陶瓷/金屬復合裝甲的基體性能對超聲檢測的影響

陳正林，張雪飛，王高潮,2，張慧麗，王興國

(1.南昌職業學院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大學 材料科學與工程學院， 南昌 330063；3.景德鎮陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403)

陶瓷/金屬復合裝甲的基體性能對超聲檢測的影響

陳正林1，張雪飛1，王高潮1,2，張慧麗1，王興國3

(1.南昌職業學院 工程系， 南昌 330500； 2.南昌航空大學 材料科學與工程學院， 南昌 330063；3.景德鎮陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403)

為了對陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體性能變化進行檢測和監測，采用波動方程和全局傳遞矩陣法，通過陶瓷/金屬基體界面處應力和位移連續性的邊界條件，建立了聲波在陶瓷/金屬基體介質中的頻散特性數學模型，得到了聲波在陶瓷/金屬基體介質中的頻散曲線，研究了陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體性能物理參數變化對頻散曲線影響。結果表明：陶瓷/金屬基體介質中，頻率小于0.8 MHz的S0模態聲波對材料的變化較敏感，因此可以根據需要選擇合適模態檢測基體的密度和材料性能參數變化；當基體的厚度增加時，頻散曲線整體上往右移動；頻率小于1 MHz的S0模態更易用于檢測陶瓷/金屬復合裝甲的基體厚度變化。為利用超聲波檢測監控陶瓷/金屬復合裝甲的基體物理參量性能變化提供了一定的理論依據。

復合裝甲; 波動方程; 頻散曲線; 檢測監控

自古以來金屬裝甲作為一種常用的裝甲被廣泛使用著，但隨著科技的發展社會的進步，為適應現代戰爭發展的需要，人們要求裝甲易于加工和成型，有多次抗彈、耐震、抗沖擊的能力、材料輕[1-3]。因此陶瓷/金屬復合裝甲作為一種兼有金屬和陶瓷兩者性能的新型裝甲材料就逐步發展起來了，這樣將韌性材料和高硬度的脆性材料結合到一起,在輕裝甲、艦船、坦克、直升飛機和步兵防護中有很好的應用[4-6]。陶瓷/金屬復合裝甲是由陶瓷與金屬或金屬合金經粘結或壓力加工等工藝組成的復合結構裝甲，它將高硬度的脆性陶瓷和韌性較好的金屬結合到一起，主要用較硬的陶瓷做迎彈面、具有良好韌性的金屬材料做背板。這種結構具有比強度高、防護系數高、抗腐蝕、抗高溫和抗氧化的優點[7]，使彈芯在侵徹裝甲板的過程中降低彈的動能及侵徹能力，在現代裝甲防護中起到重要的作用。但是在使用過程中，陶瓷/金屬復合裝甲金屬基體往往主要承擔更多載荷作用，金屬性能是保證復合裝甲各種性能能正常工作的先決條件，也決定了兵器裝備的服役壽命。因此對在役過程中的陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體性能檢測與評價就顯得尤為重要[8-10]。

目前國內外已有學者運用多種不同的手段和方法研究陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體性能變化的檢測。J.Kushibiki等[11]基于場論與射線理論提出了V(z)曲線測量法。張泰華等[12]采用等離子電弧沉積法將壓痕載荷分解為涂層和基底兩部分，并從整個系統的響應中分離出涂層和基體的力學性質；王興國等[13-15]通過界面處應力和位移保持連續性的邊界條件建立了頻散曲線數學模型，研究了陶瓷涂層-金屬基體物理參量對聲波傳播的影響，為陶瓷涂層-金屬基體的無損檢測及性能檢測提供了理論依據；趙艷[16]建立了激光在涂層/基底系統，分析該系統中的聲表面波傳播特性，進而得到基體的性能信息。因此在涂層部件中，基體材料的力學性能在役測試與監測越來越受到專家的廣泛關注,但目前相關研究尚處于起步階段[17-20]。超聲檢測具有方便、可靠和較大安全穩定性，因此對基體材料力學性能開展超聲表征方法研究極其新穎，具有廣泛的應用前景[21-22]。本文結合波動方程并采用改進全局矩陣方法，通過建立聲波在涂層/基體模型的全局矩陣數學模型，得到了聲波在層狀介質中的頻散曲線，研究了涂層結構不同基體的物理參數變化對頻散曲線的影響。為超聲在陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體無損檢測及性能檢測提供一定的理論基礎。

1 理論公式

圖1是聲波入射陶瓷/金屬基體介質示意圖。第一層為陶瓷，第二層為陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體，頻率為ω的縱波(P波)、橫波(S波)以一定的入射角θ入射到界面i1處，在界面處發生反射和透射現象，分別反射P波、S波和透射P波，S波，同時透射波繼續在下一界面處發生透射和反射現象，最后聲波在界面i3處透射到空氣中。涂層拉梅常數λ1，μ1，密度ρ1，厚度為h1；拉梅常數λ2，μ2，密度ρ2，基體厚度為h2。

圖1 聲波在陶瓷/金屬復合裝甲介質傳播示意圖

以u1表示固體層中的聲場的水平質點位移，u3表示垂直質點位移，第n層位移和應力的關系式Pn=DnUn，其中Dn為第n層上下表面傳遞矩陣[13,23]。

(1)

以un1、un3分別表示第n層中的入射縱波、入射橫波在x1方向上的投影，un2、un4分別表示界面發射縱波和反射橫波在x1方向上的投影。根據聲波在層狀介質中的傳播規律可以得到聲波在介質中的位移和應力，如式(2)所示

(2)

其中：

Eq=exp(iξaqx3) (0lt;x3lt;dn,q=1,2,3…)

W1=-W2=α1,W3=-W4=-1/α3

用Dt表示上表面的傳遞矩陣，Db表示下表面的傳遞矩陣，如

(3)

2 邊界條件

對每一個界面處位移和應力保持連續性，如式(4)所示

(4)

在第1層半無限空間里和第4層半無限空間里，“進入”陶瓷和基體的入射波幅值均為0，用“+”、“-”分別表示第n層入射波和反射波，因此：

(5)

(6)

(7)

(8)

將式(5)～式(8)代入式(4)中可以得到Ax=0形式的聲波在陶瓷/金屬基體介質中的頻散方程，如式(9)所示：

(9)

式(9)為邊界條件所得到的方程DU=0,為了矩陣方程恒有解，系統矩陣[D]必須為奇異矩陣，其行列式為零，即

(10)

式(10)即為陶瓷/金屬基體系統的特征方程，利用Matlab軟件對式(10)采用五點二分法進行編程數值求解，使得式(10)為零的解是聲波在陶瓷/金屬基體中頻散特性的解。

3 聲波在陶瓷/金屬基體介質中的傳播頻散特性數值仿真

為了更好地研究聲波在兵器復合裝甲中陶瓷金屬基體介質中的傳播特性，以氮化硅陶瓷為覆層，鋁和鋼分別作為金屬基體，通過式(10)可以獲得聲波在氮化硅陶瓷/金屬基體介質中頻散曲線。表1給出了氮化硅、鋁和鋼的聲學參數[13]。

表1 氮化硅、鋁和鋼的聲學參數

3.1基體材料對頻散特性的影響

圖2為不同基體材料聲波傳播特性。氮化硅陶瓷厚度為1 mm，金屬基體為3 mm。實心曲線是基體為鋼的頻散曲線，空心曲線是金屬基體為鋁的頻散曲線。從其中可知，空心曲線整體往右移動，但是從變化曲線來看，當頻率小于0.8 MHz時，A0模態聲波曲線變化差異較小，說明當頻率小于0.8 MHz時A0模態超聲波對基體的材料變化不敏感；當頻率小于0.8 MHz時，S0模態的變化差異較大，也就是說當檢測頻率為0.8 MHz時的S0模態對材料的變化較敏感。這是由于鋁基體和鋼基體相比，鋁的密度更接近陶瓷的密度，整個結構表現出類似各向同性板的行為。根據Snell定理和圖2相速度頻散曲線可確定發射探頭合適的中心頻率并確定發射探頭入射角度激發S0模態檢測基體的密度和材料性能參數變化。

3.2陶瓷/金屬基體厚度對頻散特性影響

圖3為不同金屬基體厚度的聲波頻散曲線。以鋁作為基體，氮化硅陶瓷厚度為1 mm。實心曲線是基體厚度為1 mm頻散曲線，空心曲線是基體的厚度為3 mm的頻散曲線。由圖3可知，當鋁基體的厚度從1 mm增加到3 mm時，空心頻散曲線整體往右移動；當頻率小于1 MHz時，S0模態和A0模態變化差異較大。上述現象產生的原因在于，基體厚度3 mm與基體厚度1 mm相比，各層層厚相差較大且陶瓷在整個板厚中較薄，出現了類似表面波的質點振動現象，故而其低階模態A0模態和S0模態相速度曲線在較大的頻率段上重合。在實際檢測當中，S0模態更加容易激發[13]，因此可以采用中心頻率較低的發射探頭激發S0模態超聲波檢測陶瓷/金屬復合裝甲基體厚度的變化。

圖2 不同基體材料的聲頻散特性

圖3 不同金屬基體厚度的聲頻散特性

4 結論

本文采用波動方程和矩陣傳遞法，通過界面處應力和位移連續性的邊界條件，建立了聲波在陶瓷/金屬復合裝甲介質中的數學模型，得到了聲波頻散曲線，其有如下規律：

1) 當頻率小于0.8 MHz時A0模態聲波對基體的材料變化不敏感，S0模態對材料的變化較敏感。因此可以根據頻散曲線選擇合適模態檢測陶瓷/金屬復合裝甲金屬基體的密度和材料性能參數變化;

2) 當金屬基體的厚度從1 mm增加到3 mm時，聲波頻散曲線整體往右移動；當頻率小于1 MHz時，S0模態更易用于檢測陶瓷/金屬復合裝甲的金屬基體厚度變化。為利用超聲波檢測和監測陶瓷/金屬復合裝甲的基體性能參量變化提供了一定的理論依據。

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(責任編輯唐定國)

ResearchonInfluenceonMatrixPropertyofCeramic-MetalCompositeArmortoUltrasonicWaveTesting

CHEN Zhenglin1, ZHANG Xuefei1, WANG Gaochao1,2, ZHANG Huili1, WANG Xingguo3

(1.Banch of Mechanical Engineering, Nanchang Career College, Nanchang 330500 China; 2.School of Materials Science and Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063， China; 3.School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403， China)

In order to study on ultrasonic testing on property change of matrix with automobile paint coating on active service. Mathematical model of ultrasonic propagation in the paint-coating medium have been established and dispersion curve of ultrasonic propagation in paint-coating medium have been attained by combining acoustic control equation and transfer matrix method with the boundary conditions of stress and displacement continuity. The influence on propagation characteristic of the different property have been studied. The simulation results show that the S0modal is sensitive to change of matrix material when the frequency is less than 0.8 MHz. thus it can select some modal to test parameter change of matrix. The dispersive curves move to the right as a whole when the thickness of matrix increase. The S0modal is fit to check the change of matrix thickness when the frequency is less than 0.8 MHz. It provide some theoretical base for using ultrasonic wave to test and supervise the parameter change of matrix property.

composite armor; wave equation; dispersion curve; inspection and monitoring

2017-05-05；

2017-06-15

國家自然科學基金項目(51565020)；中航工業江西景航航空科學項目(GK201503014);江西省教育廳科技項目(GJJ161485)

陳正林(1988—)，男，碩士，主要從事兵器裝備檢測技術研究。

王高潮(1956—)，男，博士，教授，主要從事國防航空材料及其檢測技術研究。

機械制造與檢測技術

10.11809/scbgxb2017.11.034

本文引用格式：陳正林，張雪飛，王高潮，等.陶瓷/金屬復合裝甲的基體性能對超聲檢測的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(11):155-158,196.

formatCHEN Zhenglin, ZHANG Xuefei, WANG Gaochao,et al.Research on Influence on Matrix Property of Ceramic-Metal Composite Armor to Ultrasonic Wave Testing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):155-158,196.

TB553

A

2096-2304(2017)11-0155-04