Zr基非晶合金毁伤研究进展

尚春明,施冬梅,张云峰,徐雪涛

(陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003)

随着装甲车辆、空中战机、地面工事等军事装备和设施的防护性能不断提升，弹药对目标“击而不毁”、“击而不伤”的现象逐渐增多，要想彻底摧毁敌军的军事目标，对弹药的毁伤效能提出了更高的要求，破片、药型罩等毁伤元的含能化便是其中发展的重要方向[1]。

Zr基非晶合金由金属元素组成，并向其中添加Ag、Fe、Nb、B、Co、Pd等合金元素，根据所添加的合金元素种类不同，主要分为三大类：三元合金Zr-Al-TM(BCD)、四元合金Zr-Ti(Nb)-Al-TM和Zr-Ti(Al)-TM-Be。其中，最常见的体系为Zr-Al-Ni-Cu。非晶合金长程无序、短程有序的原子排列结构，使得材料性质均匀，没有合金常见的位错、空位等缺陷，具有高强度、高硬度、高弹性、高韧性和超塑性的优异性能[2]，而且能量处于亚稳态，在受到高动态冲击时会引发急剧的释能反应[3]，这种侵爆联合毁伤效应可以大幅增强弹药的毁伤威力。除此之外，Zr-Ti-Ni-Al(Cu)-Be、Zr-Ti-Cu-Co-Be等系列的非晶合金还具有剪切敏感性，在高速侵彻过程中可以保持头部相对尖锐，从而增大侵彻深度。由此可见，Zr基非晶合金在弹药上具有广阔的应用前景。本文从穿甲弹芯、破片、药型罩3个方面出发，对当前Zr基非晶合金的毁伤研究进展进行了综述。

1 Zr非晶合金的冲击释能反应

根据当前对Zr基非晶合金释能特性的研究结果[4-8]，冲击过程释放的能量来自两个过程，一是金属元素与氧气的反应，常见的组成元素如Zr、Al、Ti等与氧气较“亲和”，容易与氧气发生反应，而且具有很大的生成焓，放出的能量多，在文献[4-6]的研究中，Zr基非晶合金在氮气、氩气等缺氧的环境中释能不明显，而在空气气氛下急剧释能、火花四溅，这说明氧化反应是释能的主要来源；二是金属与金属之间或金属与中间产物之间的反应，相比氧化反应，金属间的反应速度较慢，而且释放的能量很少。

Zr+O2→ZrO2ΔH=-1 078.3 kJ/mol

2Al+2/3O2→Al2O3ΔH=-1 676 kJ/mol

Ti+O2→TiO2ΔH=-944.0 kJ/mol

从Zr基非晶合金的冲击释能反应类型来看，其自身蕴含较少的能量，释放的能量大部分来自组成元素的氧化反应，冲击过程的释能多少在很大程度上要受到环境中氧气含量的影响。所以Zr基非晶合金制备的毁伤元更加适用于攻击地面或低空目标，在高空或其他缺氧环境中，Zr基非晶合金的释能效应和毁伤威力将会明显减弱。

2 毁伤研究进展

2.1 穿甲弹芯

弹芯是穿甲弹的核心结构，目前应用较广泛的弹芯材料主要是钨合金和贫铀合金。钨合金在侵彻过程容易发生头部“镦粗”而导致侵彻阻力增大(图1(a)所示)，其穿甲威力一般只有贫铀合金的85%。而贫铀合金的缺点更突出，具有重金属放射性和毒性，对使用人员和环境的危害性、污染性很大。所以各国对穿甲弹芯的研究集中在提高钨合金的侵彻能力和发展性能比肩甚至超过贫铀合金的新穿甲材料上，非晶基体钨丝复合材料便是其中的重点发展方向[9]。

图1 钨合金弹芯的“镦粗”和复合材料弹芯的“自锐”

Zr基非晶合金的强度高、韧性好，而且还具有剪切敏感性[10-11]，即自锐性(图1(b)所示)。在侵彻过程中头部能够保持尖锐，从而减小阻力以增大穿甲深度，但其密度很小，仅有6.5 g/cm3左右，这决定了Zr基非晶合金不能直接用作弹芯材料。Dandliker[12]率先开展了以Zr基非晶合金为基体，以金属丝为增强相的复合材料制备研究工作，他发现钨丝与非晶合金的界面润湿性很好，而且钨丝的加入既不会使非晶合金发生脆性结晶，也不会发生反应，能形成稳定的复合材料。表1[13-14]列举了钨合金、贫铀合金和钨丝/Zr基非晶合金复合材料的力学性能参数。由表1可知，钨丝/Zr基非晶合金复合材料的密度可以达到17.0 g/cm3，与钨合金和贫铀合金相当，而且强度、延展率要高于钨合金和贫铀合金，可以认为钨丝/Zr基非晶合金复合材料的密度和力学性能已经能够满足穿甲弹芯材料的要求。

表1 钨合金、贫铀合金、非晶复合材料的力学性能

除了密度高、力学性能好，钨丝/Zr基非晶合金复合材料同样具有自锐性，而且受到穿甲弹芯的长径比和着靶速度的影响[15-18]。长径比对自锐性的影响是有无关系，长径比小时，穿甲弹芯容易发生劈裂而失去侵彻能力；长径比大于10时，钨丝/Zr基非晶合金穿甲弹芯表现出较好的自锐性，侵彻弹坑的直径小且侵彻深度比钨合金弹芯提高了10%～20%。着靶速度对自锐性的影响是弹芯的破坏模式，着靶速度小，穿甲弹芯在侵彻过程中为整体剪切破坏，钨丝和Zr基非晶合金不会发生剥离，弹芯的头部呈锥形；着靶速度高，作用在穿甲弹芯头部的温度和应变率也随之增大，Zr基非晶合金因此会发生熔化而失去对钨丝的包裹限制作用，钨丝发生屈曲回流使弹芯头部呈半球形。由此可见，采用钨丝/Zr基非晶合金复合材料制备的穿甲弹芯在高低速下都具有良好的自锐性。针对上述小长径比的穿甲弹芯易劈裂的现象，杜忠华[19]采用护套和分段结构，有效地解决了这一问题，而且还提高了弹芯的侵彻能力。

数值模拟是研究侵彻过程的另一重要手段。描述钨丝/Zr基非晶合金的本构模型经历了从整体均质材料模型到钨丝和Zr基非晶合金分别赋予材料模型的转变，仿真结果更加准确，但复合材料中的钨丝是各向异性材料，而目前使用的Johnson-Cook模型描述的是各向同性材料，用于描述钨丝并不准确，所以钨丝的本构模型需进一步探索。国内外学者还着重研究了制备工艺，非晶元素、钨丝参数对材料性能的影响规律[20]，保温温度的影响由于学者们说法不一还需要做出更准确的结论，这些影响规律的研究为高性能材料的制备提供了重要指导。从目前来看，钨丝/Zr基非晶合金复合材料展现了优良的性能，将很可能替代钨合金和贫铀合金，成为新一代穿甲材料。

2.2 含能破片

含能破片的概念最早在1976年由Hugh[21]在其专利中提出。传统的钢、钨合金等惰性破片对目标的作用属于“硬碰硬”模式，纯依靠动能侵彻毁伤，而含能破片对目标的作用是侵爆联合毁伤。急剧释放的化学能不仅增强了破片的径向毁伤能力，而且可以引燃、引爆壳体后的易燃易爆物[20-21]，具有较好的后效毁伤能力，是实现弹药高效毁伤的重要途径。

目前含能破片中受到广泛研究、技术成熟度较高的主要是氟聚物+金属复合材料破片和活性金属合金破片，尽管Zr基非晶合金在含能破片上的应用研究开展较晚，但表现出了优异的性能。表2是不同类型含能破片的性能参数，表中的能量密度是指含能破片在高速冲击条件下(Al/PTFE为910 m/s，Al/Ni/W为1 176 m/s，其余为1 300～1 450 m/s)单位质量或体积所放出的能量。

表2 不同类型含能破片的性能参数

由表2可知，以Al/PTFE、Al/Ni/PTFE为代表的氟聚物+金属复合材料含能破片的能量密度很高，但密度小、压缩强度低预示着其侵彻能力较差，难以穿透目标的防护壳体，更发挥不出应有的后效毁伤威力。钨经常作为增强体与其他活性金属烧结制备活性金属合金破片，如表中的Al/Ni/W、W/Zr，相比氟聚物+金属复合材料含能破片，密度和力学性能都有了很大的提高，但能量密度有所降低。对于Zr基非晶合金，其力学性能好，能量密度高，但密度小和脆性大限制了Zr基非晶合金在破片上的直接应用。研究人员采用真空浸渗法制备W骨架/Zr基非晶合金复合材料，密度达到了14.28 g/cm3，压缩强度为1916 MPa，远高于其他含能破片。而且侵彻能力强，对10.5 mm均质装甲钢的临界侵彻速度为973 m/s[31]，图2是高速摄影拍摄的破片侵彻装甲钢靶板整个过程的释能情况。

图2 破片侵彻装甲钢靶板的高速摄影图像

由图2可知，W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片在侵彻装甲靶板时发生了类爆炸释能反应。从撞靶瞬间到穿透靶板整个过程，破片的释能愈加剧烈，从图2(c)、图2(d)中靶前靶后明亮的闪光、四溅的火花可以看出破片具有较好的释能和后效毁伤能力。从表2数据来看，由于添加了大量钨作为增强体，W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片中的含能材料相对减少，单位质量的能量密度仅有0.88 kJ/g，但是较高的密度使得其单位体积的能量密度达到12.57 kJ/cm3，与其他含能材料相差不大。而且实际上战斗部预留破片的空间是有限的，所以侵彻能力强、单位体积能量密度高的W骨架/Zr基非晶合金复合材料破片在预制破片战斗部上将会有很好的应用前景。

2.3 含能药型罩

药型罩在炸药爆轰产物的驱动下形成能量密度极高的金属射流，侵彻能力强，穿甲深度大，是当前反装甲最有效的毁伤元之一。从铜到钼、钨、钽等，药型罩的材料一直是提升破甲战斗部毁伤效能的重要途径[32]。美国陆军武器研发工程中心在2002年提出的“终点化学能战斗部”设计理念，就是利用新型含能材料来制备药型罩，其形成的射流会在侵彻过程中发生爆炸，释放大量化学能，以此提高战斗部的毁伤威力。国内重点对Al/PTFE含能药型罩开展了研究[33-35]。

药型罩材料要求具有高密度、高声速、塑性好的特性[36]，这样形成的射流才能延展性好、密度大、高速连贯、毁伤能力强。纯铜的密度为8.9 g/cm3，声速为4.7 km/s，而Zr基非晶合金的密度大约为6.5 g/cm3，声速在4.8 km/s左右[37]，材料性能参数大致与纯铜相当。美国陆军研究实验室武器和材料研究中心开展了Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5非晶合金药型罩的成型和侵彻实验[38]，捕捉的射流如图3所示。射流从右向左飞行，从放大图可以看到射流有很多空隙，呈现出逐渐飞散的状态。这种飞散特性说明Zr基非晶合金药型罩更加适用于小炸高侵彻，这与文献[33]对Al/PTFE含能药型罩的仿真结论相同。Zr基非晶合金射流的侵彻试验显示在大炸高下，射流对钢板的毁伤呈现出多凹坑的状态，最深侵彻深度只有19 mm，而炸高较小时，射流对装甲钢的侵彻深度可以达到254.2 mm，穿孔直径为57 mm，侵彻能力大幅增大，有关射流的释能情况，研究人员并没有太多关注。

图3 X射线仪器拍摄的Zr基非晶合金射流

国内中科院金属所、陆军工程大学[39]采用液态近净形压铸充型技术制备了高精密的Zr基非晶合金药型罩，并开展了其侵彻性能实验。图4是直径45.8 mm的ZrCuNiAlAg非晶合金药型罩对45#钢的毁伤效果，入口孔径为25 mm，侵彻深度为110 mm，在开孔放大处可以看到钢靶被烧蚀变黑的痕迹，这说明射流在侵彻过程中释放了能量。含能材料形成的射流由于释能反应，其侵彻能力稍弱于金属射流，但含能射流的內爆释能可以造成装甲爆裂毁伤，对轻型装甲车辆、舰船等的精密仪器、油箱、弹药具有比惰性射流更好的后效毁伤能力。

图4 Zr基非晶合金射流侵彻钢板时的释能

3 结论

对比当前制备穿甲弹芯、破片、药型罩的惰性或含能材料，Zr基非晶合金表现出了不亚于现有材料的优良性能，极有潜力成为新一代毁伤材料。总体来说，Zr基非晶合金的应用发展方向是充分发挥其自锐、侵爆特性，提高弹药的高效毁伤效能，今后的重点研究工作有：

1) 高性能复合材料的制备研究，探索制备过程中各种因素对材料性能的影响规律，选择合适的制备工艺、材料参数，加快推动Zr基非晶合金的实际应用。

2) 毁伤效能和机理研究，开展侵彻和靶后油箱、屏蔽炸药的引燃引爆试验，综合评定材料的毁伤效能，确定材料充分发挥自锐性、侵爆能力的试验条件，系统研究毁伤机理，以指导在实际弹药中的应用。

3) 搭载战斗部结构完整性研究，将Zr基非晶合金或复合材料制备的破片等毁伤元搭载在弹药上进行静爆试验，研究其在炸药爆轰产物驱动下能否保持结构完整，能否发挥应有的毁伤威力。