金属基活性破片侵彻间隔铝靶作用行为

2023-09-07周晟张甲浩余庆波

兵工学报 2023年8期

周晟, 张甲浩, 余庆波

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081)

0 引言

活性材料因其既具有金属材料的力学性能、又具备含能材料的反应释能等特性,已经成为当前高效毁伤领域的热点前沿研究方向之一[1-3]。目前应用较广泛的氟聚物基活性材料[4-6],具有含能量高、毁伤效应好等优势,但其密度和强度较低,应用于破片杀爆战斗部具有一定局限性[7]。金属基活性破片因其密度大、强度高,对目标具有良好的引燃毁伤效应[8],逐渐成为破片杀爆战斗部应用的热点。

美国海军于2007年底至2008年初发布了高密度金属基活性破片SBIR计划,要求实现活性破片密度达到5～8 g/cm3,含能量达到4.2～8.4 kJ/g[9]。陈进等[10]结合国内外金属基活性破片研究进展与发展趋势,总结得出:当金属基活性破片抗拉强度不低于300 MPa,断裂延伸率达到5%以上,且破片密度不低于7 g/cm3时,可作为破片战斗部毁伤元使用;若将密度提高到8～10 g/cm3,断裂延伸率提高到7%以上则应用性更强。典型的金属基活性破片如Ni/Al强度约为370 MPa,密度约为5.5 g/cm3[11],通过添加高密度金属可使其密度达到7 g/cm3以上[12],刘晓俊等[13]制备的W/Zr活性破片强度约为1 860 MPa,密度约为8.34 g/cm3,但其断裂延伸率仅为1%,抗爆轰驱动完整性差。目前,相关研究主要集中在金属基活性破片配方与制备、侵彻能力等方面[14-17],对金属基活性破片穿靶后碎片云成形与毁伤机理研究较少,而靶后碎片云行为对金属基活性破片侵彻间隔靶板毁伤效应影响重大。因此,研究金属基活性破片靶后碎片云行为及其毁伤机理,对金属基活性破片在杀爆战斗部中的应用具有重要意义。

本文通过球形金属基活性破片侵彻间隔铝靶弹道枪实验,结合侵靶过程理论分析,对金属基活性破片侵彻间隔铝靶的靶后碎片云成形及其对后效靶毁伤规律进行研究,建立了碎片云成形理论模型,揭示了其毁伤机理。

1 弹道枪实验方法

1.1 实验样品

实验用球形金属基活性破片由质量百分比为30∶50∶20的W/Zr/Ni粉体混合物制备而成。烧结后活性破片密度约为9.91 g/cm3,质量约为2.66 g,尺寸为φ8 mm。活性破片及其准静态压缩应力-应变曲线如图1所示。根据应力-应变曲线得到的力学性能参数列于表1。图1中σb为断裂强度,σs为屈服强度,E为弹性模量,δ为断裂延伸率。

表1 活性破片力学性能参数

图1 活性破片及其准静态压缩应力-应变曲线

1.2 实验靶标

弹道枪实验靶标及其结构示意图如图2所示。靶标为迎弹面尺寸300 mm×300 mm,厚度分别为6 mm 和3 mm的2A12双层间隔铝靶,前后靶板间距为200 mm。前靶为激活靶,等效目标防护结构,用于激活活性破片释能反应;后靶为效应靶,等效目标内部结构,用于验证活性破片毁伤效应。

图2 实验靶标及其结构示意图

1.3 实验原理

实验测试系统及其实物照片如图3所示,主要由口径14.5 mm弹道枪、测速仪、间隔靶板和高速摄影等组成。活性破片通过弹道枪进行加载,获得一定速度后命中间隔靶板。通过调整发射药量控制活性破片初速,测速仪置于间隔靶前方用于测量活性破片碰靶速度,高速摄影用于记录活性破片的弹靶作用过程。

图3 实验测试系统及其实物照片

2 实验结果

开展了700～1 500 m/s碰撞速度下活性破片侵彻间隔铝靶弹道枪实验,以研究着靶速度对毁伤效应影响,将毁伤靶板透光部分面积定义为靶板毁伤面积,并通过图像识别方法[18]获得该毁伤面积。

活性破片以不同碰撞速度v侵彻间隔靶典型靶板毁伤情况如表2所示,毁伤面积及穿孔情况实验数据列于表3。从表2中可以看出:活性破片以不同速度贯穿前靶后,在前靶上遗留了不同程度喷射状反应痕迹;随着碰撞速度增加,反应痕迹愈发显著,这是由于在碰撞过程中随着撞击速度的增加,活性破片参与反应的质量更多造成的。从表3中对比穿孔数据发现,活性破片在穿透前靶时穿孔直径随速度增加,呈先减小、后增大趋势,其主要原因在于,活性破片在侵彻前靶过程中发生破碎且部分发生反应,参与反应的质量比随碰撞速度的增加而增大,由此造成剩余活性破片质量和尺寸减小。当碰撞速度较低时,活性破片穿孔主要依托自身动能,孔径大小也与破片的直径密切相关。在碰撞速度为778 m/s时,破片参与反应的质量少,破碎程度低,剩余尺寸较1 017 m/s大,因此穿孔直径较大;而当碰撞速度较高时,此时活性破片更多质量参与反应,释放的化学能足以对前靶板造成毁伤,由此反而增大了侵彻孔径,此时更多体现为动能与化学能联合穿孔效应。

表2 典型靶板毁伤区域图片

表3 活性破片侵彻间隔靶毁伤面积及穿孔情况实验数据

从表2中后靶毁伤形貌可以看出,碰撞速度对后靶毁伤形貌影响显著。随碰撞速度增加,活性破片侵彻后靶产生的中心贯穿孔径与贯穿孔周围毁伤区域尺寸均呈增大趋势。值得注意的是,随碰撞速度由778 m/s分别增加到1 017 m/s、1 489 m/s时,周围毁伤区域中分别呈现出无熏黑反应痕迹、部分熏黑反应痕迹与全域熏黑反应痕迹。且随碰撞速度增加,周围毁伤区域的变形、隆起程度增加,同时出现随碰撞速度增加而数量增多的侵孔。从机理上分析,活性破片在穿透前靶后,剩余破片发生碎裂并形成一系列大小不一的碎片继续碰撞后靶,并在后靶上形成与前靶一样的主穿孔。但由于是二次碰撞,此时活性破片更易发生反应,特别是随碰撞速度的增加,活性破片激活程度更高,反应释放能量更多,因此在后靶位置形成大的中心贯穿孔。同时破片在穿透前靶后存在一定飞散角,大飞散角的碎片则在侧向速度的影响下逐步偏离原破片弹道,在中心贯穿孔周围撞击后靶,形成一系列贯穿或未贯穿侵孔,贯穿与否主要取决于小碎片的质量、速度与激活程度,质量越大、速度越高、激活程度越高的碎片更易形成贯穿孔。

活性破片以不同碰撞速度侵彻间隔靶板典型高速摄像如图4所示。进一步分析碰撞速度对毁伤效应的影响,从图4中可以看出,活性破片以不同速度碰撞前靶时,在碰撞位置处产生不同程度火光。对比图4(a)～图4(c)发现,随着速增加,火光亮度更高,范围更大,这表明活性破片激活程度随碰撞速度增加而增加。活性破片在后续侵彻前靶过程中,向后产生不同程度亮黄色火焰,火焰亮度和范围随碰撞速度提高呈增大趋势。这是由于活性破片在侵彻过程中已发生反应,反应程度随碰撞速度提高而增加造成的,这与表2中前靶上遗留的喷射状反应痕迹随碰撞速度增加愈发显著相一致。活性破片在冲击载荷作用下,内部活性元素被激活到发生爆燃反应的时间为活性破片的迟豫时间,对比分析图4(a)～图4(c)中产生亮黄色火焰时刻可知,侵彻过程中活性破片迟豫时间随碰撞速度增加而减小,这也与活性破片碰撞前靶时激活程度随碰撞速度提高而增加相一致。

图4 典型高速摄像

从图4中活性破片穿透前靶后的火光可以看出,部分剩余碎片继续发生反应,在间隔靶板之间形成近似椭球形的耦合毁伤区,且相同时刻,耦合毁伤区的扩展区域和火光亮度随碰撞速度的增加呈显著增大趋势。进一步分析可知,活性破片穿透前靶后的剩余速度和激活程度均随碰撞速度增加而提高,激活程度更高的碎片在飞散过程中发生反应释放的化学能更多,因此火光亮度更高,同时化学反应以激活碎片为中心进行,剩余速度更大的碎片耦合毁伤区的运动速度也更快。当剩余碎片二次碰撞后靶时,进一步发生反应释放化学能,且化学能释放量随碰撞速度增加而增大,使得碰撞后靶时的火光亮度、作用面和火焰径向扩展距离均随碰撞速度增加而增大。这也与表2中后靶中心贯穿孔大小与毁伤区域随碰撞速度增加呈上升趋势相一致。

3 分析与讨论

3.1 靶后碎片云成形

基于活性破片的冲击反应特性,活性破片侵彻靶板作用过程如图5所示。活性破片以一定初速碰撞前靶,并在侵彻过程中发生变形、破碎[19],当活性破片穿透前靶后,破碎部分发生飞散,形成靶后碎片云继续向前运动撞击后靶,靶后碎片云碰撞后靶时发生剧烈爆燃反应释放能量。在动能侵彻和化学能释放的联合作用下,后靶发生结构损坏。

图5 活性破片侵彻靶板作用过程

为分析活性破片弹靶作用行为,建立靶后碎片云成形模型。基于一维冲击波理论,由动量守恒推导出活性破片碰撞前靶冲击压力p0[20]为

(1)

式中:ρp和ρt分别为活性破片与靶板密度;c和s分别为声速和材料系数,下标p和t分别表示活性破片和靶板;v0为冲击速度。2A12铝ct、st分别为5 328 m/s、1.338[19];活性破片cp为4 540 m/s,根据质量插值法[21],活性破片sp为1.17。

将活性破片中的冲击压力分布简化为与位置相关的指数函数:

p(x)=p0e(-δpx)

(2)

式中:p(x)是距碰撞界面x处活性破片内的压力;δp为与材料性质相关的经验常数,本文中活性破片的δp约为0.086 63 mm-1[22]。当活性破片内部的压力超过其破碎所需的压力阈值时,则认为其发生破碎。因此活性破片的破碎尺寸Lf1可以表示为

(3)

式中:Yc是使活性破片完全破碎的压力阈值,约为2 780 MPa[13]。

撞击前靶后,活性破片内的冲击波被稀疏波卸载尺寸Lf2[19]可以表示为

(4)

式中:Up和Ut分别为活性破片与靶板中的冲击波速度;ht为前靶厚度;up和ut分别为活性破片与靶板的质点速度;稀疏波速度Cj[19]可以表示为

Cj=Uj{0.49+[(Uj-uj)/Uj]2}0.5

(5)

j=p, t。

因此,活性破片的真实破碎尺寸Lf可以表示为

Lf=min(Lf1,Lf2)

(6)

由实验结果可知,在实验着速区间内,活性破片侵彻前靶均可近似为冲塞毁伤模式。为得到破片穿透前靶后的剩余速度,忽略破片与塞块在侵彻过程中的变形,假设破片侵彻前靶过程中受到靶板阻力而耗散的能量为Ef1,塞块产生时的剪切应变能为Ef2,塞块的动能为Ef3。则根据能量守恒可得

(7)

式中:mp为活性破片质量;Ef1、Ef2、Ef3[23]分别可以表示为

(8)

Aplug和tplug为塞块面积与塞块厚度,Gt为靶板剪切模量,约为28 GPa,τud为靶板的动态剪切断裂强度,通常可以表示为静态剪切断裂强度τu的两倍[24],约为600 MPa,As为受剪切区域的面积,D为破片直径,mplug为塞块质量。

根据式(7)和式(8),活性破片穿透前靶后的剩余速度vr可以表示为

(9)

根据文献[25],破片穿透前靶后,破碎部分的平均碎片尺寸sa可以表示为

(10)

式中:Y为活性破片屈服强度;L为活性破片长度。

假设活性破片破碎后的碎片是球形的,则碎片总数N0可以近似为

(11)

根据实验毁伤结果与经验公式[26],活性破片最大飞散角θmax可以表示为

(12)

靶后碎片云碎片可近似认为分布在一个截锥体内。为便于计算,假设碎片云中碎片矢量的反方向交汇于前靶中心位置。根据碎片所处空间位置的飞散角,包含在飞散角内的碎片数量Nθ[27]可以表示为

(13)

根据式(13),飞散角为[θ,θ+dθ]内的碎片数量Nθi可以表示为

(14)

通常认为,碎片云中碎片的速度呈梯度分布,且在[θ,θ+dθ]飞散角范围内的碎片速度相同。其中,[θ,θ+dθ]飞散角范围内的碎片速度vθi[27]可以表示为

(15)

根据式(12)、式(14)和式(15)建立金属基活性破片碎片云成形理论模型,通过该理论模型得到不同碰撞速度活性破片穿透前靶后碎片云演化规律,如图6所示。从图6中可以看出,活性破片穿透前靶后形成椭球形碎片云,随着演化时间t增加,碎片云沿轴向和径向扩展,且相同时刻扩展区域随碰撞速度增加呈增大趋势,这与图4中耦合毁伤区扩展规律一致。这表明,随碰撞速度增加,碎片云演化过程中扩展能力更强,活性破片毁伤容积更大,撞击后靶时的毁伤面积也更大。

图6 不同碰撞速度活性破片靶后碎片云演化规律

3.2 后靶毁伤效应

根据表2中实验结果分析可知,活性破片在碰撞速度1 017 m/s条件下碰撞后靶时存在反应和未反应碎片两部分。根据两部分的交界,结合式(1)、式(2)和式(13)获得活性破片反应碎片的质量与其对应的临界压力,将其近似为活性破片的临界反应压力Ar,该压力约为8.16 GPa。因此,活性破片碰撞前靶时的激活尺寸La1可以表示为

(16)

结合式(6),活性破片的真实激活尺寸La为

La=min(Lf1,Lf2,La1)

(17)

活性破片破碎尺寸、稀疏波卸载尺寸与激活尺寸随碰撞速度变化曲线如图7所示。从图7中可以看出,由于活性破片尺寸较小,在200～1 500 m/s的碰撞速度下均未发生稀疏波卸载。活性破片的起始破碎速度为241 m/s,完全破碎速度为467 m/s,这说明活性破片在本实验最低速度778 m/s条件下已完全破碎,具备发生反应的前提条件[3]。活性破片的起始激活速度为665 m/s,完全激活速度为1 236 m/s,这说明当碰撞速度大于1 236 m/s时,活性破片已具备完全反应释放能量的条件,此时若继续增大碰撞速度,活性破片撞击后靶时的反应释能量不再增加。

图7 活性破片破碎尺寸、激活尺寸和稀疏波卸载尺寸

根据式(12)、式(14)和式(15),活性破片碎片云的总动能Ek可以表示为

(18)

根据式(17)活性破片真实激活尺寸得到活性破片的激活程度,用来表征活性破片碎片云总化学能的多少。假设被激活部分反应释放的能量相同,与超出激活压力阈值部分无关,则活性破片碎片云的激活程度Ad可以表示为

(19)

活性破片碎片云的总动能及激活程度随碰撞速度变化关系曲线如图8所示。从图8中可以看出,当碰撞速度大于665 m/s时,靶后碎片云的激活程度,即碎片云中蕴含的化学能随碰撞速度增加而增大,并在当碰撞速度达到1 236 m/s时激活程度达到1。此时,可近似认为,活性破片已在侵彻前靶过程中完全激活,碎片云中的化学能可在碰撞后靶时完全释放。随实验碰撞速度的增加,活性破片的激活程度分别为0.247、0.678和1.000。同时根据式(9),可以得到活性破片侵彻6 mm厚2A12铝靶的弹道极限速度约为718 m/s,当碰撞速度大于718 m/s 时,靶后碎片云的动能随碰撞速度增加而增大。随实验碰撞速度的增加,活性破片碎片云中的动能分别为70.6 J、399.1 J和1265.6 J。因此,当碰撞速度为718～1 236 m/s时,活性破片碎片云内蕴含的化学能与动能随碰撞速度增加分别呈对数与指数型增长规律,当碰撞速度大于1 236 m/s时,活性破片碎片云内仅动能以指数型增长规律继续增加。

图8 活性破片碎片云总动能和激活程度与碰撞速度关系

活性破片靶后碎片云作用靶板示意图如图9所示。碎片云对后靶毁伤模式主要呈现为中心贯穿模式与碎片撞击模式。其中,图9(a)为惰性碎片云作用靶板示意图,惰性碎片云作用靶板仅受碎片云动能侵彻影响,中心贯穿孔径受碎片云碎片动能影响,随碎片飞散角增大,根据式(15),单位碎片的动能减小,且碎片斜侵彻靶板所需的能量更多,因此逐渐无法贯穿靶板,仅形成较小的凹坑和侵孔等毁伤形貌;图9(b)为活性碎片云作用靶板示意图,活性碎片云作用靶板受碎片动能侵彻及化学能释放联合作用,在惰性模式下的临界贯穿位置处,活性碎片发生反应释放能量,使临界贯穿孔径增大。且活性碎片在侵彻过程中释放能量,碎片动能越大,侵彻能力越强,反应释放化学能造成的扩孔现象更明显。

图9 碎片云作用靶板示意图

由图9可知,活性碎片云作用靶板的动能与化学能释放量对其靶板毁伤效应具有重要影响。因此,根据式(11)、式(14)、式(15)和式(19),得到碎片云在某一飞散角内的单位碎片动能与反应质量。其中,碎片云的单位碎片动能分布Eei可以表示为

(20)

碎片云的单位碎片反应质量分布mai可以表示为

(21)

根据式(20)和式(21)得到不同碰撞速度下靶板贯穿孔径位置处单位碎片动能与反应质量如图10 所示。由图10可知,在碰撞速度为778 m/s条件下,贯穿孔位置处单位碎片动能约为0.049 J,而由于该碰撞速度下激活程度较低,该位置处的碎片未发生反应,因此单位碎片反应质量为0 mg,这与表2中后靶上未反应痕迹相一致。在碰撞速度1 017 m/s 条件下,贯穿孔位置处单位碎片动能约为0.034 J,较碰撞速度778 m/s条件下低,但其单位破片反应质量为0.47 mg,在该位置处靶板受到动能化学能耦合作用。在碰撞速度1 489 m/s条件下,贯穿孔位置处单位碎片动能约为0.042 J,单位碎片反应质量为0.124 mg,在该条件下其单位碎片动能较1 017 m/s条件下高,因此其贯穿靶板所需的单位碎片反应质量更少。