肖艷文，徐峰悅，余慶波，鄭元楓，王海福（北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081）

?

類鋼密度活性材料彈丸撞擊鋁靶行為實驗研究

肖艷文，徐峰悅，余慶波，鄭元楓，王海福
（北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081）

摘要：采用彈道碰撞實驗對類鋼密度冷壓成型和燒結硬化聚四氟乙烯/鋁/鎢系活性材料彈丸撞擊鋁靶行為進行了研究。基于圓柱形活性材料彈丸正碰撞不同厚度2A12硬鋁靶的彈道極限速度、穿孔破壞模式及平均穿孔尺寸實驗結果，結合THOR侵徹方程，得到活性材料彈丸正碰撞鋁靶的彈道極限速度半經驗關系，并分析鋁靶厚度對活性材料彈丸相對于鋼彈丸侵徹行為及性能的影響。從活性材料內部壓力分布、靶板背面稀疏波卸載效應和活性材料激活響應點火時間等角度，分析和討論了活性材料彈丸化學響應行為對侵徹性能的影響機理。分析結果表明，隨著靶板厚度的增大，活性材料激活率和侵孔內爆燃壓力隨之提高，從而導致侵徹末端爆裂穿孔能力的顯著增強。

關鍵詞：兵器科學與技術；活性材料彈丸；彈道碰撞實驗；彈道極限速度；侵徹性能

0　引言

活性材料毀傷元及其應用技術，是當前高效毀傷領域最重要的熱點前沿研究方向之一［1-3］。這種新型含能毀傷元的顯著特點是，既有類金屬材料的力學性能，又有類含能材料的爆炸特性。因此，當其以一定速度碰撞目標時，表現(xiàn)為既有良好的動能侵徹能力，又能在侵徹目標過程中的強動載荷作用下被激活，發(fā)生非自持爆炸反應。從而通過動能侵徹和爆炸化學能釋放兩種毀傷機理的聯(lián)合作用，實現(xiàn)對打擊目標更高效的結構毀傷，顯著增強對燃爆類目標的引燃或引爆能力［4-6］，為大幅度提高常規(guī)彈藥戰(zhàn)斗部的毀傷威力提供了新的技術途徑。

活性材料毀傷元具有的這種獨特毀傷機理、毀傷模式和毀傷效應，特別是侵徹目標過程中發(fā)生的這種獨特力學與化學耦合響應行為，使得對其侵徹行為及性能問題的研究變得尤為復雜。從國內外公開發(fā)表的相關研究工作看，更多的是體現(xiàn)在活性材料配方設計、制備工藝、力學性能、能量釋放及工程化應用等方面［5-6］。有關活性材料侵徹性能及行為，特別是活性材料化學響應對侵徹性能及行為的影響問題，研究工作還不深入，機理尚不清楚。本文采用彈道碰撞實驗的方法，對活性材料彈丸碰撞不同厚度鋁靶的彈道極限速度及侵徹規(guī)律進行了研究，并從侵徹過程力學與化學耦合響應的角度，對其侵徹性能、行為及機理進行了分析和討論。

1　彈道碰撞實驗

1.1實驗方法

為研究類鋼密度活性材料彈丸的侵徹行為和性能，實驗用圓柱形活性材料彈丸由按當量配比的聚四氟乙烯/鋁/鎢（PTFE/Al/W）粉體混合物，經冷壓成型和燒結硬化制備而成。其中聚四氟乙烯、鋁和鎢3種粉體的初始平均粒度分別為28 μm、44 μm和44 μm，燒結后材料密度約為7.8 g/cm3，彈丸尺寸為φ10 mm×10 mm.活性材料彈丸及帶藥筒和彈托的發(fā)射彈如圖1所示，實驗測試系統(tǒng)如圖2所示，主要由口徑12.7 mm彈道槍、靶架、靶板、測速網靶及高速運動分析儀等組成。彈丸速度由測速網靶測量，彈/靶作用過程由高速運動分析儀記錄。其中槍口與靶板之間的距離為 9 m，鋁板迎彈面尺寸為240 mm×240 mm，厚度分別為3 mm、6 mm、9 mm和12 mm.

圖1　活性材料彈丸及實驗彈Fig.1 Active material projectile and bullet sample

圖2　實驗裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

實驗時，先按彈/靶作用條件對彈道極限速度進行初步估算，然后按彈丸質量、發(fā)射藥量與出口初速經驗關系，確定發(fā)射藥量和發(fā)射彈丸質量，并根據(jù)所測彈丸速度和穿透靶板與否，按“升降法”調整發(fā)射藥量和出口速度。若彈丸貫穿靶板，則減少發(fā)射藥量再次發(fā)射，若彈丸未貫穿靶板，則增加發(fā)射藥量提高彈丸速度，依次實驗，直到獲得給定厚度靶板的彈道極限速度v50，v50估算公式［7］為

式中：v為活性材料彈丸侵徹給定厚度靶板實驗中最大未貫穿速度與最小貫穿速度范圍內的速度平均值；NNP和NP分別為未貫穿和貫穿彈丸數(shù)；vNP和vP分別為未貫穿最大速度和貫穿最小速度。

1.2實驗結果

表1所示為活性材料彈丸正碰撞不同厚度2A12硬鋁靶所測彈道極限速度及穿孔情況實驗結果，h和D分別為鋁靶厚度和平均穿孔直徑。從表1中可以看出，當鋁靶厚度分別從3 mm增大到6 mm、9 mm和12 mm時，彈道極限速度v50分別由365 m/s增大到466 m/s、581 m/s和670 m/s，這與惰性材料彈丸侵徹規(guī)律相一致［7］。從靶板穿孔破壞模式看，在彈道極限速度碰撞條件下，活性材料彈丸貫穿3 mm厚鋁靶，穿孔破壞呈典型花瓣型，貫穿6 mm和9 mm厚鋁靶，穿孔破壞呈典型沖塞型，貫穿12 mm厚鋁靶，穿孔破壞呈典型延性擴孔型，這也與惰性彈丸低速貫穿薄靶、中厚靶和厚靶條件下的穿孔破壞模式相一致［7］。但從靶板穿孔直徑看，活性材料彈丸貫穿3 mm厚鋁靶形成的花瓣型穿孔直徑，較貫穿6 mm和9 mm厚鋁靶形成的沖塞型穿孔直徑要大，但較貫穿12 mm鋁靶形成的延性擴孔直徑要小，這同樣與惰性彈丸穿孔尺寸規(guī)律一致［7］。

表1　實驗結果Tab.1 Experimental results

圖3所示為活性材料彈丸在接近彈道極限速度碰撞條件下貫穿不同厚度鋁靶的入孔和出孔典型實驗圖片。從圖3中可以看出，活性材料彈丸貫穿鋁靶后，入孔周圍均不同程度地分布有被噴射狀煙氣熏黑的痕跡。相比較而言，活性材料彈丸貫穿6 mm厚鋁靶條件下煙氣熏黑痕跡最強，穿透3 mm厚鋁靶條件下煙氣熏黑痕跡，較穿透9 mm和12 mm厚鋁靶要顯著，并以穿透12 mm厚鋁靶條件下煙氣熏黑痕跡最弱。此外，從靶板出孔特征看，與靶板入孔周圍存在明顯被煙氣熏黑痕跡相比，出孔周圍基本不存在這種現(xiàn)象，但均有不同程度的隆起，而且隆起區(qū)域、高度以及出孔邊緣的裂紋均隨靶厚增大而逐漸減小。這表明，在接近彈道極限速度碰撞下，活性材料彈丸侵徹不同厚度鋁靶過程中均已被激活，但激活響應行為與靶板厚度有關。

圖3 活性材料彈丸貫穿不同厚度鋁靶典型實驗圖片F(xiàn)ig.3 Typical photos of active material projectiles perforating the aluminum plates with different thicknesses

圖4所示為活性材料彈丸在接近彈道極限速度條件下分別碰撞厚度為3 mm、6 mm、9 mm和12 mm厚鋁靶侵徹過程的典型高速攝影圖片。從圖4中可以看出，活性材料彈丸侵徹不同厚度鋁靶過程的化學響應存在顯著不同。從靶前爆燃火焰特征看，活性材料彈丸侵徹3 mm厚鋁靶時化學響應最弱，表現(xiàn)為火焰基本只從入孔周側沿靶面向外擴展，而且火焰亮度低、擴展區(qū)域小、熄滅時間短。表明在該碰撞速度下，活性材料雖已被激活，但化學響應并不劇烈，化學能釋放少，侵孔內爆燃壓力低，這與圖3（a）中鋁靶入孔周圍的典型煙氣噴射熏黑痕跡相吻合。進一步比較圖4（b）、圖4（c）和圖4（d）可以看出，隨著鋁靶厚度增大，雖然爆燃火焰亮度和熄滅時間基本相當，但火焰擴展行為存在顯著不同。侵徹6 mm厚鋁靶時，爆燃火焰仍主要沿入孔周側靶面向外擴展，火焰覆蓋區(qū)域最大但較薄，這與圖3（b）中鋁靶入孔周圍被噴射狀煙氣嚴重熏黑痕跡相吻合。表明在該碰撞速度條件下，活性材料被激活和化學響應劇烈程度雖有顯著提高，但侵孔內爆燃壓力和煙氣噴射速度仍不是很高。當鋁靶厚度增大到9 mm時，爆燃火焰沿入孔周側靶面向外擴展明顯減弱，并出現(xiàn)較強的沿入孔周側法向外噴現(xiàn)象，這與圖3（c）中鋁靶入孔周圍雖仍存在但已顯著減弱的被噴射狀煙氣熏黑痕跡相吻合，表明在該碰撞速度下，活性材料被激活和化學響應劇烈程度得到了進一步提高，釋放出的化學能也更多，侵孔內爆燃壓力和煙氣噴射速度更高。進一步增大鋁靶厚度到12 mm時，爆燃火焰已脫離入孔周側靶面擴展，并以更高的速度沿入孔周側法向外噴，這與圖3（d）中鋁靶入孔周圍只是局部區(qū)域仍存在煙氣熏黑痕跡相吻合。表明在該碰撞速度下，有更多的活性材料在侵靶過程中被激活并引發(fā)更劇烈的化學響應，釋放出了更多的化學能，進一步提高了侵孔內的爆燃壓力和火焰噴射速度。

圖4　活性材料彈丸侵徹不同厚度鋁靶過程典型高速攝影圖片F(xiàn)ig.4 Typical high-speed photographs of active material projectiles penetrating the aluminum plates with different thicknesses

從圖4中還可以看出，相對于活性材料彈丸侵徹不同厚度鋁靶的靶前火焰特征顯著不同，靶后火焰特征及擴展行為則基本類似，均表現(xiàn)為長錐形火焰形貌，并主要沿軸向擴展，這與圖3所示各出孔周圍均無明顯被煙氣熏黑痕跡相一致。進一步比較火焰亮度、尺寸和持續(xù)時間可以看出，活性材料彈丸貫穿3 mm薄靶和12 mm厚靶條件下，靶后能量釋放相對最弱，這與彈/靶碰撞條件相吻合。

以上實驗現(xiàn)象和結果表明，活性材料彈丸侵徹金屬靶板行為較惰性彈丸要復雜得多，既是動能侵徹過程，又伴隨有化學響應行為。而且這種復雜的力學與化學耦合響應行為，顯著受彈/靶碰撞條件的影響，并決定著其侵徹性能及彈道極限速度。

2　侵徹性能分析

為進一步分析活性材料彈丸的侵徹性能，利用THOR侵徹方程對表1中實驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立活性材料彈丸彈道極限速度半經驗關系。在正碰撞條件下，THOR侵徹方程［7］可表述為

式中：k、α和β為與彈丸和靶板材料有關的經驗常數(shù)，對于鋼彈丸碰撞鋁合金靶板情況，其值分別為2 852、0.903、-0.941；h為靶板厚度（cm）；m為彈丸質量（g）；A為平均著靶面積（cm2）。

利用（3）式擬合得到活性材料彈丸侵徹鋁靶彈道極限速度v50半經驗關系為

根據(jù)（3）式和（4）式得到活性材料彈丸和鋼彈丸侵徹鋁靶彈道極限速度與靶板厚度關系，如圖5所示。從圖5中可以看出，在實驗碰撞條件下，活性材料彈丸的彈道極限速度曲線始終位于鋼彈丸彈道極限速度曲線上方。也就是說，雖然活性材料彈丸與鋼彈丸材料密度相同，但侵徹相同厚度的鋁靶，活性材料彈丸的彈道極限速度顯著高于鋼彈丸。這表明，活性材料彈丸侵徹能力較鋼彈丸要弱得多，特別是在侵徹中等厚度鋁靶時，鋼彈丸的侵徹能力優(yōu)勢更明顯。另外，對比活性材料彈丸和鋼彈丸彈道極限曲線還可以看出，隨著鋁靶厚度的逐漸增大，兩種彈丸的彈道極限速度差值呈先增大、后減小趨勢?；蛘哒f，活性材料彈丸相對鋼彈丸的侵徹能力，隨鋁靶厚度的增大呈現(xiàn)先減弱、后增強的趨勢。這表明，當鋁靶厚度增大到某一值后，活性材料彈丸的彈道極限速度或侵徹能力將趨于與鋼彈丸相當，進一步增大鋁靶厚度，活性材料彈丸的侵徹能力甚至有可能超過鋼彈丸。

活性材料彈丸的這種侵徹性能，可以從以下三個方面進行分析：

圖5　彈道極限速度與靶板厚度關系Fig.5 Ballistics limit velocity as a function of target thickness

1）對于給定形狀和尺寸的彈丸來說，其侵徹能力主要取決于材料密度和力學強度。雖然活性材料彈丸的密度與鋼彈丸相同，但由于力學強度顯著低于鋼彈丸，致使活性材料彈丸低速侵徹靶板過程中的塑性變形和墩粗效應較鋼彈丸更為突出，這可以從表1中鋁靶穿孔直徑得到有效驗證。因此，相對于鋼彈丸，活性材料彈丸貫穿相同厚度的鋁靶需要更高的碰撞速度或動能，以有效克服更大的穿孔阻力，導致彈道極限速度顯著高于鋼彈丸。但對于侵徹厚度很薄鋁靶的情況，由于傳入彈丸內的碰撞沖擊波很快會被鋁靶背面的稀疏波趕上并卸載，致使活性材料彈丸侵靶過程的墩粗效應顯著減弱，鋼彈丸的強度優(yōu)勢隨之減弱，從而導致兩者的彈道極限速度差隨靶厚變薄而減小。

2）隨著鋁靶厚度的增大，彈道極限速度和碰撞壓力隨之提高，鋼彈丸塑性變形和墩粗效應逐漸顯現(xiàn)，鋼彈丸與活性彈丸之間的相對強度優(yōu)勢不斷減弱，從而導致兩者之間的彈道極限速度差逐漸減小。進一步增大鋁靶厚度，當碰撞壓力達到甚至超過鋼彈丸的強度極限后，彈丸開始碎裂，材料強度優(yōu)勢逐漸喪失，侵徹能力變?yōu)橛膳鲎矂幽芎筒牧厦芏戎鲗В⒅率箖烧叩那謴啬芰呌谙喈敗?/p>

3）基于本文實驗結果，隨著鋁靶厚度的增大和彈道極限速度的提高，活性材料彈丸侵徹過程化學能釋放和爆燃壓力顯著提高。盡管這種爆燃壓力對活性材料彈丸侵徹性能的影響規(guī)律還有待進一步研究，但可以確定的是，在侵徹彈道末端無疑會增強對靶板背面隆起的爆裂穿孔能力。特別是在高速侵徹厚靶條件下，這種爆裂穿孔效應很可能會顯著增強活性材料彈丸的侵徹性能，導致活性材料彈丸的侵徹能力甚至有可能超過鋼彈丸。

3　撞擊反應行為討論

實驗結果表明，在接近彈道極限速度碰撞條件下，活性材料彈丸侵徹過程化學能釋放和爆燃壓力隨鋁靶厚度的增大而顯著提高?；谝痪S沖擊波理論，在碰撞速度低于材料聲速條件下，碰撞初始沖擊波壓力可近似按下式進行估算［8］，即

式中：p0為傳入活性材料彈丸的碰撞初始沖擊波壓力；v為碰撞速度；ρF、cF分別為彈丸材料的密度和聲速；ρT、cT分別靶板材料的密度和聲速。

考慮密實介質中沖擊波壓力傳播服從指數(shù)衰減規(guī)律，活性材料彈丸中壓力分布可表述為

式中：p為碰撞初始沖擊波傳入活性材料彈丸內距離x處的壓力；γ為與材料有關的經驗常數(shù)。

另外，基于Taylor桿碰撞實驗［9］，活性材料激活響應點火時間與沖擊壓力之間關系可表述為

式中：pc為活性材料所受激活響應點火壓力閾值（GPa），對于當量配比76PTFE/24Al系活性材料，pc為0.73 GPa；t為活性材料激活響應點火時間（μs）。

對于本文實驗用當量配比PTFE/Al/W系活性材料，由于鎢粉的加入，改變了顆粒與基體之間的界面結合，提高了活性材料的脆性，致使沖擊引發(fā)活性材料強剪切碎裂和點火響應壓力閾值有所下降，激活響應更快，可近似取pc為0.65 GPa［8］.

利用（4）式、（5）式和（7）式計算得到碰撞速度與活性材料彈丸激活響應點火時間t和最大貫穿鋁靶厚度hc之間關系如圖6所示，其中活性材料聲速近似取1 350 m/s［8］.從圖6中可以看出，當碰撞速度低于106 m/s時，碰撞初始壓力低于pc，活性材料無法被激活；當碰撞速度處于106～200 m/s范圍時，碰撞初始壓力超過了pc，活性材料被激活響應點火時間表現(xiàn)為隨碰撞速度提高而迅速縮短；當碰撞速度提高到200～700 m/s范圍，活性材料激活響應點火時間表現(xiàn)為隨碰撞速度提高呈現(xiàn)緩慢縮短趨勢；當碰撞速度超過700 m/s后，活性材料激活響應點火時間隨碰撞速度提高基本趨于不變。

圖6　起爆響應時間、最大貫穿鋁靶厚度與碰撞速度關系Fig.6 Initiation delay time and maximum perforated aluminum plate thickness as a function of impact velocity

從圖6中還可以看出，在碰撞速度大于200 m/s條件下，活性材料激活響應時間在20 μs以內，結合圖4所示高速攝影圖片，活性材料彈丸以彈道極限速度碰撞3 mm、6 mm、9 mm和12 mm厚鋁靶，貫穿靶板所需時間隨靶厚增大而增長，且遠大于活性材料激活響應點火時間。進一步結合（6）式分析，當活性材料彈丸碰撞3 mm厚鋁靶時，由于貫穿靶板時間短、初始碰撞壓力低和靶板背面稀疏波追趕卸載快，導致活性材料彈丸侵靶過程中激活率和侵孔內爆燃壓力低，表現(xiàn)為靶前爆燃火焰亮度和向外噴射速度低、擴展區(qū)域小、熄火時間短，更多的化學能穿靶后得以繼續(xù)釋放，與圖4（a）所示的實驗現(xiàn)象相一致。隨著鋁靶厚度、彈道極限速度和碰撞初始壓力的增大，活性材料激活響應點火時間縮短、穿靶時間延長和靶板背面稀疏波追趕卸載延遲，導致活性材料彈丸侵靶過程中激活率和侵孔內爆燃壓力隨之提高，表現(xiàn)為靶前爆燃火焰亮度的提高和沿靶板法向外噴效應逐漸增強，熄火時間延長，侵靶過程中化學能靶前釋放行為的增強，從而很好地揭示了圖4（b）～圖4（d）所示的實驗現(xiàn)象和結果。

4　結論

通過彈道碰撞實驗對類鋼密度活性材料彈丸侵徹鋁靶彈道極限速度問題進行了研究，并對其侵徹性能和機理進行了分析和討論，主要結論有：

1）在彈道極限速度碰撞條件下，活性材料彈丸侵徹不同厚度鋁靶的穿孔破壞模式與鋼彈丸相類似，靶板厚度對活性材料彈丸穿孔尺寸影響規(guī)律也與鋼彈丸相類似，但穿孔尺寸更大。

2）在侵徹相同厚度鋁靶下，活性材料彈丸的彈道極限速度顯著高于鋼彈丸，但二者的差值隨靶厚增大呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，當碰撞壓力接近鋼彈丸碎裂強度后，二者的彈道極限速度趨于相當。

3）活性材料化學響應行為對侵徹性能的影響隨靶板厚度增大而增強，機理上表現(xiàn)為活性材料激活率和侵孔內爆燃壓力的提高，致使侵徹末端爆裂穿孔能力的增強和彈道極限速度的下降。

參考文獻（References）

［1］ Sorensen B.High-velocity impact of encased Al/PTFE projectiles on structural aluminum armor［J］.Procedia Engineering，2015，103：569-576.

［2］ DE Technologies Inc.Reactive fragment warhead for enhanced neutralization of mortar，rocket，&missile threats［EB/OL］. ［2006-05-15］.http：∥www.detk.com.

［3］ Charlet K，Saulnier F，Dubois M et al.Improvement of wood polymer composite mechanical properties by direct fluorination［J］. Materials and Design，2015，74：61-66.

［4］ 王海福，鄭元楓，余慶波，等.活性材料彈丸引燃航空煤油實驗研究［J］.兵工學報，2012，33（9）：1148-1152. WANG Hai-fu，ZHENG Yuan-feng，YU Qing-bo，et al.Experimental research on igniting the aviation kerosene by reactive fragment［J］.Acta Armamentarii，2012，33（9）：1148-1152.（in Chinese）

［5］ Reeves R V，Mukasyan A S，Son S F.Transition from impact-induced thermal runaway to prompt mechanochemical explosion in nanoscaled Ni/Al reactive systems［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2013，38：611-621.

［6］ Cai J，Walley S M，Hunt R J A，et al.High-strain，high-strainrate flow and failure in PTFE/Al/W granular composites［J］.Materials Science and Engineering A，2008，472（1/2）：308-315.

［7］ Lloyd R.Conventional warhead systems physics and engineering design［M］.Reston，VA：AIAA，1998.

［8］ 鄭元楓.活性材料毀傷增強效應及機理研究［D］.北京：北京理工大學，2012. ZHENG Yuan-feng.Research on enhanced lethality effects and mechanisms of reactive materials［D］.Beijing：Beijing Institute of Technology，2012.（in Chinese）

［9］ Ames R.Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials［J］.Mrs Online Proceeding Library，2004，896（3）：321-333.

中圖分類號：TJ012.4

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1093（2016）06-1016-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.007

收稿日期：2015-11-12

基金項目：國家部委科研項目（403020201）

作者簡介：肖艷文（1985—），男，博士研究生。E-mail：3120130132@bit.edu.cn；王海福（1966—），男，教授，博士生導師。E-mail：wanghf@bit.edu.cn

Experimental Research on Behavior of Active Material Projectile with Steel-like Density Impacting Aluminum Target

XIAO Yan-wen，XU Feng-yue，YU Qing-bo，ZHENG Yuan-feng，WANG Hai-fu

（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：The ballistic impact experiments are performed to investigate the penetration behavior of the pressed and sintered PTFE/Al/W active material projectile with steel-like density impacting an aluminum target.Based on the experimental results of ballistic limit velocity，perforated patterns and average hole sizes produced by the cylindrical active material projectiles normally impacting 2A12 aluminum plates with different thicknesses，a semi-empirical relationship between the ballistic limit velocity and aluminum plate thickness is developed by combining with the THOR penetration equation.The effect of aluminum plate thickness on penetration behavior and performance of active material projectile are analyzed.Moreover，for the combined considerations of the pressure distribution in the active material projectile，the rarefaction wave effect and the impact-initiated delay time，the influence of active material chemical response on the penetration performance is analyzed and discussed.The analysis shows that the initiation efficiency and the deflagration pressure inside penetration hole are increased with the increase in target thickness，resulting in the significantly improved perforation ability of active material projectile at the end of the penetration hole.

Key words：ordnance science and technology；active material projectile；ballistic impact experiment；ballistic limit velocity；penetration performance