边缘冲击（EOI）作用下透明陶瓷破坏特性研究*

韩国庆，张先锋，谈梦婷，包 阔，李 逸

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

反装甲武器的高速发展对坦克、装甲车辆及武装直升机等高战略价值目标的防护性能提出了更高的要求，尤其是装甲车辆观察窗口、武装直升机挡风玻璃及雷达天线罩等脆弱部位，在保证良好透光率的前提下，需尽可能地提高其抗弹能力。透明陶瓷具有优异的耐腐蚀、耐高温等特性。同时，相较于传统透明材料，透明陶瓷具有轻量化的特征，相同面密度下透明陶瓷往往具有更好的防护性能。典型的透明陶瓷材料有氧化铝（AlO）、氮氧化铝（AlON）、氧化钇（YO）、氟化镁（MgF）等。除了具备优异的抗冲击性能外，钇铝石榴石（YAG）透明陶瓷制备技术成熟，能够实现批量生产，而镁铝尖晶石（MgAlO）透明陶瓷则具有密度低、透光性宽等特点，这些优势使得这两种材料在透明装甲中得到了广泛应用。

为推动透明陶瓷在装甲防护上的运用，需对其冲击破坏机理进行深入研究。目前运用较广泛的动态冲击试验方法主要有分离式霍普金森压杆试验、平板冲击试验、Taylor 杆撞击试验等。相较于其他测试方法，边缘冲击（edge-on impact, EOI）试验方法可以通过改变冲头几何形状、尺寸及材料，控制动态加载的输入波形。由于EOI 试验中垂直于撞击方向的材料厚度较小，因此可以结合材料的光弹特性，观察材料受冲击过程中内部应力的变化。同时，EOI 试验并不局限于陶瓷类脆性材料，在混凝土及岩石等非均质材料中均有应用。这些优势使得EOI 试验成为研究材料动态响应与裂纹扩展的主流研究手段。此外，EOI 试验测得的材料破坏行为能在一等程度上反映陶瓷装甲的抗侵彻破坏过程。相较于子弹侵彻陶瓷装甲及破片撞击陶瓷复合靶，EOI 试验也会产生着弹点附近的粉碎区、主裂纹扩展区以及两侧的次裂纹区域。Strassburger 等开展了柱形破片以20～1 000 m/s 速度撞击SiC、TiB及AlO3 种陶瓷材料的EOI 试验，通过对回收的碎片进行细观观测，对比了不同陶瓷的损伤演化特征。Strassburger将光弹技术与EOI 试验相结合，探索了EOI 试验中应力波在AlON 透明陶瓷材料内部的传播规律。Grujicic 等基于大量的玻璃抗弹性能文献，建立了钠钙玻璃（soda-lime glass）在高应变率下的本构模型，并通过EOI 试验与数值模拟结果对比，验证了模型的可靠性。国内有关EOI 试验下陶瓷材料损伤演化过程的研究较少，杨岳峰等基于动接触力二步法及有限元原理，对SiC 陶瓷EOI 试验中的裂纹扩展进行了数值模拟研究。尽管相关学者针对EOI 试验开展了数值模拟及损伤演化过程方面的研究，但是目前关于EOI 试验下传统透明材料与透明陶瓷在宏观尺度下破坏模式差异性的研究鲜有报道。

冲击作用下，脆性材料在细观尺度上的破坏特征往往可以反映材料本身的物理性能及损伤演化特性。陶瓷材料在细观尺度下具有滑移、孪晶、断裂等响应形式。Subhash 等给出了BC 及ZrB-SiC 复合材料在静动态压痕试验中断口处细观特征的差异，并与破片冲击SiC 撞击粉碎区内的陶瓷碎片断面上的细观破坏结构进行了比较，发现脆性材料的裂纹会由加工中的固有缺陷诱发产生。Ghosh 等在对ZrB-5%SiC 复合材料表面进行纳米划痕试验中发现，由于最大剪应力的存在，划痕前端将产生滑移带；微裂纹则由于划痕后方的最大拉应力产生。包阔等在破片冲击YAG 透明陶瓷复合靶试验中观察到，随着裂纹扩展，径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂比例会逐渐增大，且穿晶比例也会随破片撞击速度的提高而增加。但是，针对两种典型透明陶瓷材料（YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷）在高速冲击作用下细观结构的破坏响应有何不同，还需进行深入研究。

本文中，拟开展3 种不同透明材料（普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷以及镁铝尖晶石透明陶瓷）在不同破片撞击速度（200～300 m/s）下的EOI 试验。通过高速摄影捕获的靶体冲击破坏过程，计算裂纹扩展速度；统计试验后破片的破碎情况及粉碎区面积，分析浮法玻璃与透明陶瓷在宏观尺度下破坏特征的差异；使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）对回收的样品进行细观观测，分析YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷在细观尺度下破坏特征的差异。

1 EOI 试验

1.1 弹靶材料

如图1 所示，试验所用弹体为直径9 mm、质量5.7 g 的高硬度碳化钨球型破片，具体参数如表1 所示。试验中破片冲击速度为200～300 m/s。试验所用靶体分别为普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷3 种材料，图2 为镁铝尖晶石透明陶瓷靶体。将试验所用试样的前后表面进行抛光处理以便于高速摄影的拍摄。3 种材料中，YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷均由上海硅酸盐研究所提供，具体参数如表2 所示，表中浮法玻璃的层裂强度为未测量参数。

表1 碳化钨弹体尺寸及材料参数Table 1 Tungsten carbide projectile size and material parameters

表2 靶体尺寸和材料参数Table 2 Target size and material parameters

图1 碳化钨弹体Fig. 1 Tungsten carbide projectile

图2 镁铝尖晶石透明陶瓷靶Fig. 2 A MgAl2O4 spinel transparent ceramic target

1.2 试验布局

图3 为试验布局示意图及靶体固定照片。使用9 mm 弹道枪作为试验平台，该平台由高压气瓶、发射室、枪管、回收箱及靶架等部分组成。试验过程中使用高压气体对破片进行加速，并撞击固定在靶架上的试样。高速摄影机透过回收箱上的观察窗拍摄撞击过程中的破片冲击及靶体破坏过程，分析不同速度破片撞击各材料的损伤演化过程，拍摄帧频为7.9×10～1.4×10s。

图3 试验布局示意图及靶体固定照片Fig. 3 Schematic of EOI test set up and target fixation

1.3 试验结果

表3 为试验参数及弹体破碎情况，图4 为高速摄影机拍摄的3 种材料（材料参数见表2）在破片冲击下典型的破坏过程。从高速摄影结果来看，破片稳定撞击到靶体的侧边中心位置，如图4 所示。通过回收撞击后的破片，发现当破片正撞击玻璃材料时，未发生破碎现象；当破片正撞击YAG 透明陶瓷及镁铝尖晶石透明陶瓷的试样边缘时，破片均会发生破碎情况。这是由于透明陶瓷材料的抗压强度大于浮法玻璃的抗压强度所导致的。由图4 还可以看出，由于裂纹在不同材料中的传播速度有所不同，导致3 种材料从开始受到冲击到完全破碎经历的时间存在差异。其中普通浮法玻璃在约100 μs 完成裂纹扩展，YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷在约60 μs 完成裂纹扩展。3 种材料受到破片撞击后，均会在接触区域产生粉碎区（高速摄影画面中破片周围的的白色高亮区域）。高速撞击使陶瓷产生大量粉末并向破片四周飞散。随着时间的增加，3 种靶体的主裂纹扩展速度均大于粉碎区的扩展速度，而环形的粉碎区在某一时刻后不再向外扩展。当主裂纹扩展到靶体边缘后，靶体的破坏过程结束。

图4 三种材料在破片冲击下的破坏过程Fig. 4 Damage process of three transparent materials impacted by the tungsten carbide fragments

表3 试验参数及弹体破碎情况Table 3 Test parameters and fragmentation of the projectile

图5 为碳化钨破片以不同速度撞击镁铝尖晶石透明陶瓷过程中的破碎情况，其破碎程度随着撞击速度的提高而增大。这与包阔等在破片冲击YAG 透明陶瓷复合靶中破片均未发生破碎的现象存在明显不同。这是由于陶瓷在破片撞击方向上厚度的增加导致试样整体刚度增强，进而使破片在冲击过程中发生破碎现象。

图5 碳化钨破片以不同速度撞击镁铝尖晶石透明陶瓷的破碎情况Fig. 5 Fragmentation of tungsten carbide fragments impacting MgAl2O3 transparent ceramics with different impact velocities

试验后3 种靶体的破碎结果如图6 所示，结合高速摄影及回收后的试样碎片，发现浮法玻璃相较于透明陶瓷的粉碎程度更大，且玻璃的断裂面相较于透明陶瓷颗粒感更加明显。这说明由于不同材料的细观结构不同，导致破环特征存在差异。

图6 回收试样Fig. 6 Recovered samples

1.4 数据分析

通过高速摄影捕获的画面，确定各时刻材料的粉碎区面积（）与裂纹扩展距离，如图7 所示。选择撞击结束时所有主裂纹中扩展距离最长、扩展路径最清晰的一条裂纹，将该裂纹的长度定义为主裂纹扩展距离（）。

图7 粉碎区及主裂纹扩展距离Fig. 7 Crush zone and main crack propagation distance

图8 为粉碎区面积随时间的变化规律。其中YAG-1 与YAG-3 两发试验由于破片撞击时着靶点未在边缘正中心，导致弹体发生偏撞击，两者的粉碎区面积与正撞击相比误差较大，因此未将其列入粉碎区面积分析结果中。从图8 可以看出，随着时间的增加，粉碎区面积逐渐增大，且增大速度逐渐变缓。两种透明陶瓷材料粉碎区趋于稳定的时间均比浮法玻璃材料的短，表明两种陶瓷材料相较于玻璃能够更快地吸收破片的撞击动能。对比3 种材料的最终粉碎区面积，发现浮法玻璃的最终粉碎区域最大，YAG 透明陶瓷次之，镁铝尖晶石透明陶瓷的最终粉碎区域最小。与弹丸侵彻陶瓷靶板情况类似，材料所承受的最大应力超过材料强度极限时，将导致粉碎区域的产生。图9 为主裂纹扩展距离与时间的关系，将裂纹扩展距离拟合为过坐标原点的直线，可以发现，3 种材料的主裂纹扩展速度基本恒定，且拟合直线的斜率即为主裂纹的扩展速度。同样由于YAG-1 试验破片着靶点未在边缘正中心，导致弹体发生偏折，因此其裂纹扩展速度较YAG-2、YAG-3 略有偏差。通过拟合可得，浮法玻璃、YAG 透明陶瓷、镁铝尖晶石透明陶瓷的裂纹扩展速度分别为1 428.0、1 999.3、2 090.8 m/s。由于主裂纹基本为Ⅰ型裂纹，其裂纹产生与材料的断裂韧性密切相关。3 种材料断裂韧性的差异导致主裂纹扩展速度不同。在200～300 m/s 撞击速度范围内，不同撞击速度下，同种材料的主裂纹扩展速度并无显著差异。这与Strassburger 等对SiC 陶瓷的EOI 试验的研究结果类似。在较低的破片撞击速度范围内，SiC 陶瓷平均主裂纹传播速度随撞击速度的提高出现较明显的“平台段”。

图8 粉碎区面积随撞击时间的演化Fig. 8 Evolution of the crushing zone area with impact time

图9 主裂纹扩展距离随时间演化过程Fig. 9 Distance of the main crack propagation as a function of impact time

2 透明材料边缘冲击宏观破坏特征分析

图10 EOI 试验中波以及裂纹扩展示意图Fig. 10 Schematic of wave and crack propagation in a plate caused by EOI test

图11 超白玻璃的球型破片EOI 试验[5]Fig. 11 EOI test on starphire glass with steel sphere[5]

分别定义浮法玻璃与透明陶瓷破坏过程中的损伤特征。如图12 所示，浮法玻璃在破片撞击初始阶段会产生环形的粉碎区，粉碎区前方伴有少量主裂纹，同时在粉碎区两侧会有十分明显的次裂纹区域。随着时间的增加，粉碎区不再延伸，主裂纹将继续向外扩展直至试样边缘，整个冲击破坏过程基本结束。浮法玻璃容易在主裂纹过于密集的地方形成新的粉碎区。同时，相较于透明陶瓷材料，其主裂纹断裂面在扩展过程中往往会发生严重变向，导致断裂面不再垂直于材料上表面，反映到高速摄影结果上为主裂纹变成一条白色高亮的“断裂带”。次裂纹区域的产生是由于破片撞击玻璃边缘时，在试样表面产生的Rayleigh 波及横向应力波共同作用导致的。通过对比不同撞击速度下浮法玻璃中次裂纹区域的扩展情况，发现随着破片撞击速度的提升，次裂纹区域会逐渐扩大至试样的上下边缘，如图13 所示。通过对冲击过程中应力波的传播进行分析，可以得到次裂纹区域尖端到破片撞击初始点的距离的扩展速度，即为材料的横波波速。对浮法玻璃的3 组高速摄影结果进行分析，得到浮法玻璃的次裂纹尖端扩展速度为3 372 m/s，浮法玻璃的横波波速一般约为3 500 m/s，表明理论分析具有可靠性。

图12 浮法玻璃(Glass-1)在EOI 试验下的破坏特征Fig. 12 Failure characteristics of float glass (Glass-1) under EOI test

图13 浮法玻璃（Glass-2）的次裂纹区域沿边缘扩展Fig. 13 Secondary crack zone of float glass (Glass-2)extends along the edge with higher velocity

随着撞击过程的继续，应力波在试样中的传播如图14 所示，当传播速度较快的纵波L 到达试样的上下边缘时会发生反射，产生拉伸纵波L。如图15 所示，相较于浮法玻璃，透明陶瓷材料在受到破片撞击的初始阶段同样会在撞击点附近产生环状的粉碎区域，环形粉碎区前方伴有主裂纹产生，且主裂纹并非呈直线扩展，而是发生“弯折”。该现象可能是由于陶瓷试样上下表面的边界效应所造成，具体的主裂纹“弯折”机理还需利用大尺寸靶体开展进一步研究。同时，在粉碎区两侧会出现较明显的次裂纹扩展，这是由于陶瓷材料强度高于浮法玻璃，在较低的破片撞击速度下，单纯的Rayleigh 波及横波并不能使陶瓷产生明显的次裂纹区。当反射的拉伸纵波L与横波T 相互叠加，如图14 中的以及区域。2 种波叠加作用使得陶瓷边缘产生次裂纹簇，而非三角形的次裂纹区域。与浮法玻璃的裂纹变向不同，透明陶瓷的主裂纹与次裂纹在传播过程中极易在裂纹末端发生分叉现象，这种宏观断裂现象使陶瓷产生类似于破片冲击试验下的环向裂纹断裂面与径向裂纹断裂面。从回收的试样与高速摄影结果分析，相较于浮法玻璃，透明陶瓷材料试样在粉碎区内均匀性破碎为小块无规则的碎片。

图14 EOI 试验中纵波的反射Fig. 14 Reflecton of longitudinal waves in the EOI test

图15 透明陶瓷(Spinel-1)在EOI 试验下的破坏特征Fig. 15 Failure characteristics of transparent ceramics (Spinel-1) under EOI test

3 透明陶瓷材料边缘冲击细观破坏特征分析

虽然两种透明陶瓷材料在宏观尺度上的破坏特征类似，但由于二者在晶格结构、制备工艺及微观结构等方面存在较大差异，使两种透明陶瓷反映到细观尺度上的破坏有所不同。通过扫描电子显微镜对EOI 试验后回收的陶瓷碎片进行细观观测，比较两种透明陶瓷材料受破片冲击后其细观破坏特征的差异。选取陶瓷破碎过程中粉碎区内碎片的层裂裂纹断面、粉碎区外碎片的径向裂纹断面及环向裂纹断面进行细观观测，如图16 所示。

图16 镁铝尖晶石透明陶瓷与YAG 透明陶瓷中被测碎片的位置Fig. 16 Location of fragments in the MgAl2O3 spinel ceramics and YAG ceramics

图17 为YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷裂纹断面在细观尺度上的典型特征，两种透明陶瓷材料无论在径向裂纹断面、环向裂纹断面及层裂裂纹断面上均可以观察到处的沿晶断裂、处的穿晶断裂以及处的滑移带3 种典型断裂特征。如图18 所示，在EOI 试验中，YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷在径向裂纹断裂面上均会从自由面边缘的穿晶断裂较多逐步向断面中心过渡为沿晶和穿晶混合断裂，在某些区域甚至会出现沿晶穿晶分界线。这与包阔等在破片冲击YAG 透明陶瓷复合靶板中发现的规律类似。但是这种过渡在2 种材料的环向裂纹断面上表现得并不明显，环向裂纹断面的大部分区域均为沿晶与穿晶混合断裂的细观特征。

图17 镁铝尖晶石透明陶瓷与YAG 透明陶瓷断面典型细观特征Fig. 17 Typical fracture characteristics of cross-sections of MgAl2O3 spinel transparent ceramic and YAG transparent ceramic

图18 YAG 透明陶瓷碎片（①）与镁铝尖晶石透明陶瓷（③）径向及环向断裂面上沿晶及穿晶变化Fig. 18 Intergranular with transgranular changes of YAG transparent ceramics (①) and MgAl2O3 spinel transparent ceramics (③)on the radial and ring fracture surfaces

无论在径向裂纹断裂面还是环向裂纹断裂面上，YAG 透明陶瓷相较于镁铝尖晶石透明陶瓷均会产生晶体的“剥落”现象，反映在SEM 图像上即为黑色的“凹坑”，如图19～20 所示。这种晶体的“剥落”现象会随着距破片撞击位置距离的减小而逐渐增大，甚至产生聚集现象。这表明YAG 透明陶瓷的晶界结合力不及镁铝尖晶石透明陶瓷强。如图21 所示，镁铝尖晶石透明陶瓷在穿晶断裂中，往往会产生锯齿状的断裂特征，对比 YAG 透明陶瓷的穿晶断裂则较平滑。对于两种材料在穿晶断裂特征上的区别，如图21 所示，通过调整SEM 图像的观测倍数，发现镁铝尖晶石透明陶瓷在穿晶断裂中，往往会产生锯齿状的断裂特征，对比 YAG 透明陶瓷的穿晶断裂则较平滑。

图19 镁铝尖晶石透明陶瓷穿晶断裂Fig. 19 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics

图20 YAG 透明陶瓷晶体“剥落”现象Fig. 20 Peeling-off phenomenon in YAG transparent ceramic crystal

图21 镁铝尖晶石透明陶瓷与YAG 透明陶瓷的穿晶断裂Fig. 21 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics and YAG transparent ceramics

4 结 论

开展了球型碳化钨破片在撞击速度为200～300 m/s 范围内浮法玻璃、YAG 透明陶瓷和镁铝尖晶石透明陶瓷的EOI 试验。通过高速摄影获得3 种材料的冲击破坏及损伤演化过程，计算了3 种材料粉碎区面积、主裂纹扩展距离随撞击时间的变化规律；对比了浮法玻璃与透明陶瓷在宏观破坏特性上的区别。对撞击后的陶瓷碎片进行回收，通过扫描电镜观察了YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷径向裂纹面、环向裂纹面及层裂裂纹面在细观尺度上的破坏特征，得到如下主要结论。

（1）EOI 试验中，浮法玻璃的粉碎区面积最大，其次为YAG 透明陶瓷，镁铝尖晶石透明陶瓷的粉碎区最小。3 种材料的主裂纹扩展速度为恒定值，且在200～300 m/s 破片撞击速度范围内，同种材料的主裂纹扩展速度与撞击速度的关联性不大。

（2）浮法玻璃与透明陶瓷在EOI 试验中宏观破坏特性存在明显差异：浮法玻璃会在粉碎区两端产生较明显的三角形次裂纹区，其主裂纹会出现“变向”扩展。而透明陶瓷的主裂纹在传播过程中有明显的“分叉”现象，且会产生少量细长状次裂纹簇。

（3）YAG 透明陶瓷与镁铝尖晶石透明陶瓷的径向裂纹、环向裂纹及层裂裂纹断面在细观上会呈现不同的破坏特征，2 种材料径向裂纹面上的沿晶与穿晶比例会随着其距陶瓷自由面的远近发生改变，由靠近自由面的沿晶断裂逐渐变化为断裂面中心的沿晶与穿晶混合分布。而在2 种材料的环向裂纹面的大部分区域上均为沿晶穿晶混合分布；同时YAG 透明陶瓷在沿晶断裂区域会产生晶体“剥落”现象，而镁铝尖晶石透明陶瓷在穿晶断裂面上呈现锯齿状的断裂特征。