硬質合金球形破片侵徹UHMWPE纖維層合板試驗研究

馮志威，董方棟，王志軍

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051； 2.瞬態沖擊技術重點實驗室，北京 102202)

超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE纖維)是由高分子量聚乙烯紡制而成的高強度、高模量的高性能纖維，具有優良的耐沖擊和抗切割性能，在各種防彈衣和防彈頭盔中應用廣泛[1]，了解纖維層合板在沖擊情況下彈道極限、失效模式與變形過程，對提升破片的侵徹能力與復合材料防護性能都具有重要意義。

周楠[2]通過球形破片侵徹鋼/鋁復合靶板，發現靶板總厚度增大時，靶板更易發生剪切沖塞破壞。曲科佛[3]通過對比多層復合式、間隔式鋁板的侵徹深度，總結得出高速正侵徹條件下，球形破片的侵徹能力最強。周卿[4]研究了平頭破片侵徹中厚Q235靶板，認為靶板的破壞模式是影響靶板彈道極限的主要原因。Naik[5]認為玻璃纖維靶板在柱形破片沖擊作用下，除背面少量層發生拉伸破壞，其余層由于剪切沖塞作用失效。蔣萬樂[6]研究了玻璃纖維層合板低能量沖擊試驗，發現復合材料層合板的主要損傷為基體開裂和層間分離。王曉強[7]認為7.5 mm立方體高速破片沖擊UFRP厚板時應考慮墩粗變形對吸能模式的影響。周慶[8]認為纖維拉伸變形和分層是裝甲板主要的吸能模式。顧冰芳[9]以立方體破片沖擊UHMWPE纖維復合材料，靶板呈現多種和多階段的破壞模式、著靶姿態對材料的彈道性能有一定的影響。

目前研究中對于UHMWPE纖維層合板受到沖擊作用后的變形過程認識不清，對沖擊過程中纖維的主要破壞模式和吸能機理認識具有分歧。尤其是隨著破片性能的進一步提升，UHMWPE纖維層合板的彈道特性更為復雜。

本文采用具有高密度、高硬度、高強度等特點的硬質合金[10]球形破片，開展硬質合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板試驗研究，對于認識硬質合金破片的侵徹能力、彈道特性，分析UHMWPE纖維層合板的破壞模式和吸能模式具有重要工程意義，相關試驗結果可以為高效殺傷武器設計和防護結構優化提供依據。

1 彈道槍加載試驗

試驗采用的硬質合金破片材料為碳化鎢，利用粉末冶金技術制成。球形破片質量0.716 g，直徑4.5 mm，密度15 g/cm3。

UHMWPE纖維層合板作為靶板，板面尺寸為300 mm×300 mm，厚度11 mm，密度0.97 g/cm3，制作方式是將UHMWPE纖維單向平行排列用熱塑性樹脂粘接得到UHMWPE預浸料后，將上百層預侵料正交疊放在一起，熱壓后制成[11]。

試驗場地位于中國兵器工業第二零八研究所測試試驗中心。試驗布置如圖1所示，包含φ7.62 mm口徑彈道槍、彈丸速度測試系統、靶架、高速攝影照相機等。

硬質合金球形破片置于彈托內，由于彈托口徑大于破片口徑，利用流動性較差黃油將破片固定于彈托內，通過增減發射藥量控制破片的發射速度。利用彈丸速度測試系統測量破片的入射速度，高速攝影(補充幀頻)可以分析破片侵徹靶板的變形過程和測量貫穿靶板后的剩余速度。

圖1 試驗場地布置圖

2 試驗結果分析

2.1 彈道極限速度

按照試驗布置對不同裝藥量的球形硬質合金破片20發進行試驗，第13組試驗從回收的靶板(圖2)進行分析，破片貫穿了靶板，由于試驗高速攝影未觸發，無法得到破片剩余速度。從破片侵徹UHMWPE纖維層合板彈道極限與破片能量損失方面進行分析，有效試驗數據共19組。

圖2 第13組破試驗后靶板形貌

表1為球形硬質合金破片侵徹UHMWPE纖維層合板的試驗結果，ν0為入射速度，νs為剩余速度。隨著裝藥量減少，硬質合金破片入射速度逐漸降低，由表1可知破片最高入射速度在1 230 m/s，最低速度為314 m/s。硬質合金破片貫穿靶板的最低入射速度為663 m/s，破片未能貫穿靶板的最高入射速度為608 m/s。

彈道極限速度是彈丸侵入靶板與完全穿透靶板的平均值，是衡量靶板抗彈性能的重要指標。對于11 mm UHMWPE層合板，硬質合金球形破片的彈道極限范圍為608～663 m/s。

表1 不同速度球形破片試驗結果

利用美國Frankford兵工廠試驗數據處理方法[12]計算彈道極限：

其中：ν50為破片貫穿靶板彈道極限速度；νA為混合區內全部測試速度的平均值；Np為局部貫穿數；Nc為完全貫穿數；νHP為局部貫穿時的最高速度；νLC為完全貫穿時的最低速度。選取710 m/s、706 m/s、665 m/s、608 m/s、606 m/s五組數據計算彈道極限為657.5 m/s。

圖3中散點橫縱坐標分別表示每一發破片的入射速度與剩余速度，圖中的直線為各個點利用最小二乘法擬合的直線。線性系數表示變量之間線性相關程度的量，線性系數越接近1，變量間線性相關性越強，默認相關系數大于0.99時，線性關系具有可信度。硬質合金破片貫穿靶板時，入射速度與剩余速度線性相關系數為0.993，表明入射速度與剩余速度線性相關。

圖3 破片入射速度與剩余速度的關系

文獻[13]中，試驗使用的靶板材料與本實驗中靶板材料相同，試驗結果具有可比性。對于平均速度為880 m/s的鋼球沖擊11 mm UHMWPE纖維層合板剩余速度為277±48 m/s。利用圖2擬合的入射速度與剩余速度的直線，計算硬質合金侵徹11 mm纖維層合板的剩余速度為424 m/s，顯著高于鋼球侵徹纖維層合板的速度，歸因于硬質合金強度高、硬度高、密度大，其侵徹能力顯著高于鋼制材料的侵徹體。

圖4是根據圖3中線性關系利用動能定理計算的貫穿靶板情況下破片的能量損失，當硬質合金破片速度大于彈道極限時，隨著破片速度逐漸增加，高速碰撞中由于材料的應變率效應，侵徹同樣的靶板所需的能量1 146.71 m/s時貫穿靶板比彈道極限657.5 m/s所需能量增大54.4%。

圖4 破片入射速度與侵徹靶板能量損失曲線

2.2 靶板沖擊情況下變形量

在進行的20組試驗中，試驗中第1、2兩組由于高速相機幀率設置較低，未能觀測到靶板的響應，第13、19兩組未觸發高速攝影，分析靶板在破片沖擊下動態響應的有效數據共有16組。

圖5是硬質合金破片對UHMWPE纖維層合板沖擊的典型過程。圖5(a)為靶板沖擊前樣貌，可見靶板背面平整；圖5(b)～圖5(f)為破片在靶板內運動時靶板的變形過程，靶板正面的纖維在侵徹體的沖擊作用下，發生剪切失效。由沖擊作用產生的壓縮波傳播至靶板背面反射成拉伸波，背面的纖維層受到拉伸波的作用，形成鼓包凸起。隨著侵徹過程的進行，鼓包范圍逐漸擴大，鼓包高度逐漸增加，當纖維的拉伸變形增大到拉伸極限時，纖維發生拉伸破壞。當纖維層全部破壞后，破片和由剪切沖塞作用產生的沖塞體在摩擦力的作用下從靶板中飛出后圖5(g)～圖5(h)，此后鼓包變形開始回彈，鼓包變形范圍逐漸縮小，鼓包高度減小，靶板中產生分層破壞。

圖5 破片侵徹靶板過程示意圖

圖6表示破片貫穿層合板的情況下，靶板在沖擊作用下由于纖維拉伸變形形成的最大鼓包變形。為了便于對比觀察，以靶板背面為x坐標軸，以破片入射方向為y軸，在變形界面取點擬合曲線后，將不同速度下的擬合最大鼓包變形輪廓繪制于同一副圖內，即為圖7。隨著入射速度接近臨界速度，鼓包高度逐漸增加，變形范圍擴大。入射速度從1 229 m/s減小到710 m/s，鼓包高度增加30%，鼓包區域增加4倍。隨著破片速度逐漸增加，纖維層合板剪切破壞層數逐漸增加，拉伸破壞層數逐漸減小，造成層合板鼓包變形減小

圖6 不同速度下層合板最大鼓包變形

圖7 高速沖擊下層合板鼓包變形輪廓

選取未穿透的入射速度為585 m/s、318 m/s的UHMWPE纖維層合板，利用上述方法對鼓包變形輪廓進行分析，鼓包變形輪廓比較如圖8所示。層合板鼓包高度較小且不明顯，入射速度從585 m/s減小到318 m/s，鼓包高度減小50%左右。由于破片未穿透UHMWPE纖維層合板，應力波沿纖維方向在靶面內傳播距離相同，使低速沖擊下層合板鼓包變形范圍幾乎無變化。

圖8 低速沖擊下層合板鼓包變形輪廓

硬質合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板鼓包高度在入射速度高于彈道極限時，層合板鼓包高度隨入射速度增大而減小；當入射速度低于彈道極限時，鼓包高度隨入射速度增加而增大。當入射速度等于彈道極限時，層合板在硬質合金破片沖擊下鼓包高度最大。

UHMWPE纖維層合板背面鼓包由纖維拉伸變形引起，彈道沖擊下，層合板背面纖維拉伸變形越劇烈，層合板鼓包高度越大，拉伸破壞的纖維層數越多。彈道沖擊中纖維層破壞雖以剪切沖塞破壞為主，但仍有少量背面纖維層可能由于拉伸作用而破壞。隨著破片速度逐漸增大,層合板正面由于剪切作用破壞的層數逐漸增多，背面由于拉伸作用破壞纖維層數也逐漸增多，鼓包高度隨之升高。當破片入射速度達到彈道極限，纖維層在剪切作用及拉伸作用下全部破壞，拉伸破壞層數達到最多，鼓包高度達到最大。隨著破片速度繼續增加，剪切沖塞破壞層數繼續增加，由于纖維層合板總層數一定，拉伸破壞層數逐漸減少，鼓包高度隨之降低。

如圖9所示，定義層合板沖擊狀態下最大鼓包變形的頂點與未變形區域連線形成的角度為層合板的變形角度，角度越小，變形越劇烈，角度越大，變形越輕微。最大鼓包點與未變形區過渡越劇烈，纖維拉伸變形以塑性變形為主。角度越大，變形越平和，最大鼓包點與未變形區過渡越平緩，纖維拉伸變形以彈性變形為主。

圖9 層合板鼓包變形角度示意圖

在試驗的各個速度段選取一個典型入射速度，繪制入射速度與變形角度的散點圖。如圖10所示，入射速度由1 229 m/s減小到31 8m/s的，層合板的變形角度由128.7°增加到170.1°，層合板鼓包變形趨于平緩，纖維拉伸由塑性變形向彈性變形轉變。

圖10 入射速度與變形角度散點圖

3 切割后靶板變形

由于高速攝影只能從外部觀察彈道沖擊下UHMWPE纖維層合板的變形過程，為了觀察沖擊后的彈道內部纖維斷裂特征，選擇在彈道沖擊中點處沿厚度方向切割，觀察沖擊的剖面。選擇水刀切割的方式(圖11)進行彈道靶板切割。

圖11 水刀切割方式加工試件圖

由圖12靶板切割后彈道剖面形態，硬質合金破片沖擊UHMWPE纖維層合板后，靶板正面與反面均有凸起。層合板采用熱壓的方式加工，內部殘存一定預應力，靶板在沖擊作用下產生分層破壞，黏接基體開裂，壓縮應力釋放，靶板產生凸起。靶板受到破片沖擊后，內部產生壓縮波，壓縮波傳播至靶板背面時反射形成拉伸波，拉伸波引起纖維層拉伸變形，形成鼓包變形后回彈也是形成背面凸起的重要原因。

圖12 水刀切割后彈道剖面形態

從彈道剖面纖維斷裂方式來看，無論破片入射速度是否高于彈道極限，從靶板正面到背面多數纖維斷裂剖面都齊整，表明硬質合金侵徹UHMWPE纖維層合板以剪切沖塞破壞為主。靶板背面由于沖擊作用形成的鼓包變形，造成纖維的失效模式為拉伸失效，背面少數幾層可見纖維絲脫落。試驗結果與文獻[5]計算結果相同，只有背面最后幾層拉伸應變超過了失效應變，其他層都是由于剪切沖塞失效。

4 結論

1) 0.716 g硬質合金球形破片沖擊11 mm UHMWPE纖維層合板的彈道極限為657.5 m/s，當破片速度高于彈道極限時，入射速度與剩余速度呈線性相關。 由于應變率效應的影響，破片速度越高，貫穿靶板損失能量越多，1146.71 m/s比657.5 m/s貫穿靶板多損失54.4%能量。

2) 當硬質合金破片入射速度等于彈道極限時，UHMWPE纖維層合板鼓包高度最大。 UHMWPE纖維層合板在球形硬質合金破片沖擊下發生剪切沖塞、拉伸變形、分層和基體開裂等破壞形式，彈道沖擊后分層破壞使層合板正反面均有發生凸起，彈道主要破壞形式為剪切沖塞破壞。