點陣金屬夾層結構抗侵徹實驗研究

郭 銳, 南博華, 周 昊, 劉榮忠, 朱 榮, 姜 煒

(1. 南京理工大學 機械工程學院 智能彈藥國防重點實驗室,南京 210094； 2.上海航天設備制造總廠，上海 200245;3.南京理工大學 化工學院,南京 210094； 4.南京理工大學 材料工程學院,南京 210094)

點陣金屬夾層結構抗侵徹實驗研究

郭 銳1, 南博華2, 周 昊1, 劉榮忠1, 朱 榮3, 姜 煒4

(1. 南京理工大學 機械工程學院 智能彈藥國防重點實驗室,南京 210094； 2.上海航天設備制造總廠，上海 200245;3.南京理工大學 化工學院,南京 210094； 4.南京理工大學 材料工程學院,南京 210094)

通過彈道沖擊實驗方法研究了兩種點陣金屬夾層防護結構的抗彈丸侵徹能力，結合失效破壞模式和吸能效率，綜合分析了點陣金屬夾層防護結構的抗侵徹機理。實驗結果初步表明：球形彈丸侵徹過程中，由于點陣金屬結構的塑性大變形和剪切擴孔、陶瓷棒和環氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護結構的抗彈能力得到了大幅度提高。同樣侵徹速度條件下，Type II型夾層防護結構的吸收能量較Type I型夾層防護結構高，但它們的單位面密度吸收能量相差不大。研究結果可以為輕質復合裝甲的防護設計提供參考。

點陣夾層結構；失效破壞模式；吸收能量；抗侵徹機理

隨著材料制備及機械加工技術的迅速發展，輕質多孔點陣材料因其具有優良的結構效率和廣泛的多功能應用特性，已受到國內外航空、航天、航海及工業裝備等諸多領域的廣泛關注[1-4]。輕質多孔點陣材料具有周期性的拓撲結構和高空隙率特點，可以根據實際需要進行多功能一體化設計。如在高空隙率點陣結構中填充隔熱纖維，實現隔熱功能[4-5]；利用點陣材料內部開孔進行對流換熱以滿足結構溫度控制需求，實現承載與傳熱功能[6-8]；作為吸能材料抵抗外部爆炸沖擊、彈道侵徹[9-12]；以及吸聲降噪、屏蔽電磁輻射、結構促動等[13-18]。

作為多孔材料，夾層結構是非常理想的抗爆炸沖擊、彈道侵徹的輕質結構材料。在沖擊載荷作用下，輕質多孔夾層材料一般會發生動態失穩，在結構內部產生巨大的塑性變形并轉化為熱能，從而吸收大部分的沖擊能量，對其防護的結構形成有效保護。目前對于輕質多孔夾層材料抗彈道侵徹能力的研究主要集中于蜂窩夾層結構。GOLDSMITH等[19]通過一系列準靜態和彈道沖擊實驗研究了鋁蜂窩夾層結構的變形和破壞機理，并給出了典型蜂窩夾層板的彈道沖擊極限。NIA等[20]實驗研究了金屬蜂窩的彈道沖擊極限、能量耗散以及破壞區域，并與解析模型進行了對比。相比較而言，對于點陣夾層結構的抗彈道侵徹能力的研究尚處于探索階段，僅有少數學者進行了試驗和數值模擬研究。YUNGWIRTH等[21]首次應用試驗方法詳細分析了點陣金屬夾芯板抗球形彈丸侵徹的動態響應，結果表明點陣金屬夾芯板的抗彈道侵徹能力與同等質量的實心板相當。在此基礎上，YUNGWIRTH等[22]將PU1/PU2聚合物、Spectra編織纖維和金屬包裹陶瓷柱添加到點陣金屬結構中，分別對3種夾層結構的抗侵徹能力進行了實驗研究，發現陶瓷柱填充聚合物封裝的夾層結構顯著增強了其抗彈道侵徹能力。基于數值模擬方法，倪長也等[23-24]對空心金字塔點陣、嵌陶瓷柱金字塔點陣和陶瓷柱填充環氧樹脂封裝金字塔點陣3種點陣金屬夾層結構抗鋼質彈丸侵徹的性能進行了數值仿真研究，量化分析了個結構組分對此類超輕結構三明治板的彈道極限和抗侵徹吸能性能的影響規律。

本文以單層金字塔型點陣金屬結構作為支撐陶瓷棒的骨架，通過在點陣金屬骨架的空隙中填充陶瓷棒，并利用混雜短切玻璃纖維的環氧樹脂進行注塑密封，最后在其上下表面焊接金屬面板與背板，制成一種輕質夾層防護結構。為了研究該夾層結構的抗彈丸侵徹能力，我們進行了球形彈丸侵徹的彈道槍試驗。實驗結果初步表明：球形彈丸侵徹過程中，由于點陣金屬結構的塑性大變形和剪切擴孔、陶瓷棒和環氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護結構的抗彈能力得到了大幅度提高。研究結果可以為輕質復合裝甲的防護設計提供參考。

1 問題描述和結構設計

利用輕質點陣結構高空隙率和可設計性強的特點，我們設計了一種工藝性較好的輕質夾層結構防護材料。以金字塔型點陣金屬結構為骨架基材，在其空心部分插入圓柱型陶瓷棒并填充混雜短切玻璃纖維的環氧樹脂材料，上下面板采用與點陣金屬結構相同的均質金屬板，最終構成復合三明治板結構材料。為了比較陶瓷棒為了評估該結構的抗彈道侵徹能力，利用球形鋼質彈丸進行彈道槍侵徹試驗，得到彈丸侵徹靶板前后的初始速度和剩余速度，并統計靶板的毀傷情況。

具體方案如下：球形鋼質彈丸垂直侵徹四邊固支矩形復合三明治板結構，靶板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，金字塔點陣結構排列為7×7形式，上下面板及點陣結構所用基材均為6061鋁合金，密度2.85 g/cm3，陶瓷棒尺寸為φ6 mm×150 mm，陶瓷材料為常見的A95，密度為3.65 g/cm3，混雜短切玻璃纖維的環氧樹脂密度為1 200 kg/m3，鋼質球形彈丸直徑8 mm，質量為2.05 g，侵徹速度范圍為900～1 300 m/s(見圖1)。

圖1 球形彈丸垂直侵徹陶瓷棒填充點陣金屬夾層結構問題描述Fig1.Schematic of pyramidal lattice cored sandwich plate with ceramic column insertions and void-filling hybrid epoxy resin and impacted by a spherical projectile at plate center

2 實驗材料制備

2.1 金字塔型點陣金屬結構

選擇t=2 mm厚的6061Al合金板材作為基體材料，基于三維點陣嵌鎖工藝結合硬釬焊技術制備金字塔型點陣金屬結構(見圖2)。首先，根據金字塔型點陣結構的周期性三維網架結構特點，設計分離出該點陣結構的基本拼裝單元——格柵，格柵的數量由點陣結構的尺寸要求決定。通過線切割技術加工出格柵單元，超聲波清洗后依次將格柵拼裝成金字塔型點陣結構，在格柵凸頭與凹槽的接頭處涂抹上釬焊膏劑，將拼裝好的金字塔型點陣結構置于上下面板之中，放入馬弗爐中進行釬焊。釬焊時，先將馬弗爐升溫至400 ℃并保溫半小時，迅速把拼裝好的待焊點陣金屬結構放入爐內，并以30 ℃/min加熱至600 ℃，保溫10 min，取出得到成品。

圖=0.059的金字塔型點陣結構Fig.2 Photograph of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

2.2 金字塔型點陣金屬結構的力學性能

圖=0.059的金字塔型點陣結構準靜態壓縮過程Fig.3 Quasi-static compression process of the aluminum alloy pyramid lattice sandwich material with =0.059

實驗過程中還發現，點陣結構與面板之間的連接好壞對整個結構的力學性能有著不可忽視的影響。并且， 大多數點陣結構會發生面板與桿件連接處節點失

效的情況，桿件與面板的連接強度和失效破壞將直接影響點陣結構的抗壓性能。

2.3 輕質夾層防護結構的制備

根據填充材料的熱固性和熱塑性特點，以點陣結構金屬骨架為基，采用一步式真空吸塑注入固化成型工藝技術，制備尺寸和形狀可控的夾層防護結構。步驟如下：①將已拼接好的點陣結構與上下面板焊接成型；②在點陣夾層結構的周期性空隙中依次等距插入圓柱形陶瓷棒；③將其放置與成型模具中，密封后抽真空，向成型模具注入均勻混合好的含短切玻璃纖維的液態聚合物樹脂及丙酮和固化劑的均勻混合漿料，一步固化成型。上述各步驟都是在常溫和常壓下進行的。輕質夾層結構制備階段示意圖見圖4。

3 彈道沖擊試驗

3.1 實驗方法

實驗在南京理工大學202實驗室進行，采用φ14.5 mm滑膛彈道槍作為球形彈丸的發射裝置，采用火藥推進方式加速彈丸，通過調整適當的裝藥量控制彈丸侵徹速度。實驗布置如圖5所示。球形彈丸出槍口后，在空氣阻力作用下彈丸與彈托分離，彈托碎片被集彈器擋住，彈丸通過集彈器中心小孔飛向靶板。實驗過程中測試彈丸侵徹靶板的侵徹速度和剩余速度，由電子測時儀測量彈丸通過靶板前后錫箔靶的時間，則由錫箔靶間距可計算出彈丸速度。利用高速錄像拍攝彈丸穿靶前后景象，實驗后統計彈丸對靶板的毀傷程度。

圖4 輕質夾層結構制備階段示意圖Fig.4 Preparation phase diagram of the lightweight sandwich structure

圖5 等效靶彈道槍試驗布置Fig.5 Configuration of the equivalent target ballistic gun test

3.2 實驗方案

實驗用彈丸為φ8 mm球形彈丸，材料為45號鋼，質量為2 g，加載速度為900～1 500 m/s。為對比研究不同夾層防護結構的抗侵徹能力，設計了兩種靶板：Type Ⅰ為無內嵌陶瓷棒夾層防護結構，由空心點陣結構和混雜短切玻璃纖維的樹脂基固封填充材料構成；Type Ⅱ為有內嵌陶瓷棒夾層防護結構，由空心點陣結構、增強陶瓷棒和混雜短切玻璃纖維的樹脂基固封填充材料構成。

圖6 兩種夾層防護結構Fig.6 Two types of sandwich structure

4 試驗結果分析

4.1 失效破壞模式與抗侵徹機理分析

(1)無內嵌陶瓷棒夾層防護結構

圖7為無內嵌陶瓷棒夾層防護結構的抗彈毀傷破壞形貌。對一塊靶板進行了三發實驗，侵徹速度分別為380.3 m/s，980 m/s和1 400.2 m/s，其中第2#彈丸穿透靶板后的剩余速度未測到。由實驗結果可以看出，當彈丸速度為380.3 m/s時，未能有效穿透夾層防護結構，靶板背板有較大隆起并出現裂紋；當彈丸速度為1 400.2 m/s時，高速彈丸穿透夾層防護結構后，剩余速度為931.8 m/s，靶板背板產生沖塞剪切破壞，破孔直徑遠大于球形彈丸直徑，破孔處明顯發現有已斷裂的點陣結構桿元露出，可以推斷球形彈丸侵徹點陣結構后，與斷裂的點陣結構桿元及混雜填充材料沖塞共同沖擊背板，導致背板產生帶總體彎曲變形的局部剪切破壞模式。因此，點陣結構和混雜填充材料的拉伸斷裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形是Type Ⅰ型夾層防護結構的主要失效模式。

圖7 Type Ⅰ夾層防護結構抗彈毀傷效果Fig.7 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅰ)

(2)有內嵌陶瓷棒夾層防護結構

圖8為有內嵌陶瓷棒夾層防護結構的抗彈毀傷破壞形貌。對三塊同樣結構靶板進行了三次實驗，侵徹速度分別為1 190.5 m/s，1 055.4 m/s和906.3 m/s。由實驗結果可以看出，高速彈丸穿透有內嵌陶瓷棒夾層防護結構后，靶板背板同樣產生明顯的總體彎曲變形及沖塞剪切破壞，但變形區域較Type Ⅰ更大，并且背板內留有沖擊斷裂的陶瓷棒碎片。因此，點陣結構和混雜填充材料的拉伸斷裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形構成Type Ⅱ型夾層防護結構的主要失效模式。

圖8 Type Ⅱ型夾層防護結構抗彈毀傷效果Fig.8 Appearance of the shot hybrid-cored sandwich sample (Type Ⅱ)

綜合上述實驗結果可以分析得到點陣金屬夾層結構的抗侵徹機理，即：在球形彈丸侵徹過程中，由于點陣金屬結構的塑性大變形和剪切擴孔、陶瓷棒和環氧樹脂的斷裂破壞以及背板的宏觀彎曲變形，使得該型夾層防護結構可以吸收更多的彈丸動能，相比均質板和層合板結構，其抗彈能力可以得到大幅度提高。需要指出的是，由于制備工藝所限，金字塔型點陣夾芯的最大承載能力僅有0.65 MPa，與文獻[21-22]相差較大。若改進制備工藝方法，進一步提高金字塔型點陣夾芯的承載能力，該型夾層防護結構的整體抗彈能力還可以進一步增大。

4.2 抗侵徹與吸能效率分析

(1)剩余速度

將彈丸侵徹兩種夾層防護結構的侵徹速度和剩余速度如圖9所示。可以看出，彈丸的剩余速度隨著侵徹速度的增加而增加，并且可以推斷同樣侵徹速度條件下，Type Ⅱ型夾層防護結構的剩余速度較Type Ⅰ型夾層防護結構低。

(2)單位面密度吸收能量

圖9 兩種夾層防護結構的侵徹剩余速度比較Fig.9 Penetration residual velocity of the two sandwich structures

(1)

(2)

可以看出，Type Ⅱ型夾層防護結構的吸收能量和單位面密度吸收能量隨著侵徹速度的增加而增加。圖10(a)可以看出，Type Ⅱ型夾層防護結構在侵徹速度為1 190.5 m/s的吸收能量與Type Ⅰ型夾層防護結構在侵徹速度為1 400.2 m/s的吸收能量相當，可以推斷同樣侵徹速度條件下，Type Ⅱ型夾層防護結構的吸收能量較Type Ⅰ型夾層防護結構高。但是，由圖10(b)可以推斷出，同樣侵徹速度條件下，兩種夾層防護結構的單位面密度吸收能量相差不大。

圖10 兩種夾層防護結構的吸能效率比較Fig.10 Energy absorption efficiency of the two sandwich structures

5 結 論

本文通過彈道沖擊實驗方法研究了兩種點陣金屬夾層防護結構的抗彈丸侵徹能力，結合失效破壞模式和吸能效率，綜合分析了點陣金屬夾層防護結構的抗侵徹機理。主要結論如下：

(1)球形彈丸侵徹過程中，由于點陣金屬結構的塑性大變形和剪切擴孔、陶瓷棒和環氧樹脂的斷裂破壞以及面板的宏觀彎曲變形，使得該型防護結構的抗彈能力與同等質量的均質金屬板相比得到了大幅度提高。

(2)點陣結構和混雜填充材料的拉伸斷裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形是Type I型夾層防護結構的主要失效模式；點陣結構和混雜填充材料的拉伸斷裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破壞和背板的總體彎曲變形構成Type II型夾層防護結構的主要失效模式。

(3)同樣侵徹速度條件下，Type II型夾層防護結構的吸收能量較Type I型夾層防護結構高，但它們的單位面密度吸收能量相差不大。

(4)通過選擇高強金屬、陶瓷和纖維材料代替本文實驗樣品中的相應材料，并合理優化點陣金屬夾層結構的內部組分參數，可以進一步提高此類夾層防護結構的抗侵徹吸能性能，從而為輕質復合裝甲的防護設計提供參考。

[1] GIBSON L J，ASHBY M F. Cellular solids: structure and properties [M]. 2nd ed. Cambridge University Press，1997.

[2] LU Tianjian，ZHANG Qiancheng，JIN feng. Recent progress in the development of lightweight porous materials and structures [J]. Materials China， 2012， 31(1):13-35.

[3] 盧天健，何德坪，陳常青，等. 超輕多孔金屬材料的多功能特性及應用[J]. 力學進展， 2006，36(4):517-535. LU Tianjian，HE Deping，CHEN Changqing，et al. The multi-functionality of ultra-light porous materials and their applications [J]. Advances in Mechanics，2006，36(4):517-535.

[4] 方岱寧，張一慧，崔曉東. 輕質點陣材料力學與多功能設計[M]. 北京：科學出版社，2009.

[5] 范華林，楊衛. 輕質高強點陣材料及其力學性能研究進展[J]. 力學進展，2007，37(1)：99-112. FAN Hualin，YANG Wei. Development of lattice materials with high specific stiffness and strength [J]. Advances in Mechanics，2007，37(1)：99-112.

[6] LU T J, VALDEVIT L, EVANS A G. Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores [J]. Progress in Materials Science， 2005，50：789-815.

[7] KIM T, HODSON H P, LU T J. Fluid-flow and endwall heat-transfer characteristics of an ultralight lattice-frame material [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2004， 47：1129-1140.

[8] LIU T, DENG Z C, LU T J. Bi-functional optimization of actively cooled, pressurized hollow sandwich cylinders with prismatic cores [J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2007，55: 2565-2602.

[9] XUE Z, HUTCHINSON J W. Preliminary assessment of sandwich plates subject to blast loads [J]. Int J Mech Sci， 2003，45: 687-705.

[10] RADFORD D D, FLECK N A, DESHPANDE V S. The response of clamped sandwich beams subjected to shock loading [J]. International Journal of Impact Engineering，2006，32: 968-987.

[11] DHARMASENA K P, QUEHEILLALT D T, WADLEY H N G, et al. Dynamic compression of metallic sandwich structures during planar impulsive loading in water [J]. European Journal of Mechanics A/Solids， 2010，29: 56-67.

[12] RIMOLI J J, TALAMINI B, WETZEL J J, et al. Wet-sand impulse loading of metallic plates and corrugated core sandwich panels [J]. International Journal of Impact Engineering， 2011，38: 837-848.

[13] 辛峰先，張錢城，盧天健. 輕質夾層材料的制備和振動聲學性能[J].力學進展， 2010，40(4):375-399. XIN Fengxian，ZHANG Qiancheng，LU Tianjian. Advances in lightweight sandwich materials and structures：manufacture and vibroacoustic performances [J]. Advances in Mechanics，2010，40(4):375-399.

[14] 辛峰先，盧天健. 輕質金屬三明治板的隔聲性能研究[J]. 聲學學報， 2008, 33(4)：340-347. XIN Fengxian， LU Tianjian. Sound transmission through lightweight metallic sandwich panel with corrugated core [J]. Acta Acustica， 2008, 33(4)：340-347.

[15] FAN H L, YANG W, CHAO Z M. Microwave absorbing composite lattice grids [J]. Compos Sci Technol，2007， 67: 3472-3479.

[16] XIN F X, LU T J, CHEN C Q. Dynamic response and acoustic radiation of double-leaf metallic panel partition under sound excitation [J]. Computational Materials Science， 2009， 46(3): 728-732.

[17] LU T J, EVANS A G. Design of a high authority flexural actuator using an electro-strictive polymer [J]. Sensor and Actuators A ，2002，99：290-296.

[18] WANG Bin, GUO Haicheng, FANG Daining. A protocol for characterizing the performance of light-weight truss-core actuators [J]. Computers and Mathematics with Applications，2009，58: 2365-2372.

[19] GOLDSMITH W, LOUIE D. Axial perforation of aluminum honeycombs by projectiles [J]. Int J Solids Struct， 1995，32: 1017-1046.

[20] NIA A A, RAZAVI S B, MAJZOOBI G H. Ballistic limit determination of aluminum honeycombs—experimental study [J]. Mat Sci Eng A， 2008，488: 273-280.

[21] YUNGWIRTH C J, RADFORD D D, ARONSON M, et al. Experiment assessment of the ballistic response of composite pyramidal lattice truss structures [J]. Composites B，2008，39：556-569.

[22] YUNGWIRTH C J, WADLEY H N G, O’CONNOR J H, et al. Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core [J]. Int J Impact Eng，2008，35：920-936.

[23] 倪長也，金峰，盧天健，等. 3種點陣金屬三明治板的抗侵徹性能模擬分析[J].力學學報，2010, 42(6): 1125-1137. NI Changye, JIN Feng, LU Tianjian, et al. Penetration and perforation performance of three pyramidal lattice-cored sandwich plates：numerical simulation [J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2010, 42(6): 1125-1137.

[24] NI C Y, LI Y C, XIN F X, et al. Ballistic resistance of hybrid-cored sandwich plates: numerical and experimental assessment[J]. Composites A， 2013， 46：69-79.

Experiment assessment of the ballistic response of a hybrid-cored sandwich structure

GUO Rui1, NAN Bohua2, ZHOU Hao1, LIU Rongzhong1, ZHU Rong3, JIANG Wei4

(1. School of Mechanical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Ministerial Key Laboratory of ZNDY, Nanjing 210094, China; 2. Shanghai Spaceflight Manufacture (Group) Co., Ltd., Shanghai 200245, China;3. Department of Physics, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China;4. Department of Chemical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China)

The ballistic performance of a hybrid-cored sandwich structure was studied by using ballistic penetration test. Considering the failure modes and efficiency of absorbed energy, the anti-projectile mechanism of the hybrid-cored sandwich structure was synthetically analyzed. The experimental results indicate that anti-projectile capability is substantially enhanced in a high-amplitude extent. During the penetration of the spherical projectile, the kinetic energy of the projectile is absorbed mainly through the large plastic deformation and shearing expansion of the pyramidal lattice structure, the fracture failure of ceramics rods and hybrid epoxy, and the macroscopically bending deformation of the faces. The results can offer references for the protection design of lightweight composite armor.

lattice sandwich structure; failure mode; absorbed energy; anti-projectile mechanism

上海航天SAST基金(SAST2013033)；中央高校基本科研業務費專項基金(30915118821)；國家自然科學基金-青年科學項目(11102088)

2015-06-04 修改稿收到日期：2015-12-11

郭銳 男，博士，副教授，1980年2月生 E-mail:Guoruid@163.com

TB331

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.008