W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對RHA 靶的侵徹釋能特性*

張云峰，羅興柏，劉國慶，施冬梅，張玉令，甄建偉

（陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050000）

多功能含能結構材料（multifunctional energetic structural material, MESM）是綜合利用化學能和動能以提高戰斗部毀傷效能的新型功能材料[1]。不同于傳統惰性破片單一的動能殺傷作用，當MESM 破片以一定速度撞擊靶板時，會激發劇烈的爆炸/燃燒反應，破片貫穿靶板后，通過動能和化學能的聯合作用，實現對靶后目標產生更大的殺傷破壞[2]。

MESM 對特定目標的毀傷是現今較活躍的領域之一，研究主要集中在其釋能特性和侵徹毀傷效應上。Zhang 等[3-4]和Xiong 等[5-6]系統研究了Al/Ni 基MESM 的沖擊釋能特性及反應機理，并推導了溫度控制沖擊誘發化學反應的熱化學模型[4,6]，結果表明MESM 的釋能反應特性與破片沖擊引發的材料溫升有關，反應規律符合Avrami-Erofeev 方程。Wang 等[7]和Luo 等[8]等分別研究了高聚物、W/ZrMESM 的沖擊釋能特性。Xu 等[2,9]研究了PTFE/Al/W 破片對裝甲鋁板的侵徹毀傷效應，通過彈道試驗結果擬合了PTFE/Al/W 破片對裝甲鋁板的極限穿透速度計算公式，并研究了破片對雙層鋁板的結構破壞作用。

W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料是新一代MESM，具有較強的侵徹能力及釋能特性，但其對軋制均質裝甲（RHA）靶板的侵徹釋能特性研究仍屬空白。基于此，本文通過彈道槍侵徹實驗和高速攝影，測量破片對RHA 靶板的撞擊速度和靶板貫穿形成的沖塞體速度，記錄破片的侵徹釋能過程，研究W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片的侵徹釋能特性，為該亞穩態合金復合材料的進一步研究和應用提供理論和實驗依據。

1 侵徹實驗

1.1 實驗方案

實驗試樣為W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片，材料通過液態真空壓力浸滲工藝制備：將熔體ZrNiAlCu 亞穩態合金通過高純氬氣吹入由W 顆粒粉末燒結而成的基體中，保壓0.5 h 保證熔體完全浸滲W 基體孔隙，隨后放入飽和食鹽水中淬火，制備出W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料。通過機加工，得到邊長8 mm 的立方體破片，破片密度為12.9 g/cm3。

侵徹實驗的實驗布置如圖1 所示。破片及彈托由14.5 mm 彈道槍發射，彈托刻有凹槽，保證出槍口后彈托、破片分離；10.5 mm 厚RHA 靶板（GY4）中點位于射擊線上，距彈道槍口5 m，一組測速靶置于RHA 靶板前方，距靶板1 m，用以測量破片初速，另一組測速靶置于RHA 靶板后方，距靶板1 m，用以測量靶板剪切形成的沖塞體速度，每組測速靶由相距0.5 m 的兩塊斷通靶紙組成，斷通靶紙與計時器相連接；高速攝影機置于靶板側方，用以記錄W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對RHA 靶板的侵徹釋能過程。

圖1 侵徹實驗裝置布置Fig. 1 Layout of penetration experimental setup

1.2 實驗結果

圖2 為4 個典型撞擊速度vi下W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對RHA 靶板的侵徹釋能過程，可以看出，破片撞擊速度對破片侵徹過程中的釋能現象有較大影響。圖2（a）中，由于撞擊速度較低，破片未貫穿靶板。破片撞擊靶板引發了材料的釋能反應，靶板前方可看到2 束對稱的火光并逐漸向外擴散。圖2（b）～2（d）中，隨著撞擊速度增加，靶板前方光束變長，火光范圍增大、亮度變高。圖2（c）和圖2（d）中均可觀察到4 道光束。當立方體破片撞擊靶板時，破片的棱角處應力集中導致材料破碎并向外飛散，因此側向觀察可以看到2～4 束對稱的火光，火光由材料碎片燃燒產生，并伴隨破片飛散而逐漸擴散。當破片撞擊速度增大時，撞擊能增加，碎片數量增多、初始動能變大、材料溫度更高、釋能反應更充分，因此靶板前方火光范圍增大、亮度變高。

當撞擊速度vi=1 067 或1 259 m/s 時（圖2（b）和2（c）），靶板后方呈現一道圓柱型光束，光束頂端可以看到靶板剪切破壞形成的沖塞體。在撞擊并貫穿靶板過程中破片破碎，部分碎片穿過靶板并繼續飛行，破片碎片由于初始速度、質量、形狀的差異，形成碎片云并呈圓柱狀分布。當vi=1 508 m/s 時（圖2（d）），靶板后方圓柱型光束的末端出現橢球狀光亮，并在圓柱型光柱消散后繼續燃燒（t=3.75 ms）。當破片撞擊速度較大時，部分破片碎片溫度較高，貫穿靶板并與空氣混合后發生燃燒，形成橢球狀碎片云，該部分破片溫度高，反應充分，燃燒時間較長，在靶后方形成了持續一定時間的橢球狀光亮。在一定撞擊速度下，W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片既可有效貫穿10.5 mm 厚的RHA 靶板，又可在靶后發生明顯的燃燒反應，是一種具有較強侵徹能力的多功能含能結構材料。需要注意的是，由于侵徹過程中破片的破碎不可忽略，不能使用傳統惰性破片侵徹公式解釋W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片的侵徹規律。

圖2 不同撞擊速度下W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對RHA 靶板的侵徹釋能過程Fig. 2 Penetration and energy release processes of W/ZrNiAlCu metastable reactive alloy composite fragments against RHA targets at different impact velocities

表1 為不同撞擊速度vi下W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對RHA 靶板的侵徹結果，m 為破片質量，vp為測得的沖塞體速度，p 為根據連續介質力學公式計算得到的破片理論沖擊壓力[10]。可以看到，vi=973 m/s 時：破片貫穿靶板；而vi=995 m/s 時，破片未貫穿靶板。考慮到破片質量差別及彈道極限速度vbl附近數據量較小，可以認為W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片對10.5 mm 厚RHA 靶板的彈道極限速度vbl處于810～1 067 m/s 范圍內。

表1 破片侵徹實驗結果Table 1 Experimental results of fragments penetration

2 理論分析

2.1 彈道極限

破片侵徹靶板過程中加速度歷程較為復雜，因此采用質量守恒和能量守恒為基礎的整體法求解彈道極限速度，做以下三點假設：

（1）破片首先與自由沖塞體發生塑性碰撞，此過程不考慮靶板的絕熱剪切效應[11]；

（2）破片撞擊靶板后部分破碎，靶前飛散碎片不參與侵徹過程；

（3）沖塞體速度vp約為靶后碎片飛出靶板瞬間統計平均速度vr的1.35 倍[11]。

破片貫穿靶板前后的能量守恒方程為：式中：mf為靶板前方飛濺的破片碎片質量之和，mb為破片貫穿靶板后殘余質量，mp為靶板沖塞體質量，Efn為破片與靶板塑性碰撞損失能量，Wp為沖塞絕熱剪切耗能。彈靶組合確定時，mf僅與撞擊速度有關，采用二次多項式的形式擬合：

式中：d 為破片邊長；h 為靶板厚度；Y=1.2 GPa，為靶板失效應力。由彈道極限速度的定義，當vi= vbl時，vp=vr=0，令a=b=c=0，將式（3）和（4）代入式（1）得vbl*=937.8 m/s；將表1 實驗數據代入式（1）擬合得到參數a= -2.02, b= 6.47, c=-4.41，解式（1）得vbl=987.1 m/s，在實驗所確定的彈道極限速度范圍內。

圖3 為W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片侵徹10.5 mm 厚RHA 靶板的vi-vp曲線，其中藍色實線為考慮破片質量損失所得曲線，紅色實線為未考慮破片質量損失所得曲線，星型為實驗數據，可以看到，vp與vi正相關，藍色實線始終位于紅色實線下方。破片侵徹能力與其初始動能有關，故破片撞擊速度vi越大，沖塞體速度vp越大，侵徹能力增強。破片在侵徹靶板過程中的質量損失將導致動能降低，進而降低破片的侵徹能力，因此藍色實線位于紅色實線下方，理論彈道極限速度vbl＞，破片質量損失對侵徹能力有較大影響。圖上星狀點為實驗數據，可以看到，理論計算結果與實驗數據吻合較好，表明所做假設合理，式（1）可以較好地解釋包含質量損失的破片對中厚靶板的侵徹規律。

2.2 釋能特性

由Grünesien 物態方程和Rankin-Hugoniot 能量方程得到固體p-V 形式的物態方程[6]：

采用胡金彪等給出的解析法可以求得材料常數Q、q[6]：

式中：C0、s 為Hugoniot 參數，其中C0理論上等于材料的零壓體積聲速；為0 K 時的Grünesien 系數；為材料的體積膨脹系數；T0為起始溫度，即實驗室室溫，取298 K。Boslough 根據固態材料絕熱線和等熵線的關系，假定材料等容比熱為常數，得到沖擊波溫度表達式[12]：

式中：TH為擊波溫度，pH為擊波壓力，V0、VH分別為初態、擊波壓縮狀態下的比容，CV為材料的等容比熱，pS為與沖擊絕熱線同一起始狀態出發的等熵線壓力，其解析式為[12]：

假設含能結構材料的化學反應過程僅受擊波溫度控制，研究表明，含能結構材料在高升溫速率下的固態反應動力學滿足n 維Avrami-Erofeev 方程，經過整理，Avrami-Erofeev 方程可以表示為擊波溫度對反應效率一次微分的形式[6]：

式中：y 為反應效率，Ea為表觀活化能，Ru為理想氣體常數，n 為與邊界條件和反應機理有關的系數。

表2 為計算所需W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料參數，圖4 為破片沖擊壓力與反應效率關系的理論曲線，可以看到，在40 GPa 沖擊壓力范圍內，材料并未達到完全反應，當p=40 GPa，材料反應效率y=0.541；材料反應效率與沖擊壓力正相關，因此，隨著沖擊速度增加，破片沖擊釋能所產生的火光范圍、火光亮度增大，與實驗現象相符合。

圖4 沖擊壓力與反應效率的理論曲線Fig. 4 Theoretical curve of reaction efficiency versus shock pressure

表2 W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料參數[13]Table 2 Parameters of W/ZrNiAlCu metastable reactive alloy composite

3 結 論

（1）W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片可以貫穿10.5 mm 厚的RHA 靶板，破片撞擊、貫穿靶板過程中導致材料破碎并激發燃燒反應，靶前、靶后均可觀察到大范圍火光；隨著撞擊速度增加，火光范圍增大，亮度提高，燃燒反應時間變長。

（2）推導了W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片侵徹規律方程，得到了破片侵徹10.5 mm 厚RHA 靶板的理論彈道極限速度vbl=987.1 m/s，理論計算結果與實驗數據吻合較好；破片侵徹過程中的質量損失對其侵徹能力有較大影響，在相同撞擊速度下，W/ZrNiAlCu 亞穩態合金復合材料破片侵徹形成沖塞體速度小于不考慮質量損失的理想情況下沖塞體速度。

（3）由材料的Grunesien 物態方程和Avrami-Erofeev 方程得到材料反應效率y 與沖擊壓力p 的理論關系，在15～40 GPa 范圍內，材料反應效率隨著沖擊壓力的增加而增加，當p=40 GPa 時，y=0.541，因此實驗過程中材料反應并不完全，出現隨著撞擊速度增加，火光范圍增大、亮度提高的現象。