碳化硼陶瓷复合靶板抗侵彻性能实验研究

任文科 高光发 朴春华 张扬 徐同昆 赵斌

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碳化硼陶瓷复合靶板抗侵彻性能实验研究

    作者简介: 任文科(1992-),男,博士研究生,主要从事冲击动力学研究. E-mail: wenkeren@live.com;
    通讯作者: 高光发, gfgao@ustc.edu.cn
  • 中图分类号: O385

Experimental Study of Ballistic Performance for Boron Carbide Ceramic Composite Targets

    Corresponding author: GAO Guangfa, gfgao@ustc.edu.cn ;
  • CLC number: O385

  • 摘要: 为研究碳化硼陶瓷的抗侵彻性能,开展了$ \varnothing$12.7 mm钢球侵彻碳化硼陶瓷及复合靶板、12.7 mm长杆弹侵彻超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)约束碳化硼陶瓷复合靶板实验,讨论了碳化硼陶瓷的破坏模式,研究了约束方式对碳化硼陶瓷抗侵彻性能的影响。结果表明:在钛合金/UHMWPE背板约束作用下,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,产生更细的陶瓷粉末,大尺寸碎片含量减少,吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高;背板在弹体和陶瓷锥的共同冲击下,造成钛合金的花瓣形卷边破坏,UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,形成“X”形隆起现象;采用纤维约束陶瓷,使碳化硼陶瓷板在子弹侵彻时能够保持完整,增强了对弹体的磨蚀作用,提高了抗弹性能,具有一定的抗多次打击能力。通过分析碳化硼陶瓷复合装甲的抗侵彻机理,为今后复合装甲的优化设计提供了参考依据。
  • 图 1  实验弹体

    Figure 1.  Experimental projectile

    图 2  高速摄影测量系统

    Figure 2.  High speed photography system

    图 3  3种碳化硼陶瓷靶板

    Figure 3.  Three kinds of B4C ceramics targets

    图 4  陶瓷试件与约束方案

    Figure 4.  B4C ceramics and two different designs of constrains

    图 5  12.7 mm长杆弹

    Figure 5.  12.7 mm long-rod projectile

    图 6  弹丸测速装置

    Figure 6.  Projectile speed measuring instruments

    图 7  钢球撞击碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板过程(2×104 fps)

    Figure 7.  Penetration process of steel ball to B4C/titanium alloy/UHMWPE composite target (2×104 frames/s)

    图 8  钢球撞击碳化硼陶瓷靶板过程(2×104 幅/秒)

    Figure 8.  Penetration process of steel ball to B4C ceramics (2×104 frames/s)

    图 9  侵彻实验产生的碳化硼陶瓷碎片

    Figure 9.  Fragments of B4C ceramics in penetration experiments

    图 10  剩余速度与入射速度的关系

    Figure 10.  Relationship between residual velocity and initial velocity

    图 11  碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板破坏形貌

    Figure 11.  Damage view of B4C/titanium alloy/UHMWPE composite target

    图 12  钛合金/UHMWPE复合靶板破坏形貌

    Figure 12.  Damage morphology of titanium alloy/UHMWPE composites plate

    图 13  实验前、后弹丸对比

    Figure 13.  Pictures of projectiles before and after experiment

    图 14  弹坑深度

    Figure 14.  Depth of craters

    图 15  纤维约束B4C陶瓷破坏形貌

    Figure 15.  Damage morphology of fiber constrained B4C ceramics

    表 1  弹头及靶板材料的性能参数

    Table 1.  Mechanical properties of projectiles and targets

    Material ρ/(g·cm–3) E/GPa Poisson’s ratio Tensile strength/MPa Yield strength/MPa
    GCr15 steel 7.83 217 0.3 861.3 518.4
    TC4 4.45 114 0.3 1000±50
    UHMWPE fibers 0.97 124 3340
    Material ρ/(g·cm–3) E/GPa Compressive strength/GPa Fracture toughness/(MPa·m1/2) Vickers hardness/GPa
    B4C 2.51 450 1.96 2.6 ± 0.15 24.5±1.0
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    表 2  靶板结构和实验结果(${\varnothing} $12.7 mm钢球)

    Table 2.  Targets construction and experimental results (${\varnothing} $12.7 mm projectile)

    Target No. Target structure Area density/
    (kg·m–2)
    Thickness/
    mm
    Mass/
    g
    Initial
    velocity/(m·s–1)
    Residual
    velocity/(m·s–1)
    Damage
    A1 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.6 18.54 8.36 1194.2 Unpenetrated
    A2 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.9 18.55 8.36 1044.5 Unpenetrated
    A3 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.2 18.63 8.36 947.4 Unpenetrated
    A4 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.6 18.82 8.36 890.0 Unpenetrated
    B1 TC4/UHMWPE 31.5 17.91 8.36 1284.8 805.3 Penetrated
    B2 TC4/UHMWPE 32.6 17.84 8.36 1061.8 716.7 Penetrated
    B3 TC4/UHMWPE 30.7 17.91 8.36 958.1 574.5 Penetrated
    B4 TC4/UHMWPE 32.7 17.85 8.36 940.5 478.3 Penetrated
    C1 B4C ceramics 32.0 10.06 8.36 1244.0 840.0 Penetrated
    C2 B4C ceramics 32.0 10.06 8.36 1136.6 520.2 Penetrated
    C3 B4C ceramics 32.0 10.05 8.36 1050.0 507.7 Penetrated
    C4 B4C ceramics 31.9 10.03 8.36 1139.6 570.0 Penetrated
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    表 3  靶板结构和实验结果(12.7 mm长杆弹)

    Table 3.  Targets construction and experimental results (12.7 mm long-rod projectile)

    Target No. Target structure Projectile mass/g Projectile velocity/(m·s–1) Damage
    1B4C/20 mm aluminum plate 24.90 618.1 Unpenetrated
    2 Fiber constrained plan 1/20 mm aluminum plate 24.85 643.5 Penetrated
    3 Fiber constrained plan 2/20 mm aluminum plate 24.99 630.2 Penetrated
    4 Fiber constrained plan 1/20 mm aluminum plate 24.96 658.2 Penetrated
    5 B4C/20 mm steel place 24.97 641.4 Unpenetrated
    6 Fiber constrained plan 1/20 mm steel place 24.96 622.8 Unpenetrated
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2019-01-07
  • 网络出版日期:  2019-04-03
  • 刊出日期:  2019-08-01

碳化硼陶瓷复合靶板抗侵彻性能实验研究

    作者简介:任文科(1992-),男,博士研究生,主要从事冲击动力学研究. E-mail: wenkeren@live.com
    通讯作者: 高光发, gfgao@ustc.edu.cn
  • 1. 南京理工大学,江苏 南京 210094
  • 2. 黑龙江北方工具有限公司,黑龙江 牡丹江 157013
  • 3. 中国兵器工业第五二研究所烟台分所,山东 烟台 264001

摘要: 为研究碳化硼陶瓷的抗侵彻性能,开展了\begin{document}$ \varnothing$\end{document}12.7 mm钢球侵彻碳化硼陶瓷及复合靶板、12.7 mm长杆弹侵彻超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)约束碳化硼陶瓷复合靶板实验,讨论了碳化硼陶瓷的破坏模式,研究了约束方式对碳化硼陶瓷抗侵彻性能的影响。结果表明:在钛合金/UHMWPE背板约束作用下,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,产生更细的陶瓷粉末,大尺寸碎片含量减少,吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高;背板在弹体和陶瓷锥的共同冲击下,造成钛合金的花瓣形卷边破坏,UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,形成“X”形隆起现象;采用纤维约束陶瓷,使碳化硼陶瓷板在子弹侵彻时能够保持完整,增强了对弹体的磨蚀作用,提高了抗弹性能,具有一定的抗多次打击能力。通过分析碳化硼陶瓷复合装甲的抗侵彻机理,为今后复合装甲的优化设计提供了参考依据。

English Abstract

  • 陶瓷材料的广泛应用使装甲防护能力得到了进一步提升,适合作为装甲材料的陶瓷应该具有高硬度、高强度、低密度的特点[14]。与氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等相比,碳化硼陶瓷的硬度最高,密度最低,具有更优异的抗侵彻性能和更高的吸能效率[56]。武装直升机防弹装甲要求能够抵御12.7 mm穿燃弹的攻击,并且对防护装甲的面密度要求非常严格,因此碳化硼陶瓷是理想的轻型装甲防护材料。

    目前我国对碳化硼陶瓷装甲的抗侵彻性能研究较少。本研究采用${\varnothing}$12.7 mm钢球和12.7 mm长杆弹对碳化硼陶瓷及碳化硼复合装甲进行侵彻实验,设计不同的碳化硼靶板结构,分析碳化硼陶瓷复合靶板的抗侵彻机理,为今后碳化硼复合装甲设计提供基础。

    • 实验发射装置为$ \varnothing$25 mm轨道炮。实验用弹为$ {\varnothing}$12.7 mm钢球(见图1),撞击安放在靶架上的碳化硼陶瓷靶板,钢球材料为GCr15轴承钢,质量8.3 g。采用高速摄影技术测量弹丸入射速度及靶后速度,在炮口与靶架之间放置一个标尺,通过高速摄影技术获得弹丸飞过标尺的时间,以此求得弹丸速度(见图2)。

      图  1  实验弹体

      Figure 1.  Experimental projectile

      图  2  高速摄影测量系统

      Figure 2.  High speed photography system

      为研究碳化硼陶瓷的抗侵彻性能,设计3种靶板(见图3):(1)碳化硼陶瓷靶板,陶瓷尺寸为100 mm×100 mm,厚度为10 mm;(2)钛合金/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合靶板,其结构为2 mm钛合金/5 mm UHMWPE/2 mm钛合金/5 mm UHMWPE;(3)碳化硼/钛合金/UHMWPE/钛合金复合靶板,面板采用碳化硼陶瓷,尺寸为100 mm×100 mm×10 mm,靶板结构为10 mm碳化硼/2 mm钛合金/5 mm UHMWPE/2 mm钛合金。

      图  3  3种碳化硼陶瓷靶板

      Figure 3.  Three kinds of B4C ceramics targets

      弹头和靶板材料的性能参数见表1。其中,ρE分别为材料密度和弹性模量。

      Material ρ/(g·cm–3) E/GPa Poisson’s ratio Tensile strength/MPa Yield strength/MPa
      GCr15 steel 7.83 217 0.3 861.3 518.4
      TC4 4.45 114 0.3 1000±50
      UHMWPE fibers 0.97 124 3340
      Material ρ/(g·cm–3) E/GPa Compressive strength/GPa Fracture toughness/(MPa·m1/2) Vickers hardness/GPa
      B4C 2.51 450 1.96 2.6 ± 0.15 24.5±1.0

      表 1  弹头及靶板材料的性能参数

      Table 1.  Mechanical properties of projectiles and targets

    • 采用UHMWPE对六边形碳化硼陶瓷进行三维约束,设计两种约束方式:(1)纤维先侧边缠绕,然后对边缠绕,如图4(b)所示;(2)先对边缠绕,然后侧边缠绕,如图4(c)所示。背板为铝合金与45钢板,厚度均为20 mm,盖板为2 mm碳纤维层合板,目的是防止陶瓷飞溅。采用自行设计的25 mm穿甲弹(见图5),按照12.7 mm穿燃弹设计,弹芯直径10 mm、长度54 mm,质量约25 g,材料为45钢。碳化硼陶瓷为六边形,外径10 mm,厚度7 mm,由中国兵器工业第52所提供。弹丸速度通过如图6所示装置进行测量,两个测速靶(铝箔)距离2 m,弹丸通过每组测速靶时会产生一个电信号,根据两个电信号的时间间隔可求得弹丸速度。

      图  4  陶瓷试件与约束方案

      Figure 4.  B4C ceramics and two different designs of constrains

      图  5  12.7 mm长杆弹

      Figure 5.  12.7 mm long-rod projectile

      图  6  弹丸测速装置

      Figure 6.  Projectile speed measuring instruments

    • 进行了12发实验,靶板结构及主要实验结果见表2,侵彻过程中碳化硼陶瓷完全粉碎。图7图8分别是弹体侵彻碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板、碳化硼陶瓷过程的高速摄影图像。高速摄影图像表明:弹体的碰靶姿态控制较好,均为正撞击;弹体撞击碳化硼陶瓷后向靶后喷射大量陶瓷碎片,靶后陶瓷碎片云的最大速度与弹体剩余速度相当。在加入钛合金/UHMWPE复合板之后,抗侵彻性能明显提升,碳化硼复合靶板成功抗住了${\varnothing}$12.7 mm钢球的侵彻。

      Target No. Target structure Area density/
      (kg·m–2)
      Thickness/
      mm
      Mass/
      g
      Initial
      velocity/(m·s–1)
      Residual
      velocity/(m·s–1)
      Damage
      A1 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.6 18.54 8.36 1194.2 Unpenetrated
      A2 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.9 18.55 8.36 1044.5 Unpenetrated
      A3 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.2 18.63 8.36 947.4 Unpenetrated
      A4 B4C/TC4/UHMWPE/TC4 47.6 18.82 8.36 890.0 Unpenetrated
      B1 TC4/UHMWPE 31.5 17.91 8.36 1284.8 805.3 Penetrated
      B2 TC4/UHMWPE 32.6 17.84 8.36 1061.8 716.7 Penetrated
      B3 TC4/UHMWPE 30.7 17.91 8.36 958.1 574.5 Penetrated
      B4 TC4/UHMWPE 32.7 17.85 8.36 940.5 478.3 Penetrated
      C1 B4C ceramics 32.0 10.06 8.36 1244.0 840.0 Penetrated
      C2 B4C ceramics 32.0 10.06 8.36 1136.6 520.2 Penetrated
      C3 B4C ceramics 32.0 10.05 8.36 1050.0 507.7 Penetrated
      C4 B4C ceramics 31.9 10.03 8.36 1139.6 570.0 Penetrated

      表 2  靶板结构和实验结果(${\varnothing} $12.7 mm钢球)

      Table 2.  Targets construction and experimental results (${\varnothing} $12.7 mm projectile)

      图  7  钢球撞击碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板过程(2×104 fps)

      Figure 7.  Penetration process of steel ball to B4C/titanium alloy/UHMWPE composite target (2×104 frames/s)

      图  8  钢球撞击碳化硼陶瓷靶板过程(2×104 幅/秒)

      Figure 8.  Penetration process of steel ball to B4C ceramics (2×104 frames/s)

      对比分析碳化硼靶板与碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板,收集陶瓷碎片进行下一步分析。不同约束条件下产生的典型碎片如图9所示,其中图9(b)为实验产生的最大陶瓷碎片。图9(a)图9(b)中,右边为弹丸侵彻碳化硼陶瓷板留下的碎片,左边是加入钛合金/UHMWPE背板之后的陶瓷碎片。可以看出,在背板约束作用下陶瓷粉碎得更彻底,较小的碎片含量增加,大碎片的尺寸减小,因此陶瓷吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高。此外,由于背板的作用,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,在高速摄像图像中,从弹丸触碰陶瓷直到侵彻结束弹丸远离陶瓷靶板的时间为弹丸与陶瓷的相互作用时间。图7中弹丸与陶瓷的相互作用时间只有0.5 ms左右,而图8中弹丸与陶瓷的相互作用时间超过了2 ms,更长的相互作用时间会产生更细的陶瓷粉末。

      图  9  侵彻实验产生的碳化硼陶瓷碎片

      Figure 9.  Fragments of B4C ceramics in penetration experiments

      图10为剩余速度与入射速度的关系曲线。相同面密度条件下,纯碳化硼陶瓷与钛合金/UHMWPE复合靶板均未能有效阻挡${\varnothing} $12.7 mm钢球的侵彻,随着弹丸速度的提升,靶后剩余速度均不断提高。

      图  10  剩余速度与入射速度的关系

      Figure 10.  Relationship between residual velocity and initial velocity

      图11是钢球侵彻碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板的破坏形貌。可以看出,陶瓷完全粉碎,当钢球开始撞击碳化硼陶瓷的时候,在反射拉伸波作用下,陶瓷的微裂纹发生扩展,形成宏观裂纹从而发生失效[7]。撞击后压缩波传播到钛合金/UHMWPE背板后面,背板即开始运动。陶瓷锥在弹体的侵彻和推动下作用于背板,背板获得一定初速度。在弹体和陶瓷锥的共同冲击作用下,钛合金/UHMWPE背板弯曲隆起,由于钢球的撞击速度较大,钛合金隆起部分进一步受到钢球和陶瓷锥的共同推动,造成钛合金的花瓣形卷边破坏[89](见图11(b))。UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,纤维方向的拉伸变形延伸至靶板边界处,纤维向以弹丸为中心的十字范围收缩,从而形成“X”形隆起现象(见图11(c))。

      图  11  碳化硼/钛合金/UHMWPE复合靶板破坏形貌

      Figure 11.  Damage view of B4C/titanium alloy/UHMWPE composite target

      图12显示了钢球侵彻钛合金/UHMWPE复合靶板的破坏形貌。可见,UHMWPE的主要破坏模式为剪切破坏,并伴随着层间分层破坏。

      图  12  钛合金/UHMWPE复合靶板破坏形貌

      Figure 12.  Damage morphology of titanium alloy/UHMWPE composites plate

    • 共进行6发实验,1~4号实验采用铝板为背板,5、6号实验采用钢板为背板。靶板结构及主要实验结果见表3。其中:1号实验弹丸垂直着靶,弹着点位于靶板正中心,陶瓷完全粉碎;2号实验弹丸斜着靶,陶瓷并没有全部碎掉,完整性较好,靶板弹坑与法线方向夹角大约为60°;3号、4号实验弹丸斜着靶,靶板弹坑与法线方向夹角大约为60°;5号、6号实验弹丸垂直着靶,陶瓷完全粉碎。

      Target No. Target structure Projectile mass/g Projectile velocity/(m·s–1) Damage
      1B4C/20 mm aluminum plate 24.90 618.1 Unpenetrated
      2 Fiber constrained plan 1/20 mm aluminum plate 24.85 643.5 Penetrated
      3 Fiber constrained plan 2/20 mm aluminum plate 24.99 630.2 Penetrated
      4 Fiber constrained plan 1/20 mm aluminum plate 24.96 658.2 Penetrated
      5 B4C/20 mm steel place 24.97 641.4 Unpenetrated
      6 Fiber constrained plan 1/20 mm steel place 24.96 622.8 Unpenetrated

      表 3  靶板结构和实验结果(12.7 mm长杆弹)

      Table 3.  Targets construction and experimental results (12.7 mm long-rod projectile)

      1号、5号实验均采用未约束的碳化硼陶瓷,侵彻过程中碳化硼陶瓷完全粉碎,铝板和钢板均未穿透。1号实验中回收到剩余弹丸,如图13所示,可见弹头墩粗,变形磨损严重,表面粗糙不平,有烧蚀的痕迹,由原长52 mm变为32 mm,杆弹有轻微弯曲,这是由于碳化硼陶瓷非常硬,弹丸在侵彻过程中遭到碳化硼陶瓷的磨蚀作用;此外图13中弹丸红圈部分有明显的剪切破坏。1号实验中铝板弹坑深度为5 mm,5号实验中钢板弹坑深度为2.5 mm。

      图  13  实验前、后弹丸对比

      Figure 13.  Pictures of projectiles before and after experiment

      2~4号实验中,由于弹丸速度较低,弹道稳定性不好,导致弹丸斜着靶,没有打到陶瓷中心,由于纤维的约束作用,陶瓷并没有完全碎掉,但是铝板均被穿透。6号实验垂直着靶,弹着点位于靶板正中心,弹着点附近陶瓷破损严重,但是陶瓷的完整性较好,钢板上弹坑很浅,深度只有0.6 mm,而5号实验中钢板弹坑深度达2.5 mm(见图14),因此在纤维约束作用下陶瓷具有更好的抗弹性能。

      图  14  弹坑深度

      Figure 14.  Depth of craters

      图15为纤维约束陶瓷破坏形貌。在未约束的条件下,碳化硼陶瓷直接全部破碎,而采用纤维约束的陶瓷在弹丸侵彻后完整性较好,并没有完全碎掉,具有一定的抗多次打击能力。从图15(d)可以看出,碳化硼陶瓷具有从碰撞点向外发散的径向裂纹和向外扩展的锥形裂纹(Hertzian锥形裂纹),陶瓷碎粒沿环向近似均匀分布,距离碰撞中心越远,陶瓷碎粒尺寸越大[1012]

      图  15  纤维约束B4C陶瓷破坏形貌

      Figure 15.  Damage morphology of fiber constrained B4C ceramics

      使用纤维对陶瓷进行三维约束,使陶瓷板能够在子弹侵彻时保持完整,粉碎的陶瓷碎片只能沿弹体侵彻形成的狭小通道反向运动,从而增强了对弹体的磨蚀作用,有利于提高抗弹性能;此外,由于纤维的约束作用,还可以有效防止碎裂陶瓷的飞溅,减少二次伤害。

    • 开展了${\varnothing}$12.7 mm钢球侵彻碳化硼陶瓷及复合靶板、12.7 mm长杆弹侵彻UHMWPE约束碳化硼陶瓷复合靶板实验,分析了在弹丸中/高速冲击作用下碳化硼陶瓷复合靶板的抗侵彻过程,得到了以下主要结论。

      (1)在钛合金/UHMWPE背板约束作用下,弹丸与陶瓷的相互作用时间更长,产生更细的陶瓷粉末,大尺寸碎片含量减少,吸收的能量更多,陶瓷的抗侵彻性能进一步提高。

      (2)背板在弹体和陶瓷锥的共同冲击下,造成钛合金的花瓣形卷边破坏,UHMWPE层合板伴随着较大范围的层间分层,形成“X”形隆起现象。

      (3)采用纤维约束陶瓷,使碳化硼陶瓷板能够在子弹侵彻时保持完整,粉碎的陶瓷碎片只能沿弹体侵彻形成的狭小通道反向运动,从而增强了对弹体的磨蚀作用,有利于提高抗弹性能,具有一定的抗多次打击能力;纤维的约束作用还可以有效防止碎裂陶瓷的飞溅,减少二次伤害。

参考文献 (12)

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