內(nèi)含鋼絲網(wǎng)的陶瓷基復(fù)合板在防彈性能靶試研究

狄錚 丁華東

摘 要：為提高抗彈性能，研制了內(nèi)含鋼絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)碳化硼陶瓷防彈板，并通過靶試以驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)的陶瓷復(fù)合裝甲板的設(shè)計(jì)思路的可行性及防彈性能。

關(guān)鍵詞：靶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；防護(hù)機(jī)理；穿甲機(jī)理

隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們通過把陶瓷、復(fù)合材料和陶瓷通過疊加的方法研制出了性能優(yōu)秀的防彈板。在實(shí)際應(yīng)用中，陶瓷通常放在第一層作為面板，纖維層為第二層，金屬板作為背板復(fù)合使用，組成陶瓷+纖維層+金屬層的防彈結(jié)構(gòu)，以提高防彈性能。但是抗彈材料的發(fā)展方向是研發(fā)新材料或新結(jié)構(gòu)。

1 陶瓷復(fù)合裝甲板設(shè)計(jì)及思路

上文已提過傳統(tǒng)的防彈板結(jié)構(gòu)為陶瓷+纖維層+金屬層，三者之間使用強(qiáng)環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)，這種結(jié)構(gòu)是為了發(fā)揮三種材料的特點(diǎn)，即使用纖維材料的延展性和韌性、陶瓷材料的硬度高的性能特點(diǎn)來提高鋼材料的抗彈性能。但是這種結(jié)構(gòu)，只是把三者疊加起來，而陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)不設(shè)有約束條件，使得在防御性能方面表現(xiàn)出不足。從而大大影響了陶瓷復(fù)合板的抗彈能力。

以提高陶瓷防彈板的抗彈能力，為以后實(shí)現(xiàn)單塊靶板板抗多彈打擊為目標(biāo)，對陶瓷設(shè)有約束，阻止陶瓷面板遭受第一發(fā)彈打擊后進(jìn)一步破裂，增大陶瓷板的韌性為目的，筆者設(shè)計(jì)制備了兩種不同結(jié)構(gòu)的碳化硼陶瓷板 。

此種結(jié)構(gòu)的陶瓷板與616裝甲鋼和高強(qiáng)PE材料（簡稱PE）構(gòu)成的陶瓷基復(fù)合防彈板，并通過打靶試驗(yàn)的方法，以探究其防御穿甲彈的能力，發(fā)現(xiàn)問題并探究其原因，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，為內(nèi)帶鋼絲網(wǎng)的陶瓷防彈板的設(shè)計(jì)和制造積累數(shù)據(jù)。

1.1 靶板設(shè)計(jì)

防彈板尺寸為300 mm×300 mm×20 mm，靶板結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中碳化硼陶瓷面板為10mm厚，616背板為8mm厚的鋼板，碳化硼陶瓷與P/E、PE與616裝甲鋼之間用膠粘連。

1.2 設(shè)計(jì)思路

1）在陶瓷材料中，硬度最大，密度最小的是碳化硼，對質(zhì)量要求高的特種車輛、艦船等以質(zhì)量為重要目標(biāo)的前提下，首選材料就是碳化硼，盡管碳化硼防彈板的價(jià)格昂貴。

2）內(nèi)含鋼絲網(wǎng)碳化硼陶瓷是在陶瓷內(nèi)部使用鋼絲網(wǎng)來增強(qiáng)陶瓷板（就像使用鋼筋加固混凝土一樣）。鋼絲網(wǎng)在受到張力下保持原狀，并且在X軸和Y軸方向都提供壓縮力來約束陶瓷板，使得防彈板此時(shí)就像一塊金屬板，即融合了陶瓷材料重量和硬度的優(yōu)勢，同時(shí)有鋼鐵材料的韌性。

3）鋼背板選用高硬度軋制鋼，把它作為背板的目的是為陶瓷材料提供有力的約束條件，即起到約束陶瓷板作用的同時(shí)，也能夠充分發(fā)揮自身的防彈能力。

4）PE有3個(gè)作用：

一是防止陶瓷板直接與彈丸直接接觸；

二是降低由于彈靶碰撞造成的陶瓷碎片對鋼板的損傷；

三是增強(qiáng)背板對陶瓷的背面約束作用。

5）靶板面積為200 mm×200mm，在考慮到著靶問題，如果尺寸在小，很可能出現(xiàn)著靶困難問題。

2 靶試

靶試條件：現(xiàn)役12.7mmAPI彈，垂直入射，距離8m。

2.1 內(nèi)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)碳化硼陶瓷復(fù)合裝甲板

圖2可以看到，碳化硼與PE，PE與616鋼板之間用膠粘連。彈丸最先與厚為1mm的PE層發(fā)生觸碰，PE層產(chǎn)生貫穿型彈孔，但是第二層陶瓷層并沒有發(fā)生破碎，只是在表面有碰撞痕跡，用肉眼觀察，并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，說明此結(jié)構(gòu)的陶瓷基復(fù)合防彈板抗住了彈體的侵徹。

通過圖片可以看到，PE層與陶瓷板已剝離，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是應(yīng)力波的作用。即彈體與靶板第一層發(fā)生碰撞時(shí)就產(chǎn)生了引力波，引力波向陶瓷層傳播。

當(dāng)波傳播遇到PE與陶瓷板的界面后，波在界面處產(chǎn)生反射和透射，產(chǎn)生的反射應(yīng)力波對陶瓷結(jié)合面和PE層是張力，此作用力破壞了使得各層的“膠粘”失效，并使PE層向反射應(yīng)力波方向“撕裂”，PE 層形成圖3的形貌。

此次這塊靶板的靶試效果很好，在8m距離，著靶速度達(dá)到844（m·s-1），后背板616裝甲鋼厚度為8mm，防護(hù)等級達(dá)到2級，說明此種結(jié)構(gòu)的碳化硼陶瓷復(fù)合的防彈能力優(yōu)越。通過復(fù)合的方法，可行。

如圖4所示，除著彈點(diǎn)周圍很少面積外，陶瓷雖有裂紋擴(kuò)展但并未崩落，內(nèi)鋼絲網(wǎng)格也只有著彈點(diǎn)處斷裂，基本達(dá)到設(shè)想鋼絲網(wǎng)約束陶瓷板，融合了鋼絲網(wǎng)的韌性及陶瓷的硬度。

3 結(jié)論

1）由內(nèi)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)碳化硼陶瓷、616裝甲鋼和高強(qiáng)PE材料構(gòu)成的陶瓷基復(fù)合裝甲板能防住8 m垂直入射的12.7 mm現(xiàn)役API彈。

2）內(nèi)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)碳化硼復(fù)合陶瓷板融合了鋼絲網(wǎng)的韌性及陶瓷的硬度，能有效阻止整塊陶瓷板因彈丸碰撞造成裂紋擴(kuò)展而使裝甲板防彈性能下降。防彈潛力很大，為一塊靶板防多彈打擊創(chuàng)造條件。

3）靶試結(jié)果表明：內(nèi)網(wǎng)格陶瓷基復(fù)合裝甲板的設(shè)計(jì)思路是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁華東，方寧象，劉云峰等.陶瓷基復(fù)合裝甲防12.77mm穿甲燃燒彈的靶試研究（Ⅰ）[J].裝甲兵工程學(xué)院報(bào)，2012，26（1）：78-81.

[2] 蔣志剛，申志強(qiáng)，曾首義等.穿甲子彈侵徹陶瓷/鋼復(fù)合靶板試驗(yàn)研究[J].彈道學(xué)報(bào)，2007，19（4）：38-42.