聚脲涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)抗破片侵徹效能研究

趙鵬鐸，黃陽洋，，王志軍，張 磊，張 鵬，

(1.海軍研究院， 北京 100161； 2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

近年來，防護(hù)材料的輕量化已成為裝甲防護(hù)的主要發(fā)展方向。輕量化防護(hù)材料具備的特性應(yīng)包括高硬度、高強(qiáng)度、高韌性和低密度。輕量化防護(hù)材料除了高性能輕質(zhì)金屬材料外，主要有陶瓷等非金屬材料以及復(fù)合材料[1-2]。其中，玻璃纖維、芳綸纖維等高性能纖維以其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于防彈領(lǐng)域[3]。芳綸纖維的優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度高、耐高溫、在高應(yīng)變率下有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度和延伸率；玻璃纖維的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較芳綸更低，且強(qiáng)度、剛度高，但是密度相對(duì)較大，為2.55 g/cm3,芳綸纖維則為1.29 g/cm3。考慮到成本與效果，將玻璃纖維和芳綸纖維組合成復(fù)合材料板，玻璃纖維為迎彈面，利用其高強(qiáng)度、高剛度減弱彈體沖擊開坑，芳綸纖維為背彈面，利用其高應(yīng)變率下高抗拉強(qiáng)度和高伸長(zhǎng)率進(jìn)一步降低彈體動(dòng)能。然而，單靠提高基體材料自身的性能滿足復(fù)雜環(huán)境下的防護(hù)需求是很難實(shí)現(xiàn)的。利用表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂層技術(shù)使材料獲得更為全面的性能提升[4-5]。

Mohotti等[6-8]對(duì)不同厚度與位置的聚脲層對(duì)于鋁與聚脲組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)抗高速彈體沖擊影響做了試驗(yàn)研究與部分仿真研究，發(fā)現(xiàn)聚脲層作為層狀涂覆結(jié)構(gòu)時(shí)，彈丸速度降最大。Bogoslovov等[9]發(fā)現(xiàn)在硬質(zhì)鋼表面涂覆一層10 mm厚的聚脲涂層，在受沖擊時(shí)聚脲涂層會(huì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，防彈性能得到了提高，能量吸收密度高達(dá)4 GJ/m3，而同比作為緩沖層未發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，具有相同厚度的聚脲高彈體涂層的吸能密度只有0.04 GJ/m3。E.P.Gellert等[10]發(fā)現(xiàn)，靶板破壞模式前期主要是著靶區(qū)域被壓碎和剪切，而后期主要是纖維的拉伸、分層和鼓包。N.K.Naik等[11]研究了纖維復(fù)合材料的抗彈性能，發(fā)現(xiàn)靶板背面鼓包、纖維拉伸、分層、基體破碎、剪切沖塞和摩擦是主要的破壞和耗能形式。目前，國內(nèi)外對(duì)于聚脲涂層的抗彈性能研究主要集中在金屬底材的復(fù)合結(jié)構(gòu)上，而對(duì)纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)上噴涂聚脲涂層的研究較少。

本研究在玻纖-芳綸的復(fù)合靶板的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合板迎彈面、背彈面涂覆聚脲涂層。利用3.3 g破片通過12.7mm滑膛槍進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，獲得其彈道極限，分析其破口類型、尺寸等，對(duì)比分析各結(jié)構(gòu)的破壞與耗能模式；通過Autodyn軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，從而得到聚脲噴涂纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)靶板的抗彈效能。

1 試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 試驗(yàn)裝置與工況

試驗(yàn)在北京理工大學(xué)東花園試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，利用12.7 mm滑膛槍進(jìn)行破片加載，破片速度采集使用六通道記時(shí)儀，試驗(yàn)示意場(chǎng)地布置如圖1。試驗(yàn)使用的破片原材料為35CrMnSi鋼，加工成邊長(zhǎng)為7.5 mm的立方體，再經(jīng)過二次淬火一次低溫回火[12]。靶板底材為玻纖-芳綸復(fù)合材料板，靶板尺寸為325 mm×365 mm×9 mm(玻纖6 mm、芳綸3 mm)，試驗(yàn)靶板示意圖如圖2，試驗(yàn)所用工況參數(shù)如表1所示。

聚脲涂層類型底材厚度/mm涂層厚度/mm總厚度/mm無涂覆909迎彈面涂覆9413背彈面涂覆9413

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共計(jì)20發(fā)，除去觸發(fā)異常、測(cè)量異常數(shù)據(jù)，得到17組有效數(shù)據(jù)，并選出幾組典型初速數(shù)據(jù)如表2所示，對(duì)有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用6射彈彈道極限法[13]進(jìn)行處理得到相應(yīng)的彈道極限速度，即V50。各結(jié)構(gòu)彈道極限如表3所示。進(jìn)一步可得出各結(jié)構(gòu)彈道極限柱狀對(duì)比圖，如圖3所示。由表3和圖3中得到的近似V50可以看出，迎彈面涂覆聚脲涂層的抗彈效果最好；背彈面涂覆后，靶板抗彈性能反而減弱了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖8所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表3 各結(jié)構(gòu)彈道極限

1.2.2 靶板耗能分析

破片質(zhì)量m為3.3 g，由試驗(yàn)得出的彈道極限V50，可以算出靶板耗能E為：

(1)

再由式(1)可得靶板面密度吸收能Eα為：

(2)

其中：ρ1為玻纖密度，H1為玻纖厚度；ρ2為芳綸密度，H2為芳綸厚度；ρ3為聚脲密度，H3為聚脲涂層厚度。根據(jù)式(2)可得到各結(jié)構(gòu)面密度吸收能如表4所示。數(shù)據(jù)表明，涂覆聚脲涂層后，靶板的面密度吸收能有所下降。

表3和表4對(duì)比表明，面密度吸收能與彈道極限的規(guī)律一致。根據(jù)各結(jié)構(gòu)破壞形式及耗能模式，研究表明：

1) 迎彈面涂覆時(shí)，聚脲涂層并不影響玻纖-芳綸復(fù)合板的耗能模式，且同時(shí)進(jìn)行，故其耗能效果最佳。

2) 背彈面涂覆時(shí)，涂層自身對(duì)破片動(dòng)能的損耗作用并無明顯改善。相反地，由于背彈面涂層的存在，復(fù)材板原有的耗能模式受到較大影響。從背彈面并無大幅度分層現(xiàn)象可以看出，涂層不僅沒有起到增強(qiáng)作用，反而抑制了復(fù)材板的分層吸能特性，故背彈面涂覆時(shí)的彈道極限有所下降。

表4 各結(jié)構(gòu)面密度吸收能

2 仿真計(jì)算

2.1 仿真模型

采用Hypermesh軟件建立模型和劃分網(wǎng)格，試驗(yàn)所使用的破片為3.3 g的方形35CrMnSi鋼，其大小為邊長(zhǎng)0.75 cm的立方體，網(wǎng)格為10 cm×10 cm×10 cm；由于仿真進(jìn)行中心侵徹，建模時(shí)采用1/2模型，采用3DSolid-164單元，共有500個(gè)單元，如圖9所示。

靶板采用10 cm×10 cm的方形靶板，由于靶板是聚脲、玻纖、芳綸組成的復(fù)合材料板，因此模型建立分為聚脲層、玻纖層和芳綸層，面與面的接觸采用Autodyn軟件的join功能，采用 3DSolid-164實(shí)體單元，彈靶接觸采用面面侵蝕接觸；為保證數(shù)值模擬精度，利用Hypermesh軟件的網(wǎng)格漸變技術(shù)，將彈靶接觸區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置細(xì)密。為了模擬芳綸層的分層現(xiàn)象，在玻纖和芳綸之間、芳綸與芳綸之間添加一層粘結(jié)層，如圖10所示。

2.2 材料模型與參數(shù)

試驗(yàn)中破片的原材料為35CrMnSi鋼，密度為7.75 g·m-3。根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其他材料參數(shù)如表5所示，國內(nèi)外纖維材料的材料模型大都使用Puff模型[14],強(qiáng)度模型采用Von Mises準(zhǔn)則描述，玻璃纖維和芳綸纖維的密度分別為2.55 g·m-3和1.29 g·m-3，其他材料參數(shù)如表6所示。

表5 35CrMnSi鋼的材料模型

表6 纖維材料模型

聚脲彈性體的材料模型在Autodyn中與橡膠一樣，選用超彈性體狀態(tài)方程(Hyperelastic)表示，而其強(qiáng)度模型可以用二參數(shù)的Mooney-Rivlin模型表示，失效準(zhǔn)則采取最大主應(yīng)力拉伸失效準(zhǔn)則，其密度為1 g·m-3，其余仿真材料參數(shù)如表7所示。

2.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

2.3.1 仿真結(jié)果

根據(jù)上述仿真模型與模型參數(shù)，采用Autodyn軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真過程如圖11所示，圖12為仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，侵徹過程中速度變化如圖13所示。

表7 聚脲模型與參數(shù)

靶板類型實(shí)驗(yàn)結(jié)果V50/(m·s-1)仿真初速/(m·s-1)仿真余速/(m·s-1)誤差/%無涂覆609.68610609.8迎彈面涂覆654.3165000背彈面涂覆573.095708014.0

仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，仿真結(jié)果的速度降對(duì)比試驗(yàn)得到的V50，誤差最大為14%，說明仿真結(jié)果可信。

2.3.2 侵徹效能分析

如圖5、圖6、圖7所示的迎彈面觀察試驗(yàn)結(jié)果，可以看到迎彈面破口整齊且呈方形，與破片形狀大小相當(dāng)，故可以判斷著靶姿態(tài)為正著靶。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析聚脲涂層復(fù)合材料板在加載速度為500～700 m/s情況下的抗侵徹效能。

如圖11 (a)可以看到破片侵徹?zé)o涂覆靶板的過程，在5 μs時(shí)，彈體與侵徹點(diǎn)周邊材料在侵徹方向存在巨大速度梯度，接觸點(diǎn)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于靶板材料抗力的瞬間沖擊壓應(yīng)力，接觸點(diǎn)材料被瞬間壓剪破壞，完成沖擊開坑[15],在5～70 μs的過程中，可以看到玻纖板主要呈現(xiàn)剪切破壞，玻纖板本身并未發(fā)生明顯變形，于此同時(shí)，可以看到作為背板的芳綸纖維也有一定的彎曲變形，因此這段侵徹過程可以看成是對(duì)玻纖層的剪切破壞以及對(duì)芳綸層的彎曲拉伸。隨著彈體的繼續(xù)侵徹，當(dāng)彈體穿透玻纖層接觸芳綸層時(shí)，由于彈體與侵徹點(diǎn)還存在一定的速度梯度，故侵徹芳綸層時(shí)，先進(jìn)行一部分剪切破壞，后隨著時(shí)間的增加，速度梯度逐漸減小，彈體對(duì)芳綸的剪切破壞無法瞬間完成，同時(shí)伴隨著應(yīng)力波的傳播。彈體周邊受力區(qū)域和受力逐漸增大，壓縮應(yīng)力波在靶板背面形成的反射拉伸波與彈體接觸形成彈體與靶板的界面速度梯度，使芳綸彎曲拉伸破壞，同時(shí)伴隨發(fā)生芳綸本身的分層和拉伸現(xiàn)象。

在速度曲線圖中可以看到在0～45 μs的過程中，速度下降較快，從侵徹過程圖可以看到彈體在玻纖層中運(yùn)動(dòng)，對(duì)玻纖層進(jìn)行剪切破壞，同時(shí)伴隨著芳綸層的彎曲拉伸。這個(gè)階段是玻纖層與芳綸層的共同作用，因此彈體的速度降最大。而在45～120 μs的過程中，由于彈體已經(jīng)穿透玻纖層，這個(gè)階段的速度呈現(xiàn)平緩的下滑，主要是靠芳綸的分層與拉伸對(duì)彈體的動(dòng)能進(jìn)行損耗。

破片侵徹迎彈面涂覆聚脲層過程如圖11(b)所示。彈體侵徹聚脲層時(shí)，由于速度梯度較大，因此聚脲層呈現(xiàn)剪切撕裂，觀察速度變化圖[圖13(b)]可以發(fā)現(xiàn)，這個(gè)階段彈體的速度降最大；在10 μs后彈體穿透聚脲層，聚脲彈性體由于其彈性特質(zhì)，有一定的收縮回彈，而彈體繼續(xù)侵徹玻纖層，玻纖層的失效同樣為剪切破壞，而此時(shí)的速度降有所下降；在60 μs時(shí)，彈體穿透玻纖層，可以看到此時(shí)的速度降進(jìn)一步降低，同時(shí)觀察侵徹過程可以看到彈體有所偏轉(zhuǎn)；最后在芳綸層中，經(jīng)過芳綸的分層與拉伸耗能，彈體的速度繼續(xù)下降。在這個(gè)過程中可以看到，聚脲層對(duì)于彈體的動(dòng)能損耗作用很大，且彈體穿透聚脲層后對(duì)復(fù)合靶板的侵徹過程與前面無涂覆靶板的侵徹過程相同，說明聚脲除了自身的破壞吸能外并未對(duì)復(fù)合材料板的破壞吸能產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響，整塊靶板的抗彈性能有所提高，此結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中彈道極限的提高相吻合。

觀察破片侵徹背彈面涂覆靶板的過程[圖11(c)]，可以看到破片的速度降逐漸減小，在0～30 μs的過程中，破片侵徹玻纖層，速度下降過程與侵徹過程和無涂覆靶板基本相同；而在穿透玻纖層之后，破片侵徹芳綸層時(shí)，先進(jìn)行剪切破壞，后進(jìn)行拉伸彎曲破壞，在此過程中，可以看到芳綸層的分層現(xiàn)象并不明顯，而且在破片穿透靶板后，靶板的鼓包也不明顯。由此可以認(rèn)為是背彈面涂覆聚脲層后，由于其彈性體的特性，反而抑制了芳綸層本身的分層吸能，最終導(dǎo)致背彈面涂覆靶板的彈道極限降低，此結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相同。

根據(jù)以上分析的破片侵徹靶板過程，示意圖如圖14。

3 結(jié)論

結(jié)合試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比分析，在加載速度為500～700 m/s的情況下：

1) 玻纖層的破壞模式為剪切破壞，芳綸層為先剪切破壞后拉伸斷裂與分層；聚脲的破壞模式為彈性體的韌性破壞。迎彈面涂覆聚脲對(duì)復(fù)合材料板自身的破壞模式不會(huì)產(chǎn)生影響，而背彈面涂覆會(huì)抑制芳綸層的拉伸與分層。

2) 聚脲涂層的位置對(duì)復(fù)合材料板彈道極限的改變有影響：迎彈面涂覆結(jié)構(gòu)彈道極限提高了7.32%。背彈面涂覆結(jié)構(gòu)彈道極限降低6.00%。對(duì)于面密度吸收能，無論迎彈面還是背彈面涂覆聚脲涂層均有不同程度降低。