弹道极限与夹层板性能对破片侵彻过程的影响讨论

钢/纤维/钢复合结构由一定厚度的钢板、纤维增强复合材料板层合而成，对于破片高速冲击下的试验现象及数据，国内外尚无公开报道。本书试验中，同结构弹靶碰撞中，弹道极限因夹层纤维板的不同而不同。虽因弹丸飞行中攻角的存在影响弹体侵彻中的接触面，但表6.2中弹道极限的差异足以说明夹层板性能对破片侵彻过程的显著影响。由表6.2中的数据可判断：

①韧性钢破片侵彻过程中基于EVA热塑性树脂基体的夹层复合结构抗破片侵彻阻力要大于基于改性PE热固性树脂基体的夹层复合结构。

②韧性钢破片侵彻过程中基于Kevlar-129芳纶纤维增强体的夹层复合结构抗破片侵彻阻力要大于基于E-玻璃纤维增强体的夹层复合结构。这些均与单层纤维增强复合材料板的抗弹特性是相似的。

此外，同均质Q235A钢板相比，热塑性玻璃和芳纶纤维夹层复合结构均显出了明显的抗破片侵彻优势，面密度（单位平面或曲面上的质量，单位：kg/m2）分别降低了23.30%和11.94%，同时，弹道极限速度分别提高了19.59%；热固性芳纶纤维夹层复合结构与钢板的抗破片侵彻效果相当，但面密度降低了23.77%；热固性玻璃纤维夹层复合结构较钢板弹道极限速度和面密度分别降低了11.60%和16.24%。综上所述，4种纤维夹层复合结构中，热塑性芳纶纤维夹层复合结构抗弹能力最强，热固性玻璃纤维夹层复合结构抗弹能力最差。

均质钢板和夹层复合板结构的性能不同，必然影响破片侵彻与贯穿过程中的力学行为。在整个过程中，复合材料结构的面板、背板和夹心复合材料层相互作用，互相耦合，提高了结构整体的抗贯穿能力，也增加了破片的侵彻阻力，是被研究者公认的。众多夹层复合结构抗弹性能研究中，通常采用建立在弹道极限基础上的比吸收能δ来表征靶体的抗侵彻能力，见式（4.2）。显然，靶板结构的面吸收能越大，表明同等质量条件下靶板抗破片侵彻与贯穿的能力越强，防护性能越佳。试验中5种结构靶体获得的单位面密度靶板吸收能列于表6.4中。(www.xing528.com)

表6.4　5种靶体的单位面密度吸收能

表6.4中，均质Q235A钢板的面吸收能并非最低，略高于热固性玻璃纤维夹层复合结构的事实表明：复合材料对于结构抗弹性能的提高并不是绝对的，高抗弹性能夹层复合结构的获取是建立在前板、夹层材料板、后板三者材料选取与结构优化匹配的基础上的。提高装甲结构的能量吸收率与降低弹体侵彻中的能量消耗率是彼此对立统一的研究命题，也是新防护材料应用中的两个方面。靶体抗贯穿性能、弹体侵彻性能均与弹靶作用过程中材料破坏模式相关。弹、靶结构及弹体冲击诸元直接影响了弹、靶材料的破坏模式。

图6.8中回收或嵌入纤维增强复合材料板中的残存韧性钢破片头部均发生了严重的塑性变形，虽然变形部位因弹头撞靶瞬间的随机受力略有不同，但弹靶接触面均有烧蚀痕迹，这是韧性钢破片对钢板高速侵彻中的典型特征，高密度金属面板的采用致使弹靶界面形成高压、高温的物理状态是弹体撞击、侵彻初期破碎与侵蚀行为发生的原因，也是复合材料结构抗高速撞击金属破片侵彻能力的主要方法和技术途径。

图6.9中，无论何种夹层材料的复合材料结构，破坏现象均发生于弹丸作用局部，整个靶体结构基本无弯曲变形挠度，整体破坏特征与均质钢板相似，均呈现前板翻边、后板冲塞的现象；纤维增强复合材料夹层板的破片入口处清晰可见，均以剪切破坏特征为主，其中，图6.9（a）、图6.9（b）和图6.9（c）中钢、热塑性玻璃纤维、热固性芳纶纤维板迎弹面的纤维断头光滑、平整，断头间存在空隙，易于识别与观察，推测为纤维丝多点同时断裂；图6.9（d）中热塑性芳纶纤维板的迎弹面纤维断头粗糙，有棉状分叉，断头间几乎无间隙，难以识别与观察推测，推测为纤维丝单点断裂；图6.9（a）、图6.9（c）中纤维增强复合材料夹层板的破片出口处周围残存大量弹体破碎残渣及前板产生的塞块，热固性纤维板出口处的断头清晰可见；图6.9（b）、图6.9（d）中热塑性纤维板出口处周围大量纤维被抽拔，纤维断裂面粗糙，叠合层分离现象突出，断裂纤维丝被密实地挤压在穿孔处周围，呈放射花状。由夹层纤维板的破坏现象可发现，夹层纤维板抗破片侵彻的机理并未因两边强约束钢板的存在而改变，其密度低、惯性效应弱化、层间强度低的特征使其在撞击体的高速侵彻中，背板易于发生分层破坏，致使弹体冲击下复合板迎弹面以剪切破坏为主，而侵彻区域靶板的背层将由于剪切波的横向传播，形成变形锥，背层纤维以拉伸断裂吸能为主要失效和吸能模式。