖6所示。結(jié)果表明，5層和7層的仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)的彈丸剩余速度比整塊合金的要低，因此防彈效果更好。

圖5 通過(guò)瞬態(tài)非線性動(dòng)力學(xué)和有限元分析法建立的B4C/聚脲復(fù)合材料的模型[39]：(a)仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)模型；(b)帶有表面微觀結(jié)構(gòu)的仿貝殼片層，包括表面輪廓處理、表面粗糙度、礦物橋；在普通600 m/s子彈沖擊下：帶表面微觀結(jié)構(gòu)的仿貝殼層狀復(fù)合材料(c)、普通仿貝殼層狀復(fù)合材料(e)和普通B4C抗彈陶瓷材料(g)的響應(yīng)圖和彈丸終速；在15°斜度的600 m/s子彈沖擊下：帶表面微觀結(jié)構(gòu)的仿貝殼層狀復(fù)合材料(d)、普通仿貝殼層狀復(fù)合材料(f)和普通B4C抗彈陶瓷材料(h)的響應(yīng)圖和彈丸終速Fig.5 B4C/polyurea composite model using a series of transient, nonlinear dynamic, finite-element analyses[39]: (a) nacre-like laminated structure model; (b) nacre-like tablet with surface microstructures, including tablet surface-profile amplitude, surface roughness, and mineral-bridge; response diagram and final velocity of nacre-like laminated composite with surface microstructures (c), nacre-like laminated composite (e), and B4C ballistic ceramic material (g) under bullet impact of 600 m/s; response diagram and final velocity of nacre-like laminated composite with surface microstructures (d), nacre-like laminated composite (f), B4C ballistic ceramic material (h) under bullet impact of 600 m/s at 15° inclination

4.3 金屬/金屬間化合物仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料的防護(hù)性能

金屬間化合物不僅具有低密度、高強(qiáng)度、高模量等特點(diǎn)，還具有良好的抗腐蝕、抗氧化、抗蠕變性能，以及優(yōu)異的高溫強(qiáng)度，是一種良好的高溫結(jié)構(gòu)材料。然而其室溫下塑韌性較差，非常容易斷裂，嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用。因此，對(duì)金屬間化合物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化變得十分有必要。目前對(duì)金屬間化合物基復(fù)合材料的主要強(qiáng)韌化研究中包含了Al-Ti、Al-Cr、Al-Nb、Al-Ni等金屬間化合物[42]。

其中Al3Ti合金由于密度低、模量高、抗腐蝕性能好，更具有成為裝甲材料的潛力，也成為了強(qiáng)韌化改造的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向[42]。Kenneth[43]利用層層自組裝的方法制備了性能優(yōu)異又制造簡(jiǎn)單的Ti/Al3Ti復(fù)合材料，Ti/Al3Ti復(fù)合材料的裂紋擴(kuò)展曲線與鈦合金(如Ti-6Al-4V等)的相似，但是具有更高的剛度和較低的密度，這些性能正好可以應(yīng)用在裝甲領(lǐng)域。進(jìn)一步對(duì)20%Ti/Al3Ti復(fù)合材料進(jìn)行了彈道沖擊試驗(yàn)，沖擊物為一質(zhì)量約為10 g、初始直徑為6.15 mm的鎢重合金棒(93W-7FeCo)，該鎢合金棒以900 m/s的速度沖擊向面密度為7 g/cm2的2 cm厚靶材。最后侵徹深度小于1 cm，見(jiàn)圖7。該方法還可以應(yīng)用于各種陶瓷增強(qiáng)的金屬間化合物基復(fù)合材料。

圖7 仿貝殼層狀20%Ti/Al3Ti復(fù)合材料的彈道沖擊試驗(yàn)[43]：(a)材料微觀結(jié)構(gòu)，(b)材料的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和裂紋擴(kuò)展曲線，(c)彈道試驗(yàn)截面圖Fig.7 Ballistic impact test of the nacre-like laminated 20% Ti/Al3Ti composite[43]: (a) Microstructure of the composite, (b) three-point bending test and crack propagation of the composite, (c) a cross section of bullet impact test withthe composite

除了以上提到的常見(jiàn)的仿生裝甲材料，還有一些關(guān)于其它類型仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料的研究，例如一些硅酸鹽材料。Chandler等[44]制備了仿生的聚乙烯醇(PVA)/蒙脫土(MMT)納米膜材料，并將其用作高性能水泥材料的表層。厚度約為160 μm的含25%的PVA/MMT復(fù)合膜在～102s-1表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗沖擊性能。

此外，陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲材料多用于簡(jiǎn)單的面板/背板設(shè)計(jì)[45]，而對(duì)于仿貝殼層狀結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)還多停留在力學(xué)性能的探討上，在防彈裝甲領(lǐng)域鮮有涉及。將強(qiáng)韌性較好的金屬作為軟相、更為硬脆的陶瓷作為硬相，交替形成仿貝殼陶瓷/金屬?gòu)?fù)合裝甲，在界面強(qiáng)度足夠的情況下，相信其在防彈裝甲方面會(huì)有非常好的發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，仿貝殼層狀復(fù)合材料是一種能應(yīng)用于防彈防沖擊領(lǐng)域的裝甲材料。該材料具備優(yōu)異的力學(xué)性能和防護(hù)性能，主要得益于貝殼珍珠母層的各種內(nèi)在和外在增強(qiáng)增韌原理，尤其是其獨(dú)特的軟硬相交互疊合的層狀結(jié)構(gòu)及礦物橋等微觀結(jié)構(gòu)。無(wú)論是在實(shí)際的彈道測(cè)試，還是在有限元的模擬分析下，仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料對(duì)力學(xué)性能和防護(hù)性能的重要貢獻(xiàn)均得到了驗(yàn)證，為今后的復(fù)合裝甲材料設(shè)計(jì)提供了非常重要的思路和借鑒。

然而，影響仿貝殼材料實(shí)際應(yīng)用的主要問(wèn)題在于仿生結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)尚不成熟，雖然有著冰凍鑄造法、片狀粉末冶金法等新型制備方法，但是要想獲得貝殼那樣足夠優(yōu)異的性能，仍需要開(kāi)發(fā)更加精細(xì)的調(diào)控方法和更加簡(jiǎn)單易行、能夠宏量化制備的技術(shù)。此外，在實(shí)際材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中，也暴露出了仿貝殼層狀復(fù)合裝甲材料研究的各種不足之處。例如，層與層之間的結(jié)合強(qiáng)度、微觀尺度下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控，以及內(nèi)部增強(qiáng)增韌設(shè)計(jì)等，這些問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究和解決。

總而言之，無(wú)論是對(duì)仿貝殼層狀復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌原理還是制備技術(shù)，抑或是對(duì)其防侵徹方面的研究，都需向著更精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更廣泛的技術(shù)原型、更優(yōu)異的性能導(dǎo)向去發(fā)展。