碳化硼陶瓷插板抗多發(fā)彈性能研究

程時(shí)雨，李忠盛，郭 峰，聶嘉興，叢大龍

(中國兵器工業(yè)第五九研究所， 重慶 400039)

1 引言

隨著輕武器技術(shù)水平的快速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中傳統(tǒng)防彈衣必須配合硬質(zhì)插板才可對各類先進(jìn)小口徑彈丸實(shí)現(xiàn)有效防御。輕量化、高防護(hù)一直是單兵防護(hù)裝備的重點(diǎn)發(fā)展方向。自20世紀(jì)80年代以來，陶瓷材料逐漸在各型裝甲車輛復(fù)合裝甲中得到廣泛應(yīng)用，已成為防御小口徑穿甲彈等高動能彈丸必不可少的關(guān)鍵材料。因此研制高模、高強(qiáng)、高韌的抗彈陶瓷是實(shí)現(xiàn)防彈插板大幅提升防彈性能的有效途徑。

在裝甲防護(hù)領(lǐng)域，常用的抗彈陶瓷主要有氧化鋁陶、碳化硅、碳化硼、硼化鈦等。碳化硼陶瓷由于具有較低的密度和較高的力學(xué)性能脫穎而出，能夠充分滿足防護(hù)性與輕量化水平的平衡，是目前最適合制作單兵插板的抗彈陶瓷之一。傳統(tǒng)整板單相碳化硼陶瓷，由于其較高的硬度會導(dǎo)致大面積碎裂，影響抗多發(fā)彈性能，拼接陶瓷雖然具備一定的抗多發(fā)彈性能，但擊中接縫時(shí)防護(hù)性能會急劇下降。因此，不僅要保證防彈板的高強(qiáng)度和硬度，還要具備良好的沖擊韌性。復(fù)相增韌碳化硼兼具強(qiáng)度及韌性，具備低裂紋擴(kuò)散速率，對提高插板防多發(fā)彈性能具有重要意義。

目前,國內(nèi)外陶瓷復(fù)合防彈插板抗多發(fā)彈打擊性能的研究主要集中在防彈插板結(jié)構(gòu)的研究，對防彈插板抗多發(fā)彈打擊損傷特性的研究相對較少,而其損傷特性與使用者的安全密切相關(guān),因此研究防彈插板抗多發(fā)彈打擊損傷特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)外針對防彈衣的制式槍彈防護(hù)性能測試標(biāo)準(zhǔn)和方法均規(guī)定，對同一樣品需進(jìn)行多發(fā)彈打擊，超高分子量聚乙烯(PE)復(fù)合材料作為一種成熟的插板背板，經(jīng)過大量試驗(yàn)證明其具有優(yōu)異的抗多發(fā)彈性能。為了研究BC復(fù)相增韌陶瓷和單相碳化硼B(yǎng)C陶瓷的吸能及損傷機(jī)制、陶瓷與超高分子量聚乙烯背板的協(xié)同吸能機(jī)制，制備了相同面密度的兩型陶瓷配合同種PE背板進(jìn)行了抗多發(fā)彈性能試驗(yàn)，對防彈插板抗多發(fā)彈的機(jī)理進(jìn)行了初步的分析與研究。

2 試驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

8.5 mm復(fù)相增韌碳化硼；9.5 mm單相碳化硼；芳綸平紋布；熱塑性膠膜；9.5 mm PE背板。

萬能材料試機(jī)；單相碳化硼罐；平板硫化機(jī)；彈道測速工作槍，53式7.62 mm穿甲燃燒彈；掃描電鏡SEM。

2.2 2種整板碳化硼陶瓷插板制備

整板陶瓷和拼接式陶瓷相比,可以產(chǎn)生更大的陶瓷破碎錐，從而吸收彈丸動能，因此具有更佳優(yōu)異的防單發(fā)彈性能。但由于單發(fā)射擊后，整板陶瓷受損范圍相對較大，容易影響下一發(fā)射擊的防護(hù)性能。因此，實(shí)現(xiàn)抗彈陶瓷硬度與韌性的合理匹配是平衡整板陶瓷插板防彈發(fā)彈性能與防多發(fā)彈性能的關(guān)鍵。本文中設(shè)計(jì)了同等面密度的單相碳化硼和復(fù)相增韌碳化硼陶瓷整板制備防彈插板。2種插板均采用溫壓曲線一致的單相碳化硼罐工藝，按照芳綸-陶瓷-芳綸-PE背板的經(jīng)典三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合，芳綸、膠黏劑、PE背板均選用同種規(guī)格。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩型陶瓷的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 防彈插板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of ballisitc insert plates

表1 兩型陶瓷規(guī)格參數(shù)Table 1 Specifications of the two types ceramic

2.3 靶試試驗(yàn)

抗彈性能試驗(yàn)在中國兵器裝備集團(tuán)兵器裝備研究所測試中心進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖2 所示。試驗(yàn)用槍：7.62 mm彈道槍；試驗(yàn)用彈：53式7.62 mm穿甲燃燒彈(調(diào)速彈)；射距15 m，著速度878±10 m/s，0°射角入射。試驗(yàn)方案：2種插板各選擇2 塊樣品，每塊樣品共射擊4 發(fā)，居中射擊的前3發(fā)彈間距100 mm，第4發(fā)位于插板幾何中心，彈著點(diǎn)位置見圖3。樣品為標(biāo)準(zhǔn)多曲大號插板，尺寸325 mm×260 mm。試驗(yàn)方法參照GA141—2010《警用防彈衣》與NIJ Standard-0101.06 Ballistic Resistance of Body Armor的要求，對樣品貫穿情況和背部膠泥凹陷深度(backface signature，BFS)進(jìn)行記錄。

圖2 彈道試驗(yàn)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ballistic test system

2.4 無損探傷

靶試試驗(yàn)完成后，采用NOVO高精度X射線探傷儀對插板著彈點(diǎn)的損傷情況進(jìn)行無損探傷分析，從而定性分析插板陶瓷能量吸收情況，評估其抗多發(fā)彈性能。

3 結(jié)果分析

3.1 抗彈性能分析

2種陶瓷制備的插板貫穿/未貫穿情況以及背部膠泥凹陷深度(BFS)情況如表2所示。著彈點(diǎn)位置如圖3。

表2 插板貫穿/未貫穿情況以及背部膠泥凹陷深度情況Table 2 Penetration/non-penetration of the ballisitc insert plates and the depth of the backface signature

圖3 彈著點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Point of impact

通過對比分析可知，在多發(fā)彈打擊下，單相碳化硼插板和復(fù)相增韌陶瓷插板均存在背部膠泥凹陷深度BFS逐漸遞增甚至擊穿的情況。一方面前序射擊引起陶瓷碎裂導(dǎo)致后續(xù)射擊陶瓷碎裂損傷范圍有限，能量吸收較低，彈丸會保留更高的動能傳遞至PE背板。另一方面，由于經(jīng)過多次打擊，PE背板變形量逐漸增加，各界面分層破壞逐漸加強(qiáng)，降低了PE背板對陶瓷的支撐作用及協(xié)同抗彈的機(jī)能。因此，導(dǎo)致該種陶瓷+PE的典型結(jié)構(gòu)插板均存在BFS遞增的趨勢。

對第#1、#2、#3、#4靶板進(jìn)行拆解(見圖4—圖7)，對每處著彈點(diǎn)位置的陶瓷破碎錐直徑進(jìn)行測量統(tǒng)計(jì)，并分析其與每發(fā)射擊的BFS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖4 #1單相碳化硼插板陶瓷損傷形貌Fig.4 Damage morphology of #1 single-phase boron carbide insert ceramics

圖5 #2單相碳化硼插板陶瓷損傷形貌Fig.5 Damage morphology of #2 single-phase boron carbide insert ceramics

圖6 #3復(fù)相增韌插板陶瓷損傷形貌Fig.6 Damage morphology of #3 multi-phase boron carbide insert ceramics

圖7 #4復(fù)相增韌插板陶瓷損傷形貌Fig.7 Damage morphology of #4 multi-phase boron carbide insert ceramics

由表3可知單相碳化硼燒結(jié)陶瓷插板第1發(fā)射擊的BFS普遍小于復(fù)相增韌陶瓷插板，這是因?yàn)閱蜗嗵蓟鹛沾删哂懈叩挠捕?，能夠更加充分地對彈丸進(jìn)行磨削并吸收更多動能，因此PE背板承受的剩余動能較低、變形量較小。當(dāng)?shù)?發(fā)射擊時(shí)，單相碳化硼陶瓷具有較高硬度和較低韌性，導(dǎo)致了較大的裂紋擴(kuò)展范圍，因此，陶瓷破碎錐均較大，因此吸收了更多動能。

表3 陶瓷破碎錐與BFS關(guān)系對應(yīng)表Table 3 Table of relation between ceramic crushing and BFS

3.2 抗多發(fā)彈損傷特性分析

隨著后續(xù)不斷射擊，無論是單相碳化硼陶瓷插板還是復(fù)相增韌陶瓷插板,其陶瓷破碎錐直徑都存在一定程度降低。這是因?yàn)椋阂环矫娑喟l(fā)射擊后，2種插板的背板都出現(xiàn)了不同程度的分層失效現(xiàn)象，導(dǎo)致對陶瓷的支撐作用下降；另一方面陶瓷裂紋擴(kuò)展存在一定隨機(jī)性，前序射擊的裂紋會嚴(yán)重降低后續(xù)射擊的裂紋擴(kuò)展速率從而導(dǎo)致殘余碎裂吸能的陶瓷體積降低。特別是單相碳化硼陶瓷插板，經(jīng)過多發(fā)打擊后已不能在膠黏界面捕捉到相對完整的破碎錐，這是因?yàn)閱蜗嗵蓟鹛沾珊蛷?fù)相增韌陶瓷相比硬度更高但韌性較差，裂紋擴(kuò)展速率高，雖然單發(fā)彈丸吸能具有一定優(yōu)勢，但多發(fā)射擊時(shí)，后續(xù)射擊擊中的已經(jīng)是碎裂后的陶瓷，因此表現(xiàn)出，隨著射序遞增，背凸嚴(yán)重遞增，甚至擊穿的現(xiàn)象。所以，單相碳化硼陶瓷插板的抗多發(fā)彈性能相對較差。

將殘留在插板中的殘余彈體取出，靶試后的殘余彈體形貌如圖8、圖9所示，53式7.62 mm穿甲燃燒彈著靶后在插板中找到殘余銅皮和鋼芯。經(jīng)稱量，#2單相碳化硼陶瓷插板找到的殘余彈體分別重3.9 g、2.8 g、3.2 g、6.6 g，#4單相碳化硼碳化硼陶瓷插板找到的殘余彈體分別重1.9 g、6.8 g、5.2 g、5.6 g。這是由于單相碳化硼陶瓷具有較高的硬度，首發(fā)彈擊時(shí)使得彈丸幾乎完全粉碎。

圖8 #2單相碳化硼陶瓷插板殘余彈丸形貌Fig.8 Residual projectile morphology of #2 single-phase boron carbide ceramics inserts

圖9 4#復(fù)相增韌碳化硼陶瓷插板殘余彈丸形貌Fig.9 Residual projectile morphology of #4 multi-phase boron carbide ceramics inserts

但單相碳化硼和增韌碳化硼陶瓷插板的后續(xù)射擊彈丸粉碎情況均相對較差，因此能量損耗較前序射擊較低，導(dǎo)致背板需消耗更高的剩余動能。因此，兩型插板的多發(fā)射擊都存在背BFS增大甚至擊穿的趨勢。

綜上可知，單相碳化硼陶瓷在防御第1發(fā)射擊時(shí)，相比增韌的復(fù)相增韌陶瓷具有一定優(yōu)勢。

3.3 抗多發(fā)彈原理分析

本文采用XRD分析了復(fù)相增韌陶瓷的表面物相，XRD圖譜如圖10，結(jié)果表明陶瓷的主要物相為碳化硼、二硼化鈦和碳化硅。已有文獻(xiàn)表明碳-硼化合物有一個(gè)從BC到BC的很寬的均相區(qū)，游離SiC雖然會輕微降低陶瓷的強(qiáng)度，但能量吸收能力能有一定程度提高,通過優(yōu)化TiB的尺寸和含量，利用過渡族金屬硼化物的熱膨脹系數(shù)和各向異性所造成的裂紋傾轉(zhuǎn)效應(yīng),可顯著提高材料的斷裂韌性。有效降低裂紋擴(kuò)展速率從而提高抗多發(fā)彈能力。采用光學(xué)金相顯微鏡分析了顯微組織，復(fù)相增韌陶瓷顯微組織如圖11所示，結(jié)果表明組織均勻性差，側(cè)面和迎彈面組織差異很大，采用維氏硬度儀測量同一塊復(fù)相增韌陶瓷,不同著彈位置附近各12個(gè)點(diǎn)位的斷裂韌性如表4所示。

圖10 復(fù)相增韌陶瓷XRD圖譜Fig.10 The XRD pattern of multiphase toughened ceramics

圖11 復(fù)相增韌陶瓷顯微組織Fig.11 SEM morphologies of multiphase toughened ceramics

表4 復(fù)相增韌陶瓷斷裂韌性Table 4 Fracture toughness of multiphase toughened ceramics

由此可知，該塊復(fù)相增韌陶瓷斷裂韌性為3.1～4.4 MPa·m，高于常規(guī)單相陶瓷的斷裂韌性3～3.5 MPa·m，存在組織不均勻的缺陷。雖然從微觀層面上復(fù)相增韌陶瓷均勻性較差，但是插板在受到彈道侵徹沖擊時(shí)通過對沖擊形貌的觀察彈道侵徹的響應(yīng)主要是局部效應(yīng)，對于直徑約6 mm的穿甲彈鋼芯而言，在宏觀層面上抗彈性能并無明顯差異。

復(fù)相增韌陶瓷裂紋寬度測試如圖12所示，采用NOVO高精度X射線探傷儀器對復(fù)相增韌插板陶瓷彈擊后裂紋寬度進(jìn)行測試，結(jié)果表明該裂紋僅0.8 mm與常規(guī)拼接式復(fù)合裝甲陶瓷接縫尺寸相近。因此，可以推測該類徑向裂紋不會對后續(xù)防彈性能產(chǎn)生致命影響。

圖12 復(fù)相增韌陶瓷裂紋寬度測試圖Fig.12 Crack width measurement of composite toughened ceramics

4 結(jié)論

1) 復(fù)相增韌碳化硼和傳統(tǒng)單相碳化硼相比，雖然硬度較低，但斷裂韌性較高，防多發(fā)彈具有優(yōu)勢。

2) 單塊插板經(jīng)過7.62 mm穿燃彈的多發(fā)射擊，產(chǎn)生的陶瓷破碎錐直徑逐漸減小，說明后序射擊比前序射擊陶瓷吸收的動能偏小，因此對背板的防護(hù)性能有更高的要求，從而導(dǎo)致背凸遞增。

3) 同等面密度的單相碳化硼陶瓷抗單發(fā)彈吸能效果優(yōu)于復(fù)相增韌碳化硼陶瓷。