多层复合防护结构弹击损伤特征研究

王超　谢永亮　卢杨　万隆

摘 要：为研究多层复合防护结构的防护能力，制备陶瓷/金属、泡沫铝/金属两种多层复合结构，利用高速冲击空气炮系统，对两种结构及均质钢结构进行弹击损伤试验，研究不同结构的弹击损伤特征，对比分析三种结构的抗侵彻机制。研究表明：多层复合防护结构能有效发挥各层次材料的力学性能，较大的改善了防护结构的抗侵彻能力。

关键词：多层复合防护结构；垂直侵彻；弹击特征；抗侵彻机制

中图分类号：TJ410.6 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）07-0057-01

引言

防护结构作为抵抗预定杀伤武器破坏作用的工程结构，在现代化战争武器性能日渐提升，破坏力、精确度大幅提高的条件下，其防护能力亟待提升。复合结构综合了不同材料的防护特性，较好的改善了结构的防护能力，使得其在防护工程中得到了广泛的应用。复合结构能充分发挥不同层次材料的力学性能。一些学者对复合材料夹层板结构[1]进行了研究，在爆炸荷载作用下，其显示出良好的工作性能，它不仅构造简单、重量轻，而且能充分发挥面层和芯层的力学性能。

对于复合材料夹层结构，不同的结构层要发挥不同的性能特点。选取陶瓷/金属、泡沫铝/金属两种多层复合介质进行单机损伤试验，研究两种在遭受破坏时具有不同响应机理的复合防护结构在侵彻后的宏观、微观断裂特征，分析其动态断裂失效机制，与均质钢结构进行对比，分析不同结构的抗弹耗能性能，对复合结构的优化设计有积极的指导作用。

1 试验设计

1.1 试验材料

制备两种多层复合防护结构。

1.1.1 陶瓷多层复合结构

面层和背板层选用5mm高硬度CrNiMo装甲钢，芯层材料选用10mmAl2O3陶瓷+5mm。

1.1.2 泡沫铝多层复合结构

面层至背板层选用5mm高硬度CrNiMo装甲钢，芯层材料选用10mm泡沫铝；并制备20mm的单层高硬度CrNiMo装甲钢防护结构作为对比试验材料。

1.2 试验方法

本次试验采用的是高速冲击空气炮试验装置。炮的主体部分由发射管、高压气室、缓冲装置和释放机构组成。发射时先通过释放机构的快速打开阀门，气体压力直接作用到弹丸底部，或将子弹镶嵌在圆柱形软木块中，弹丸被加速直到撞击模拟试验装置。

实验弹选用的材料是45#钢，外部尺寸为直径12.7mm，长51mm，质量48.5g，半球形弹头。通过将子弹镶嵌在圆柱形软木快上实现气体压力的加载。在炮管的末端置有专用机构在不减小子弹速度的情况下将子弹和软木块分离，拦阻软木块，只有子弹撞击式样板。对弹击后的各个试验面板进行回收，观察其宏观裂纹形貌，并分析特征部位的断口特征，分析结构抗侵彻机制。

2 试验结果及分析

2.1 宏观损伤特征

本次试验中高速冲击空气炮发射的子弹速度大约在350m/s左右。3种防护结构的弹击损伤示意图如图1所示。

对试验回收的3种不同结构的面板进行宏观分析。

2.1.1 均质钢结构

子弹侵彻深度在17mm左右，背面有鼓包。

2.1.2 陶瓷多层复合结构

面层钢板屈服，被子弹穿透；中间层产生众多的径向裂纹和少量的环向裂纹，径向裂纹由迎弹区向背弹区扩散；背板损伤较小，基本无鼓包。

2.1.3 泡沫铝多层复合结构

面层钢板屈服，被子弹穿透；中间层发生塌陷破坏，泡沫铝孔洞发生坍塌，并被压实；背板略微有鼓包。

2.2 抗侵彻机制分析

对于均质钢结构，主要选取装甲钢材料。装甲钢本身具有良好稳定的力学性能，从而决定了其在防护结构抗侵彻过程中具有较好的抗弹性能，依靠其本身的高硬度抵抗弹体攻击，其本身又具有较好的韧性，在遭受破坏时能够产生一定的塑性变形，提高了一定的抗侵彻能力。

对于复合结构，面层材料承受一定的冲击荷载，避免了芯层材料与破坏荷载的直接接触；芯层材料可采用泡沫结构材料，如泡沫铝材料，可以发挥其良好的抗冲击性能和优越的吸能减震特性，通过塑性变形，消耗冲击能量，缓解冲击荷载对防护背板的应力脉冲；芯层材料也可采用高硬度脆性材料，如陶瓷材料，在遭受较高速度的撞击破坏时，在接触点附近形成锥形破坏区域，在此区域内，脆性材料由于承受较高的压力而处于流体状态，侵彻弹体将受到靶板碎片的严重侵蚀，消耗大量动能；背板材料提供一定的刚性支撑，并吸收剩余能量。通过不同层次材料的力学性能的结合，有效提高了结构的抗侵彻能量。

3 结论

通过研究多层复合防护结构的弹击损伤特征，分析多层复合防护结构的抗侵彻机理，从而得出：复合结构有机结合了各层次材料的材料特性，发挥不同材料各自的优势，从而提升了结构的抗侵彻能力。

参考文献

[1] 边小华，康建功，等.一种新型防护结构对爆炸冲击波衰减特性的研究[J].后勤工程学院学报，2005（4）：39-45.

作者简介：王超（1989-），男，汉族，硕士研究生，就读于中国人民解放军空军勤务学院机场工程与保障系。研究方向：军事后勤与军事装备工程。