改變子彈侵徹路徑的裝甲復(fù)合材料研究

樊啟要

中圖分類號：TJ81+0.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-0226（2021）12-0074-06

近年來，新型高速穿甲彈迅速發(fā)展，對裝甲車輛防護能力提出更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何開發(fā)出高效、輕質(zhì)的防護裝甲材料，是各國軍事領(lǐng)域研究的重要課題。

陶瓷具有硬度高、密度低的特性，尤其是動態(tài)強度高，受高速撞擊時，動態(tài)強度將提高一個數(shù)量級，這有利于防彈，但韌性差，中彈后易破碎，不能單獨構(gòu)成防彈裝甲。通常將陶瓷粘接金屬背板制成復(fù)合裝甲板，但是陶瓷與金屬在密度、彈性模量及聲阻抗等方面存在明顯差異。受沖擊時，陶瓷/金屬界面處產(chǎn)生反射拉伸波，造成抗拉強度較低的陶瓷面板斷裂，極大削弱陶瓷材料的防彈優(yōu)勢，陶瓷板破裂后，防多發(fā)彈能力減弱。纖維防彈材料韌性好、密度低，能吸收大量的沖擊能量，單獨作為防彈板時，可防御小口徑的普通彈，而對于高強度穿甲彈卻難以防御。

本文綜合利用陶瓷及纖維材料的抗彈特性，設(shè)計制造了一種由陶瓷柱體、超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維及高強度樹脂構(gòu)成的新型復(fù)合裝甲材料。通過靶板對比試驗，驗證其抗7.62 mm×54 API穿甲燃燒彈侵徹的能力。

1復(fù)合裝甲板抗彈原理分析

1.1復(fù)合裝甲板結(jié)構(gòu)

新型復(fù)合材料裝甲板由破彈層、支撐層和吸能層組成，陶瓷硬度高，圓柱形陶瓷柱體充當(dāng)靶板的破彈層，磨削鈍化高強度合金彈頭;碳纖維具有高強度、高彈性模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特性，用其作為復(fù)合材料裝甲板的中間層，能對陶瓷柱體起到支撐作用，作為支撐層;穿甲彈質(zhì)量大、彈速高，產(chǎn)生巨大的侵徹能量，超高分子量聚乙烯纖維板由多層復(fù)合而成，通過層間分離及形變，能吸收大量的動能，作為復(fù)合材料裝甲板的吸能層。復(fù)合材料裝甲板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

靶板材料的性能參數(shù)如表1～表3所示。

1.2微動效應(yīng)及子彈偏航

“微動效應(yīng)”是指陶瓷柱體受到子彈撞擊時，由于各個陶瓷柱之間的非剛性固定，會產(chǎn)生微小的偏移量，導(dǎo)致子彈受到的不對稱力發(fā)生變化，偏航角逐漸加大，反映在侵徹路徑上，表現(xiàn)為侵徹路徑呈曲線狀，大大減弱了子彈的侵徹能力。

對子彈撞擊陶瓷柱體的受力狀況進行簡化，如圖2所示，圖中實線表示子彈剛撞擊陶瓷柱的狀態(tài)，虛線表示陶瓷柱體受到子彈撞擊后，產(chǎn)生微小偏移量6后的狀態(tài)，由于陶瓷柱體硬度較高且表面光滑，切向力，可以忽略。因此，子彈受到兩個力的作用：重力G，其作用點是子彈的質(zhì)心O′;撞擊力F，其作用點是撞擊點P。兩個力相交于Q點，構(gòu)成平面力系，如式（1）～式（3）所示。

由式4～式6可知，子彈撞擊陶瓷柱體后，由于微動效應(yīng)，α角不斷增大，v也隨之增大，表現(xiàn)為侵徹路徑呈曲線狀，子彈偏航角增大，大大減弱了子彈的侵徹能力。

1.3典型工況分析

由于微動效應(yīng)，子彈侵徹靶板主要有兩種工況，工況一（Case 1）為子彈擊中單個陶瓷柱體中心處，工況二（Case 2）為子彈落在兩個陶瓷柱體中心處，其余侵徹點時子彈會產(chǎn)生偏航，最終會落在兩個陶瓷柱中心處，如圖3所示。

設(shè)子彈侵徹靶板的沖擊力為F工況一單個陶瓷柱體承受了沖擊力F，而工況二由兩個陶瓷柱體共同承擔(dān)沖擊力F，為：

可以看出，工況二單個陶瓷柱承受的沖擊力要明顯小于工況一陶瓷柱承受的沖擊力，且工況二的支撐層由于受力分散，受力面積大，抗子彈侵徹的能力更好。為進一步分析靶板抗彈效果，研究了子彈沖擊靶板的能量時程關(guān)系，按照北約STANAG 4569彈道防護標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級，7.62 mmAPI彈（穿甲燃燒彈），彈速854 m/s，彈重10.04g，模擬兩種工況下子彈的Energy-Time，如圖4所示。

子彈侵徹靶板時，其沖擊能量會逐漸變小，兩種工況的能量變化有差異，在5μs時程前，工況1能量衰減較快，這是因為工況1子彈先與陶瓷柱撞擊所致;而在5μs時程后，工況2由于子彈撞擊兩條陶瓷柱，能量衰減比工況1更明顯。但從兩種工況的曲線變化來看，可劃分為兩個階段，拐點為20μs左右，20μs時程前，子彈能量急速衰減，之后進入緩慢下降期，說明20μs時程前，陶瓷柱體對子彈的能量衰減起主要作用。

2實彈試驗

2.1靶板設(shè)計

新型復(fù)合裝甲靶板（簡稱靶板Ⅰ，編號：28-20160222-01）尺寸為400 mmx400 mmx27 mm，靶板Ⅰ的結(jié)構(gòu)如圖5所示，面板為陶瓷柱體和樹脂復(fù)合材料，厚度為10 mm，面密度31kg/m;中間層為碳纖維材料，背板為超高分子量聚乙烯材料，中間層和背板面密度為17.5 kg/m;復(fù)合材料靶板總面密度為48.5 kg/m。

為驗證新型復(fù)合裝甲靶板防彈能力，還設(shè)計了一種復(fù)合裝甲靶板（簡稱靶板Ⅱ，編號：28-20160222-02），靶板Ⅱ的結(jié)構(gòu)如圖6所示，將面板更換為正六邊形陶瓷平板，板厚為10 mm，正六邊形邊長為50 mm，其余部分材料及靶板尺寸同靶板Ⅰ，總面密度為55.7kg/m。

2.2靶板試驗

在彈道實驗室進行實彈試驗。試驗條件：子彈為7.62mm×54 API穿甲燃燒彈，彈速854m/s，垂直入射。用電子測速儀測試槍出口25m處的子彈速度，標(biāo)為v靶板周邊采用夾子固定。每個靶板各射擊子彈3發(fā)，試驗結(jié)果如表4～表5所示。

圖7為靶板Ⅰ著彈后的正面和背面照片，三發(fā)子彈射擊，靶板陶瓷柱局部破裂，背面形成背凸，均沒有穿透，其中第一發(fā)和第三發(fā)著彈部位有兩根陶瓷柱局部破裂，第二發(fā)著彈部位只有一根陶瓷柱局部破裂。

圖8為靶板Ⅱ著彈后的正面和背面照片，三發(fā)子彈射擊，靶板表層陶瓷板穿透，直徑約20mm，背面形成背凸，雖未穿透，但PE層背凸明顯、翹曲變形嚴(yán)重。

2.3靶板損傷情況分析

圖9～圖11為靶板Ⅰ損傷情況照片，第一發(fā)子彈著靶后，子彈落在兩個陶瓷柱體之間，表面碳纖維層出現(xiàn)以彈孔為中心的十字形破裂，兩根陶瓷柱局部碎裂，中間的纖維支撐層也出現(xiàn)局部破裂，PE層有兩條局部壓痕，背板形成背凸高約6.2mm，未穿透。第二發(fā)子彈擊中1根陶瓷柱，表面碳纖維層出現(xiàn)以彈孔為中心較大范圍的破裂，陶瓷柱破裂，纖維支撐層也出現(xiàn)局部較大范圍破裂，PE層只有1條局部壓痕，但壓痕較深，形成背凸高約10.5mm，未穿透。第三發(fā)子彈著靶效果同第一發(fā)，未穿透。

圖12為靶板Ⅱ陶瓷面板的損傷情況照片，由于三發(fā)彈的侵徹現(xiàn)象沒有明顯差異，僅選取其中的第二發(fā)進行分析。靶板著彈后，形成徑向、環(huán)向及Hertzian錐形裂紋，由于背板PE材料吸收了殘彈及陶瓷碎片的沖擊能量，并沒有形成倒錐形斷裂面。

條件相同的實彈試驗，兩種靶板的PE層損傷情況差異明顯。如圖13所示，靶板Ⅰ未出現(xiàn)明顯脫層現(xiàn)象，通過拆解靶板觀察PE層損傷情況：PE層內(nèi)側(cè)表面未有明顯穿深損傷，只是出現(xiàn)類似陶瓷柱體形狀的條形壓痕，其中第二發(fā)彈位置由于擊中單根陶瓷柱，壓痕面積稍大些。靶板Ⅰ的PE層背凸最大為10.5 mm，且三發(fā)彈侵徹后PE板結(jié)構(gòu)仍較為完整，抗多發(fā)彈侵徹能力強。

圖14是靶板Ⅱ拆解后PE層損傷情況照片，可以看出，整板出現(xiàn)明顯的分層和翹曲變形，PE層內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)5mm左右的穿深破壞。PE層背凸最大為28mm，表面尺寸400mm×400mm的靶板抗三發(fā)彈侵徹已是極限。

2.4靶板損傷機理探討

在彈、靶碰撞過程中，彈與靶之間力的交換、能量的交換和傳遞主要以應(yīng)力波的形式進行。彈、靶碰撞界面即為波源位置，應(yīng)力波同時向彈、靶的四周傳播，對彈、靶造成破壞。應(yīng)力波傳播時，遇到界面就發(fā)生反射和透射。靶板Ⅱ的防彈機理在文獻中有詳細(xì)的描述，陶瓷板的破壞經(jīng)歷了五個階段，PE層的破壞形態(tài)有三種模式，應(yīng)力波的往復(fù)運動是靶板破壞的主要因素。

從兩個靶板的結(jié)構(gòu)形態(tài)來看，只是陶瓷層的結(jié)構(gòu)不同，但兩者的抗彈性能差異明顯，說明采用陶瓷柱的復(fù)合板結(jié)構(gòu)方式更有利于抵御穿甲彈的侵徹。靶板I受到子彈撞擊時，首先是子彈與陶瓷柱體的撞擊，由于各個陶瓷柱之間的非剛性固定，產(chǎn)生微動效應(yīng)，子彈受到不對稱力作用，產(chǎn)生了偏航，減弱了子彈垂直沖擊靶板的動量。陶瓷柱體破裂后，一部分彈片和破碎的陶瓷由于受到橫向力的作用飛濺出靶板，消耗了部分沖擊能量，其余部分殘彈與破碎的陶瓷繼續(xù)沖擊碳纖維支撐層，并與纖維層共同作用于PE板，碳纖維層出現(xiàn)與紋理方向一致的破裂現(xiàn)象，但殘彈并沒有透過碳纖維層。

靶板I子彈擊中單個陶瓷柱體時，由于穿甲彈的侵徹能量較大，陶瓷柱的破損較為嚴(yán)重，表層出現(xiàn)較大面積的破裂，碳纖維支撐層局部破裂，PE層壓痕較深，背凸明顯;子彈落在兩個陶瓷柱體之間時，由于兩條陶瓷柱共同抵御穿甲彈的侵徹，雖然兩條陶瓷柱體均局部破裂，但表層只出現(xiàn)以彈孔為中心的十字形破裂，碳纖維支撐層局部破裂而為穿透，PE層壓痕淺，背凸不明顯。

三發(fā)彈襲擊后，靶板I未出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，通過拆解靶板的各層發(fā)現(xiàn)，雖然子彈是垂直侵徹，但入侵點與背凸中心的連線和靶板面不垂直，說明子彈侵徹路徑發(fā)生了改變。

3結(jié)語

通過兩種靶板的對比試驗，結(jié)果表明：由陶瓷柱、碳纖維層和PE材料構(gòu)成的新型復(fù)合裝甲板，面密度僅為48.5 kg/m，由于其特殊的結(jié)構(gòu)特點，能防住垂直入射的7.62 mm×54API穿甲燃燒彈侵徹，且僅有最多兩根陶瓷柱局部破碎，其它部分仍保持完好，能抗多發(fā)彈連續(xù)射擊。

該試驗驗證了子彈侵徹新型復(fù)合裝甲板的兩種工況，工況一為子彈擊中單個陶瓷柱體，工況二為子彈落在兩個陶瓷柱體之間，其余侵徹點時子彈會產(chǎn)生偏航，最終會落在兩個陶瓷柱之間，抗子彈侵徹能力更好。

新型復(fù)合裝甲板受到子彈撞擊時，首先是子彈與陶瓷柱體的撞擊，由于各個陶瓷柱之間的非剛性固定，產(chǎn)生微動效應(yīng)，子彈受到不對稱力作用，產(chǎn)生了偏航，減弱了子彈垂直沖擊靶板的動量。陶瓷柱體破裂后，一部分彈片和破碎的陶瓷由于受到橫向力的作用飛濺出靶板，消耗了部分沖擊能量，其余部分殘彈與破碎的陶瓷繼續(xù)沖擊碳纖維支撐層，并與纖維層共同作用于PE板，碳纖維層出現(xiàn)與紋理方向一致的破裂現(xiàn)象，但殘彈并沒有透過碳纖維層。