陶瓷基復(fù)合裝甲防12.7 mm穿甲燃燒彈的靶試研究(Ⅲ)

丁華東，方寧象，王玉湘，張國(guó)軍，許 藝

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072;2.浙江立泰復(fù)合材料有限公司，浙江德清313219)

以裝甲鋼為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，陶瓷具有硬度高、密度低、韌性低的特性;高分子材料則具有韌性極好，但硬度和密度更低的特性。在防彈方面，陶瓷、裝甲鋼和高分子材料都有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。通過(guò)三者的合理組合，構(gòu)成陶瓷基復(fù)合裝甲，從而既綜合利用其優(yōu)勢(shì)，又在很大程度上避免其不足，這是提高裝甲防護(hù)能力和減小裝甲質(zhì)量的有效途徑［1-2］。

在文獻(xiàn)［1］和［2］的基礎(chǔ)上，為降低防護(hù)面密度和充分發(fā)揮高分子材料韌性好的優(yōu)勢(shì)，基于陶瓷和高分子材料的特性，筆者設(shè)計(jì)制備了由Al2O3陶瓷和高分子材料構(gòu)成的陶瓷基復(fù)合裝甲板，并靶試考核其抗12.7 mm穿甲燃燒彈的防護(hù)能力，為陶瓷基復(fù)合裝甲板的設(shè)計(jì)和制備提供依據(jù)。

1 靶板設(shè)計(jì)

靶板尺寸約為300 mm×300 mm×35 mm。Al2O3層是由編號(hào)1-10的小板按上、中、下3組拼裝而成。其中編號(hào)為1-8的小板尺寸為100 mm×100 mm×20 mm，編號(hào)9、10的小板尺寸為100 mm×50 mm×20 mm。靶板結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，各層材料間膠粘工藝同文獻(xiàn)［1］。防護(hù)面密度 ρA為91.22 kg/m2，取值為92 kg/m2。600D腈綸的密度為0.8 g/cm3;無(wú)紡布的密度為0.5 g/cm3;Al2O3陶瓷的密度為3.9 g/cm3;PE的密度為0.96 g/cm3。為便于搬運(yùn)，用一層黑色纖維布包覆裝甲板，其對(duì)防護(hù)的影響可忽略。

圖1 靶板厚度方向結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 Al2O3陶瓷層拼裝結(jié)構(gòu)示意圖(圖中數(shù)字為編號(hào))

復(fù)合裝甲板設(shè)計(jì)思路為:

1)利用Al2O3陶瓷硬度高的特點(diǎn)，要求在彈丸與其碰撞時(shí)將彈丸撞碎，以降低和消散彈丸的穿甲能力;

2)腈綸和無(wú)紡布的作用是阻止穿甲彈直接與陶瓷板碰撞，以減少?gòu)棸信鲎矐?yīng)力波對(duì)Al2O3陶瓷的傷害，尤其是其中的張應(yīng)力波;

3)12 mm厚的PE層放在Al2O3陶瓷板后，PE層的背面是自由面，以充分利用PE韌性好的特性，使其沿彈丸前進(jìn)方向可以不受約束地變形，其目的是通過(guò)PE層的整體變形，消耗彈丸穿過(guò)陶瓷板后的殘余動(dòng)能，同時(shí)也防止彈丸碎片和Al2O3陶瓷碎片的飛濺，即防二次效應(yīng)。

2 靶試結(jié)果

靶試條件:現(xiàn)役12.7 mm穿甲燃燒彈，射距100 m，垂直入射。通過(guò)JYJ98A水平天幕靶，用XG2002電子測(cè)試儀測(cè)量彈丸出口25 m處的速度，標(biāo)為V25，V25實(shí)測(cè)值為810 m/s。靶板固定方式如圖3所示，彈著點(diǎn)大約位于圖2中1、2、4號(hào)陶瓷片的交界處偏1號(hào)的位置，靶試結(jié)果如圖4-6所示。

圖3 靶架上的靶板

圖4 著彈后的靶板(V25為810 m/s)

圖5 靶板前的彈丸碎體

圖6 夾在Al2O3陶瓷層與PE層間的彈丸殘?bào)w

比較圖2-4，可以判定靶試后靶板中Al2O3陶瓷拼裝的上組(1、2、3 號(hào))與中組(9、4、5、10 號(hào))已不在同一平面，即在彈丸沖擊作用下，上組已沿上、中組的接縫向后(彈丸前進(jìn)方向)破碎了，只是由于PE層的包覆作用，彈丸才沒有貫穿靶板，靶板向后隆起一個(gè)鼓包，鼓包沿彈丸前進(jìn)方向的最大位移約為200 mm，故從應(yīng)用角度看，該靶板仍有不足，這種結(jié)構(gòu)還不便于實(shí)際應(yīng)用。但按照靶試考核標(biāo)準(zhǔn)，靶板抗住了彈丸的打擊，并且在靶板背面無(wú)二次效應(yīng)，屬于合格防護(hù)。

3 討論

彈丸著靶后因與Al2O3陶瓷板碰撞而被撞碎，圖5為靶板前發(fā)現(xiàn)的彈丸破碎體，圖6為彈丸的彈芯殘?bào)w，彈芯殘?bào)w長(zhǎng)度約為21 mm，約為原彈芯長(zhǎng)度的40%(12.7 mm穿甲燃燒彈的彈芯原長(zhǎng)度為51.4～52.2 mm)，說(shuō)明陶瓷層的硬度和厚度都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，即把彈丸撞碎，以降低和消散彈丸的穿甲能力。也許陶瓷層還有減小厚度的空間。文獻(xiàn)［1］的靶板也撞碎了12.7 mm穿甲燃燒彈彈丸，而且其Al2O3板的厚度為12 mm，這說(shuō)明12 mm厚的Al2O3板足以撞碎彈丸。

靶板的PE背層在破碎Al2O3和彈丸殘?bào)w的作用下，產(chǎn)生一個(gè)鼓包并向彈丸前進(jìn)方向移動(dòng)達(dá)200 mm，這肯定不是靶板實(shí)際應(yīng)用所期望的。圖1靶板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為PE層的變形提供了充分的條件，但也至少存在2個(gè)不足:一是靶板背面剛度不足，造成變形過(guò)大;二是Al2O3板與PE層間的膠粘強(qiáng)度遠(yuǎn)低于PE層自身的抗拉強(qiáng)度，膠粘強(qiáng)度與PE的抗拉強(qiáng)度不匹配，這是靶板背面變形過(guò)大的一個(gè)原因。只有使Al2O3板與PE層間的結(jié)合強(qiáng)度與PE的抗拉強(qiáng)度相匹配，才能充分發(fā)揮PE材料韌性好和抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。

4 改進(jìn)靶板結(jié)構(gòu)的方案

改進(jìn)后的目標(biāo):要防住100 m垂直入射的12.7 mm穿甲燃燒彈;靶試后靶板背面不產(chǎn)生二次效應(yīng);防護(hù)面密度不高于92 kg/m2。

本文共設(shè)計(jì)3個(gè)方案。為便于說(shuō)明設(shè)計(jì)方案，采用圖7的坐標(biāo)方法表示靶板的三維尺度。

圖7 靶板的相關(guān)坐標(biāo)(ox為厚度方向)

方案1:對(duì)現(xiàn)有靶板略作改進(jìn)，靶板結(jié)構(gòu)如圖8所示。Al2O3小片組合成300 mm×300 mm×20 mm的陶瓷板，然后用PE纏繞該陶瓷板，每一層PE或者每3層PE間涂抹膠，完成PE層間的膠粘。靠近陶瓷板的PE層間宜每一層都涂抹膠，以求陶瓷板受壓應(yīng)力，且PE層有一定的剛性;靠外層的可每3層PE間涂抹膠，以求PE層有一定的延展性，消耗彈丸的動(dòng)能和波能量。

靶板外形尺寸大約為312 mm×300 mm×32 mm，防護(hù)面密度接近90 kg/m2。防護(hù)效果應(yīng)該高于圖1的靶板，經(jīng)過(guò)靶試改進(jìn)后，還有降低靶板厚度和防護(hù)面密度的空間。

圖8 方案1的靶板結(jié)構(gòu)示意圖

該方案作為單獨(dú)的防護(hù)靶板是可行的，若用圖8的靶板組合成更大的靶板，則靶板拼接處面臨12 mm寬、32 mm厚的PE層單獨(dú)防穿甲彈的局面，故方案1的裝甲板不宜用于組合更大的靶板。

方案2:靶板結(jié)構(gòu)如圖9所示。靶板的防護(hù)面密度為81.84 kg/m2，簡(jiǎn)化為82 kg/m2。各層間涂抹膠以完成粘結(jié)，用膠量越少越好。

圖9 方案2的靶板結(jié)構(gòu)示意圖(xoz平面)

方案3:方案3是方案2的修改版，即用2 mm的PE纏繞圖9中厚度為6 mm的Al2O3層，獲得圖10的結(jié)構(gòu)，防護(hù)面密度仍為82 kg/m2，其防護(hù)能力應(yīng)高于方案2。

圖10 方案3的靶板結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)?2.7 mm穿甲燃燒彈彈徑D=13.01 mm，彈芯徑d=10.8～10.9 mm，當(dāng)用圖10靶板組合成更大靶板時(shí)，在6 mm厚的Al2O3層拼接處有寬4 mm、厚6 mm的陶瓷縫，4 mm小于10.8～10.9 mm的彈芯徑，Al2O3的硬度又高于彈芯的硬度，若彈丸恰恰打在6 mm厚的 Al2O3層拼接處的中心，則Al2O3層將會(huì)切削彈丸，大大降低彈丸的穿甲能力;若彈丸沒有打在陶瓷縫的中心，則陶瓷對(duì)彈丸有偏彈的效應(yīng)，也大大降低彈丸的穿甲能力;何況該陶瓷縫還填充有PE層，故該陶瓷板縫并不是靶板的防護(hù)弱點(diǎn)。以前類似的陶瓷接縫靶試已驗(yàn)證了關(guān)于切削彈丸和偏彈認(rèn)識(shí)。該方案彌補(bǔ)了方案1的不足，可用于組合成更大的靶板。

5 結(jié)論

由Al2O3陶瓷、PE材料、600D晴綸和無(wú)紡布構(gòu)成的陶瓷基復(fù)合裝甲板，能防住100 m垂直入射的12.7 mm現(xiàn)役穿甲燃燒彈，靶板防護(hù)面密度為92 kg/m2，靶板能“撞碎”彈丸，彈丸破碎后可用于穿甲的彈芯長(zhǎng)度約為原彈芯長(zhǎng)度的40%;靶板背層的PE雖有鼓包并向后移動(dòng)200 mm，但仍能有效消除二次效應(yīng)。

致謝:感謝中國(guó)兵器裝備集團(tuán)第208研究所檢測(cè)室郭洪濤主任和田貴義高工在靶試中給予的支持和幫助!

［1］ 丁華東，方寧象，劉云峰，等.陶瓷基復(fù)合裝甲防12.7 mm穿甲燃燒彈的靶試研究(Ⅰ)［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26(1):78-81.

［2］ 丁華東，方寧象，劉云峰，等.陶瓷基復(fù)合裝甲防12.7 mm穿甲燃燒彈的靶試研究(Ⅱ)［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，26(2):77-79.