輕型多層異質復合裝甲研究進展

高 華 熊 超 殷軍輝 鄧輝詠

（陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003）

0 引言

裝甲侵徹與防護問題具有廣泛的工程背景，隨著現代戰爭條件下反裝甲武器毀傷效能提高，對戰機的“靈活性”與“防護性”的要求越來越高［1］。信息化戰爭中，戰爭具有突發性以及戰場環境的復雜多變性，急需提高戰機的應急作戰能力和快速部署能力，使得裝備靈活機動性的地位不斷提高，促進了戰機和航空裝備向輕型化發展。對于航空裝備，不僅要有較強機動性，還應具備一定防護能力，隨現代反裝甲武器性能進一步提升，彈藥破壞能力加強，提高裝甲的防護能力顯得更加重要。這也就要求航空裝備在減小自重，提高機動能力的前提下，提升裝甲防護能力。目前，航空裝備主要考慮高速破片以及小型穿甲彈的威脅，裝甲厚度一般為20～30 mm，北約STAN4569標準的5級防護等級中，3、4級威脅為7.62～14.5 mm直徑小型穿甲彈和155 mm直徑炮彈60～125 m范圍內爆炸形成的碎片，美國軍方防護12.7 mm重機槍彈裝甲的要求為面密度小于50 kg/m2［2］。現有航空裝備防護性能較弱，還不能達到上述防護級別，而增加裝甲厚度又將影響其機動性能，因此為實現裝甲輕量化，必須要研制輕型復合裝甲，減輕自重，在此基礎上提升其防護水平。本文主要介紹輕型多層異質復合裝甲研究進展。

1 防護材料及動態力學性能分析

1.1 裝甲防護材料

研制出新型裝甲材料是提高防護性能的關鍵所在，隨材料科學工藝水平的發展進步，研究工作者相繼研發出各類優異力學性能的防護材料。20世紀40年代之前，防護所用材料大部分為金屬，其中主要是裝甲鋼和鋁合金；之后，陶瓷、纖維增強材料等多種新材料開始出現并得到應用。

裝甲鋼、合金、貧鈾、玻璃鋼、芳綸纖維、陶瓷是當前車輛防護中使用較多的幾種材料，在裝甲中進行了大量應用。金屬材料韌性好、硬度高，但由于密度較大不利于實現輕量化；陶瓷硬度高、密度小，但易碎而且韌性差，抗多次打擊能力不足［3］；芳綸、玻璃纖維這類材料強度較高、模量較小、質量輕［4］。不同材料抗侵徹機理存在較大差異，需要充分利用其吸能特點，通過不同材料之間的復合，在減輕質量的前提下提高其抗彈性能。美軍20世紀初設計出CIA（Composite Integral Armor）復合結構裝甲［5］，該結構是由六個不同層材料組合而成，包括：陶瓷拼接層、玻璃鋼纖維層、橡膠層等。當前，眾多科研人員開始將泡沫孔隙材料、柔韌性材料應用裝甲結構中，并對其防護性能開展研究。

1.2 力學性能測試

材料靜動態力學性能測試對于研究防護材料的本構關系、評估材料的力學特性具有十分重要的價值。測試的手段根據應變率由高到低可以進行如下分類：蠕變（應變率范圍10-8～10-6/s）、準靜態（10-6～100/s）、高應變率（100～104/s）和超高應變率（104～108/s）四類。不同加載速率下，材料動力學性能不同，沖擊條件下，發生高應變率下的變形，高應變率實驗同準靜態實驗不同之處在于隨應變率增加，慣性效應增強，因此研究材料的應變率相關性具有重要意義［6］。研究工作者利用多種測試方法對不同應變率下材料性能開展研究。如表1所示，列出了多種常用測試方法對應應變率測試范圍，對其中常用的落錘實驗、Taylor實驗、平板撞擊實驗、膨脹環實驗以及SHPB實驗（Spilt Hopkinson Pressure Bar，SHPB）進行了介紹。

表1 不同應變率下測試手段Tab.1 Test methods at different rates

1.2.1 落錘實驗

落錘實驗通過改變加載物的高度，利用重物下降動能對試樣產生沖擊，以獲取所需速度或相應撞擊能量［7］。落錘的撞擊速度范圍一般在1～10 m/s，應變率分布在100～102/s，利用安裝在設備頭部的力學傳感器得到受載過程中參數信息，得到待測試樣所承受的沖擊速率以及撞擊強度。由于落錘沖擊試驗中沖擊強度不斷減弱，因此難以實現在恒定應變率條件下的沖擊。

1.2.2 Taylor實驗

Taylor實驗是加速裝置發射長桿狀彈體沖擊剛性目標靶（目標靶所對應的屈服強度遠遠超過彈體）。材料動態力學性能利用桿與目標靶接觸端變形特點以及加載速率進行分析。結合一維彈塑性波知識，通過試驗后彈體變形參數可獲得材料動態屈服應力：

式中，ρ為對應材料密度，v0為對應彈體加載速率，l為對應變形前的彈體長度，x為對應加載后彈體未變形長度，l1為對應加載后彈體全部長度。

1.2.3 平板撞擊實驗

超高應變率下，固體材料力學行為接近流體，這種情況下，要結合材料所對應狀態方程研究塑性流動特性。平板沖擊實驗是通過對平板進行加速，在高速率下沖擊加載試樣，實驗裝置結構如圖1所示。利用磁質點速度儀、測速探針和激光干涉探測裝備測量沖擊波波速、彈速以及波后粒子速度等狀態量所對應的聯系。基于測量參數，根據物理守恒定律，得到所測材料各個參數之間對應的關系，確定狀態方程。

圖1 平面撞擊實驗示意圖Fig.1 Schematic of planar impact test

1.2.4 膨脹環實驗

JOHNSON和WARENS等［8］分別提出和改進了高應變率加載的膨脹環試驗，通過激光速度干涉裝置獲得該環的膨脹速度，使其成為研究高應變率下力學行為的重要手段。膨脹環實驗簡圖如圖2所示，主要由驅動器、試樣薄環、爆炸裝藥、端部泡沫塑料、激光速度干涉裝置、雷管等組成。炸藥發生爆炸產生的應力波沿圓環半徑方向傳播，因試件與驅動器材料阻抗不匹配導致薄圓環與驅動器分離，產生沿半徑方向的膨脹變形，從而通過相關激光干涉裝置得到膨脹環沿半徑方向變形速率的時間歷程關系，進一步得到試樣在高速沖擊下的本構關系。

圖2 膨脹環實驗裝置截面圖Fig.2 Sectional view of expanding ring test

1.2.5 SHPB實驗

SHPB是目前應用最廣泛地分析材料在高應變率下動力學行為與本構模型的實驗技術。自H.Kolsky改進J.Hopkinson與B.Hopkinson設計試驗裝置并將其應用到材料動態性能測試后，SHPB得到廣泛應用與發展。在國外，在20世紀70年代前后，圍繞這項技術進行了多方面的論證和研究，總結了加載試件的尺寸要求以及數據分析的相關方法，20世紀20世紀90年代以來，專家學者不斷擴大SHPB試驗技術的應用領域，特別是將其應用到軟材料及脆性材料的沖擊壓縮性能研究［9］。國內研究工作主要集中在：（1）發展了反射式沖擊拉伸試驗、拉扭復合加載、小尺寸分離式霍普金森實驗裝置等；（2）進行了技術改進與拓展，有高溫加載技術、入射波整形技術、被動圍壓實驗等；（3）材料測試應用覆蓋金屬、巖石、混凝土、陶瓷材料、泡沫塑料等。

2 裝甲結構防護機理及防護能力研究

為得到設定狀態下多層抗彈結構的最優方案，需要對相關復合結構的防護機理及其防護能力進行分析。當前，抗彈結構防護能力的評定方法主要分為三類：（1）實驗方法，通過根據多次試驗結果對結構的防護能力進行研究，即基于實驗得到不同試樣的等效質量防護系數等評價結果；（2）數值分析，利用有限差分等數值分析方法模擬試驗工況，并計算結果；（3）理論解析法，將現實模型轉化為基本的物理簡化模型，從而計算得到相關結果。

2.1 實驗測試方法

通常研究裝甲復合結構防護性能的試驗手段分為彈道極限實驗、穿深實驗（DOP）以及反彈道沖擊試驗三種。

彈道極限實驗主要根據“兩彈法”或試驗靶背面破壞狀況分析裝甲結構的防護性能，需要進行大量實驗且只對實驗的彈靶系統有效；DOP實驗是在相同彈丸速度下，通過測量彈丸在參照金屬中的參照穿深和前置復合裝甲的金屬塊中剩余侵徹穿深來確定裝甲的抗彈性能，這種實驗簡單易行，但每次實驗僅能測得一個數據；反彈道沖擊實驗是利用適當氣炮加速靶板撞擊靜止長桿彈體，這種實驗方法能同時采用多種技術觀察彈體侵徹過程，但僅能進行小尺寸實驗，靶板徑向尺寸受到彈托尺寸以及氣炮口徑的限制。

2.2 數值分析方法

裝甲抗彈丸侵徹過程是高應變率下復雜的受力過程，數值仿真利用計算機，求解彈丸侵徹裝甲過程中所涉及的連續介質力學方程組，并得到侵徹中彈靶損傷形態以及各物理參量的時程變化關系，形象展現彈丸侵徹裝甲的變形過程，可對理論實驗分析存在缺陷進行補充［10］。通過數值分析手段得到研究裝甲防護所需的各類參數，有利于進行不同邊界條件、彈靶組合以及初始條件的計算，節省大量實驗經費，因而得到了廣泛應用。

裝甲防護數值模擬中，根據質點與坐標的對應關系，主要有ALE算法、Lagrange法等。其中Lagrange應用最為廣泛，對于分析材料的各階段受力過程更為精確。數值模擬是設定在一定初始狀態、約束狀況下，通過模擬算法對相關物理狀態方程等計算求解，目前，數值求解手段有：有限元法、離散法以及有限差分法等，其中，有限元法得到了更為廣泛的使用。目前，對裝甲防護進行分析的常用大型工程軟件有：ABAQUS/Explicit、ANSYS/Ls-dyna及ANSYS/Autodyn等。

2.3 理論解析方法

結合彈丸侵徹特征，參考其中重點影響參量，對現實模型進行簡化，從而構建出物理模型，反映出彈丸侵徹中相關參量的對應關系。通常相關參量中不應引入需要經侵徹試驗所獲取的數據。利用理論解析方法，計算簡單，實際使用方便，能較好分析裝甲防護水平，滿足現實工程應用的一般需求。但由于對彈靶作用過程進行了大量簡化，所建模型僅適用于一定條件下的裝甲防護分析，應用范圍具有局限性。當前，對于裝甲防護所構建的理論分析模型有：空腔膨脹理論、微分面力法、塑性動力學理論、局部相互作用理論以及侵蝕桿模型等。其中塑性動力學理論、侵蝕桿模型和空腔膨脹理論得到了大量使用。

2.3.1 空腔膨脹理論

最早介紹空腔膨脹理論的是Bishop，后續專家學者又對該理論進行了豐富和發展，目前，已經在分析裝甲防護性能方面發揮著重要的作用。該方法假設在侵徹過程中，垂直彈體的表面方向的受載可以通過空腔表面的切線方向受力代替。目前，根據空腔形狀可將空腔理論分為：柱形空腔膨脹理論（彈形細長狀況下）、球形空腔膨脹理論（彈形較鈍狀況下）。

空腔膨脹理論最初僅應用于均質金屬，目前該理論已逐步拓展到巖石等脆性材料。空腔不同區域主要根據其不同的受力狀況進行劃分，相較于均質金屬，混凝土等脆性材料的拉壓力學性能具有顯著差異，因而對其受載狀況區分更加復雜。在質量和能量守恒的前提下，根據不同區域受載狀況，考慮約束狀況和材料本構模型關系，構建空腔膨脹理論的方程，得到彈靶侵徹過程的受力狀況，結合彈丸運動方程求解出彈丸對靶板的穿深。

2.3.2 侵蝕桿模型

Alekseevski以及Tate在20世紀60年代最早提出A-T模型，在A-T模型中，高速彈丸在侵蝕裝甲材料時，彈靶接觸部位由于受到較高壓力，呈現熔融狀態，因此將彈靶接觸部位視為流體。彈丸的后方部分由于慣性作用繼續以原始速度侵徹，從而彈靶接觸部位的熔融區隨著彈丸向前運動開始向兩側擴展。在該模型中，假設彈丸和靶板接觸面均處于流體狀態，結合Bernoulli方程，則彈丸的狀態方程表達為：

式中，v、V分別代表彈丸和靶板的撞擊速度及彈丸的沖擊速度，ρp、ρt分別代表彈丸、靶材的密度，Yp代表彈丸的屈服強度，Rt代表靶材的強度參數。

當前，眾多專家學者不斷對A-T模型進行補充和完善（比如將彈頭形狀因素引入），從而對彈丸侵徹靶板建立相關模型進行研究。

2.3.3 塑性動力學理論

根據塑性動力學的原理，結合能量、動量、質量守恒、經典質量守恒，構建并求解彈丸侵徹靶板的狀態方程，從而獲得復合靶板對應彈丸剩余速度、彈道極限等參數，對于陶瓷/金屬結構構建的Forence模型即是經典模型之一。

3 多層復合結構及防護性能研究

為研究多層復合結構防護能力，確定防護材料后，需要對多層復合結構各層優化，再利用實驗等測試方法選取出最優的復合結構方案。多層復合結構中，陶瓷包括SiC、Al2O3等多種類型，其余應用廣泛的材料有鈦合金、鋁合金及裝甲鋼等，此外近幾年纖維增強材料也在裝甲中逐步得到應用。在設計裝甲結構時，需要選取合適的材料以及優化的結構形式。目前陶瓷復合裝甲有間隙、夾芯等多種不同的排布方式。此外結構設計中，裝甲結構的約束條件也應進行重點考慮。

3.1 材料種類影響

在復合裝甲中，材料類型的選取對多層復合結構的防護性能影響很大。COMPTON等［11］通過試驗方法研究了面密度相等條件下TC30金屬陶瓷、氧化鋁陶瓷以及DDG-X三種陶瓷分別作面板時，多層復合結構的防護效果。結果表明：不同陶瓷做面板對結構的彈道極限速度影響很小，但相同彈體在相同撞擊速度下，DDG-X的破壞形貌最小，Al2O3陶瓷破壞程度最大；REAUGH等［12］研究了5種陶瓷對多層結構防護性能的影響，結果表明：彈丸侵徹速度低于2 km/s，SiC、TiO2、B4C陶瓷作面板其防護能力最優；彈丸侵徹速度高于2 km/s，AlN陶瓷作面板其抗侵徹能力最優。

3.2 結構形式影響

在復合裝甲中，材料排布對裝甲防護能力具有重要影響。將45#鋼、有機玻璃以及鋁排布成不同結構，設計了順阻抗梯度形式、逆阻抗梯度形式及硬軟硬多層排布形式，利用壓阻傳感器研究了多層結構中的波阻抗效應對防爆效果的影響，得到了不同組合形式結構在沖擊載荷作用下各層壓力，發現逆序阻抗排布形式的背部沖擊強度最小，防爆性能最佳；UBEYLI等［13］分析了穿甲燃燒彈侵徹鋁合金+陶瓷+鋁合金、陶瓷+鋁合金排布方式的防護性能。結果表明同等面密度下陶瓷放置在兩層金屬之間不利于提高其防護能力。

3.3 各分層厚度影響

在復合裝甲中，確定材料排布形式后，各分層厚度的分配對復合結構防護能力也會產生影響。在復合結構限定總的面密度和厚度時，SHI等［14］研究了穿甲燃燒彈侵徹陶瓷/金屬的最優化設計，發現總面密度、厚度同彈道極限變化的歷程曲線相交點即為優化結果；FERNANDEZ-FDZ等［15］通過神經網絡確定了陶瓷/金屬結構的最優方案，得到了靶板厚度、彈丸剩余速度、靶板穿孔尺寸以及彈丸侵徹速度之間的關系。

3.4 約束效應影響

復合裝甲結構中約束效應對其防護能力具有較大影響。CONG等［16］研究了金屬熔覆法實現金屬約束陶瓷的封裝方法，發現無論非反應性還是反應性潤濕，Si的含量對SiC陶瓷和純金屬有較大影響，其中金屬適宜選取純鋁或鋁硅合金；WANG等［17］研究了無滲壓鑄造法研究了陶瓷封裝技術，利用無壓浸滲法對碳化硼復相材料進行了制備，采用滲體為熔融硅，復合材料孔隙率0.29%～0.34%；在數值模擬基礎上，TAN等［18］分析發現纖維絲預先設定剝離或脫落的尺寸、位置、形式等會對多層復合結構的防護能力具有顯著影響。

3.5 層間界面的影響

層間界面對復合裝甲結構的防護能力也會產生重要影響。SIGNETTI等［19］通過LS-DYNA分析了多層之間的連接強度對陶瓷復合結構防護性能的影響，得到了彈丸速度、彈丸形狀以及結構形式一定條件下最優的界面連接強度；PRAKASH等［20］利用Autodyn有限元軟件研究了界面粘結厚薄對陶瓷/鋁合金復合結構防護性能的影響，發現復合結構抗侵徹變形隨粘接層的厚度增大而變大，但穿深不隨粘接層厚度單調改變，需要經過數值模擬確定最優方案。

4 結語

針對多層防護裝甲主要以陶瓷+金屬復合結構、陶瓷/非金屬復合結構以及金屬/非金屬等兩層復合結構為主，而對于三層及三層以上復合形式的防護能力受排布方式、分層厚度以及有無夾芯等影響情況尚未進行系統研究，研發新材料、研究多層復合結構的抗侵徹機理以及進行多層復合結構的優化設計將成為裝甲防護領域未來發展方向。