孫　非1,彭　剛2,王緒財2,馮家臣2,王　偉2

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,南京 210094;2.中國兵器工業(yè)集團 第五三研究所,濟南 250031)

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撞擊位置對陶瓷/纖維復(fù)合材料板抗彈評價的影響

孫非1,彭剛2,王緒財2,馮家臣2,王偉2

(1.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,南京 210094;2.中國兵器工業(yè)集團 第五三研究所,濟南 250031)

摘要:為了準(zhǔn)確表征陶瓷/纖維輕型裝甲復(fù)合材料的抗侵徹性能,提高抗彈性能評估的可靠性,通過12.7 mm穿甲燃燒彈打擊侵徹被測靶板的DOP試驗方法,以質(zhì)量防護系數(shù)表征分析了陶瓷/纖維復(fù)合裝甲板在不同打擊位置的抗侵徹能力。數(shù)據(jù)表明:以陶瓷片鋪層的復(fù)合裝甲板在不同打擊點的抗彈性能分散性較大,存在抗侵徹典型區(qū)域和危險點,彈體著靶位置影響對其抗彈性能的評價。只有充分考慮危險點的試驗數(shù)據(jù),陶瓷/纖維復(fù)合裝甲板的抗彈性能試驗評估才能更準(zhǔn)確、可靠。

關(guān)鍵詞:陶瓷;復(fù)合材料板;撞擊位置;抗彈性能;防護系數(shù)

防護材料抗彈性能的表征評價是材料設(shè)計與應(yīng)用的重要依據(jù)。防護材料及其產(chǎn)品抗彈性能試驗表征方法及其邊界條件的不同,將產(chǎn)生不同的評價結(jié)果,從而影響抗彈性能的評價,對材料的研制與可靠應(yīng)用會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。陶瓷/纖維復(fù)合材料板是新興輕型裝甲防護材料,具有輕質(zhì)和高效的防彈性能等優(yōu)點,在軍民用車輛、航空、艦船以及個體防護中獲得了快速發(fā)展與應(yīng)用。以排列陶瓷片與鋪層纖維層合的復(fù)合材料板的主要特點是:易于成型、便于設(shè)計,且多材料復(fù)合、多界面及高度非均質(zhì)各向異性。該類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板雖然具有良好的防彈抗侵徹性能,但陶瓷的鋪層結(jié)構(gòu)狀態(tài)、約束條件以及試驗邊界條件等均可對其抗彈性能和表征評價產(chǎn)生重要影響[1-3],這極易造成抗彈性能的分散和不一致性。因此,必須找出影響其抗彈能力客觀評價的要素,客觀、可靠地表征評價陶瓷/纖維復(fù)合材料板的抗彈性能。

根據(jù)陶瓷/纖維復(fù)合材料板的結(jié)構(gòu)和防護應(yīng)用特點,評價其抗彈性能通常采用標(biāo)準(zhǔn)軋制均質(zhì)鋼裝甲(RolledHomogeneous-steelAmour,簡稱RHA)為參比靶板的穿甲彈垂直穿深試驗表征法,即DOP(DepthofPenetration)試驗方法[4-5],采用質(zhì)量防護系數(shù)作為表征參量。對DOP穿深質(zhì)量防護系數(shù)的應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn),該試驗方法受表征試驗條件的影響較大,對于同一被測靶板,在不同表征試驗條件下的質(zhì)量防護系數(shù)表征值可能相差較大,如果沒有合理的試驗約束條件,就無法對各種被測靶板的抗侵徹效能做出較客觀的比較評價,各表征值也不具備可比性。

陶瓷/纖維復(fù)合材料板在抗彈表征中靶板撞擊位置的隨機性大,射擊試驗一致性差,分散性大,針對此問題,本研究通過分析被測復(fù)合材料板的結(jié)構(gòu),初步確定了可能影響復(fù)合材料板抗彈性能評價的彈體典型著靶位置,以質(zhì)量防護系數(shù)為參量,分析了打擊位置對陶瓷/纖維復(fù)合材料板抗彈評價的影響。

1試驗條件及狀態(tài)

本試驗采用威脅輕型復(fù)合裝甲的主要彈種之一的1954年式12.7mm穿甲燃燒彈作為射擊用彈。為了著彈點的穩(wěn)定,采用12.7mm口徑標(biāo)準(zhǔn)彈道測速槍,射距為15m,紅外光幕測速靶測控彈速v12,使其滿足GJB59.18-88的彈速要求。

沿打擊方向,試驗靶板在靶架上的組合與裝配依次為打擊面約束框、被測樣品板、603標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼板以及支撐靶架。各部分由夾具沿周邊與支撐靶架牢固夾持固定。試驗中靶板的組合、夾持及射擊狀態(tài)見圖1。

圖1　靶板夾持與試驗狀態(tài)示意圖

彈道試驗在(20±5)℃、相對濕度為65%的常溫常濕的環(huán)境下進(jìn)行。試驗前被測樣品在室溫環(huán)境中放置72h。

2試驗靶板

試驗靶板由被測陶瓷/纖維復(fù)合材料板樣品和603標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼參比板組合而成。為避免靶板的組合間隙對其抗彈性能評價的影響,兩板應(yīng)平整,并控制周邊可見組合間隙不大于1mm。

被測陶瓷/纖維復(fù)合材料板樣品是由正六邊形氧化鋁陶瓷片(厚度為6mm,邊長為48mm)、玻纖織物及鋁合金(厚度為0.5mm)和樹脂復(fù)合而成。制備的陶瓷/纖維復(fù)合材料板共3個樣品:①厚度為8.6mm,面密度為28.2kg/m2;②厚度為9.0 mm,面密度為29.4 kg/m2;③厚度為8.9 mm,面密度為29.0 kg/m2。為了保證侵徹過程中參比板背面平整,厚度參量不對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,選擇了性能滿足相關(guān)要求的603厚標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)裝甲鋼板,其長、寬、厚分別為300 mm,200 mm,46 mm。

3試驗與結(jié)果分析

陶瓷片鋪層是陶瓷/纖維復(fù)合材料板的關(guān)鍵抗彈防護層。因該層是由陶瓷片拼接而成,陶瓷/纖維復(fù)合材料板中陶瓷片的排列位置狀態(tài)必然會對其抗彈性能產(chǎn)生影響。試驗前,首先對可能影響復(fù)合材料板樣品抗彈性能的薄弱區(qū)與危險點,如陶瓷片尖角區(qū)(B處)、陶瓷片的相鄰縫(A處)、多片陶瓷片角的頂點(D處)進(jìn)行預(yù)先標(biāo)注,如圖2(a)所示。通過對這些可能的薄弱區(qū)與危險點以及陶瓷片中央?yún)^(qū)域(C處)等典型位置的射擊試驗表征,分析打擊點對評價陶瓷/纖維復(fù)合材料板抗彈性能的影響規(guī)律。各預(yù)先標(biāo)注的危險點與陶瓷中央射擊區(qū)等典型射擊位置、限定區(qū)域見圖2(b),圖中r為子彈半徑。由圖2可以看出,中央射擊區(qū)(C處)基本排除了陶瓷片間接縫、頂角等邊緣薄弱區(qū)域,同時減少了陶瓷片與片間的相互影響,基本可以體現(xiàn)整個陶瓷片的實際抗彈能力,應(yīng)是整個復(fù)合材料板的抗彈優(yōu)勢區(qū)域。

考慮到陶瓷/纖維復(fù)合材料板在裝甲防護中主要以穿甲彈侵徹為防護對象,根據(jù)DOP試驗方法,測量穿甲彈穿過復(fù)合材料板樣品后在參比裝甲鋼板上的后效垂直穿深,通過質(zhì)量防護系數(shù)抗彈參量對復(fù)合材料板抗彈性能進(jìn)行表征。

圖2　復(fù)合材料板樣品預(yù)設(shè)打擊點布置示意圖

基本試驗原理見圖3,試驗首先測定穿甲彈對603參比板的垂直穿深,即空白穿深;然后在同等侵徹條件下分別測定試驗靶板在不同預(yù)設(shè)著彈位置上參比板的后效穿深, 計算復(fù)合材料板的質(zhì)量防護系數(shù)N:

(1)

式中:ρs為603標(biāo)準(zhǔn)裝甲鋼參比靶板的密度,kg/m3;Ds為603標(biāo)準(zhǔn)裝甲鋼參比靶板的空白穿深,mm;Dr為試驗靶板單元中603鋼參比靶板后效侵徹穿深,mm;ρt為復(fù)合材料板密度,kg/m3;Ht為復(fù)合材料板厚度,mm。

圖3　同等侵徹條件下的參比射擊試驗

本試驗在兵器非金屬材料理化檢測中心彈道實驗室完成,每發(fā)射擊由激光指示器精確示點打擊,著彈位置超出圖2(b)所示限定區(qū)域或角度傾斜的數(shù)據(jù)予以剔除。具體試驗結(jié)果數(shù)據(jù)見表1,表1中v為侵徹速度,ρ為復(fù)合材料板面密度,N為質(zhì)量防護系數(shù)。復(fù)合材料板的侵徹破壞及603裝甲鋼參比板的后效侵徹狀態(tài),見圖4。

表1　不同打擊點的質(zhì)量防護系數(shù)測定值

圖4　試驗后的部分靶板狀態(tài)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看到,由于陶瓷/纖維復(fù)合材料板的特殊鋪層結(jié)構(gòu),復(fù)合材料板在不同的區(qū)域所呈現(xiàn)的抗穿甲侵徹能力有較大差異。打擊點在陶瓷中央?yún)^(qū)區(qū)域復(fù)合材料板呈現(xiàn)的抗彈能力明顯高于其他典型區(qū)域的表征值,其質(zhì)量防護系數(shù)各表征值均值比在陶瓷片對接縫、角交點和尖角區(qū)打擊點處的均值分別高出約1.2%,2.8%,6.6%;陶瓷片中央?yún)^(qū)區(qū)域質(zhì)量防護系數(shù)最大表征值與陶瓷片對接縫、角交點和尖角區(qū)打擊點處的最小表征值的極差分別達(dá)到典型區(qū)表征均值(N=7.44)的6.3%,8.2%,13.0%。由此可見,在復(fù)合材料板的整個迎彈面內(nèi)彈體不同著靶位置的抗彈能力是不同的,不同點的抗彈性能有較大的分散性,存在著陶瓷片“對接縫”、“ 角交點”和“尖角區(qū)”這樣的薄弱區(qū)與危險點。在保證其他試驗約束條件一致的情況下,4個典型打擊區(qū)域(鄰縫、尖角、角交點、中央)的初速均值分別為842 m/s,839 m/s,835 m/s,836 m/s?？梢钥闯?打擊速度基本一致,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,其波動不會對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生趨勢性影響,說明復(fù)合材料板中防護危險點是客觀存在的。針對復(fù)合材料板抗彈能力的表征評價,若不充分考慮這些薄弱區(qū)域的存在,則靶面隨機射擊試驗的表征方法可能會產(chǎn)生較大的表征偏差,從而影響復(fù)合材料板的設(shè)計、可靠應(yīng)用與安全性評估。

由表1可以發(fā)現(xiàn),在同等打擊侵徹條件下,4個典型打擊區(qū)域中陶瓷片“尖角區(qū)”處的質(zhì)量防護系數(shù)表征值最小,陶瓷片“對接縫”處和“角交點”處的質(zhì)量防護系數(shù)與典型區(qū)表征均值相近。各典型打擊位置抗彈性能表征單值的分布(標(biāo)準(zhǔn)偏差)顯示,陶瓷片“對接縫”、陶瓷片“角交點”及“中央?yún)^(qū)”處的抗彈性能表征單值分散性較小,而陶瓷片“尖角區(qū)”處抗彈性能表征單值分散性較大,幾乎是前者的2倍,說明復(fù)合材料板中陶瓷片“尖角區(qū)”處不但是抗打擊的危險點,而且抗彈性能分散性大。因此,對復(fù)合材料板的抗彈性能評價時,試驗表征分析要綜合考慮各典型位置的防護系數(shù)?？紤]到陶瓷片“尖角區(qū)”處侵徹單值的更大分散性,在對陶瓷/纖維復(fù)合材料板整體抗彈性能評價時應(yīng)重點增加“尖角區(qū)”處打擊次數(shù)的權(quán)重。

根據(jù)上述分析,為了客觀準(zhǔn)確地評價陶瓷/纖維復(fù)合材料板抗穿甲彈的侵徹性能,陶瓷/纖維復(fù)合材料板的抗彈表征應(yīng)在采用同等侵徹條件下,即1發(fā)射擊陶瓷片“對接縫”、1發(fā)射擊“角交點”、1發(fā)射擊“中央?yún)^(qū)”、3發(fā)射擊“尖角區(qū)”的6發(fā)預(yù)設(shè)打擊的綜合表征評價的方法較好,而非隨機射擊的方法,這樣評價更客觀、更可靠。

4結(jié)束語

彈體的撞擊位置對陶瓷/纖維復(fù)合材料板抗穿甲彈侵徹能力的表征評價有顯著影響。復(fù)合材料板上不同彈體撞擊點的質(zhì)量防護系數(shù)表征值分散性較大,在復(fù)合材料板中陶瓷片的“對接縫”、 “角交點”和“尖角區(qū)”處存在抗彈侵徹的薄弱區(qū)與危險點。

為了陶瓷/纖維復(fù)合材料板的安全設(shè)計和可靠應(yīng)用,其板內(nèi)抗彈薄弱區(qū)與危險點應(yīng)是靶板抗彈侵徹可靠性考核評價的關(guān)鍵點。

有限的隨機射擊試驗無法有效評價陶瓷/纖維復(fù)合材料板的抗彈侵徹性能。采用典型區(qū)域預(yù)設(shè)撞擊點多發(fā)打擊,并綜合考慮各典型區(qū)域不同抗彈能力應(yīng)是客觀評價該類復(fù)合材料板抗彈性能的有效方法。

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InfluenceofImpactPointsonEvaluationofAnti-penetration

PerformanceofCeramic/FiberCompositePlates

SUNFei1,PENG Gang2,WANG Xu-cai2,FENG Jia-chen2,WANG Wei2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;

2.Institute53ofChina’sOrdnanceIndustryGroup,Jinan250031,China)

Abstract:To accurately characterize the anti-penetration performance of ceramic/fiber composite armor and improve reliability of ballistic performance assessment,the mass efficiency of different impact-points on ceramic/fiber composite armor plate were studied by depth-of-penetration(DOP)method.The 12.7 mm armor piercing projectiles were used in this experiment.The data indicates that the ballistic performance of different impact-points was different,especially for typical regions and risk points.The assessment of ballistic performance was affected by hit points on the plate.The test results on risk points should be fully considered to characterize the ballistic performance of ceramic/fiber composite armor plate more accurately and reliably.

Key words:ceramic;composite plate;impact point;anti-penetration performance;protect coefficient

中圖分類號:O385;TB332

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-499X(2015)04-0064-05

作者簡介:孫非(1973- ),男,博士研究生,研究方向為警用裝備技術(shù),個人防護技術(shù)。E-mail:sunf1@sohu.com。

基金項目:國防973項目

收稿日期:2014-06-22