含能药型罩及其标准化的研究进展

2022-10-14陈京生赵成森张鹏飞费卓鑫

兵器装备工程学报 2022年9期

陈京生，李清，陈彦，赵成森，张鹏飞，费卓鑫

(中国兵器工业标准化研究所，北京 100089)

1 引言

随着含能材料技术的发展，含能材料在武器装备领域发挥的重要作用引起了各国科技人员的重视，因而新型含能毁伤技术成为各国武器装备研究的重点，旨在利用含能材料在受爆轰作用时可以释放巨大的能量这一特性以提升弹药毁伤威力，常规的毁伤战斗部诸如破甲战斗部、杀伤战斗部等都可以借助添加含能材料以增强威力，具有广泛性、多样性的技术特点。其中由含能材料制备的药型罩在爆轰波驱动作用下形成含能侵彻体，在着靶后，利用动能侵彻和化学能侵彻2种侵彻方式的共同作用，将含能材料送入目标内部释放能量，显著提高对目标的毁伤效果以及增强后效毁伤威力，是未来破甲战斗部高效毁伤的主要发展方向之一。一般而言，影响含能药型罩威力性能的主要因素为材料、结构，本文拟将对含能药型罩的发展及其标准化进行总结和研究。

2 含能药型罩的发展

2.1 含能药型罩聚能装药威力特性

在破甲深度满足要求的前提下，含能药型罩聚能装药相较于普通金属药型罩，对钢靶、混凝土等结构的毁伤效果更为理想，且能形成靶后超压、靶后破片、靶后燃烧等二次毁伤元，对各类目标具有显著的后效作用，有很强的威力以及适应能力。

张昊等研究了聚四氟乙烯、铝、钨、钽粉混合制成的药型罩聚能装药对钢筋混凝土靶侵彻及后效超压效果，结果表明：低密度的活性药型罩对混凝土的开坑孔径更大，靶后超压更高，活性射流靶后超压呈现多峰现象。张雪朋对活性射流作用钢靶侵彻爆炸联合毁伤效应以及活性药型罩聚能装药破甲后效超压特性等问题进行了研究，结果表明：相较于普通金属射流，活性射流对轻中装甲目标更具毁伤优势，且扩孔效果更显著，可达0.5倍装药口径，破甲深度可达1.45倍装药直径，在封闭容器中能形成0.35 MPa的内爆炸超压。

2.2 含能药型罩材料的发展

当前，常用的含能药型罩材料有金属聚合物、金属化合物和铝热剂3类。

金属聚合物一般多为聚四氟乙烯基(PTFE)材料，采用Cu、Fe、Al、Mg、Ni等金属粉末与PTFE粉末混合并压制而成，具有密度低、成本小等特点，其配方对药型罩密度和聚能装药威力有较大的影响，在此方面，国内外学者做了大量的研究。李延等研究了PTFE/Ti/W药型罩聚能装药中钨含量对动态释能特性以及破甲威力的影响，结果表明：射流成型过程中会产生爆燃反应，在PTFE/Ti材料中加入70%的钨，可使释能效率提升至66.7%。陶忠明等研究了Mg/PTFE、Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/Ti/PTFE、Al/Ni/PTFE、Al/FeO(AR)/PTFE、Al/FeO/PTFE七种材料制成的药型罩聚能装药的毁伤威力，结果表明：Mg/PTFE药型罩聚能装药所产生的开孔直径最大，达13 cm。李延等研究了PTFE/Ti药型罩聚能装药中药型罩密度对射流特征的影响，结果表明：随着药型罩密度增大，射流凝聚性变强，在射流成型过程中会不断发生膨胀导致射流密度减小。黄骏逸等在PTFE/Al的基础上分别加入15%体积数的FeO、MoO、MnO，并研究了该活性材料聚能装药对钢靶的毁伤能力，结果表明：加入MoO后，其开坑孔径可达61 mm，且反应后可产生大量气体，对钢靶具有很强的毁伤效果。陶忠明等研究了Al/PTFE、Ni/PTFE、Al/FeO/PTFE3种氟基含能材料制备的药型罩对双层靶的毁伤性能，结果表明：Al/FeO/PTFE药型罩对第一层靶的开孔最大，Ni/PTFE对第二层靶的开孔最大。Hastings D L等研究了W-Ti-B含能药型罩聚能装药的释能特性，结果表明：在W-B粉末中加入Ti后可以加快反应速率，获得更高的能量，最大可提升34%的释能效率。

金属化合物药型罩多为Al、Ni、Si、Zr、Ti等金属化合而成，一般密度都比较高，在破甲过程中能在极短的时间内释放大量的热并产生高压气体，对穿孔具有自清洁的效果，多用于石油开采射孔等领域。薛瑞峰研究了Ni/Al药型罩聚能装药在密闭容器内的释能特性，结果表明：惰性铜和Ni/Al反应材料药型罩在穿透油箱时均会引燃航空煤油，但 Ni/Al反应材料对燃油箱造成更严重的破坏。张超霞研究了Ni/Al含能药型罩的配比对聚能装药毁伤45#钢靶的影响，结果表明：与铜聚能粒子流相比，其侵彻深度降低了25%，但平均入口孔径提升了37.2%，孔容增加了16.1%。LASZLO和WILLIAM研究了锆基非晶合金药型罩聚能装药射流成型和侵彻效能，结果表明：该聚能装药形成的射流侵彻能力可提升约27%。刘文赫等试验研究了44 mm口径Cu-Ni-Al材料药型罩聚能装药中Cu含量对破甲威力的影响，实验表明，在Cu-Ni-Al中加入50%的Cu，可使破甲深度提升41%、开坑孔径提升15%。杜烨等研究了Fe/Al药型罩中Fe和Al的配比对聚能装药射流的影响，结果表明：按照Fe∶Al=4∶6的配比下，Fe/Al药型罩聚能装药所形成的射流释放的能量为同等情况下纯铝药型罩的2倍。王肖义研究了Fe/Al药型罩的释能特性，结果表明：Fe/Al药型罩聚能装药形成的射流可以产生更大的破孔，并发生化学反应，释放大量能量。部分用于药型罩的金属化合物材料及其放热量温度、放热量、反应释能如表1所示。

表1 部分用于药型罩的金属化合物材料及其主要技术参数Table 1 Part of the metallic compound materials used in liner and their properties

铝热剂药型罩是将Al粉末与其他高熔点金属氧化物如FeO、MoO、NiO、PbO粉末混合烧结制成，在破甲时，具有很高的反应温度，能量释放效率高，对目标能产生侵蚀、烧蚀等效果。Baker E L等研究了铝热剂含能药型罩聚能装药对混凝土靶的毁伤效果，结果表明：相较于同结构同环境下的铝药型罩，其破甲深度提升21%、开坑孔径提升33%。部分用于药型罩的铝热剂及其反应焓、绝热火焰温度如表2所示。

表2 部分用于药型罩的铝热剂材料及其主要技术参数Table 2 Part of the thermite materials used in liner and their properties

2.3 含能药型罩结构的发展

与普通金属药型罩一样，含能药型罩的结构也是影响聚能装药威力性能的重要因素，也一直是含能药型罩研究的重要方向。

刘艳君等研究了PTFE/Al药型罩的形状、锥角和厚度对聚能装药射流特征以及毁伤威力的影响，结果表明：锥形PTFE/Al药型罩的最佳锥角为45°～75°，壁厚为6～8 mm，在炸高条件1.0～1.5时，破甲性能最佳，可达65 mm，且在穿透靶板后，可引燃靶后目标。但是随着目标防护的不断进步，普通的单层含能药型罩已经不能满足对厚装甲、多层装甲目标的有效打击，因此，国内外学者对含能药型罩的结构进行了大量的研究。

由于PTFE基含能药型罩密度较低，因此在爆轰波作用下容易破碎从而影响战斗部破甲威力，为保护含能药型罩在形成射流过程中的完整性，可在药型罩与主装药之间加入普通金属药型罩或缓冲垫。为此，刘润滋设计了一种含能复合药型罩聚能装药结构，如图1所示，并研究了壁厚对该聚能装药侵彻钢靶和混凝土靶的影响，结果表明：在Al/PTFE含能药型罩壁厚为1.2 mm时，侵彻深度可达173.29 mm，约为3.5。

图1 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.1 An energetic compound shaped charge

芦永进等设计一种Cu 基非晶合金Cu45Zr43Al4Ag8双层药型罩聚能装药结构，如图2所示，分别选用铝、钛、聚乙烯和 PTFE/Al材料作为外罩，Cu基非晶合金作为内罩并研究了其射流特性以及侵彻能力，结果表明：聚乙烯、PTFE/Al作为外罩时，Cu基非晶合金双层聚能药型罩的侵彻性能优于铝、钛作为内罩时的侵彻性能，破甲深度提升66.5%，开坑孔径提升33.1%。

图2 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.2 An energetic compound shaped charge

韩伟等研究了Zr/Ta双层罩聚能装药中内、外罩厚度对破甲威力的影响，如图3所示，结果表明：Zr∶Ta=1∶3时，相较于基准罩聚能装药，其破甲深度和开坑直径差距不大，但含能双层罩聚能装药具有明显的后效作用，可有效毁伤靶后目标。

图3 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.3 An energetic compound shaped charge

郭焕果等设计了一种活性复合罩聚能装药结构，在PTFE/Al药型罩外侧放置一层Cu罩，如图4所示，并研究了其在不同炸高条件下的侵彻性能，结果表明：相较于单一的金属罩或者活性金属罩，该复合罩形成的射流破甲深度显著提升、穿孔孔径增大，在0.5CD炸高时，活性材料爆燃产生的二次扩孔作用最大。

图4 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.4 An energetic compound shaped charge

万文乾等设计了一种含能罩爆炸成型战斗部结构，如图5所示，内罩为PTFE/Al、外罩为Cu，内外罩之间放置缓冲垫，并研究了该战斗部成型过程以及后效作用，结果表明：形成的侵彻体速度达2 km/s，穿透20 mm装甲钢后形成直径10 mm的火球以及破片等其他毁伤元，具有显著的后效作用。

图5 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.5 An energetic compound shaped charge

Steven设计了一种包覆式含能材料聚能装药结构并研究了该聚能装药的对钢靶的后效作用，结果表明：形成的复合侵彻体在侵入目标内部后会发生剧烈爆炸，具有极强的后效作用。BUD设计了一种双层含能药型罩聚能装药结构并研究了该聚能装药对靶后易燃物的燃烧效果，结果表明：在侵彻过程中，包覆的介质受EFP的挤压产生明火，形成明火燃烧的破甲战斗部，使靶后目标剧烈燃烧。

使用双层或多层药型罩结构对战斗部的破甲威力有了明显的提升，为进一步提高战斗部威力，学者们对装药结构进行了研究。张雪朋等设计了一种包覆式活性侵彻体结构，如图6所示，内罩为PTFE/Al，外罩为Cu，并对该药型罩聚能装药成型过程和毁伤效能进行了研究，结果表明：紫铜罩对PTFE/Al罩的包覆效果较为理想，该聚能装药侵彻 20 mm钢靶后，可形成1 000 m/s的金属破片和活性破片，有很强的后效作用。

图6 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.6 An energetic compound shaped charge

许世昌研究了双层含能药型罩结构参量对聚能装药射流成型和侵彻钢靶的影响，结果表明：相比于单层Cu药型罩和单层含能药型罩，双层含能药型罩聚能装药的破甲深度最大可提升25%。

黄炳瑜等设计了一种基于K装药结构的Al/Ni-Cu双层含能药型罩聚能装药结构，如图7所示，外层罩为无氧铜，内层罩为Al/Ni，并研究了其对钢靶和典型混凝土结构的毁伤效能，结果表明：相较于Cu-Cu双层药型罩，设计的Al/Ni-Cu药型罩的K聚能装药形成射流对钢靶的侵彻深度和侵彻孔道体积分别提高了20.1%和23.0%，而对混凝土靶的侵彻深度和侵彻孔道体积分别提高了17.2%和45.6%。

图7 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.7 An energetic compound shaped charge

许江东结合F型聚能装药结构设计了一种带缓冲垫的双层含能药型罩聚能装药结构，如图8所示，并研究了含能侵彻体成型以及侵彻钢靶的影响规律，结果表明：相比于单层金属药型罩，但内罩、外罩厚度均为3 mm时，相较于单一PTFE/Al药型罩，破甲深度提升21.07%。

图8 一种含能复合药型罩聚能装药结构示意图Fig.8 An energetic compound shaped charge

2.4 含能药型罩战斗部的实际应用

相较于普通金属药型罩，含能材料药型罩聚能战斗部能有效打击混凝土结构并具有很强的后效作用以及产生高压高温气体实现穿孔自清洁等功能，因而被广泛应用于反跑道战斗部、子弹、射孔弹等战斗部中，且取得了显著的效果。

王宝林等将PTFE/Ti药型罩运用到串联式反跑道弹药开坑战斗部中，并对比Cu、Al药型罩研究含能药型罩对混凝土目标的毁伤能力，结果表明：PTFE/Ti药型罩对混凝土目标具备良好的穿孔效果，能够满足实际工程需要。曹辰研究了药型罩结构参量、装药长径比以及炸高对活性聚能装药毁伤机场跑道的影响，结果表明：含能药型罩聚能装药形成的活性射流具备一般金属射流所没有的爆破效能，并得出了最佳的含能药型罩结构参数。

辛春亮等设计了一种带缓冲层的活性药型罩聚能装药子弹，药型罩采用PTFE/Al活性材料，并研究了其对钢锭的毁伤效果以及后效作用，结果表明：活性药型罩聚能装药子弹具有较强的侵彻能力和适应能力，穿透45 mm单层钢锭以及多层钢靶，且能引燃靶后油箱。

张雪朋等研究了活性药型罩聚能装药对混凝土靶的毁伤效果，结果表明：活性药型罩聚能装药对混凝土有较强的毁伤能力，且对炸高更为敏感，在1倍口径炸高条件下，爆破深度可达6.5倍口径。

除此之外，含能药型罩在油气田开发领域也有十分重要的作用，典型的应用便是含能药型罩自清洁射孔弹。朱建新设计了一种双层药型罩结构的自清洁射孔弹，如图9所示，外层反应药型罩为Al/Ni，内层为深穿透药型罩，并研究了其侵彻砂岩靶的穿孔特性，结果表明：活性双层药型罩射孔弹相较于单一深穿透药型罩射孔弹的穿深和孔径相差不大，但孔道光滑、干净，无岩石、粉末碎屑，裂缝多且宽。

图9 一种含能复合药型罩射孔弹装药结构示意图Fig.9 An energetic compound perforating bullet

张子敏等设计了一种Ni-Al-Cu药型罩的射孔弹并研究了其配比对射孔弹扩孔能力以及后效作用的影响，结果表明：对比普通的铜铝药型罩，该活性型药型罩对扩孔能起到一定的作用。

潘文强等设计了一种双层含能射孔弹并对比研究了双层含能射孔弹的穿孔性能，结果表明：相较于单金属含能射孔弹，双层含能射孔弹穿深提高了73.8%。

李必红等设计了一种高密度活性Ni/Al药型罩射孔弹并研究了其配方对射孔弹穿孔效果和后效能力的影响，结果表明：W∶Ni∶Al=70.0∶6.6∶13.4时，射孔弹对钢靶和砂岩靶的穿孔效果以及后效作用最佳。

3 含能药型罩标准化现状

含能药型罩标准化的制定对于进一步规范含能药型罩的设计、材料选取、制备、性能检验和效能评估等有着不可替代的作用，已引起了世界各国的重视。

美国是最早开始制定含能药型罩标准的国家之一，美国材料与试验协会(ASTM)先后制定了ASTM-STD-B19-01《Standard Specification for Cartridge Brass Sheet,Strip,Plate,Bar and Disks(Blanks)》、ASTM-STD-B129-02《Standard Specification for Cartridge Brass Cartridge Case Cups》、ASTM-STD-B130-02《Standard Specification for Commercial Bronze Strip for Bullet Jackets》、ASTM-STD-B131-02《Standard Specification for Copper Alloy Bullet Jacket Cups》等，规定了含能材料在军用、民用弹药外壳、装药和药型罩等结构上应用的标准。除此之外英国标准学会(BSI)、欧洲标准化委员会(CEN)以及俄罗斯联邦国家标准化与计量委员会(GOST)针对含能材料的应用制定了相关标准。

我国关于药型罩的相关规范为1997年制定的WJ 2495-1997《铜药型罩规范》，随着含能材料在各个领域的应用，又提出了WJ 2640-2004《NEPE推进剂用含能材料标准物质规范》、HG/T 5354-2018《工业活性无氧铜》等标准，对于含能材料的应用起到了良好的规范作用，但对含能材料在药型罩的应用，尚无具体的标准，此为未来我国标准化建设的方向之一。