陶瓷/纤维复合装甲抗弹丸侵彻性能的试验与数值模拟研究

本工作研究了由碳化硼(B4C)/碳纤维(CF)/超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)组成的复合装甲对抗7.62 mm穿甲燃烧弹的抗侵彻性能.通过实验和数值模拟,系统地研究了陶瓷复合装甲各层对弹丸的作用机理.首先将模拟与实验结果进行比较,验证了模拟方法的可靠性.在此基础上,开展了陶瓷复合装甲的陶瓷面板的材料/厚度数值模拟研究,分别采用氧化铝(Al2 O3)、碳化硅(SiC)、碳化硼(B4 C)作为陶瓷面板,研究了不同厚度陶瓷板的吸能效率,结果表明,以B4 C陶瓷作为面板,当其厚度为10 mm时所得复合装甲的防弹性能最佳.     

纤维复合材料的弹道吸能研究

本文通过大量的实弹试验考察与分析了芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维复合材料弹道吸能随面密度、弹速、成型压力、树脂基体含量等改变而变化的规律, 揭示出不同纤维复合材料在不同条件下的防弹能力。研究结果对防弹复合材料及其轻质复合装甲的优化设计具有较重要的参考意义。      

陶瓷复合装甲优化设计及弹击后剩余弯曲强度

根据防护要求和防护机制,设计了一种C/C-SiC陶瓷/铝基复合泡沫复合装甲。在确保复合装甲面密度为44 kg/m²的前提下,以弹击后剩余弯曲强度为评价标准,以陶瓷板布置位置、各组成层厚度、泡沫金属中泡沫孔径尺寸为研究因素,设计了三因素三水平的正交模拟优化方案,利用有限元软件ABAQUS模拟了子弹侵彻陶瓷靶板的过程及弹击损伤后复合装甲的弯曲实验过程,预测了剩余弯曲强度,并进行了结构优化。根据数值模拟结果制备陶瓷复合装甲试样,进行实弹打靶和弯曲实验以验证复合装甲试样剩余弯曲强度。结果表明,以MIL-A-46103E Ⅲ类2A级为防护标准,剩余弯曲强度最高的陶瓷复合装甲最优化结构形式为：陶瓷板厚度12 mm、陶瓷板做防弹面板、Al基复合泡沫孔径为4 mm+10 mm的混合;对剩余弯曲强度的主次影响因素排序为：陶瓷板厚度>陶瓷板布置位置>Al基复合泡沫孔径。     

层间混杂复合材料装甲板防弹性能及其防弹机制

为研究层间混杂复合材料装甲板的防弹性能及其防弹机制,采用钢芯弹侵彻层间混杂复合材料装甲板。以超高分子量聚乙烯（Ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE）纤维、对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,水性聚氨酯（Waterborne Polyurethane,WPU）树脂和环氧树脂（Epoxy resin,EP）作基体,采用热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的层间混杂复合材料装甲板。研究混杂比例、防弹面和树脂基体对混杂复合材料装甲板防弹性能的影响以及弹击后混杂复合材料装甲板的破坏形貌,分析混杂复合材料装甲板的防弹机制,并对复合材料装甲板的破坏机制进行了分析。结果表明:混杂复合材料装甲板的防弹性能优于其任一单一纤维复合材料装甲板;WPU的防弹性能要优于环氧树脂;以UHMWPE纤维复合材料充当防弹面时,混杂复合材料装甲板具有更好的防弹性能;纤维拉伸变形和装甲板分层是纤维复合材料装甲板主要的吸能方式。      

基于犰狳外壳仿生的SiC-超高分子量聚乙烯柔性防护板的试验测试和有限元模拟

个体防护装甲的发展对提高单兵作战能力具有重要意义,基于仿生研究可以为设计高性能装甲提供新的思路。犰狳外壳由六边形鳞片紧密拼接而成,采用分层结构设计,具有很好的柔性和防护能力。本文借鉴犰狳外壳的几何排列模式,采用SiC陶瓷片模仿硬质壳层,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)热压板模仿软质壳层,按1∶1厚度比例设计制备仿生复合鳞片,将仿生鳞片紧密排列后封装制成一种新型柔性复合防弹插板。为了验证该种防弹插板的防弹性能并研究其破坏特征,进行弹道极限V0试验测试,结合有限元模拟分析其抗7.62 mm手枪弹侵彻的能力。结果表明:该柔性防弹插板不仅满足防弹性能要求,且具备较好的柔性,可为今后新型防弹插板的设计和优化提供参考。      

纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

SiCP/Al功能梯度装甲板抗侵彻性能的试验与数值模拟

采用粉末冶金方法制备碳化硅陶瓷颗粒(SiC_P)增强金属铝基复合材料板(MMCs), 并采用热压扩散法制备功能梯度装甲板(FGM)。利用高速冲击空气炮系统, 对纯铝靶板和两种不同铺层结构的功能梯度装甲靶板进行侵彻试验, 并利用LS-DYNA软件对侵彻试验过程进行数值模拟分析, 同时考察等厚、 等面密度下SiC颗粒分布对抗侵彻性能的影响。研究结果表明, 功能梯度板的抗侵彻性能比纯铝板好, 而两种不同铺层结构功能梯度板的抗侵彻性能相差不大。数值计算结果与现有试验结果取得了较好的一致, 说明了数值模拟的有效性。从数值计算结果可以看出, 层状功能梯度板比等厚、 等面密度均质复合材料靶板的抗侵彻能力好, 并可近似地认为等厚、 等面密度下多层功能梯度板的抗侵彻性能对颗粒分布不敏感。     

对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂复合材料防弹性能及其破坏机制

为研究对位芳香族聚酰胺纤维/环氧树脂（Epoxy resin,EP）复合材料的防弹性能及其破坏机制,采用铅芯弹侵彻复合材料靶片。以对位芳香族聚酰胺纤维作增强纤维,EP作基体树脂,纳米SiO₂和聚乙烯醇缩丁醛（Polyvinyl butyral,PVB）作增韧剂,通过热压工艺制备单向（Unidirectional,UD）结构的对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料靶片。研究单片纤维面密度、UD片材结构、射击角度和树脂改性对靶片防弹性能的影响;观察弹击实验后靶片的破坏形貌,分析靶片的破坏机制。研究结果表明:对位芳香族聚酰胺纤维/EP复合材料具有优异的防弹性能,随着单层纤维面密度的增大,靶片的防弹性能呈现整体上升、局部上下波动的变化趋势;铺层方式为0°/90°/0°/90°的四层单UD片材（4UD）结构的防弹性能优于铺层方式为0°/90°的两层单UD片材（2UD）结构;角度射击时,靶片的穿透比率更大,背衬凹陷深度（Back face signature,BFS）比率更小;PVB增韧改性EP提升了靶片的防弹性能;纤维拉伸变形破坏、片材分层和基体树脂碎裂是复合材料靶片主要的吸能方式。      

三维编织超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维/环氧树脂混杂复合材料力学行为及混杂效应

采用复合处理工艺对三维混杂超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维编织体进行表面处理, 通过RTM工艺制备了环氧树脂基混杂复合材料（UHMWPE/CF/ER）, 并研究了其力学性能及混杂效应。结果表明, 在纤维总体积分数一定的情况下, 随着超高分子量聚乙烯纤维/碳纤维混杂比的减小, 复合材料的弯曲强度、 弯曲模量及压缩强度增大, 而其纵向剪切强度及冲击韧性降低。三维编织混杂复合材料的断裂机制由混杂纤维的混杂比及其性质决定, 通过调节混杂比可实现对复合材料力学性能的有效调控。      

半穿甲战斗部对带有复合装甲舱室的毁伤分析

为配合某半穿甲战斗部的设计工作,展开针对小型作战舰艇的目标特性分析,归纳该级别舰艇的结构、材料、加强筋等特征,设计具有代表性的典型舱室,运用合理的材料本构关系和状态方程,计算半穿甲战斗部在不同着靶速度下侵彻带有加强筋结构的复合装甲舱壁的剩余速度,分析不同质量温压炸药在舱室内爆炸时舱室的破坏情况,计算舱内冲击波压力,并分析半穿甲战斗部穿孔对舱室内爆效应的影响。结果表明:22.5 kg半穿甲战斗部以180 m/s侵彻8 mm超高分子量聚乙烯+8 mm某型舰船钢复合装甲舱壁时,8 mm超高分子量聚乙烯层可近似等效为5.5 mm舰船钢靶;聚乙烯材料层对低速弹体的侵彻阻碍能力较为突出;加密舱壁的加强筋结构并添加复合装甲对半穿甲侵彻过程将产生极大影响;1 kg温压炸药即可造成舱壁结构破坏、舱内人员死亡的结果;当半穿甲战斗部弹孔尺寸小于舱壁长度的1/10,其对内爆效应的影响可忽略不计。该文结论可为战斗部小型舰艇的毁伤评估提供数据支持。     

层状复合结构抗侵彻性能试验与数值模拟

为研究3层及以上层状复合结构和金属丝缠绕材料(Entangled metallic wire material,EMWM)夹芯复合结构的抗侵彻性能,本文设计了4种复合结构:碳化硅陶瓷/超高分子量聚乙烯/钛合金(SiC/UHMWPE/TC4)、SiC/TC4/UHMWPE、SiC/UHMWPE/EMWM/TC4和SiC/...     

装甲防护材料抗侵彻性能研究现状

目的分析装甲防护材料抗侵彻性能的研究现状,为改进复合装甲的结构设计提供参考。方法对装甲防护材料的抗侵彻研究现状进行论述,并对其应用情况进行分析。结果分别阐述了金属材料(装甲钢、铝合金和钛合金)、陶瓷复合靶板以及纤维增强复合材料(玻璃纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维)的抗侵彻研究现状,并介绍了其应用情况。结论随着战场环境的日益更新和武器装备的飞速发展,单一的装甲防护材料已难以适应战场环境的不断变化,装甲防护材料将朝着强韧化、轻量化、智能化及多功能化发展。     

爆炸产生破片对陶瓷/纤维复合靶板的侵彻分析

采用Ansys/LS-DYNA程序,对平头柱形破片以706 m/s速度正入射陶瓷/纤维复合靶板的侵彻过程进行分析,得出了复合靶板的防护能力与陶瓷层、纤维层厚度的变化规律.通过弹靶撞击实验和模拟曲线分析.进一步优化了复合靶板的结构参数.     

硬质防弹纤维复合材料的研究进展

本文分三个方面,即高性能纤维的选材、纤维和树脂对防弹性能的影响以及复合材料的整体防弹机理,对硬质防弹复合材料研究中涉及的选材、成型条件和复合方式等因素,进行了较为详细的述评,尤其对超高分子量聚乙烯纤维防弹复合材料的研究给予特别关注,并指出了当前防弹复合材料领域研究的热点.     

Ku/Ka双频段防弹天线罩复合材料性能

为解决Ku/Ka双频段天线罩的防弹和透波问题,本文通过波导法研究材料的介电性能,并利用HFSS软件对双频工作的复合材料进行透波性能仿真设计,并采用试验与理论计算验证了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）防弹和透波性能。研究表明：UHMWPE的介电性能优异,适用于Ku/Ka双频段天线罩。HFSS仿真设计表明,7 mm UHMWPE的Ku频段损耗为0.2 dB,Ka频段损耗为0.6 dB,仿真结果与实际测试结果吻合。防弹打靶试验表明,面密度为5.6 kg/m²的UHMWPE防弹等级优于1级,实测V₅₀值为546 m/s。     

弹道冲击下层合板破坏模式及抗弹性能实验研究

以舰用轻型复合装甲研究为背景，针对不同纤维增强种类(包括玻纤织物CA00、C200、SW220和芳纶纤维织物T750)以及不同面密度层合板结构，在6．2g刚性微曲面柱形弹弹道冲击下的防护能力展开实验研究，着重讨论了层合板结构弹道冲击下破坏模式，弹体初始侵彻速度及面密度与抗弹能力和抗弹效率之间的关系，认为不同的破坏模式体现了不同的吸能特性和纤维失效机理．     

玄武岩纤维增强复合材料抗弹性能试验研究

摘要：为了研究玄武岩纤维增强复合材料的抗弹性能,利用不同树脂基体制作了玄武岩纤维增强复合材料靶板试件,进行了弹道测试。研究了玄武岩纤维增强复合材料的抗侵彻性能和典型破坏模式,并分析了不同树脂基体和不同铺层方式对靶板防弹效果的影响。研究表明,玄武岩纤维增强复合材料在受弹体侵彻时,主要呈现局部破坏,破坏形式是迎弹面的纤维剪切失效、背弹面的拉伸断裂失效。另外,根据轻型防护的要求,提出设计新型防护结构的思路。研究结果可以为轻型复合装甲设计提供参考。     

SiC和B4C防弹插板抗多发弹打击损伤特性研

使用87式5.8 mm钢芯弹分别对SiC和B₄C复合防弹插板进行实弹靶试试验, 通过对鉴证靶凹陷深度、防弹插板背凸体积和X射线数字直接成像检测系统(DR)对防弹插板弹击损伤情况进行分析, 同时结合陶瓷材料显微结构和力学性能分析对防弹插板抗多发弹打击损伤特性进行了研究。结果表明, SiC和B₄C防弹插板都能有效防御3发5.8 mm钢芯弹的连续打击, 具有较好的抗多发弹打击性能;B₄C防弹插板与SiC防弹插板受弹击后鉴证靶凹陷深度相当, 其背凸体积较SiC防弹插板降低超过35%, 陶瓷锥底面平均直径增加30%以上, 吸收了更多的弹丸冲击动能, 这与B₄C陶瓷具有较高的硬度有关。     

黏结层对陶瓷/金属复合装甲抗弹性能的影响研究

采用二级轻气炮加载装置和AUTODYN软件对含环氧树脂黏结层的陶瓷/金属复合装甲的抗弹性能展开了研究。陶瓷面板分为叠层和单层板两种形式,对应于C/E/A(Ceramic/Epoxy resin/Aluminum alloy)和C/E/C/E/A(Ceramic/Epoxy resin/Ceramic/Epoxy resin/Aluminum alloy)复合装甲。结果表明,受应力波传播和破碎锥作用,C/E/C/E/A装甲较C/E/A装甲的陶瓷面板破碎程度更大。具有缓冲作用的黏结层,随其厚度的增加,陶瓷损伤程度逐渐减小,背板侵深也逐渐减小。对Yaziv系数的修订表明,在相同弹速和黏结层厚度条件下,相同面密度的叠层陶瓷装甲抗弹性能优于单层陶瓷装甲。但是,黏结层厚度的增加对C/E/C/E/A装甲的抗弹性能贡献不大,而对C/E/A复合装甲的影响却较大。最后,对于两种形式陶瓷复合装甲,黏结层均使得装甲内透射应力波幅值得到了有效衰减,尤其是C/E/C/E/A装甲。     

仿生柔性防护装具的设计及防弹性能测试

依据仿生学原理,借鉴硬骨鱼鳞的微观结构及叠加模式,设计并制备了6套仿生柔性防护装具。使用了两种复合鳞片,分别为SiC陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合防护鳞片和Al₂O₃陶瓷-UHMWPE复合防护鳞片。对柔性防护装具进行侵彻测试,分析了复合鳞片类型、覆盖角度和子弹侵彻位置对柔性鳞片防护装具防弹性能的影响。结果表明,新型柔性鳞片状防护装具均能成功抵挡速度为(445±10) m/s的手枪弹(铅芯)侵彻,垫层材料的凹陷深度为5~20 mm。SiC-UHMWPE复合鳞片防护装具的防弹性能显著优于Al₂O₃-UHMWPE复合鳞片防护装具。此外,柔性防护装具的防弹性能均随着鳞片覆盖率的增加而提高。本研究成果为新型柔性防护装具的设计提供理论依据和科学指导。