类钢密度活性材料弹丸撞击铝靶行为实验研究

肖艳文，徐峰悦，余庆波，郑元枫，王海福（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）



类钢密度活性材料弹丸撞击铝靶行为实验研究

肖艳文，徐峰悦，余庆波，郑元枫，王海福
（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

摘要：采用弹道碰撞实验对类钢密度冷压成型和烧结硬化聚四氟乙烯/铝/钨系活性材料弹丸撞击铝靶行为进行了研究。基于圆柱形活性材料弹丸正碰撞不同厚度2A12硬铝靶的弹道极限速度、穿孔破坏模式及平均穿孔尺寸实验结果，结合THOR侵彻方程，得到活性材料弹丸正碰撞铝靶的弹道极限速度半经验关系，并分析铝靶厚度对活性材料弹丸相对于钢弹丸侵彻行为及性能的影响。从活性材料内部压力分布、靶板背面稀疏波卸载效应和活性材料激活响应点火时间等角度，分析和讨论了活性材料弹丸化学响应行为对侵彻性能的影响机理。分析结果表明，随着靶板厚度的增大，活性材料激活率和侵孔内爆燃压力随之提高，从而导致侵彻末端爆裂穿孔能力的显著增强。

关键词：兵器科学与技术；活性材料弹丸；弹道碰撞实验；弹道极限速度；侵彻性能

0　引言

活性材料毁伤元及其应用技术，是当前高效毁伤领域最重要的热点前沿研究方向之一［1-3］。这种新型含能毁伤元的显著特点是，既有类金属材料的力学性能，又有类含能材料的爆炸特性。因此，当其以一定速度碰撞目标时，表现为既有良好的动能侵彻能力，又能在侵彻目标过程中的强动载荷作用下被激活，发生非自持爆炸反应。从而通过动能侵彻和爆炸化学能释放两种毁伤机理的联合作用，实现对打击目标更高效的结构毁伤，显著增强对燃爆类目标的引燃或引爆能力［4-6］，为大幅度提高常规弹药战斗部的毁伤威力提供了新的技术途径。

活性材料毁伤元具有的这种独特毁伤机理、毁伤模式和毁伤效应，特别是侵彻目标过程中发生的这种独特力学与化学耦合响应行为，使得对其侵彻行为及性能问题的研究变得尤为复杂。从国内外公开发表的相关研究工作看，更多的是体现在活性材料配方设计、制备工艺、力学性能、能量释放及工程化应用等方面［5-6］。有关活性材料侵彻性能及行为，特别是活性材料化学响应对侵彻性能及行为的影响问题，研究工作还不深入，机理尚不清楚。本文采用弹道碰撞实验的方法，对活性材料弹丸碰撞不同厚度铝靶的弹道极限速度及侵彻规律进行了研究，并从侵彻过程力学与化学耦合响应的角度，对其侵彻性能、行为及机理进行了分析和讨论。

1　弹道碰撞实验

1.1实验方法

为研究类钢密度活性材料弹丸的侵彻行为和性能，实验用圆柱形活性材料弹丸由按当量配比的聚四氟乙烯/铝/钨（PTFE/Al/W）粉体混合物，经冷压成型和烧结硬化制备而成。其中聚四氟乙烯、铝和钨3种粉体的初始平均粒度分别为28 μm、44 μm和44 μm，烧结后材料密度约为7.8 g/cm3，弹丸尺寸为φ10 mm×10 mm.活性材料弹丸及带药筒和弹托的发射弹如图1所示，实验测试系统如图2所示，主要由口径12.7 mm弹道枪、靶架、靶板、测速网靶及高速运动分析仪等组成。弹丸速度由测速网靶测量，弹/靶作用过程由高速运动分析仪记录。其中枪口与靶板之间的距离为 9 m，铝板迎弹面尺寸为240 mm×240 mm，厚度分别为3 mm、6 mm、9 mm和12 mm.

图1　活性材料弹丸及实验弹Fig.1 Active material projectile and bullet sample

图2　实验装置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

实验时，先按弹/靶作用条件对弹道极限速度进行初步估算，然后按弹丸质量、发射药量与出口初速经验关系，确定发射药量和发射弹丸质量，并根据所测弹丸速度和穿透靶板与否，按“升降法”调整发射药量和出口速度。若弹丸贯穿靶板，则减少发射药量再次发射，若弹丸未贯穿靶板，则增加发射药量提高弹丸速度，依次实验，直到获得给定厚度靶板的弹道极限速度v50，v50估算公式［7］为

式中：v为活性材料弹丸侵彻给定厚度靶板实验中最大未贯穿速度与最小贯穿速度范围内的速度平均值；NNP和NP分别为未贯穿和贯穿弹丸数；vNP和vP分别为未贯穿最大速度和贯穿最小速度。

1.2实验结果

表1所示为活性材料弹丸正碰撞不同厚度2A12硬铝靶所测弹道极限速度及穿孔情况实验结果，h和D分别为铝靶厚度和平均穿孔直径。从表1中可以看出，当铝靶厚度分别从3 mm增大到6 mm、9 mm和12 mm时，弹道极限速度v50分别由365 m/s增大到466 m/s、581 m/s和670 m/s，这与惰性材料弹丸侵彻规律相一致［7］。从靶板穿孔破坏模式看，在弹道极限速度碰撞条件下，活性材料弹丸贯穿3 mm厚铝靶，穿孔破坏呈典型花瓣型，贯穿6 mm和9 mm厚铝靶，穿孔破坏呈典型冲塞型，贯穿12 mm厚铝靶，穿孔破坏呈典型延性扩孔型，这也与惰性弹丸低速贯穿薄靶、中厚靶和厚靶条件下的穿孔破坏模式相一致［7］。但从靶板穿孔直径看，活性材料弹丸贯穿3 mm厚铝靶形成的花瓣型穿孔直径，较贯穿6 mm和9 mm厚铝靶形成的冲塞型穿孔直径要大，但较贯穿12 mm铝靶形成的延性扩孔直径要小，这同样与惰性弹丸穿孔尺寸规律一致［7］。

表1　实验结果Tab.1 Experimental results

图3所示为活性材料弹丸在接近弹道极限速度碰撞条件下贯穿不同厚度铝靶的入孔和出孔典型实验图片。从图3中可以看出，活性材料弹丸贯穿铝靶后，入孔周围均不同程度地分布有被喷射状烟气熏黑的痕迹。相比较而言，活性材料弹丸贯穿6 mm厚铝靶条件下烟气熏黑痕迹最强，穿透3 mm厚铝靶条件下烟气熏黑痕迹，较穿透9 mm和12 mm厚铝靶要显著，并以穿透12 mm厚铝靶条件下烟气熏黑痕迹最弱。此外，从靶板出孔特征看，与靶板入孔周围存在明显被烟气熏黑痕迹相比，出孔周围基本不存在这种现象，但均有不同程度的隆起，而且隆起区域、高度以及出孔边缘的裂纹均随靶厚增大而逐渐减小。这表明，在接近弹道极限速度碰撞下，活性材料弹丸侵彻不同厚度铝靶过程中均已被激活，但激活响应行为与靶板厚度有关。

图3 活性材料弹丸贯穿不同厚度铝靶典型实验图片Fig.3 Typical photos of active material projectiles perforating the aluminum plates with different thicknesses

图4所示为活性材料弹丸在接近弹道极限速度条件下分别碰撞厚度为3 mm、6 mm、9 mm和12 mm厚铝靶侵彻过程的典型高速摄影图片。从图4中可以看出，活性材料弹丸侵彻不同厚度铝靶过程的化学响应存在显著不同。从靶前爆燃火焰特征看，活性材料弹丸侵彻3 mm厚铝靶时化学响应最弱，表现为火焰基本只从入孔周侧沿靶面向外扩展，而且火焰亮度低、扩展区域小、熄灭时间短。表明在该碰撞速度下，活性材料虽已被激活，但化学响应并不剧烈，化学能释放少，侵孔内爆燃压力低，这与图3（a）中铝靶入孔周围的典型烟气喷射熏黑痕迹相吻合。进一步比较图4（b）、图4（c）和图4（d）可以看出，随着铝靶厚度增大，虽然爆燃火焰亮度和熄灭时间基本相当，但火焰扩展行为存在显著不同。侵彻6 mm厚铝靶时，爆燃火焰仍主要沿入孔周侧靶面向外扩展，火焰覆盖区域最大但较薄，这与图3（b）中铝靶入孔周围被喷射状烟气严重熏黑痕迹相吻合。表明在该碰撞速度条件下，活性材料被激活和化学响应剧烈程度虽有显著提高，但侵孔内爆燃压力和烟气喷射速度仍不是很高。当铝靶厚度增大到9 mm时，爆燃火焰沿入孔周侧靶面向外扩展明显减弱，并出现较强的沿入孔周侧法向外喷现象，这与图3（c）中铝靶入孔周围虽仍存在但已显著减弱的被喷射状烟气熏黑痕迹相吻合，表明在该碰撞速度下，活性材料被激活和化学响应剧烈程度得到了进一步提高，释放出的化学能也更多，侵孔内爆燃压力和烟气喷射速度更高。进一步增大铝靶厚度到12 mm时，爆燃火焰已脱离入孔周侧靶面扩展，并以更高的速度沿入孔周侧法向外喷，这与图3（d）中铝靶入孔周围只是局部区域仍存在烟气熏黑痕迹相吻合。表明在该碰撞速度下，有更多的活性材料在侵靶过程中被激活并引发更剧烈的化学响应，释放出了更多的化学能，进一步提高了侵孔内的爆燃压力和火焰喷射速度。

图4　活性材料弹丸侵彻不同厚度铝靶过程典型高速摄影图片Fig.4 Typical high-speed photographs of active material projectiles penetrating the aluminum plates with different thicknesses

从图4中还可以看出，相对于活性材料弹丸侵彻不同厚度铝靶的靶前火焰特征显著不同，靶后火焰特征及扩展行为则基本类似，均表现为长锥形火焰形貌，并主要沿轴向扩展，这与图3所示各出孔周围均无明显被烟气熏黑痕迹相一致。进一步比较火焰亮度、尺寸和持续时间可以看出，活性材料弹丸贯穿3 mm薄靶和12 mm厚靶条件下，靶后能量释放相对最弱，这与弹/靶碰撞条件相吻合。

以上实验现象和结果表明，活性材料弹丸侵彻金属靶板行为较惰性弹丸要复杂得多，既是动能侵彻过程，又伴随有化学响应行为。而且这种复杂的力学与化学耦合响应行为，显著受弹/靶碰撞条件的影响，并决定着其侵彻性能及弹道极限速度。

2　侵彻性能分析

为进一步分析活性材料弹丸的侵彻性能，利用THOR侵彻方程对表1中实验数据进行拟合，建立活性材料弹丸弹道极限速度半经验关系。在正碰撞条件下，THOR侵彻方程［7］可表述为

式中：k、α和β为与弹丸和靶板材料有关的经验常数，对于钢弹丸碰撞铝合金靶板情况，其值分别为2 852、0.903、-0.941；h为靶板厚度（cm）；m为弹丸质量（g）；A为平均着靶面积（cm2）。

利用（3）式拟合得到活性材料弹丸侵彻铝靶弹道极限速度v50半经验关系为

根据（3）式和（4）式得到活性材料弹丸和钢弹丸侵彻铝靶弹道极限速度与靶板厚度关系，如图5所示。从图5中可以看出，在实验碰撞条件下，活性材料弹丸的弹道极限速度曲线始终位于钢弹丸弹道极限速度曲线上方。也就是说，虽然活性材料弹丸与钢弹丸材料密度相同，但侵彻相同厚度的铝靶，活性材料弹丸的弹道极限速度显著高于钢弹丸。这表明，活性材料弹丸侵彻能力较钢弹丸要弱得多，特别是在侵彻中等厚度铝靶时，钢弹丸的侵彻能力优势更明显。另外，对比活性材料弹丸和钢弹丸弹道极限曲线还可以看出，随着铝靶厚度的逐渐增大，两种弹丸的弹道极限速度差值呈先增大、后减小趋势。或者说，活性材料弹丸相对钢弹丸的侵彻能力，随铝靶厚度的增大呈现先减弱、后增强的趋势。这表明，当铝靶厚度增大到某一值后，活性材料弹丸的弹道极限速度或侵彻能力将趋于与钢弹丸相当，进一步增大铝靶厚度，活性材料弹丸的侵彻能力甚至有可能超过钢弹丸。

活性材料弹丸的这种侵彻性能，可以从以下三个方面进行分析：

图5　弹道极限速度与靶板厚度关系Fig.5 Ballistics limit velocity as a function of target thickness

1）对于给定形状和尺寸的弹丸来说，其侵彻能力主要取决于材料密度和力学强度。虽然活性材料弹丸的密度与钢弹丸相同，但由于力学强度显著低于钢弹丸，致使活性材料弹丸低速侵彻靶板过程中的塑性变形和墩粗效应较钢弹丸更为突出，这可以从表1中铝靶穿孔直径得到有效验证。因此，相对于钢弹丸，活性材料弹丸贯穿相同厚度的铝靶需要更高的碰撞速度或动能，以有效克服更大的穿孔阻力，导致弹道极限速度显著高于钢弹丸。但对于侵彻厚度很薄铝靶的情况，由于传入弹丸内的碰撞冲击波很快会被铝靶背面的稀疏波赶上并卸载，致使活性材料弹丸侵靶过程的墩粗效应显著减弱，钢弹丸的强度优势随之减弱，从而导致两者的弹道极限速度差随靶厚变薄而减小。

2）随着铝靶厚度的增大，弹道极限速度和碰撞压力随之提高，钢弹丸塑性变形和墩粗效应逐渐显现，钢弹丸与活性弹丸之间的相对强度优势不断减弱，从而导致两者之间的弹道极限速度差逐渐减小。进一步增大铝靶厚度，当碰撞压力达到甚至超过钢弹丸的强度极限后，弹丸开始碎裂，材料强度优势逐渐丧失，侵彻能力变为由碰撞动能和材料密度主导，并致使两者的侵彻能力趋于相当。

3）基于本文实验结果，随着铝靶厚度的增大和弹道极限速度的提高，活性材料弹丸侵彻过程化学能释放和爆燃压力显著提高。尽管这种爆燃压力对活性材料弹丸侵彻性能的影响规律还有待进一步研究，但可以确定的是，在侵彻弹道末端无疑会增强对靶板背面隆起的爆裂穿孔能力。特别是在高速侵彻厚靶条件下，这种爆裂穿孔效应很可能会显著增强活性材料弹丸的侵彻性能，导致活性材料弹丸的侵彻能力甚至有可能超过钢弹丸。

3　撞击反应行为讨论

实验结果表明，在接近弹道极限速度碰撞条件下，活性材料弹丸侵彻过程化学能释放和爆燃压力随铝靶厚度的增大而显著提高。基于一维冲击波理论，在碰撞速度低于材料声速条件下，碰撞初始冲击波压力可近似按下式进行估算［8］，即

式中：p0为传入活性材料弹丸的碰撞初始冲击波压力；v为碰撞速度；ρF、cF分别为弹丸材料的密度和声速；ρT、cT分别靶板材料的密度和声速。

考虑密实介质中冲击波压力传播服从指数衰减规律，活性材料弹丸中压力分布可表述为

式中：p为碰撞初始冲击波传入活性材料弹丸内距离x处的压力；γ为与材料有关的经验常数。

另外，基于Taylor杆碰撞实验［9］，活性材料激活响应点火时间与冲击压力之间关系可表述为

式中：pc为活性材料所受激活响应点火压力阈值（GPa），对于当量配比76PTFE/24Al系活性材料，pc为0.73 GPa；t为活性材料激活响应点火时间（μs）。

对于本文实验用当量配比PTFE/Al/W系活性材料，由于钨粉的加入，改变了颗粒与基体之间的界面结合，提高了活性材料的脆性，致使冲击引发活性材料强剪切碎裂和点火响应压力阈值有所下降，激活响应更快，可近似取pc为0.65 GPa［8］.

利用（4）式、（5）式和（7）式计算得到碰撞速度与活性材料弹丸激活响应点火时间t和最大贯穿铝靶厚度hc之间关系如图6所示，其中活性材料声速近似取1 350 m/s［8］.从图6中可以看出，当碰撞速度低于106 m/s时，碰撞初始压力低于pc，活性材料无法被激活；当碰撞速度处于106～200 m/s范围时，碰撞初始压力超过了pc，活性材料被激活响应点火时间表现为随碰撞速度提高而迅速缩短；当碰撞速度提高到200～700 m/s范围，活性材料激活响应点火时间表现为随碰撞速度提高呈现缓慢缩短趋势；当碰撞速度超过700 m/s后，活性材料激活响应点火时间随碰撞速度提高基本趋于不变。

图6　起爆响应时间、最大贯穿铝靶厚度与碰撞速度关系Fig.6 Initiation delay time and maximum perforated aluminum plate thickness as a function of impact velocity

从图6中还可以看出，在碰撞速度大于200 m/s条件下，活性材料激活响应时间在20 μs以内，结合图4所示高速摄影图片，活性材料弹丸以弹道极限速度碰撞3 mm、6 mm、9 mm和12 mm厚铝靶，贯穿靶板所需时间随靶厚增大而增长，且远大于活性材料激活响应点火时间。进一步结合（6）式分析，当活性材料弹丸碰撞3 mm厚铝靶时，由于贯穿靶板时间短、初始碰撞压力低和靶板背面稀疏波追赶卸载快，导致活性材料弹丸侵靶过程中激活率和侵孔内爆燃压力低，表现为靶前爆燃火焰亮度和向外喷射速度低、扩展区域小、熄火时间短，更多的化学能穿靶后得以继续释放，与图4（a）所示的实验现象相一致。随着铝靶厚度、弹道极限速度和碰撞初始压力的增大，活性材料激活响应点火时间缩短、穿靶时间延长和靶板背面稀疏波追赶卸载延迟，导致活性材料弹丸侵靶过程中激活率和侵孔内爆燃压力随之提高，表现为靶前爆燃火焰亮度的提高和沿靶板法向外喷效应逐渐增强，熄火时间延长，侵靶过程中化学能靶前释放行为的增强，从而很好地揭示了图4（b）～图4（d）所示的实验现象和结果。

4　结论

通过弹道碰撞实验对类钢密度活性材料弹丸侵彻铝靶弹道极限速度问题进行了研究，并对其侵彻性能和机理进行了分析和讨论，主要结论有：

1）在弹道极限速度碰撞条件下，活性材料弹丸侵彻不同厚度铝靶的穿孔破坏模式与钢弹丸相类似，靶板厚度对活性材料弹丸穿孔尺寸影响规律也与钢弹丸相类似，但穿孔尺寸更大。

2）在侵彻相同厚度铝靶下，活性材料弹丸的弹道极限速度显著高于钢弹丸，但二者的差值随靶厚增大呈现逐渐减小趋势，当碰撞压力接近钢弹丸碎裂强度后，二者的弹道极限速度趋于相当。

3）活性材料化学响应行为对侵彻性能的影响随靶板厚度增大而增强，机理上表现为活性材料激活率和侵孔内爆燃压力的提高，致使侵彻末端爆裂穿孔能力的增强和弹道极限速度的下降。

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中图分类号：TJ012.4

文献标志码：A

文章编号：1000-1093（2016）06-1016-07

DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2016.06.007

收稿日期：2015-11-12

基金项目：国家部委科研项目（403020201）

作者简介：肖艳文（1985—），男，博士研究生。E-mail：3120130132@bit.edu.cn；王海福（1966—），男，教授，博士生导师。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