YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈機(jī)理研究

鄧佳杰，章健，張先鋒，包闊

（1. 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050；2. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094）

低面密度、高透過率、高防護(hù)性是透明裝甲未來的發(fā)展方向. 透明陶瓷兼具較好的力學(xué)和光學(xué)性能，可替代防彈玻璃，作為新一代透明裝甲理想材料. 研究表明，相同防護(hù)指標(biāo)下，透明陶瓷裝甲面密度相對防彈玻璃降低50 %以上[1?2]. 透明陶瓷作為裝甲面板，其失效形式對裝甲結(jié)構(gòu)抗彈性能影響顯著[3?4].

國外學(xué)者在透明陶瓷及其復(fù)合靶研究方面已開展了較深入的研究工作. 防護(hù)用透明陶瓷的研究主要集中于鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）、氮氧化鋁（AlON）、釔鋁石榴石（YAG）三類材料. 在試驗(yàn)研究方面，SHOCKEY 等[3]開展了透明陶瓷復(fù)合靶抗彈性能試驗(yàn)研究，通過測量靶板結(jié)構(gòu)彈道極限速度（v50）來評估其防護(hù)性能，結(jié)果表明透明陶瓷/玻璃/聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)可在相同面密度上實(shí)現(xiàn)更高效的防護(hù)性能.KRELL 等[5?7]研究了尖晶石透明陶瓷本征參數(shù)對其抗彈性能的作用規(guī)律. 研究確定了透明陶瓷內(nèi)部缺陷形貌對其復(fù)合靶抗彈性能具有顯著影響. 德國馬赫所（EMI）和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）聯(lián)合開展了尖晶石體系（AlON、MgAl2O4）透明陶瓷抗彈性能研究工作，通過邊緣沖擊試驗(yàn)（edge-on impact test,EOI）觀測材料損傷破壞情況，結(jié)合彈道性能試驗(yàn)掌握了透明陶瓷內(nèi)部應(yīng)力波傳播、損傷產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律[8?10]. KLEMENT 等[11]開 展 了AlON 透 明 陶 瓷 抗 彈性能試驗(yàn)研究，研究表明AlON 透明陶瓷優(yōu)異的抗彈性能是透明裝甲前置層的理想材料. 包闊等[12]通過宏-微觀分析手段，對破片沖擊下的YAG 透明陶瓷復(fù)合靶進(jìn)行研究，探明了YAG 透明陶瓷的裂紋擴(kuò)展規(guī)律及微觀損傷特征. 在數(shù)值模擬研究方面，F(xiàn)OUNTZOULAS[13?14]模擬了透明陶瓷內(nèi)部缺陷對其抗彈性能的影響，針對缺陷密度、形狀、大小對靶抗彈性能影響進(jìn)行了深入分析. 在理論研究方面，GRUJICIC等[15]通過建立模型預(yù)測了透明陶瓷在動態(tài)沖擊下產(chǎn)生的損傷區(qū)域. SANDS 等[16]開展了MgAl2O4透明陶瓷復(fù)合靶抗彈性能有限元模擬計(jì)算研究，修正了對透明陶瓷材料參數(shù)，并在模擬中采用JH-2 模型定義透明陶瓷強(qiáng)度與失效模型. 陳貝貝等[17]采用剩余穿深法研究了YAG 透明陶瓷/玻璃復(fù)合靶的抗彈性能，研究結(jié)果表明YAG 透明陶瓷對彈體有較強(qiáng)地破碎作用.

YAG 透明陶瓷主要用于激光陶瓷中，近年來由中科院上海硅酸鹽所引入透明裝甲防護(hù)領(lǐng)域. 當(dāng)前，在已開展的透明陶瓷復(fù)合靶研究中，鮮有制式彈侵徹YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的相關(guān)試驗(yàn)與模擬研究工作. 因此，需開展相關(guān)試驗(yàn)與有限元模擬研究，為YAG 透明陶瓷的工程應(yīng)用提供研究基礎(chǔ).

本文以YAG 透明陶瓷復(fù)合靶為研究對象，開展54 式12.7 mm 穿甲燃燒彈侵徹YAG 透明陶瓷復(fù)合靶試驗(yàn)與有限元模擬研究. 在彈道槍測試平臺上，結(jié)合高速攝影技術(shù)，獲取典型結(jié)構(gòu)YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈瞬態(tài)過程及彈靶損傷破壞特征，試驗(yàn)角度分析YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈機(jī)理. 在此基礎(chǔ)上，利用AUTODYN 動力學(xué)有限元模擬軟件，建立YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈過程模型，分析透明陶瓷面板、聚碳酸酯背板厚度變化對其復(fù)合靶板抗彈性能的影響規(guī)律，進(jìn)一步揭示YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈機(jī)理.

1 試驗(yàn)研究

1.1 靶板結(jié)構(gòu)及材料

本文透明陶瓷復(fù)合靶結(jié)構(gòu)為YAG 透明陶瓷/玻璃/聚碳酸酯. 在透明陶瓷、玻璃與聚碳酸酯層間采用聚氨酯膠膜進(jìn)行黏合，通過熱壓成型工藝制備得到透光性優(yōu)異的透明陶瓷復(fù)合靶. 針對單發(fā)12.7 mm穿甲燃燒彈采用215 mm×165 mm 規(guī)格復(fù)合靶測試樣件，如圖1 所示. 試驗(yàn)中通過鋁制約束框?qū)?fù)合靶板進(jìn)行固定.

圖1 YAG 透明陶瓷復(fù)合靶Fig. 1 YAG transparent ceramic composite target

YAG 透明陶瓷由上海硅酸鹽研究所制備得到，YAG 透明陶瓷密度為4.55 g/cm3，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度約為570 MPa. 鈉鈣玻璃密度為2.53 g/cm3，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度約為353 MPa. 聚碳酸酯選用牌號為Sabic?LEXAN? HLG5-112 的材料，密度為1.1 g/cm3，準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度約為48 MPa.

根據(jù)透明陶瓷復(fù)合靶各層的材料力學(xué)特性，設(shè)計(jì)6 種靶板結(jié)構(gòu)，通過對比研究不同結(jié)構(gòu)YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈性能探究其彈靶作用機(jī)制. 試驗(yàn)中具體靶板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在彈道槍測試平臺上開展54 式12.7 mm 穿甲燃燒彈侵徹YAG 透明陶瓷復(fù)合靶試驗(yàn)，研究YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈機(jī)理.

12.7 mm 穿甲燃燒彈彈芯為硬質(zhì)合金鋼，蒙皮由覆銅鋼材質(zhì)構(gòu)成，內(nèi)含相應(yīng)的燃燒劑及配重鉛套. 為了避免彈靶作用過程中彈體頭部燃燒劑火光影響高速攝影成像效果，試驗(yàn)中除去頭部含燃燒劑的彈尖端殼體. 圖2 給出試驗(yàn)用去掉彈頭燃燒劑的12.7 mm穿甲燃燒彈.如圖4 所示，試驗(yàn)靶板通過G 形夾固定于靶架上. 此外，為了有效觀測和定量測量透明陶瓷復(fù)合靶的背凸情況，在聚碳酸酯背板上畫出10 mm×10 mm的黑色網(wǎng)格線. 通過側(cè)面方向的高速攝影，對彈靶作用過程中的聚碳酸酯背凸量進(jìn)行測量.

圖2 12.7 mm 穿甲燃燒彈Fig. 2 12.7 mm armor-piercing incendiary

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場布局Fig. 3 The design of test site

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場情況Fig. 4 Test site

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)1.2 節(jié)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展了YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗12.7 mm 穿甲燃燒彈沖擊試驗(yàn)研究. 由高速攝影裝置拍攝外彈道軌跡，當(dāng)彈體著靶姿態(tài)垂直于靶體表面，彈體符合垂直侵徹著靶條件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效. 表2 給出了對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，表中彈體速度為高速攝影校核過的激光測速儀計(jì)算著靶速度. 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及瞬態(tài)觀測手段對透明陶瓷復(fù)合靶抗彈性能進(jìn)行分析.

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Experimental results

典型靶板受沖擊后的破壞結(jié)果如圖5 所示. 對靶體表面破壞情況進(jìn)行分析，可以得到陶瓷中心區(qū)域全部粉碎拋出，破壞區(qū)域在厚度方向上呈錐形，即形成陶瓷錐. 破壞后陶瓷碎片向外飛出，在膠膜的作用下未能完全脫離并向外隆起. 隨著撞擊的進(jìn)行，彈體能量轉(zhuǎn)化為陶瓷及玻璃破壞、彈體變形、背板彈塑性變形這幾部分能量. 中間層玻璃在受彈區(qū)域自沖擊點(diǎn)向周向延伸呈現(xiàn)出粉末狀碎裂至塊狀碎裂的過渡.

圖5 透明陶瓷復(fù)合靶破壞情況（10.0 mm YAG 透明陶瓷/14 mm 玻璃/6 mm 聚碳酸酯）Fig. 5 Damage of YAG transparent ceramic composite target on the strike face （10.0 mm YAG /14 mm Glass/6 mm PC）

作為典型的塑性材料，聚碳酸酯背板具有較強(qiáng)的抗沖擊吸能作用. 圖6 分別給出多個(gè)時(shí)刻靶板側(cè)面和背面的變形吸能情況. 由圖6 可知，彈靶作用初期，彈體高速沖擊靶板產(chǎn)生沖擊火焰的同時(shí)侵徹進(jìn)入靶板內(nèi)部，與此同時(shí)透明陶瓷面板在受彈區(qū)域產(chǎn)生破壞形成陶瓷錐；隨著侵徹的深入，殘余彈體隨陶瓷錐擠壓玻璃層及聚碳酸酯背板，著靶點(diǎn)區(qū)域玻璃產(chǎn)生破碎并形成擴(kuò)散形裂紋，玻璃層破碎區(qū)域遠(yuǎn)大于彈體直徑，聚碳酸酯層開始產(chǎn)生拉伸變形，背板隆起；侵徹中后期，透明陶瓷的陶瓷錐能量進(jìn)一步被玻璃破碎吸收及聚碳酸酯塑性變形吸收；當(dāng)彈體能量完全轉(zhuǎn)化為陶瓷與玻璃破碎失效、背板彈塑性變形的能量后，聚碳酸酯完成吸收殘余能量而未產(chǎn)生撕裂破壞，則透明陶瓷復(fù)合靶實(shí)現(xiàn)了有效防護(hù).

圖6 透明陶瓷復(fù)合靶背板變形情況（10.0 mm YAG 透明陶瓷/14 mm 玻璃/6 mm 聚碳酸酯）Fig. 6 Deformation of the polycarbonate backplane （10.0 mm YAG /14 mm Glass/6 mm PC）

圖7 分別給出了針對12.7 mm 穿甲燃燒彈沖擊復(fù)合靶過程中，高速攝影圖像量測得到的復(fù)合靶背板最大背凸及殘余背凸情況. 由圖示結(jié)果可以看出，在背板材料及尺寸一定的情況下最大背凸量及殘余背凸量與面密度或相同面密度下透明陶瓷面板厚度成正比. 較大面密度情況，中間層玻璃已耗散部分沖擊動能，背板背凸深度降低，背板對危險(xiǎn)源殘余沖擊能量的吸收減弱. 背板背凸面積在多面密度情況下，變形面積均相似，且背凸在最大彈性變形后部分恢復(fù)，且由于慣性作用中間層聚氨酯及殘余玻璃反向回彈從而呈現(xiàn)該部分的反向圓環(huán)狀凸起. 對于12.7 mm穿甲燃燒彈半速沖擊的情況，95.5 kg/m2及以上背板全區(qū)域凸起均能夠完全恢復(fù).

圖7 透明陶瓷復(fù)合靶背板最大/殘余背凸Fig. 7 Maximal and remnant embossing of the polycarbonate backplane

由于YAG 透明陶瓷面板具有一定的厚度，在彈靶作用過程中均能夠不同程度的破壞彈體，回收彈體如圖8 所示. 由于YAG 透明陶瓷面板高強(qiáng)超硬，在彈靶作用過程中能夠有效破壞彈體. 靶體能夠有效侵蝕彈體頭部，剩余彈體均為彈體中后段殘片結(jié)構(gòu). 隨著透明陶瓷厚度的增加，其對彈體的破壞程度隨之增加.

圖8 試驗(yàn)回收彈體 （YAG 透明陶瓷面板厚度10.2 mm）Fig. 8 Recycled projectile after experiment （Thickness of YAG is 10.2 mm）

通過以上試驗(yàn)研究可知，YAG 透明陶瓷復(fù)合靶通過透明陶瓷面板有效破壞彈體，彈體彈芯中前段在沖擊過程中被有效破壞，剩余中后段在侵徹進(jìn)行過程中由于應(yīng)力波的作用產(chǎn)生拉伸破壞. 拉伸破壞的彈體無法再侵徹深入靶體內(nèi)部，剩余彈體能量被背板聚氨酯及聚碳酸酯有效的吸收.

2 有限元模擬

在YAG 透明陶瓷復(fù)合靶抗彈性能試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，開展透明陶瓷復(fù)合靶抗彈過程的有限元模擬，分別開展透明陶瓷面板和背板厚度與防護(hù)性能的影響規(guī)律研究，對透明陶瓷及其復(fù)合靶的抗彈機(jī)理進(jìn)行深入分析.

2.1 有限元模擬模型

基于ANSYS/AUTODYN 有限元軟件，結(jié)合54式12.7 mm 穿甲燃燒彈的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立彈體的二維有限元模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖9）. 靶板網(wǎng)格與彈體接觸作用部分設(shè)置與彈體網(wǎng)格大小相近.彈靶均采用拉格朗日算法進(jìn)行有限元計(jì)算分析. 參考相關(guān)文獻(xiàn)[18?19]，定義彈體材料模型參數(shù)與有限元網(wǎng)格劃分.

圖9 有限元模型Fig. 9 Numerical simulation model

拉格朗日算法有限元模型中采用External gap 接觸算法定義靶板層間及彈靶間的接觸. 模型采用二維軸對稱模型，對于靶板采用與試驗(yàn)相同的約束方式，對靶板側(cè)向邊緣的X軸和Y軸位移進(jìn)行約束，設(shè)置位移均為0.

2.2 有限元模型本構(gòu)參數(shù)確定

2.2.1 YAG 透明陶瓷和玻璃材料模型

現(xiàn)階段數(shù)值仿真中陶瓷、玻璃等脆性材料多采用JH-2 本構(gòu)模型[20]. 基于前期研究獲得的透明陶瓷力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)合玻璃動力學(xué)性能的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[21]，給出適用于有限元模擬計(jì)算較全的材料參數(shù).表3 和表4 分別給出有限元計(jì)算中的透明陶瓷和玻璃的本構(gòu)參數(shù).

表3 YAG 透明陶瓷本構(gòu)參數(shù)Tab. 3 Constitutive parameter of YAG

表4 玻璃本構(gòu)參數(shù)Tab. 4 Constitutive parameter of glass

2.2.2 聚碳酸酯材料模型

通過前人的數(shù)值模擬與校驗(yàn)，證明了分段Johnson-Cook 模型能夠較好地描述聚碳酸酯材料的動態(tài)沖擊響應(yīng)變形特性，將聚碳酸酯的塑性很好地體現(xiàn)了出來，這從側(cè)面也反應(yīng)了Johnson-Cook 本構(gòu)模型的通用性與自身的適應(yīng)性. 表5 給出了聚碳酸酯的本構(gòu)參數(shù).

表5 聚碳酸酯本構(gòu)參數(shù)Tab. 5 Constitutive parameter of polycarbonate

2.3 抗彈過程有限元模型結(jié)果與分析

基于有限元模擬軟件ANSYS/AUTODYN 對透明陶瓷裝甲抗沖擊過程進(jìn)行了有限元模擬研究. 在前述制式彈沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立對應(yīng)的有限元模型. 圖10 給出10.2 mm YAG 透明陶瓷/10 mm 玻璃/6 mm 聚碳酸酯結(jié)構(gòu)YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈過程數(shù)值模擬損傷云圖.

圖10 YAG 透明陶瓷復(fù)合靶各層沖擊損傷過程Fig. 10 Damage in each layer of YAG transparent ceramic composite target

數(shù)值模擬結(jié)果有效地還原了試驗(yàn)無法獲取的靶板自彈芯接觸靶板至背板最大背凸的整個(gè)過程. 圖10截取典型的時(shí)刻進(jìn)行分析. 0.04 ms 時(shí)刻，彈芯開始接觸透明陶瓷面板，面板迎彈面產(chǎn)生破壞，透明陶瓷面板底部開始形成陶瓷錐，同時(shí)彈芯頭部開始鈍化；0.05 ms 時(shí)刻，彈芯進(jìn)一步侵蝕鈍化，陶瓷錐形成，中間玻璃層開始開始失效破壞；0.06 ms 時(shí)刻，陶瓷錐與玻璃錐同時(shí)產(chǎn)生，背板開始產(chǎn)生彈性變形，彈體頭部侵蝕加??；0.07 ms 時(shí)刻，未侵蝕彈體殘余動能與陶瓷錐、玻璃錐共同作用于聚碳酸酯背板上，背板形變加劇，該階段透明陶瓷復(fù)合靶每一層均參與失效或形變以此吸收彈體的沖擊能量，彈體侵徹速度急劇下降；0.11 ms 時(shí)刻，彈體動能降至0，著靶點(diǎn)區(qū)域透明陶瓷與玻璃之間完全破碎，隨著侵徹的深入，破碎的陶瓷與玻璃反向噴濺形成空腔，聚碳酸酯背板拉伸凸起達(dá)到最大.

為了進(jìn)一步研究YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈機(jī)理，分別對迎彈面YAG 透明陶瓷和背板聚碳酸酯影響復(fù)合靶抗彈性能的規(guī)律性進(jìn)行研究.

①YAG 透明陶瓷面板厚度對復(fù)合靶抗彈性能的影響規(guī)律.

在有限元計(jì)算模型建立的基礎(chǔ)上，研究玻璃層和聚碳酸酯層厚度相同的情況，改變YAG 透明陶瓷層厚度對復(fù)合靶抗彈性能的影響規(guī)律研究. 分別建立透明陶瓷厚度7、8、9、10、11、12 mm 時(shí)，3 種不同厚度玻璃的YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈性能，抗彈性能采用最大背凸量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn). 由圖11 結(jié)果所示，在透明陶瓷復(fù)合靶未穿透的情況下，隨著YAG 透明陶瓷層厚度的增加，其最大背凸量呈下降趨勢，且透明陶瓷厚度越大最大背凸量的下降趨勢逐漸趨于緩和. 由此，從圖11 可知，隨著透明陶瓷層增加，其對彈體的破壞能力進(jìn)一步加大，透明陶瓷消耗的彈體侵徹動能增加，從而使得背板的背凸量降低，抗彈性能提升. 對于相同陶瓷厚度，增加玻璃層厚度可減少背板的彈塑性變形，即背板吸能減少. 然而，相對于透明陶瓷層的增加，玻璃層的增加對透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈性能提升相對有限.

圖11 YAG 透明陶瓷層厚度與最大背凸間關(guān)系Fig. 11 The relationship between thickness of YAG and maximal embossing of PC

②聚碳酸酯背板厚度對復(fù)合靶抗彈性能的影響規(guī)律.

聚碳酸酯背板是復(fù)合靶防護(hù)的關(guān)鍵彈塑性吸能層，本節(jié)分別針對3～9 mm 厚度聚碳酸酯在復(fù)合靶中的防護(hù)能力進(jìn)行考核. 改變聚碳酸酯層厚度，分別對10 mm YAG/10 mm 玻璃和10 mm YAG/12 mm 玻璃兩類前置結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算. 圖12 給出了對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，由圖可知，對于目前的前置YAG和玻璃結(jié)構(gòu)，聚碳酸酯層厚度在4 mm 以下無法有效作為吸能層防護(hù)制式彈的打擊. 此外，聚碳酸酯層厚度進(jìn)一步增加至7 mm 及以上時(shí)，其作為背板的防護(hù)作用出現(xiàn)過剩，背板吸能有限無需過厚的背板材料.因此，作為背板的彈塑性聚碳酸酯材料，其在一定厚度范圍能夠高效地發(fā)揮其吸能與防護(hù)作用.

圖12 聚碳酸酯層厚度與最大背凸間關(guān)系Fig. 12 The relationship between thickness of PC and maximal embossing

3 結(jié) 論

本文開展了12.7 mm 穿甲燃燒彈沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，利用高速攝影技術(shù)，獲取了不同層合結(jié)構(gòu)的YAG 透明陶瓷復(fù)合靶彈靶作用瞬態(tài)過程及彈靶損傷情況. 通過有限元模擬方法，進(jìn)一步探究YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的抗彈機(jī)理. 通過本文研究，可以得到以下結(jié)論：

①透明陶瓷面板對破碎彈體起到至關(guān)重要的作用，透明陶瓷裝甲依靠透明陶瓷面板的高強(qiáng)度破碎彈體以有效消耗彈體沖擊動能，玻璃層消耗陶瓷錐的沖擊能量，背板吸收殘余動能，從而實(shí)現(xiàn)低面密度的透明防護(hù).

②在面密度相當(dāng)?shù)那闆r下，當(dāng)陶瓷厚度增加，同時(shí)玻璃厚度減小，結(jié)構(gòu)的抗彈性能顯著增加，玻璃作為中間層的作用相對于陶瓷層厚度的增加對抗彈性能的提高作用較低.

③在保證透明陶瓷面板與玻璃中間層厚度相同的條件下，聚碳酸酯厚度僅在一定范圍區(qū)間能實(shí)現(xiàn)復(fù)合靶的高效防護(hù)，聚碳酸酯厚度過薄將削弱復(fù)合靶整體的防護(hù)性能，無限增加聚碳酸酯厚度，不利于透明陶瓷復(fù)合靶的輕量化.