点阵金属夹层结构抗侵彻实验研究

郭 锐, 南博华, 周 昊, 刘荣忠, 朱 荣, 姜 炜

(1. 南京理工大学 机械工程学院 智能弹药国防重点实验室,南京 210094； 2.上海航天设备制造总厂，上海 200245;3.南京理工大学 化工学院,南京 210094； 4.南京理工大学 材料工程学院,南京 210094)

点阵金属夹层结构抗侵彻实验研究

郭 锐1, 南博华2, 周 昊1, 刘荣忠1, 朱 荣3, 姜 炜4

(1. 南京理工大学 机械工程学院 智能弹药国防重点实验室,南京 210094； 2.上海航天设备制造总厂，上海 200245;3.南京理工大学 化工学院,南京 210094； 4.南京理工大学 材料工程学院,南京 210094)

通过弹道冲击实验方法研究了两种点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力，结合失效破坏模式和吸能效率，综合分析了点阵金属夹层防护结构的抗侵彻机理。实验结果初步表明：球形弹丸侵彻过程中，由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形，使得该型防护结构的抗弹能力得到了大幅度提高。同样侵彻速度条件下，Type II型夹层防护结构的吸收能量较Type I型夹层防护结构高，但它们的单位面密度吸收能量相差不大。研究结果可以为轻质复合装甲的防护设计提供参考。

点阵夹层结构；失效破坏模式；吸收能量；抗侵彻机理

随着材料制备及机械加工技术的迅速发展，轻质多孔点阵材料因其具有优良的结构效率和广泛的多功能应用特性，已受到国内外航空、航天、航海及工业装备等诸多领域的广泛关注[1-4]。轻质多孔点阵材料具有周期性的拓扑结构和高空隙率特点，可以根据实际需要进行多功能一体化设计。如在高空隙率点阵结构中填充隔热纤维，实现隔热功能[4-5]；利用点阵材料内部开孔进行对流换热以满足结构温度控制需求，实现承载与传热功能[6-8]；作为吸能材料抵抗外部爆炸冲击、弹道侵彻[9-12]；以及吸声降噪、屏蔽电磁辐射、结构促动等[13-18]。

作为多孔材料，夹层结构是非常理想的抗爆炸冲击、弹道侵彻的轻质结构材料。在冲击载荷作用下，轻质多孔夹层材料一般会发生动态失稳，在结构内部产生巨大的塑性变形并转化为热能，从而吸收大部分的冲击能量，对其防护的结构形成有效保护。目前对于轻质多孔夹层材料抗弹道侵彻能力的研究主要集中于蜂窝夹层结构。GOLDSMITH等[19]通过一系列准静态和弹道冲击实验研究了铝蜂窝夹层结构的变形和破坏机理，并给出了典型蜂窝夹层板的弹道冲击极限。NIA等[20]实验研究了金属蜂窝的弹道冲击极限、能量耗散以及破坏区域，并与解析模型进行了对比。相比较而言，对于点阵夹层结构的抗弹道侵彻能力的研究尚处于探索阶段，仅有少数学者进行了试验和数值模拟研究。YUNGWIRTH等[21]首次应用试验方法详细分析了点阵金属夹芯板抗球形弹丸侵彻的动态响应，结果表明点阵金属夹芯板的抗弹道侵彻能力与同等质量的实心板相当。在此基础上，YUNGWIRTH等[22]将PU1/PU2聚合物、Spectra编织纤维和金属包裹陶瓷柱添加到点阵金属结构中，分别对3种夹层结构的抗侵彻能力进行了实验研究，发现陶瓷柱填充聚合物封装的夹层结构显著增强了其抗弹道侵彻能力。基于数值模拟方法，倪长也等[23-24]对空心金字塔点阵、嵌陶瓷柱金字塔点阵和陶瓷柱填充环氧树脂封装金字塔点阵3种点阵金属夹层结构抗钢质弹丸侵彻的性能进行了数值仿真研究，量化分析了个结构组分对此类超轻结构三明治板的弹道极限和抗侵彻吸能性能的影响规律。

本文以单层金字塔型点阵金属结构作为支撑陶瓷棒的骨架，通过在点阵金属骨架的空隙中填充陶瓷棒，并利用混杂短切玻璃纤维的环氧树脂进行注塑密封，最后在其上下表面焊接金属面板与背板，制成一种轻质夹层防护结构。为了研究该夹层结构的抗弹丸侵彻能力，我们进行了球形弹丸侵彻的弹道枪试验。实验结果初步表明：球形弹丸侵彻过程中，由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形，使得该型防护结构的抗弹能力得到了大幅度提高。研究结果可以为轻质复合装甲的防护设计提供参考。

1 问题描述和结构设计

利用轻质点阵结构高空隙率和可设计性强的特点，我们设计了一种工艺性较好的轻质夹层结构防护材料。以金字塔型点阵金属结构为骨架基材，在其空心部分插入圆柱型陶瓷棒并填充混杂短切玻璃纤维的环氧树脂材料，上下面板采用与点阵金属结构相同的均质金属板，最终构成复合三明治板结构材料。为了比较陶瓷棒为了评估该结构的抗弹道侵彻能力，利用球形钢质弹丸进行弹道枪侵彻试验，得到弹丸侵彻靶板前后的初始速度和剩余速度，并统计靶板的毁伤情况。

具体方案如下：球形钢质弹丸垂直侵彻四边固支矩形复合三明治板结构，靶板尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，金字塔点阵结构排列为7×7形式，上下面板及点阵结构所用基材均为6061铝合金，密度2.85 g/cm3，陶瓷棒尺寸为φ6 mm×150 mm，陶瓷材料为常见的A95，密度为3.65 g/cm3，混杂短切玻璃纤维的环氧树脂密度为1 200 kg/m3，钢质球形弹丸直径8 mm，质量为2.05 g，侵彻速度范围为900～1 300 m/s(见图1)。

图1 球形弹丸垂直侵彻陶瓷棒填充点阵金属夹层结构问题描述Fig1.Schematic of pyramidal lattice cored sandwich plate with ceramic column insertions and void-filling hybrid epoxy resin and impacted by a spherical projectile at plate center

2 实验材料制备

2.1 金字塔型点阵金属结构

选择t=2 mm厚的6061Al合金板材作为基体材料，基于三维点阵嵌锁工艺结合硬钎焊技术制备金字塔型点阵金属结构(见图2)。首先，根据金字塔型点阵结构的周期性三维网架结构特点，设计分离出该点阵结构的基本拼装单元——格栅，格栅的数量由点阵结构的尺寸要求决定。通过线切割技术加工出格栅单元，超声波清洗后依次将格栅拼装成金字塔型点阵结构，在格栅凸头与凹槽的接头处涂抹上钎焊膏剂，将拼装好的金字塔型点阵结构置于上下面板之中，放入马弗炉中进行钎焊。钎焊时，先将马弗炉升温至400 ℃并保温半小时，迅速把拼装好的待焊点阵金属结构放入炉内，并以30 ℃/min加热至600 ℃，保温10 min，取出得到成品。

图=0.059的金字塔型点阵结构Fig.2 Photograph of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

2.2 金字塔型点阵金属结构的力学性能

图=0.059的金字塔型点阵结构准静态压缩过程Fig.3 Quasi-static compression process of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

实验过程中还发现，点阵结构与面板之间的连接好坏对整个结构的力学性能有着不可忽视的影响。并且， 大多数点阵结构会发生面板与杆件连接处节点失

效的情况，杆件与面板的连接强度和失效破坏将直接影响点阵结构的抗压性能。

2.3 轻质夹层防护结构的制备

根据填充材料的热固性和热塑性特点，以点阵结构金属骨架为基，采用一步式真空吸塑注入固化成型工艺技术，制备尺寸和形状可控的夹层防护结构。步骤如下：①将已拼接好的点阵结构与上下面板焊接成型；②在点阵夹层结构的周期性空隙中依次等距插入圆柱形陶瓷棒；③将其放置与成型模具中，密封后抽真空，向成型模具注入均匀混合好的含短切玻璃纤维的液态聚合物树脂及丙酮和固化剂的均匀混合浆料，一步固化成型。上述各步骤都是在常温和常压下进行的。轻质夹层结构制备阶段示意图见图4。

3 弹道冲击试验

3.1 实验方法

实验在南京理工大学202实验室进行，采用φ14.5 mm滑膛弹道枪作为球形弹丸的发射装置，采用火药推进方式加速弹丸，通过调整适当的装药量控制弹丸侵彻速度。实验布置如图5所示。球形弹丸出枪口后，在空气阻力作用下弹丸与弹托分离，弹托碎片被集弹器挡住，弹丸通过集弹器中心小孔飞向靶板。实验过程中测试弹丸侵彻靶板的侵彻速度和剩余速度，由电子测时仪测量弹丸通过靶板前后锡箔靶的时间，则由锡箔靶间距可计算出弹丸速度。利用高速录像拍摄弹丸穿靶前后景象，实验后统计弹丸对靶板的毁伤程度。

图4 轻质夹层结构制备阶段示意图Fig.4 Preparation phase diagram of the lightweight sandwich structure

图5 等效靶弹道枪试验布置Fig.5 Configuration of the equivalent target ballistic gun test

3.2 实验方案

实验用弹丸为φ8 mm球形弹丸，材料为45号钢，质量为2 g，加载速度为900～1 500 m/s。为对比研究不同夹层防护结构的抗侵彻能力，设计了两种靶板：Type Ⅰ为无内嵌陶瓷棒夹层防护结构，由空心点阵结构和混杂短切玻璃纤维的树脂基固封填充材料构成；Type Ⅱ为有内嵌陶瓷棒夹层防护结构，由空心点阵结构、增强陶瓷棒和混杂短切玻璃纤维的树脂基固封填充材料构成。

图6 两种夹层防护结构Fig.6 Two types of sandwich structure

4 试验结果分析

4.1 失效破坏模式与抗侵彻机理分析

(1)无内嵌陶瓷棒夹层防护结构

图7为无内嵌陶瓷棒夹层防护结构的抗弹毁伤破坏形貌。对一块靶板进行了三发实验，侵彻速度分别为380.3 m/s，980 m/s和1 400.2 m/s，其中第2#弹丸穿透靶板后的剩余速度未测到。由实验结果可以看出，当弹丸速度为380.3 m/s时，未能有效穿透夹层防护结构，靶板背板有较大隆起并出现裂纹；当弹丸速度为1 400.2 m/s时，高速弹丸穿透夹层防护结构后，剩余速度为931.8 m/s，靶板背板产生冲塞剪切破坏，破孔直径远大于球形弹丸直径，破孔处明显发现有已断裂的点阵结构杆元露出，可以推断球形弹丸侵彻点阵结构后，与断裂的点阵结构杆元及混杂填充材料冲塞共同冲击背板，导致背板产生带总体弯曲变形的局部剪切破坏模式。因此，点阵结构和混杂填充材料的拉伸断裂、面板和背板的局部剪切破坏和背板的总体弯曲变形是Type Ⅰ型夹层防护结构的主要失效模式。

图7 Type Ⅰ夹层防护结构抗弹毁伤效果Fig.7 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅰ)

(2)有内嵌陶瓷棒夹层防护结构

图8为有内嵌陶瓷棒夹层防护结构的抗弹毁伤破坏形貌。对三块同样结构靶板进行了三次实验，侵彻速度分别为1 190.5 m/s，1 055.4 m/s和906.3 m/s。由实验结果可以看出，高速弹丸穿透有内嵌陶瓷棒夹层防护结构后，靶板背板同样产生明显的总体弯曲变形及冲塞剪切破坏，但变形区域较Type Ⅰ更大，并且背板内留有冲击断裂的陶瓷棒碎片。因此，点阵结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏和背板的总体弯曲变形构成Type Ⅱ型夹层防护结构的主要失效模式。

图8 Type Ⅱ型夹层防护结构抗弹毁伤效果Fig.8 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅱ)

综合上述实验结果可以分析得到点阵金属夹层结构的抗侵彻机理，即：在球形弹丸侵彻过程中，由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及背板的宏观弯曲变形，使得该型夹层防护结构可以吸收更多的弹丸动能，相比均质板和层合板结构，其抗弹能力可以得到大幅度提高。需要指出的是，由于制备工艺所限，金字塔型点阵夹芯的最大承载能力仅有0.65 MPa，与文献[21-22]相差较大。若改进制备工艺方法，进一步提高金字塔型点阵夹芯的承载能力，该型夹层防护结构的整体抗弹能力还可以进一步增大。

4.2 抗侵彻与吸能效率分析

(1)剩余速度

将弹丸侵彻两种夹层防护结构的侵彻速度和剩余速度如图9所示。可以看出，弹丸的剩余速度随着侵彻速度的增加而增加，并且可以推断同样侵彻速度条件下，Type Ⅱ型夹层防护结构的剩余速度较Type Ⅰ型夹层防护结构低。

(2)单位面密度吸收能量

图9 两种夹层防护结构的侵彻剩余速度比较Fig.9 Penetration residual velocity of the two sandwich structures

(1)

(2)

可以看出，Type Ⅱ型夹层防护结构的吸收能量和单位面密度吸收能量随着侵彻速度的增加而增加。图10(a)可以看出，Type Ⅱ型夹层防护结构在侵彻速度为1 190.5 m/s的吸收能量与Type Ⅰ型夹层防护结构在侵彻速度为1 400.2 m/s的吸收能量相当，可以推断同样侵彻速度条件下，Type Ⅱ型夹层防护结构的吸收能量较Type Ⅰ型夹层防护结构高。但是，由图10(b)可以推断出，同样侵彻速度条件下，两种夹层防护结构的单位面密度吸收能量相差不大。

图10 两种夹层防护结构的吸能效率比较Fig.10 Energy absorption efficiency of the two sandwich structures

5 结 论

本文通过弹道冲击实验方法研究了两种点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力，结合失效破坏模式和吸能效率，综合分析了点阵金属夹层防护结构的抗侵彻机理。主要结论如下：

(1)球形弹丸侵彻过程中，由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形，使得该型防护结构的抗弹能力与同等质量的均质金属板相比得到了大幅度提高。

(2)点阵结构和混杂填充材料的拉伸断裂、面板和背板的局部剪切破坏和背板的总体弯曲变形是Type I型夹层防护结构的主要失效模式；点阵结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏和背板的总体弯曲变形构成Type II型夹层防护结构的主要失效模式。

(3)同样侵彻速度条件下，Type II型夹层防护结构的吸收能量较Type I型夹层防护结构高，但它们的单位面密度吸收能量相差不大。

(4)通过选择高强金属、陶瓷和纤维材料代替本文实验样品中的相应材料，并合理优化点阵金属夹层结构的内部组分参数，可以进一步提高此类夹层防护结构的抗侵彻吸能性能，从而为轻质复合装甲的防护设计提供参考。

[1] GIBSON L J，ASHBY M F. Cellular solids: structure and properties [M]. 2nd ed. Cambridge University Press，1997.

[2] LU Tianjian，ZHANG Qiancheng，JIN feng. Recent progress in the development of lightweight porous materials and structures [J]. Materials China， 2012， 31(1):13-35.

[3] 卢天健，何德坪，陈常青，等. 超轻多孔金属材料的多功能特性及应用[J]. 力学进展， 2006，36(4):517-535. LU Tianjian，HE Deping，CHEN Changqing，et al. The multi-functionality of ultra-light porous materials and their applications [J]. Advances in Mechanics，2006，36(4):517-535.

[4] 方岱宁，张一慧，崔晓东. 轻质点阵材料力学与多功能设计[M]. 北京：科学出版社，2009.

[5] 范华林，杨卫. 轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展[J]. 力学进展，2007，37(1)：99-112. FAN Hualin，YANG Wei. Development of lattice materials with high specific stiffness and strength [J]. Advances in Mechanics，2007，37(1)：99-112.

[6] LU T J, VALDEVIT L, EVANS A G. Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores [J]. Progress in Materials Science， 2005，50：789-815.

[7] KIM T, HODSON H P, LU T J. Fluid-flow and endwall heat-transfer characteristics of an ultralight lattice-frame material [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004， 47：1129-1140.

[8] LIU T, DENG Z C, LU T J. Bi-functional optimization of actively cooled, pressurized hollow sandwich cylinders with prismatic cores [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2007，55: 2565-2602.

[9] XUE Z, HUTCHINSON J W. Preliminary assessment of sandwich plates subject to blast loads [J]. Int J Mech Sci， 2003，45: 687-705.

[10] RADFORD D D, FLECK N A, DESHPANDE V S. The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading [J]. International Journal of Impact Engineering，2006，32: 968-987.

[11] DHARMASENA K P, QUEHEILLALT D T, WADLEY H N G, et al. Dynamic compression of metallic sandwich structures during planar impulsive loading in water [J]. European Journal of Mechanics A/Solids， 2010，29: 56-67.

[12] RIMOLI J J, TALAMINI B, WETZEL J J, et al. Wet-sand impulse loading of metallic plates and corrugated core sandwich panels [J]. International Journal of Impact Engineering， 2011，38: 837-848.

[13] 辛峰先，张钱城，卢天健. 轻质夹层材料的制备和振动声学性能[J].力学进展， 2010，40(4):375-399. XIN Fengxian，ZHANG Qiancheng，LU Tianjian. Advances in lightweight sandwich materials and structures：manufacture and vibroacoustic performances [J]. Advances in Mechanics，2010，40(4):375-399.

[14] 辛峰先，卢天健. 轻质金属三明治板的隔声性能研究[J]. 声学学报， 2008, 33(4)：340-347. XIN Fengxian， LU Tianjian. Sound transmission through lightweight metallic sandwich panel with corrugated core [J]. Acta Acustica， 2008, 33(4)：340-347.

[15] FAN H L, YANG W, CHAO Z M. Microwave absorbing composite lattice grids [J]. Compos Sci Technol，2007， 67: 3472-3479.

[16] XIN F X, LU T J, CHEN C Q. Dynamic response and acoustic radiation of double-leaf metallic panel partition under sound excitation [J]. Computational Materials Science， 2009， 46(3): 728-732.

[17] LU T J, EVANS A G. Design of a high authority flexural actuator using an electro-strictive polymer [J]. Sensor and Actuators A ，2002，99：290-296.

[18] WANG Bin, GUO Haicheng, FANG Daining. A protocol for characterizing the performance of light-weight truss-core actuators [J]. Computers and Mathematics with Applications，2009，58: 2365-2372.

[19] GOLDSMITH W, LOUIE D. Axial perforation of aluminum honeycombs by projectiles [J]. Int J Solids Struct， 1995，32: 1017-1046.

[20] NIA A A, RAZAVI S B, MAJZOOBI G H. Ballistic limit determination of aluminum honeycombs—experimental study [J]. Mat Sci Eng A， 2008，488: 273-280.

[21] YUNGWIRTH C J, RADFORD D D, ARONSON M, et al. Experiment assessment of the ballistic response of composite pyramidal lattice truss structures [J]. Composites B，2008，39：556-569.

[22] YUNGWIRTH C J, WADLEY H N G, O’CONNOR J H, et al. Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core [J]. Int J Impact Eng，2008，35：920-936.

[23] 倪长也，金峰，卢天健，等. 3种点阵金属三明治板的抗侵彻性能模拟分析[J].力学学报，2010, 42(6): 1125-1137. NI Changye, JIN Feng, LU Tianjian, et al. Penetration and perforation performance of three pyramidal lattice-cored sandwich plates：numerical simulation [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2010, 42(6): 1125-1137.

[24] NI C Y, LI Y C, XIN F X, et al. Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates: numerical and experimental assessment[J]. Composites A， 2013， 46：69-79.

Experiment assessment of the ballistic response of a hybrid-cored sandwich structure

GUO Rui1, NAN Bohua2, ZHOU Hao1, LIU Rongzhong1, ZHU Rong3, JIANG Wei4

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing 210094, China; 2. Shanghai Spaceflight Manufacture (Group) Co., Ltd., Shanghai 200245, China;3. Department of Physics, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China;4. Department of Chemical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China)

The ballistic performance of a hybrid-cored sandwich structure was studied by using ballistic penetration test. Considering the failure modes and efficiency of absorbed energy, the anti-projectile mechanism of the hybrid-cored sandwich structure was synthetically analyzed. The experimental results indicate that anti-projectile capability is substantially enhanced in a high-amplitude extent. During the penetration of the spherical projectile, the kinetic energy of the projectile is absorbed mainly through the large plastic deformation and shearing expansion of the pyramidal lattice structure, the fracture failure of ceramics rods and hybrid epoxy, and the macroscopically bending deformation of the faces. The results can offer references for the protection design of lightweight composite armor.

lattice sandwich structure; failure mode; absorbed energy; anti-projectile mechanism

上海航天SAST基金(SAST2013033)；中央高校基本科研业务费专项基金(30915118821)；国家自然科学基金-青年科学项目(11102088)

2015-06-04 修改稿收到日期：2015-12-11

郭锐 男，博士，副教授，1980年2月生 E-mail:Guoruid@163.com

TB331

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.008