泡沫鋁/UHMWPE夾芯復合結構抗彈性能試驗研究

周 楠,朱景偉,夏冰寒,唐 奎

(1.南京森林警察學院刑事科學技術學院， 南京 210023；2.南京森林警察學院特警學院， 南京 210023；3.重慶紅宇精密工業集團有限公司， 重慶 402760；4.南京理工大學 瞬態物理重點實驗室， 南京 210094)

1 引言

夾芯復合結構材料一般是由夾芯層、面板和背板組成的多層復合材料，夾芯層通常選用低密度且具有吸波、吸能、降噪、減震、耐熱等功能性材料，如具有優異吸能特性的泡沫材料、蜂窩材料和金屬點陣材料等，面板和背板起到提高結構整體性和強度的作用。由于夾芯復合材料具有質量輕、比強度高、比剛度高以及功能可設計等優點，廣泛應用于沖擊吸能、結構防護以及公共安全領域中有限空間內爆炸物的安全防范等。

在輕質防護領域中，泡沫金屬和纖維復合材料作為輕質高效防護材料的代表，受到國內外學者越來越多的關注[1-3]。泡沫金屬作為一種含有無序微結構的高孔隙率、低密度的超輕多孔金屬材料，具有承載、傳熱、降噪、電磁屏蔽、減振、吸能等多功能特性[4]，特別是其在動態載荷下表現出應力平臺效應，能吸收大量壓縮能量，從而具備優良的緩沖吸能性能[5]；纖維復合材料因其具有比強度和比模量大、重量輕、可設計性好和動能吸收性好以及無“二次殺傷效應”等優點，已被廣泛應用于航空航天、兵器工業、交通運輸和工程防護等國民經濟和國防建設等領域[6-8]。作為上述兩類材料的代表，泡沫鋁和超高分子量聚乙烯纖維(ultra high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE纖維)因其自身優異的物理和力學性能[9-11]，已被廣泛應用于防護領域中，針對二者的材料制備[12-13]、動態力學性能[14-15]、失效機理[16]、防護性能及其影響因素[17-19]也開展了大量的研究工作。

本文以含泡沫鋁/UHMWPE纖維夾芯復合靶板為研究對象，重點研究該復合結構材料在警用制式彈侵徹下的防護性能及破壞模式。分別采用77式和92式警用手槍開展彈道侵徹試驗，基于試驗結果，討論靶板組合方式和纖維密度對其防護性能和破壞模式的影響，并基于能量守恒原理評價其防護性能；在此基礎上，實現對該復合結構材料防護性能的優化設計。

2 試驗研究

2.1 復合靶板的制備

本試驗所研究復合靶板是以泡沫鋁/UHM-WPE纖維作為夾芯層，鋁板作為面板和背板，各層材料間使用環氧樹脂膠粘制備而成。試驗所用泡沫鋁為閉孔泡沫鋁板，其尺寸為300 mm(長)×140 mm(寬)×20 mm(厚)，密度為0.70 g/cm3。UHMWPE纖維選用面密度為130 g/m2(記為SM-13)和240 g/m2(記為SM-24)2種規格，組合方式分為“鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板”(記為T-A)和“鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板”(記為T-B)兩類。在復合靶板面密度相當的情況下，重點考慮靶板組合方式和纖維密度的影響，本文共制備4組靶板，其規格均為300 mm(長)×140 mm(寬)，所制備靶板實物如圖1所示，靶板組合參數見表1。其中，靶板T1與T2、T3與T4主要是分析靶板組合方式的影響；T1與T3、T2與T4主要是分析纖維密度的影響。

圖1 試驗制備不同組合靶板實物圖

表1 靶板組合參數

2.2 侵徹試驗

分別采用77式(口徑7.62 mm，彈頭質量4.67 g)和92式(口徑9 mm，彈頭質量7.74 g)警用手槍開展系列侵徹試驗，入射角θ(即子彈前進方向與靶板法線方向間的夾角)設置為0°和45°，采用專用夾具將復合靶板固定在靶架上，通過移動靶架調節靶板與擊發點的位置關系，以便對同一靶板進行多次侵徹試驗。子彈入射速度由高速攝影記錄并計算而得，子彈貫穿靶板后的殘余速度由在靶后設置的錫箔靶進行測量，錫箔靶間距為0.24 m，擊發點與靶板間距離為5 m。試驗現場布置如圖2所示，子彈如圖3所示。需要指出的是，因為是制式槍支發射制式子彈，其初速基本穩定，無法通過調節初速改變動能，所以本文采用2種槍支主要是考慮子彈能夠以不同的初始動能侵徹靶板，進而從能量守恒的角度評估靶板的防護性能，未再考慮彈頭形狀的影響。

圖2 侵徹試驗現場布置示意圖

圖3 警用槍制式子彈實物圖

3 復合靶板破壞模式分析

3.1 鋁板破壞模式

為研究復合靶板在子彈侵徹下的破壞模式，圖4和圖5分別給出了子彈以0°和45°入射角侵徹時鋁面板和鋁背板的破壞模式。對于鋁面板而言，從圖4中可以看出，在子彈的垂直侵徹下(即入射角θ=0°)，鋁面板入射面[圖4(a)]沿子彈周向形成明顯的凹陷變形，結合鋁板出射面[圖4(b)]形態可以看出，鋁面板主要發生延性拉伸變形，材料端口較規整，未發生明顯的徑向撕裂破壞；類似的，當子彈以45°入射角斜侵徹鋁面板時，如圖4(c)和(d)所示，鋁板材料亦發生延性拉伸變形，與垂直侵徹狀態不同的是，沿著子彈斜入射的方向，入射面形成的彈孔面積更大，材料的延性變形也更加明顯，主要集中于子彈前進的方向上。所以，在子彈的侵徹下，無論是正侵徹還是斜侵徹，鋁面板均發生明顯的延性拉伸變形，此時主要是材料的拉伸失效消耗子彈動能。

圖4 靶板T1中鋁面板破壞模式形態圖

對于鋁背板的破壞模式而言，相較于鋁面板，最顯著的差異是鋁背板的出射面在子彈的侵徹作用下發生明顯的徑向撕裂破壞，形成較明顯的花瓣狀破壞特征。從圖5(a)和(b)可以看出，在子彈的垂直侵徹作用下，鋁背板先產生范圍大于子彈半徑的整體凹陷變形，隨著侵徹的繼續，鋁板在子彈徑向上發生撕裂破壞。圖5(a)給出了鋁板未被完全貫穿時的臨界狀態，隨著子彈入射速度的提高，鋁板被完全貫穿，如圖5(b)所示，徑向撕裂破壞更加明顯，此時鋁背板形成典型的花瓣狀破壞模式。圖5(c)和(d)給出了子彈以45°入射角侵徹下鋁背板的破壞模式，類似的是，鋁背板在沿著子彈徑向方向上形成明顯的撕裂破壞；不同的是，在子彈斜侵徹的前進方向上，鋁背板形成面積較大的撕裂破壞，未形成典型的花瓣狀破壞，這主要是因為斜侵徹下彈靶接觸作用面積增大、應力分配不均所致。通過上述分析可以看出，鋁背板的整體大變形、徑向撕裂破壞以及花瓣狀破壞的形成主要是由于板材后部沒有約束所致，這也是鋁背板出射面的破壞模式明顯異于鋁面板出射面的主要原因。

圖5 鋁背板出射面破壞模式形態圖

3.2 夾芯層破壞模式

針對本文制備的含泡沫鋁/UHMWPE纖維夾芯復合靶板，其在子彈侵徹下發揮抗彈作用的主要是鋁板和UHMWPE纖維層，其中纖維層的作用更為突出。圖6給出了膠粘纖維層在子彈以不同入射角侵徹下的破壞模式。對于纖維類織物材料而言，其抗拉性能最為突出，在防護領域中的應用也主要是利用其優異的抗拉性能。從圖中可以看出，在子彈的侵徹作用下，纖維均呈現出典型的拉伸斷裂破壞模式。圖6(a)給出了子彈垂直侵徹下纖維層臨界破壞狀態，可以看出，彈孔附近的纖維發生明顯的拉伸變形，斷裂不明顯，子彈頭部直接作用的局部纖維在彈頭壓應力的持續作用下，不斷受拉變形，最終發生了拉伸斷裂，但未完全貫穿；隨著子彈入射速度的提高，纖維層被完全貫穿，典型的拉伸斷裂形貌如圖6(b)所示，可以看出，彈孔中心處的纖維斷裂并外翻，形成類似于鋁背板的延性拉伸破壞，體現了彈道破壞的一致性，在纖維破壞過渡區(即纖維完全斷裂與未明顯變形間區域)，經向纖維與緯向纖維間的約束失效，發生纖維間的滑移，消耗部分子彈侵徹動能；當子彈以45°入射角斜侵徹纖維時，子彈前進方向上的纖維發生更加顯著的拉伸斷裂，過渡區纖維間的滑移失效也更加集中，如圖6(c)所示，這也與鋁背板在子彈斜侵徹下的失效模式呈現出高度的一致性。

圖6 UHMWPE纖維層破壞模式形態圖

通過上述分析可以看出，纖維織物由于組織結構的多樣性和多層次性，在子彈的侵徹作用下，常產生纖維整體變形、組織結構變形、紗線和纖維斷裂、紗線間的滑移以及纖維間的滑移等[20]，進而消耗子彈的侵徹動能。需要指出的是，在本文制備的纖維夾芯層中，最多含有20層纖維織物，各層間采用環氧樹脂進行膠黏，所以，在子彈的侵徹作用下，纖維層間的膠黏也會發生脫膠失效，失效模式如圖7所示，層間結合的失效也將消耗子彈的侵徹動能。

圖7 纖維層層間失效模式形態圖Fig.7 Failure mode of fiber layer interlayer

對于夾芯層中的泡沫鋁材料而言，其特點是通過自身多孔結構的壓實變形來吸收壓縮應力波，常作為爆炸沖擊波吸能材料使用。而在彈道侵徹過程中，由于彈著點作用集中，彈孔附近泡沫鋁材料的壓縮變形并不明顯，主要是彈道方向上的材料在子彈的侵徹作用下發生擊潰碎裂，見圖8，此部分材料失效對子彈動能的消耗有限。需要指出的是，在子彈作用于纖維層的過程中，泡沫鋁可在一定程度上吸收結構整體變形的應變能，但隨著侵徹速度的提高，此部分耗能機理的貢獻度需進一步分析。

圖8 泡沫鋁失效模式形態圖Fig.8 Failure mode of foamed aluminum

4 復合靶板防護性能分析

在本文所開展的彈道試驗中，由于采用警用制式槍擊發制式子彈，當射擊距離一定時，子彈入射速度波動不大，所以無法采用彈道極限速度法評價靶板的防護性能。因此，本文通過計算子彈動能的損耗值(即靶板的吸能)來評價靶板的防護性能，針對每種組合靶板進行3～5發射擊，以獲得子彈有效的靶前、靶后速度。需要指出的是，對于同一類型槍支而言，當垂直侵徹未貫穿靶板時，則不再進行斜入射工況下的定量研究。

4.1 靶板組合方式的影響

本文共制備了“鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板”(記為T-A)和“鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板”(記為T-B)兩大類組合靶板，對于“T-B”組合靶板而言，存在子彈由纖維層入射(記為T-B-1)和由泡沫鋁層入射(記為T-B-2)2種情況，后續將加以區分討論。

表2給出了4種組合靶板(6種工況)典型試驗數據。對于T1組合靶板，在77式手槍子彈的垂直侵徹下出現了臨界(V0=307.5 m/s)和穿透(V0=328.0 m/s)狀態，當子彈以45°入射角侵徹靶板時未穿透(V0=358.8 m/s)，而換用初始動能更高的92式手槍子彈以45°入射角侵徹靶板時則完全貫穿(V0=410.0 m/s)，所以說，T1組合靶板無法實現對92式手槍的防護，但可較大概率實現對77式手槍的防護。一般情況下，對于同一彈靶系統，相同速度的子彈在垂直侵徹狀態下具有更高的動能，所以當子彈在斜侵徹狀態下可完全貫穿靶板時，則認為其在垂直狀態下亦可完全貫穿靶板，基于此，本文主要采用子彈穿透靶板過程中所消耗的動能來評價靶板的防護性能。

表2 彈道侵徹試驗數據

圖9為垂直侵徹下3種不同作用工況下組合靶板對子彈動能吸收平均值的直方圖，需要指出的是，這里忽略了彈頭形狀的影響。從圖中可以看出，“T-B”組合靶板對子彈動能吸收值的平均值高于“T-A”組合靶板，平均提高了36.1%，也就是說，相較于纖維層前后各10層的分別設置，纖維層的集中設置(共20層)更有利于復合靶板吸能效率的提高；而對于“T-B”組合靶板而言，“T-B-1”組合靶板(即子彈由纖維層入射)對子彈動能吸收值的平均值相較于“T-B-2”組合靶板(即子彈由泡沫鋁層入射)提高了5.6%，也就是說，子彈先作用于纖維層更有利于靶板對子彈動能吸收率的提高。這主要是因為在所制備的泡沫鋁/UHMWPE纖維夾芯復合結構中，對子彈侵徹起到主要防護作用的是UHMWPE纖維，其優異的抗拉性能能夠顯著吸收子彈動能，同時，纖維層的集中而非分層設計更有利于子彈侵徹動能的耗散，這主要得益于后部纖維層對前部準失效纖維材料的整體支撐作用，這使得在增強子彈作用方向上纖維層的抗拉作用的同時，也能夠通過層間失效和整體變形消耗子彈更多的動能，進而提高自身的抗彈性能。此外，泡沫鋁因其多孔特性，胞壁結構在子彈侵徹集中載荷的作用下，迅速壓潰失效，對子彈動能消耗有限，所以將其置于纖維層后方用以吸收纖維層整體變形耗能更有利于復合結構整體防護性能的提升，此時能夠更好地發揮其對面載荷的吸能特性。綜上所述，在3種不同組合靶板中，“T-B-1”組合靶板具有最佳的防護性能。

圖9 不同組合靶板動能吸收平均值直方圖

4.2 纖維密度的影響

當復合靶板的組合方式一定時，進一步討論纖維面密度對復合靶板防護性能的影響。如表1所示，靶板T3、T4相較于T1、T2主要是改用面密度更大的纖維材料，即纖維面密度由130 g/m2(SM-13)提高到240 g/m2(SM-24)，但靶板密度總體變化不大。圖10為3種不同作用工況下改變纖維面密度時靶板吸能平均值的直方圖，從圖中可以看出，對于3種工況而言，纖維密度的提高均有利于靶板吸能的提高，平均提高了15.9%；其中，對于“T-A”組合靶板，纖維面密度的提高對靶板吸能的影響最為顯著，相較于低密度纖維靶板提高了31.5%。所以，纖維密度的提高有利于復合靶板防護性能的增強，而且對于不同組合方式靶板的貢獻度不同。

圖10 纖維密度對靶板吸能特性的影響直方圖

5 結論

1) 在子彈的侵徹作用下，無論是正侵徹還是斜侵徹，鋁面板均發生明顯的延性破壞，鋁背板主要發生整體大變形、徑向撕裂及花瓣狀破壞；與垂直侵徹不同的是，沿著子彈斜入射的方向，入射面形成的彈孔面積更大，且靠近子彈一側的鋁板發生更明顯的凹陷變形，出射面材料的延性變形更明顯，集中于子彈前進方向，主要由于板材后部沒有約束。

2) 對于夾芯層材料而言，在子彈的侵徹下，纖維以拉伸斷裂破壞為主，同時纖維層間發生局部脫膠失效；對于泡沫鋁材料，由于彈著點作用區域的集中性，彈道方向上的泡沫鋁材料發生擊潰碎裂。

3) 復合靶板面密度一定時，靶板組合方式對防護性能的影響最明顯，鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板組合靶板的防護性能優于鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板組合靶板，前者對子彈侵徹動能吸收值較后者平均提高36.1%；其中，子彈由纖維層入射的防護性能又優于子彈由泡沫鋁層入射。

4) 靶板組合方式一定時，纖維密度的增大有利于復合靶板防護性能的提高，而不同組合靶板的貢獻度不同。在3種組合靶板中，纖維密度的提高對鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板組合靶板吸能的影響最為顯著，較低密度纖維靶板提高31.5%。

5) 泡沫鋁開/閉孔結構及其密度、纖維層數和面密度以及膠黏強度和用膠量等因素均影響著復合靶板的防護性能，后續在靶板面密度一定的情況下提高防護性能的研究中，將重點考慮多因素優化設計。