撞击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗弹评价的影响

孙　非1,彭　刚2,王绪财2,冯家臣2,王　伟2

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094;2.中国兵器工业集团 第五三研究所,济南 250031)



撞击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗弹评价的影响

孙非1,彭刚2,王绪财2,冯家臣2,王伟2

(1.南京理工大学 机械工程学院,南京 210094;2.中国兵器工业集团 第五三研究所,济南 250031)

摘要:为了准确表征陶瓷/纤维轻型装甲复合材料的抗侵彻性能,提高抗弹性能评估的可靠性,通过12.7 mm穿甲燃烧弹打击侵彻被测靶板的DOP试验方法,以质量防护系数表征分析了陶瓷/纤维复合装甲板在不同打击位置的抗侵彻能力。数据表明:以陶瓷片铺层的复合装甲板在不同打击点的抗弹性能分散性较大,存在抗侵彻典型区域和危险点,弹体着靶位置影响对其抗弹性能的评价。只有充分考虑危险点的试验数据,陶瓷/纤维复合装甲板的抗弹性能试验评估才能更准确、可靠。

关键词:陶瓷;复合材料板;撞击位置;抗弹性能;防护系数

防护材料抗弹性能的表征评价是材料设计与应用的重要依据。防护材料及其产品抗弹性能试验表征方法及其边界条件的不同,将产生不同的评价结果,从而影响抗弹性能的评价,对材料的研制与可靠应用会产生严重影响。陶瓷/纤维复合材料板是新兴轻型装甲防护材料,具有轻质和高效的防弹性能等优点,在军民用车辆、航空、舰船以及个体防护中获得了快速发展与应用。以排列陶瓷片与铺层纤维层合的复合材料板的主要特点是:易于成型、便于设计,且多材料复合、多界面及高度非均质各向异性。该类结构复合材料板虽然具有良好的防弹抗侵彻性能,但陶瓷的铺层结构状态、约束条件以及试验边界条件等均可对其抗弹性能和表征评价产生重要影响[1-3],这极易造成抗弹性能的分散和不一致性。因此,必须找出影响其抗弹能力客观评价的要素,客观、可靠地表征评价陶瓷/纤维复合材料板的抗弹性能。

根据陶瓷/纤维复合材料板的结构和防护应用特点,评价其抗弹性能通常采用标准轧制均质钢装甲(RolledHomogeneous-steelAmour,简称RHA)为参比靶板的穿甲弹垂直穿深试验表征法,即DOP(DepthofPenetration)试验方法[4-5],采用质量防护系数作为表征参量。对DOP穿深质量防护系数的应用研究发现,该试验方法受表征试验条件的影响较大,对于同一被测靶板,在不同表征试验条件下的质量防护系数表征值可能相差较大,如果没有合理的试验约束条件,就无法对各种被测靶板的抗侵彻效能做出较客观的比较评价,各表征值也不具备可比性。

陶瓷/纤维复合材料板在抗弹表征中靶板撞击位置的随机性大,射击试验一致性差,分散性大,针对此问题,本研究通过分析被测复合材料板的结构,初步确定了可能影响复合材料板抗弹性能评价的弹体典型着靶位置,以质量防护系数为参量,分析了打击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗弹评价的影响。

1试验条件及状态

本试验采用威胁轻型复合装甲的主要弹种之一的1954年式12.7mm穿甲燃烧弹作为射击用弹。为了着弹点的稳定,采用12.7mm口径标准弹道测速枪,射距为15m,红外光幕测速靶测控弹速v12,使其满足GJB59.18-88的弹速要求。

沿打击方向,试验靶板在靶架上的组合与装配依次为打击面约束框、被测样品板、603标准均质装甲钢板以及支撑靶架。各部分由夹具沿周边与支撑靶架牢固夹持固定。试验中靶板的组合、夹持及射击状态见图1。

图1　靶板夹持与试验状态示意图

弹道试验在(20±5)℃、相对湿度为65%的常温常湿的环境下进行。试验前被测样品在室温环境中放置72h。

2试验靶板

试验靶板由被测陶瓷/纤维复合材料板样品和603标准均质装甲钢参比板组合而成。为避免靶板的组合间隙对其抗弹性能评价的影响,两板应平整,并控制周边可见组合间隙不大于1mm。

被测陶瓷/纤维复合材料板样品是由正六边形氧化铝陶瓷片(厚度为6mm,边长为48mm)、玻纤织物及铝合金(厚度为0.5mm)和树脂复合而成。制备的陶瓷/纤维复合材料板共3个样品:①厚度为8.6mm,面密度为28.2kg/m2;②厚度为9.0 mm,面密度为29.4 kg/m2;③厚度为8.9 mm,面密度为29.0 kg/m2。为了保证侵彻过程中参比板背面平整,厚度参量不对试验结果产生影响,选择了性能满足相关要求的603厚标准均质装甲钢板,其长、宽、厚分别为300 mm,200 mm,46 mm。

3试验与结果分析

陶瓷片铺层是陶瓷/纤维复合材料板的关键抗弹防护层。因该层是由陶瓷片拼接而成,陶瓷/纤维复合材料板中陶瓷片的排列位置状态必然会对其抗弹性能产生影响。试验前,首先对可能影响复合材料板样品抗弹性能的薄弱区与危险点,如陶瓷片尖角区(B处)、陶瓷片的相邻缝(A处)、多片陶瓷片角的顶点(D处)进行预先标注,如图2(a)所示。通过对这些可能的薄弱区与危险点以及陶瓷片中央区域(C处)等典型位置的射击试验表征,分析打击点对评价陶瓷/纤维复合材料板抗弹性能的影响规律。各预先标注的危险点与陶瓷中央射击区等典型射击位置、限定区域见图2(b),图中r为子弹半径。由图2可以看出,中央射击区(C处)基本排除了陶瓷片间接缝、顶角等边缘薄弱区域,同时减少了陶瓷片与片间的相互影响,基本可以体现整个陶瓷片的实际抗弹能力,应是整个复合材料板的抗弹优势区域。

考虑到陶瓷/纤维复合材料板在装甲防护中主要以穿甲弹侵彻为防护对象,根据DOP试验方法,测量穿甲弹穿过复合材料板样品后在参比装甲钢板上的后效垂直穿深,通过质量防护系数抗弹参量对复合材料板抗弹性能进行表征。

图2　复合材料板样品预设打击点布置示意图

基本试验原理见图3,试验首先测定穿甲弹对603参比板的垂直穿深,即空白穿深;然后在同等侵彻条件下分别测定试验靶板在不同预设着弹位置上参比板的后效穿深, 计算复合材料板的质量防护系数N:

(1)

式中:ρs为603标准装甲钢参比靶板的密度,kg/m3;Ds为603标准装甲钢参比靶板的空白穿深,mm;Dr为试验靶板单元中603钢参比靶板后效侵彻穿深,mm;ρt为复合材料板密度,kg/m3;Ht为复合材料板厚度,mm。

图3　同等侵彻条件下的参比射击试验

本试验在兵器非金属材料理化检测中心弹道实验室完成,每发射击由激光指示器精确示点打击,着弹位置超出图2(b)所示限定区域或角度倾斜的数据予以剔除。具体试验结果数据见表1,表1中v为侵彻速度,ρ为复合材料板面密度,N为质量防护系数。复合材料板的侵彻破坏及603装甲钢参比板的后效侵彻状态,见图4。

表1　不同打击点的质量防护系数测定值

图4　试验后的部分靶板状态

根据试验数据可以看到,由于陶瓷/纤维复合材料板的特殊铺层结构,复合材料板在不同的区域所呈现的抗穿甲侵彻能力有较大差异。打击点在陶瓷中央区区域复合材料板呈现的抗弹能力明显高于其他典型区域的表征值,其质量防护系数各表征值均值比在陶瓷片对接缝、角交点和尖角区打击点处的均值分别高出约1.2%,2.8%,6.6%;陶瓷片中央区区域质量防护系数最大表征值与陶瓷片对接缝、角交点和尖角区打击点处的最小表征值的极差分别达到典型区表征均值(N=7.44)的6.3%,8.2%,13.0%。由此可见,在复合材料板的整个迎弹面内弹体不同着靶位置的抗弹能力是不同的,不同点的抗弹性能有较大的分散性,存在着陶瓷片“对接缝”、“ 角交点”和“尖角区”这样的薄弱区与危险点。在保证其他试验约束条件一致的情况下,4个典型打击区域(邻缝、尖角、角交点、中央)的初速均值分别为842 m/s,839 m/s,835 m/s,836 m/s。可以看出,打击速度基本一致,满足标准要求,其波动不会对试验数据产生趋势性影响,说明复合材料板中防护危险点是客观存在的。针对复合材料板抗弹能力的表征评价,若不充分考虑这些薄弱区域的存在,则靶面随机射击试验的表征方法可能会产生较大的表征偏差,从而影响复合材料板的设计、可靠应用与安全性评估。

由表1可以发现,在同等打击侵彻条件下,4个典型打击区域中陶瓷片“尖角区”处的质量防护系数表征值最小,陶瓷片“对接缝”处和“角交点”处的质量防护系数与典型区表征均值相近。各典型打击位置抗弹性能表征单值的分布(标准偏差)显示,陶瓷片“对接缝”、陶瓷片“角交点”及“中央区”处的抗弹性能表征单值分散性较小,而陶瓷片“尖角区”处抗弹性能表征单值分散性较大,几乎是前者的2倍,说明复合材料板中陶瓷片“尖角区”处不但是抗打击的危险点,而且抗弹性能分散性大。因此,对复合材料板的抗弹性能评价时,试验表征分析要综合考虑各典型位置的防护系数。考虑到陶瓷片“尖角区”处侵彻单值的更大分散性,在对陶瓷/纤维复合材料板整体抗弹性能评价时应重点增加“尖角区”处打击次数的权重。

根据上述分析,为了客观准确地评价陶瓷/纤维复合材料板抗穿甲弹的侵彻性能,陶瓷/纤维复合材料板的抗弹表征应在采用同等侵彻条件下,即1发射击陶瓷片“对接缝”、1发射击“角交点”、1发射击“中央区”、3发射击“尖角区”的6发预设打击的综合表征评价的方法较好,而非随机射击的方法,这样评价更客观、更可靠。

4结束语

弹体的撞击位置对陶瓷/纤维复合材料板抗穿甲弹侵彻能力的表征评价有显著影响。复合材料板上不同弹体撞击点的质量防护系数表征值分散性较大,在复合材料板中陶瓷片的“对接缝”、 “角交点”和“尖角区”处存在抗弹侵彻的薄弱区与危险点。

为了陶瓷/纤维复合材料板的安全设计和可靠应用,其板内抗弹薄弱区与危险点应是靶板抗弹侵彻可靠性考核评价的关键点。

有限的随机射击试验无法有效评价陶瓷/纤维复合材料板的抗弹侵彻性能。采用典型区域预设撞击点多发打击,并综合考虑各典型区域不同抗弹能力应是客观评价该类复合材料板抗弹性能的有效方法。

参考文献

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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

中图分类号:O385;TB332

文献标识码:A

文章编号:1004-499X(2015)04-0064-05

作者简介:孙非(1973- ),男,博士研究生,研究方向为警用装备技术,个人防护技术。E-mail:sunf1@sohu.com。

基金项目:国防973项目

收稿日期:2014-06-22