钨丝/锆基非晶复合材料研究进展

钨丝/锆基非晶复合材料作为近20年新出现的穿甲工程材料,是一种极有可能替代具有放射性危害的贫铀合金和穿甲威力稍差的钨合金的新兴材料。自从钨丝/锆基非晶复合材料被制备出来以后,各学者先后对材料中钨丝和锆基非晶合金之间的界面接触强度、钨丝/锆基非晶复合材料中钨丝的参数、环境温度、应变率、仿真计算以及穿甲应用等方面进行了研究。研究表明,制备过程中保温温度,钨丝/锆基非晶复合材料中钨丝的排布方式、体积分数、直径,环境温度,应变率等因素都能对钨丝/锆基非晶复合材料的性能产生影响;随着计算机技术的发展,钨丝/锆基非晶复合材料的有限元仿真计算已经从等效模型发展到准细观建模,能够模拟其动静态压缩过程、侵彻过程,仿真结果和试验结果基本吻合;在应用方面,试验研究验证了钨丝/锆基非晶复合材料弹芯在侵彻过程中的"自锐"性能。文章概述了钨丝/锆基非晶复合材料在上述领域的研究进展并展望了该材料的发展方向。     

速度和钨丝直径对钨丝/锆基非晶复合材料侵彻性能的影响

为了研究高速撞击条件下含不同直径钨丝/锆基非晶复合材料弹芯的侵彻特性,使用含有四种不同直径钨丝的复合材料弹芯在1000m/s~1600m/s的速度区间进行穿甲试验。研究发现：钨丝/锆基非晶复合材料弹坑直径比钨合金小10%以上,“自锐”效果明显;理想侵彻时,存在一个阀值速度,钨丝/锆基非晶复合材料在低于该速度侵彻时,其侵彻过程中的破坏模式为类似于贫铀合金的绝热剪切破坏,而高于该阈值速度时,破坏模式变成钨丝的屈曲、回流,而且该阀值速度随着复合材料中钨丝直径的增加而增加;钨丝/锆基非晶复合材料中钨丝的直径会影响着其侵彻过程中的稳定性,钨丝直径越大,该复合材料在侵彻过程中越容易出现劈裂等破坏,导致弹道偏转等。     

壳体切缝的结构参数对PELE横向效应的影响

为了研究壳体切缝结构参数(切缝的周向个数N、径向深度H和轴向长度L)对横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻钢筋混凝土靶开孔尺寸的影响,利用数值仿真方法对具有不同壳体切缝结构参数的PELE侵彻钢筋混凝土靶进行正交优化分析,通过定义横向效应贡献值对弹丸轴向动能转化为钢筋混凝土靶因壳体膨胀破坏损失的能量进行研究。结果表明,壳体切缝参数为N=8、H=5.5 mm、L=150 mm时,钢筋混凝土靶破坏的开孔尺寸最大为409 mm,横向效应贡献值最大,并且PELE的横向效应效果最佳。同时,壳体切缝结构参数对PELE横向效应的影响程度:L最大,N次之,H最小。     

大长径比钨丝/锆基非晶材料穿甲实验研究

针对80% Vf钨丝/Zr38Ti17Cu10.5Co12Be22.5非晶复合材料弹芯,在1300m/s~1700m/s撞击速度区间开展了侵彻30CrMnMo钢板实验研究,并与普通钨合金进行了对比。研究发现由这种材料制成的弹芯在高速侵彻时形成完全不同于钨合金和铀合金的侵彻特性,主要表现在：(1)在高速撞击条件下,钨丝/锆基非晶复合材料弹芯先后发生非晶气化、弹芯外侧钨丝屈曲和弯曲断裂、钨丝回流现象,使弹芯在侵彻过程中保持自锐,并且其侵彻能力高于普通93钨合金;(2)从弹、靶的破坏分析可知,这种复合材料在高速侵彻过程中形成自锐的同时,由于非晶气化,一方面会造成钨丝的动态屈曲与劈裂、弹芯刚度降低、侵彻分叉,会使侵彻过程中靶板抗力不对称,产生弹道弯曲等现象,相对减弱自锐性效果;另一方面,非晶气化导致回流的钨丝在弹坑侧壁产生沟槽划痕,气化形成的高压气体作用在弹坑划痕沟槽处易形成贯穿性裂纹,利于二次杀伤。     

分段钨丝/锆基非晶复合材料穿甲试验研究

为了研究不同结构和材料弹芯的侵彻能力,实验中采用80%体积分数、钨丝/锆基非晶复合材料(钨丝直径0.3mm)弹芯,在1450-2100m/s范围内,对不同方案的弹芯垂直侵彻均质靶板进行了实验研究。根据实验结果可以发现：(1)材料的性能和结构都可以影响弹丸的侵彻效率,突破了传统认识,为复合材料杆式穿甲弹设计提供了重要依据;(2)弹芯结构不同,其侵彻深度-着靶速度变化曲线也是不同,对于两段和三段结构弹芯其侵彻曲线变化是凸的,其侵彻深度峰值分别出现在1750m/s~1800m/s和1850m/s附近,最大侵彻穿深均为x=1.7L;对于未分段弹芯,其侵彻深度-速度变化曲线呈渐进线变化,在速度大于1850m/s时接近于流体动力学极限穿甲深度L*(r_p/r_t)_1/2,约为1.5L;(3)结合单向纤维复合材料的动态破坏特点、动态裂纹传播和弹芯高速撞击的侵蚀速度特性,给出了最优分段概念,分析了(2)中发现的问题的原因,为分段弹芯结构设计提供了参考。     

钨丝直径对锆基复合非晶材料穿甲性能的影响

针对4种不同直径钨丝/锆基非晶复合材料弹芯,在(1270±40)m/s撞击速度,开展了侵彻均质半无限装甲钢板实验研究,并与普通钨合金进行了对比。研究发现,在相同的制备工艺条件下,钨丝直径对该复合材料弹芯侵彻效果影响较大,主要表现:(1)在理想侵彻的条件下,钨丝直径对该种材料的侵彻性能影响较大,弹丸侵彻深度和钨丝直径关系曲线是凸的,Φ0.7 mm钨丝方案丸侵彻深度最大,最大侵彻深度为55 mm,相对于钨合金材料威力提高了25%,其根本原因是Φ0.7 mm钨丝方案在侵彻过程中呈现与铀合金类似的绝热剪切破坏特征,弹坑底部呈现90o的自锐角。(2)钨丝直径对弹芯在高速条件下的侵彻体头部破坏形式有着重要的影响,随着钨丝直径的增加,其头部的破坏模式随直径变化存在一个从变形+劈裂+弯曲+断裂的复合破坏模式到绝热剪切破坏演变过程,然后又从绝热剪切向复合模式破坏转变。