氧化铝-铝轻型复合装甲

一、引言 长期以来,防弹装甲主要是金属装甲,其材料一般为具有一定含碳量的镍铬钼钒、镍铬钼、铬钼、锰钼等系列的均质钢,以及与此有关的渗碳非均质钢、双硬度钢等,是火炮战车、主战坦克等使用的主体装甲材料。但对于飞机来说,上述金属装甲的重量就太大了。 据报道,为了改善飞机装甲防护,国外早已重视轻型装甲的研究,并在陶瓷复合装甲的     

穿甲过程中的Dwell现象

陶瓷作为一种轻质高硬材料,已经广泛应用于防护小口径枪弹威胁的轻型装甲中,然而陶瓷装甲抗多次打击能力还需要提高.穿甲过程中,约束条件下瓷材料产生的Dwell现象能有效提高陶瓷的强度和硬度,从而提高陶瓷装甲的抗多次打击能力.介绍了陶瓷装甲在穿甲过程中产生的Dwell现象的定义、微观机理、影响因素以及其研究热点和研究动态.提出了仍待研究的问题并指出研究方向将集中在数值模拟计算方面.     

某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片侵彻能力研究

陶瓷/金属复合结构装甲具有质量轻、抗弹性能优异的特点,广泛应用于各类轻质装甲中。为得到某陶瓷/钢复合装甲抗大质量破片的侵彻能力,在与已有试验结果对比验证的基础上,运用ANSYS/LS-DYNA软件对大质量破片侵彻该陶瓷/钢复合装甲过程进行数值模拟,分析破片初速、装甲倾角对破片极限穿透速度和后效威力的影响,以及侵彻过程中破片能量变化,获得了该复合装甲的抗侵彻规律,并利用工程算法计算得到装甲防护系数。结果表明：随着装甲倾角的增加,破片极限穿透速度先减小后增大,剩余速度和剩余质量先增大后减小,装甲存在一个“最易侵彻角”;随着破片初速的增加,破片剩余速度呈线性递增,剩余质量呈线性递减;通过工程算法得到该装甲面密度为普通装甲钢的74%,对破片的防护系数达到1.5。     

陶瓷基透明防弹装甲研究进展

随着军用载具所受威胁的不断升级,对于驾驶舱的防护要求也在增加.传统以防弹玻璃为主的透明装甲已难以满足使用要求.更轻更薄的陶瓷基透明装甲正在逐渐成为主流选择.与其他防弹装甲相似,透明防弹装甲的主要研究方向包括:寻找性能更优的材料用于装甲组件;通过实验或计算机模拟对结构设计与弹道实验进行指导;更加深入地了解装甲材料所需的主要性能、系统整体性能以及整个系统各组件之间的相互影响.依据这一思路,本文首先简要综述了陶瓷透明防弹装甲研究较多的三种迎弹面陶瓷材料的优缺点、制备工艺以及各自的发展及应用水平,三种陶瓷中蓝宝石的静力学参数最优,而实际防弹效果则以多晶陶瓷更好,导致这一现象的原因主要是两类陶瓷碎裂模式的不同产生的弹丸-陶瓷相互作用效果的差异;然后对多晶陶瓷、单晶、玻璃三种类型材料高应变率下的裂纹扩展特性和防弹性能进行了讨论,高应变速率下材料裂纹扩展特性对冲击能量/速率是敏感的,多晶陶瓷是沿晶断裂和穿晶断裂的复合扩展方式,蓝宝石高能冲击下裂纹扩展特征类似多晶陶瓷,临界能量以下则以沿特定晶面的解理断裂为主;最后对透明防弹装甲各功能层的选材标准和结构设计原则进行了总结与展望,迎弹面优选高杨氏模量、高硬度的细晶粒多晶陶瓷材料,中间层选用具有良好的断裂韧度、高弯曲刚度以及将破碎控制在较小范围的能力的材料,背弹面要求材料具有一定的延展性和低密度的特点.各层之间需相互配合才能实现透明陶瓷装甲防弹效能的最大化.     

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。     

影响陶瓷装甲抗弹性能的主要因素

根据陶瓷复合装甲的抗弹原理,综述了陶瓷材料性能、陶瓷面板的形状和尺寸、陶瓷装甲的结构形式等主要因素对陶瓷装甲抗弹性能的影响,通过对这些因素的提高和优化来提高装甲的抗弹性能。     

陶瓷棒填充点阵金属夹层结构的制备及抗侵彻实验

为提高轻量化复合装甲的抗侵彻能力,提出了内部填充陶瓷棒并由混杂短切玻璃纤维的环氧树脂封装的点阵金属夹层防护结构。首先,通过弹道冲击实验研究了陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的抗弹丸侵彻能力;然后,结合失效模式和吸能效率,综合分析了该夹层防护结构的抗侵彻机制。结果表明:陶瓷棒填充点阵金属夹层防护结构的主要失效模式包括点阵金属结构和混杂填充材料的拉伸断裂、陶瓷棒的破裂、面板和背板的局部剪切破坏以及背板的总体弯曲变形。在球形弹丸侵彻过程中,由于点阵金属结构的塑性大变形和剪切扩孔、陶瓷棒和环氧树脂的断裂破坏以及面板的宏观弯曲变形,防护结构的抗侵彻能力得到大幅提高。研究结果可为新型轻质复合装甲的防护设计提供一定参考。      

陶瓷-金属焊接的方法与技术

概述了陶瓷-金属焊接的特点,综述了常见的6种焊接方法,包括钎焊、扩散连接、过渡液相连接、自蔓延高温合成连接、热压反应烧结连接和摩擦焊等,重点介绍了它们的工艺特点和研究现状.在此基础上,比较了各种方法的优缺点和适用范围,并对陶瓷-金属焊接的研究前景进行了展望.     

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.     

蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在联合载荷下的动态力学行为EI北大核心CSCD

为了探究具备抗多发弹打击的蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在冲击波与破片联合载荷下的防护性能,改善当前防护装甲基于破片或爆炸冲击波单一载荷开展结构设计的不足。通过泡沫铝-弹丸复合弹模拟联合载荷,采用有限元模拟,研究蜂窝点阵-陶瓷复合装甲在联合载荷作用下的结构动态响应与毁伤机理,明确速度差和预变形两种协同作用机制;进一步研究联合载荷中爆炸冲击波与破片抵达先后顺序与抵达时间差对复合装甲防护性能的影响。最终,进行参数化研究,讨论蜂窝点阵-陶瓷复合装甲中,不同子结构关键几何参数对防护性能的影响规律,评估不同子结构的防护贡献,为最优防护性能设计提供指导。     

陶瓷-金属双连续相复合材料的发展现状与未来

陶瓷-金属双连续相复合材料作为一种采用空间连续网络构型设计的复合材料,具有耐摩擦磨损、抗热震性高、热膨胀系数低等特点,具有广阔的应用前景。其中,多孔陶瓷预制体作为双连续相复合材料中的结构增强相,其本征特性对复合材料的整体性能有重要影响。本文系统分析了现阶段在多孔陶瓷的制备方法与表面改性两个领域内的主要进展,并对陶瓷-金属双连续相复合材料的制备技术与性能研究进行了介绍。最后,展望了陶瓷-金属双连续相复合材料在未来的发展过程中可能会遇到的四大挑战。      

陶瓷复合装甲粘结层效应和抗多发打击性能的数值模拟研究

粘结层性能对陶瓷复合装甲抗多发打击性能有重要影响。建立了研究粘结层和多发打击的数值模拟方法,解决了传统方法不能模拟“脱粘”和多发打击的问题。基于文献弹道试验,研究了环氧树脂和聚氨酯两种粘结层材料及其厚度对陶瓷/铝合金复合装甲抗7.62mm 穿甲弹单发和两发打击性能的影响。结果表明:单发打击的数值模拟可不建粘结层,而多发打击应采用建粘结层的方法;抗单发打击时,粘结层越薄,极限速度越大;抗多发打击时,陶瓷复合装甲应采用聚氨酯粘结层,且其抗两发打击的较优厚度约为0.40mm。     

复合装甲中吸波层对材料防弹性能的影响

冲击波对复合装甲的破坏程度和方式受到一些因素的影响。采用吸波层来减弱冲击波对材料本身的破坏程度,初步研究了冲击波破坏装甲的形式和机理,并从防止冲击波振荡叠加的角度提出一些提高复合装甲防弹性能的措施。试验结果表明,使用吸波层使复合装甲的防弹性能有了明显的提高。     

结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响研究

为探讨结构形式对舰船舷侧复合装甲结构抗穿甲性能的影响,采用均质钢板前置和后置复合材料板分别模拟舰船舷侧外设和内设复合装甲结构,结合低速弹道冲击实验,分析和比较了两种结构形式组合靶板的穿甲破坏模式和抗弹吸能能力。在此基础上,得到了球头弹穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测公式,并与试验结果进行了比较。结果表明,两种组合靶板中复合装甲板破坏模式的差异主要体现在迎弹面纤维剪切断裂的程度,而均质钢板则由于复合装甲板的影响,呈现出完全不同的破坏模式;后置组合靶板的抗弹吸能能力要大于前置组合靶板;将弹丸穿透后置组合靶板的剩余速度理论预测值与实验结果进行比较,两者吻合较好。     

激光制备金属陶瓷复合层技术的现状及展望

本文综述了近年来激光制备金属陶瓷复合层技术的发展状况，比较了各工艺的特点。     

Modeling of the ballistic behavior of gradient design composite armors

The application of gradient design concept in armors offers possibilities in the reduction of weight and cost without significant reduction of ballistic resistance. Experimental results of composite backed plates consisting of layers of ceramic spheres embedded in epoxy showed that a ballistic limit of 3000 ft/s (1000 m/s) can be achieved, as shown in Fig. 1, without weight penalty compared to solid ceramic tiles. The ceramic sphere facing also provides the feasibility for flexible armor manufacturing. The design of such materials includes a plethora of parameters. In order to develop a precise methodology for the optimization of gradient design composite armors, an improved understanding of the relative significance of the design parameters must be developed. One way to study the relative significance of these parameters is through computational modeling. Computational limitations impose compromises in the modeling of both geometry and material behavior. Two types of models are discussed: (a) an approximate fiber/epoxy two-phase model for the backing; and (b) a damage-based, rate-dependent model for the ceramic spheres embedded in the epoxy. The development of a library of fiber architectures based on the unit cell has been initiated, which will open the possibility of the structural optimization along with simulation of the high velocity impact phenomena of advanced composites.     

The effect of hybridization on the ballistic impact behavior of hybrid composite armors

In the present study, effect of hybridization on the hybrid composite armors under ballistic impact is investigated using hydrocode simulations. The hybrid composite armor is constructed using various combinations and stacking sequences of fiber reinforced composites having woven form of fibers specifically high specific-modulus/high specific-strength Kevlar fiber (KF), tough, high strain-to-failure fiber Glass fiber (GF) and high strength/high stiffness Carbon fiber (CF). Different combinations of composite armors studied are KF layer in GF laminate, GF layer in KF laminate, KF layer in CF laminate and CF layer in KF laminate at various positions of hybridized layers for a fixed thickness of the target. In this article the results obtained from the finite element model are validated for the case of KF layer in a GF laminate with experimental predictions reported in the literature in terms of energy absorption and residual velocity and good agreement is observed. Further, the effect of stacking sequence, projectile geometry and target thickness on the ballistic limit velocity, energy absorbed by the target and the residual velocity are presented for different combinations of hybrid composite armors. The simulations show that, at a fixed thickness of the hybrid composite armor, stacking sequence of hybridized layer shows significant effect on the ballistic performance. The results also indicate energy absorption and ballistic limit velocity are sensitive to projectile geometry. Specifically, it is found that arranging the KF layer at the rear side, GF layer in the exterior and CF layer on the front side offers good ballistic impact resistance. The hybrid composite armor consisting of a CF layer in KF laminate acquires maximum impact resistance and is the best choice for the design compared to that of other combinations studied.     

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。     

夹芯复合材料阻尼性能的研究进展

随着航空航天轻质高速化和精密仪器设备自动化的发展,振动问题日益凸显.夹芯复合材料比强度高、比模量大、减振性能优良,兼具结构和功能一体化的特性,成为航空航天领域研究的热点.从复合材料基体、增强体、界面3个方面阐述了复合材料的减振机理,介绍了目前研究热门的夹芯结构以及芯材、面板、结合界面及其相互作用对阻尼性能的影响规律,概述了夹芯复合材料阻尼改性的研究现状,最后对夹芯复合材料阻尼的研究方向进行了展望.     

UD75防弹板工艺参数与弹道性能的初步研究

分析了不同温度对组成Dyneema纤维增强复合材料的超高分子量聚乙烯纤维丝束拉伸强度的影响。并对UD75防弹复合材料在不同成型压力下的弹道吸能进行了研究。在对成型压力影响的研究中,对UD75复合材料的层间结合力、厚度和体密度进行了分析。结果表明,温度超过123 ℃后拉伸强度有大幅的下降,而成型压力为12.5 MPa时达到最大值。其研究结果对防弹复合材料的合理制备和优化设计提供了很好的参考依据。