張彬，彭剛，馮家臣，王緒財，王偉，陳春曉，高波，盧振宇

(山東非金屬材料研究所，濟南 250031)

由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、玻璃、聚碳酸酯(PC)及聚氨酯(PUR)、聚乙烯醇縮丁醛酯(PVB)等材料復合而成的透明復合裝甲能夠有效抵御彈丸的侵徹與毀傷，廣泛用于防護領(lǐng)域，如用作人體防護面罩、裝甲車輛觀察窗等。彈道侵徹下透明復合裝甲的沖擊變形參數(shù)包括變形速度、變形位移、應變及應變率等。如何實時、可靠地測定這些參數(shù)，對透明復合裝甲的設計、防護能力的評估十分重要。

現(xiàn)有的動態(tài)變形參數(shù)的測試技術(shù)主要有數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)、全光纖位移干涉測速技術(shù)等。數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)通過跟蹤或匹配物體表面變形前后兩幅散斑圖像中同一像素點的位置來獲得該像素點的變形參數(shù)，應用于彈靶侵徹下樣品變形參數(shù)的測量時，存在對高速相機的性能和算法處理能力的要求高，相機、照明光源等設備難以有效防護等問題[1]。

全光纖位移干涉測速技術(shù)基于多普勒效應及光學混頻技術(shù)，可測量物體表面的瞬時運動速度，具有結(jié)構(gòu)簡單、測速范圍廣、精度高、非接觸式測量等優(yōu)勢，能夠滿足測試要求。筆者基于全光纖位移干涉測速系統(tǒng)(AFDISAR)的瞬間動態(tài)測量技術(shù)，通過優(yōu)化測量技術(shù)手段開展了透明復合裝甲動態(tài)變形參數(shù)的測量試驗，分析了彈道沖擊下材料的力學響應情況，為透明防護結(jié)構(gòu)的設計、仿真、性能評估等提供支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

有機透明復合裝甲樣品(1#樣品)：主要構(gòu)成材料為PMMA，PC，結(jié)構(gòu)為3 mm 厚PC+13 mm厚PMMA+5 mm 厚PMMA+3 mm 厚PC，粘接層為PUR，自制；

防彈玻璃樣品(2#樣品)：主要構(gòu)成材料為玻璃、PC，結(jié)構(gòu)為6 mm 厚玻璃+8 mm 厚玻璃+10 mm 厚玻璃+5 mm 厚PC，玻璃之間粘接層為PVB，玻璃與PC 之間粘接層為PUR，自制。

1.2 主要設備與儀器

光幕靶：XGK-2002 型，西安工業(yè)大學；

計時儀：HG2002-III 型，南京理工大學；

AFDISAR：AFDISAR-02 型，中國工程物理研究院。

1.3 試驗方法

測試系統(tǒng)由彈道試驗系統(tǒng)和AFDISAR 組成。彈道試驗系統(tǒng)由彈道槍、子彈、光幕靶、計時儀和靶架等組成，其中，光幕靶和計時儀用于完成子彈速度測量。AFDISAR 由激光器、探測器、光纖探頭和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

AFDISAR 基于多普勒效應進行物體運動速度的測量，原理如圖2 所示。激光器發(fā)出波長為λ、頻率為f0的激光束被分為兩束，其中一束作為參考光，另一束經(jīng)光纖探頭照射在待測物體表面并形成反射光，參考光與反射光均被探測器接收。當物體表面以變形速度v(t)向光纖探頭方向運動時，反射光的頻率增加為f0+fd(t)，其中fd(t)為多普勒頻移[2-3]。

圖2 全光纖位移干涉儀測速原理圖

AFDISAR 將參考光與反射光光學混頻后得到fd(t)，v(t)根據(jù)式(1)計算：

針對透明復合裝甲動態(tài)變形參數(shù)測量，試驗中使用兩個光纖探頭。探頭1 的測量位置為彈著點位置a (中心測點，變形后的位置為a′)，探頭2 的測量位置為彈著點鄰近變形位置b (區(qū)域測點，變形后的位置為b′)，兩光纖探頭距離樣品背面均為50 mm，兩測點之間的距離為20 mm。光纖探頭布置示意圖如圖3 所示[4]。

圖3 光纖探頭布置示意圖

對0→t時刻的v(t)測量數(shù)據(jù)進行積分得到a處和b 處的變形位移，如式(2)、式(3)所示：

式中：va(t)——a 處變形速度；

vb(t)——b 處變形速度；

Laa′——a 處變形位移；

Lbb′——b 處變形位移。背板變形區(qū)域較小，a′和b′之間近似為線性，變形區(qū)內(nèi)的應變[ε(t)]計算如式(4)所示：

式中：Lab——a，b 兩處變形前的距離；

La′b′——a，b 兩處變形后的距離。

為確保彈靶作用時樣品不被穿透且背面有明顯的變形，參照NIJ 0101.06-2008，使用9 mm 全金屬被甲彈對1#樣品進行射擊試驗，參照GJB 3030-1997，使用56 式7.62 mm 普通鋼芯彈對2#樣品進行射擊試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品彈道試驗損傷形貌

1#樣品試驗用9 mm 全金屬被甲彈的彈速為450 m/s，彈擊后形貌如圖4 所示。

圖4 1#樣品彈擊后形貌

由圖4 可以看出，樣品在彈擊試驗后未穿透，背面鼓包光滑、無飛濺，鼓包高度為14 mm，背部可視變形區(qū)域直徑約110 mm，彈著點附近透光率降低，PMMA 中有多條自彈著點擴展開的明顯長裂紋。

2#樣品試驗用普通鋼芯彈的彈速為719 m/s，彈擊后形貌如圖5 所示。

圖5 2#樣品彈擊后形貌

由圖5 可以看出，樣品在彈擊試驗后未穿透，背面凸起光滑、無飛濺，凸起高度為2 mm，彈著點附近玻璃破碎，各層玻璃均產(chǎn)生以彈著點為中心向周圍輻射狀擴散的蛛網(wǎng)狀裂紋且離彈著點越近裂紋越密集。

2.2 變形速度及變形位移測量結(jié)果

不同時間下1#樣品背面中心測點和區(qū)域測點的變形速度和變形位移曲線如圖6 所示。

圖6 不同時間下1#樣品背面中心測點和區(qū)域測點的變形速度和變形位移曲線

由圖6 可以看出，在測得的有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，1#樣品兩測點的變形速度曲線呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢且沿中心測點徑向遞減，中心測點自3 812 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)48 μs 變形速度達到最大值149 m/s；區(qū)域測點自3 825 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)62 μs 變形速度達到最大值75 m/s。中心測點、區(qū)域測點的最大瞬間變形位移分別為22 mm 和9 mm。與中心測點相比，區(qū)域測點延遲13 μs 開始運動，沖擊應力波沿此樣品背面引起變形的傳播速度約為1 538 m/s。

不同時間下2#樣品背面中心測點和區(qū)域測點的變形速度和變形位移曲線如圖7 所示。

圖7 不同時間下2#樣品背面中心測點和區(qū)域測點的變形速度和變形位移曲線

由圖7 可以看出，在測得的有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，2#樣品兩測點的變形速度曲線變化趨勢與1#樣品相近，中心測點自2 380 μs 開始產(chǎn)生變形，經(jīng)52 μs變形速度達到最大值95 m/s；區(qū)域測點自2 386 μs開始產(chǎn)生變形，經(jīng)55 μs 變形速度達到最大值77 m/s，此后變形速度曲線在逐漸減小的整體趨勢下震蕩變化，中心測點、區(qū)域測點的最大瞬間變形位移分別為24 mm 和17 mm。與中心測點相比，區(qū)域測點延遲6 μs 開始運動，沖擊應力波沿此樣品背面內(nèi)引起變形的傳播速度約為3 333 m/s。

2.3 應變、應變率測量結(jié)果與分析

(1)測量結(jié)果。

樣品背板變形區(qū)的應變和應變率曲線如圖8 所示。

由圖8 可以看出，1#樣品的應變曲線一直處于上升趨勢，最大應變?yōu)?.19，應變率曲線在開始階段上升較快，此后出現(xiàn)趨勢變化的兩極點，對應的時間分別為50 μs 和72 μs，后期保持上升趨勢，上升速度低于彈靶作用前期時的速度，最大應變率約為2 300 s-1。2#樣品的應變曲線一直處于上升趨勢，最大應變?yōu)?.022，應變率整體呈上升趨勢，在50 μs 左右出現(xiàn)波動，最大應變率約為350 s-1。

圖8 樣品的應變和應變率曲線

(2)結(jié)果分析。

1#樣品彈靶作用時迎彈層PC 與中間層PMMA依靠其硬度使鉛彈發(fā)生墩粗等破壞變形，能夠增加著靶面積、消耗彈丸動能并降低壓縮應力。PMMA在初期通過變形吸收彈丸能量，進一步依靠脆性破壞吸收彈丸能量；粘接層PUR 的低強度使得PMMA 起承載作用的時間滯后、失效應變增加[5-9]，提高了PMMA 通過變形吸能的效果，同時，粘合作用使裂紋擴展阻力增大，增加了PMMA 破碎所需的表面能，提高了對彈丸能量的吸收效果，能夠顯著提高透明復合裝甲樣品的動態(tài)失效應變。背彈層的PC 具有黏彈性、高強度的特征，在屈服后隨著變形量的逐漸增大先后表現(xiàn)出應變軟化、硬化特征，吸收彈丸的剩余能量并產(chǎn)生塑性變形[10-13]。應變率曲線中極大值點出現(xiàn)的時刻與中心測點變形速度達到最大值的時刻基本一致，與彈靶作用時PMMA 在PUR 的影響下由依靠黏彈性特征下的變形吸能至依靠破碎與裂紋擴展吸能的抗彈機理變化相對應，極小值點出現(xiàn)的時刻略滯后于區(qū)域測點變形速度到達最大值的時刻，與PMMA 已碎裂、PC 層通過變形吸收彈體剩余能量的抗彈機理變化對應。

2#樣品玻璃的硬度大、動態(tài)壓縮強度高、動態(tài)失效應變小[14-15]。高硬度使2#樣品具有更好的墩粗、破碎彈體的能力。動態(tài)壓縮強度高與玻璃抗彈時破壞波的傳播有關(guān)，具體為：玻璃內(nèi)的細觀缺陷形成細觀尺度的局部應力集中，在沖擊壓縮下應力集中超過材料的破壞應力閾值時，微裂紋開始成核、擴展并激發(fā)相鄰區(qū)域消耗彈體的能量[16-18]，這與試驗結(jié)果中玻璃產(chǎn)生粉碎性破壞并以彈著點為中心向四周輻射的形貌結(jié)果一致。動態(tài)失效應變小與試驗結(jié)果中測點的最大動態(tài)變形、樣品最終的背突變形小一致。兩樣品中膠層、PC 等其它材料在彈靶作用期間所起到的作用相近。應變率曲線出現(xiàn)的波動時刻與兩測點變形速度達到最大值的時刻相關(guān)，與樣品由通過變形吸能至玻璃開始破碎吸能的時間相關(guān)。

3 結(jié)論

(1)彈道試驗損傷形貌結(jié)果和和變形速度、變形位移、應變、應變率等動態(tài)變形參數(shù)的測量結(jié)果表明，兩種不同結(jié)構(gòu)、材料的樣品在彈擊形貌上均表現(xiàn)出以彈著點為中心向外擴展的破壞，在AFDISAR有效測量的數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)，樣品測點的變形速度曲線均呈先增大后減小的趨勢，且沿中心測點徑向遞減。樣品測點的變形位移、應變曲線均呈逐漸增大趨勢，樣品測點附近應變率曲線整體呈增大趨勢。測得PMMA/PC 結(jié)構(gòu)樣品(1#樣品)的應變率曲線存在兩極點，玻璃/PC 結(jié)構(gòu)樣品(2#樣品)應變率曲線存在波動，極點或波動出現(xiàn)的時刻均與測點變形速度達到最大值的時刻相關(guān)，與樣品主要抗彈機理發(fā)生轉(zhuǎn)變的時刻相關(guān)。

(2)在試驗條件下，比較PMMA/PC 結(jié)構(gòu)樣品與玻璃/PC 結(jié)構(gòu)樣品的試驗結(jié)果可知，兩者達到最大變形速度的時間相近，PMMA/PC 樣品(1#樣品)測點的最大變形速度高，最大靜態(tài)變形位移大，這與PMMA 對彈體墩粗、破碎的能力低，變形吸能的能力高的特性一致，與材料的硬度、壓縮強度及失效應變等力學特性的表現(xiàn)一致。

(3)試驗基于彈道侵徹條件測得樣品變形速度、變形位移、應變和應變率數(shù)據(jù)及其變化情況，試驗結(jié)果有助于科研、工程人員直觀認識高應變率下材料的力學行為，測試方法和測試數(shù)據(jù)對透明復合裝甲的研發(fā)、相關(guān)防護結(jié)構(gòu)的設計、仿真、性能評估形成支撐和參考。