SiC和B_4C防弹插板抗多发弹打击损伤特性研究

使用87式5.8 mm钢芯弹分别对SiC和B_4C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B_4C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;B_4C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B_4C陶瓷具有较高的硬度有关。     

仿生鳞片式拼接柔性防护结构防弹性能研究

目的 根据仿生学原理,借鉴鳞甲类生物柔性拼接模式,设计出由碳化硼陶瓷和超高分子量聚乙烯(UHMWPE,PE)背板复合而成的仿生鳞片式拼接柔性防护结构,以提高防护装备的灵活性和抗多发弹性能。方法 首先通过高温热压成形工艺制备出复合鳞片,然后采用95式5.8 mm钢芯弹进行侵彻试验,最后结合有限元仿真对侵彻过程中的弹击损伤机制和能量耗散形式进行分析。结果 弹丸侵彻导致复合鳞片的陶瓷层发生了严重的碎裂现象,PE背板发生了类圆状凹陷变形,但未被穿透;单次弹击损伤范围被限制在弹击鳞片及其相邻鳞片附近,未形成大面积损伤,表现出优异的抗多发弹性能;弹丸的能量通过弹击鳞片扩散到与其相邻的鳞片上,降低了弹丸对弹击鳞片的损伤,提高了柔性结构的极限抗单发弹性能。结论 仿生鳞片式拼接柔性结构能够有效抵御95式5.8 mm钢芯弹的侵彻,具备柔性的同时还具有优异的抗多发弹性能,可应用于新一代单兵及武器装备的小口径枪弹防护装甲。     

SiC含量对机械合金化-热压制备B4C-SiC复合陶瓷的影响

以B₄C、SiC粗粉为原料, 采用机械合金化辅助热压烧结工艺, 在不添加任何助烧剂的情况下于1950℃制备出致密的B₄C-SiC复合陶瓷。通过对烧结样品进行相对密度、维氏硬度、抗弯强度和断裂韧性测试, 研究SiC含量对复合陶瓷力学性能的影响; 结合XRD、SEM和TEM对样品进行组分和微观结构分析, 研究其微观结构与力学性能之间的关系。结果表明: 复合陶瓷的相对密度和断裂韧性随SiC含量的增加而增大, 当SiC含量为50wt%时获得最大值为96.1%和4.6 MPa•m^1/2; 复合陶瓷的硬度和抗弯强度随SiC含量的增加呈先增大后减小的趋势, 在SiC含量为20wt%时获得最大值25.5 GPa和480 MPa。SiC相均匀分布在B₄C基体中使得复合陶瓷具有较高的强度; B₄C与SiC之间好的界面相容性以及SiC的高断裂韧性是该B₄C基复合陶瓷韧性得到显著提高的原因。     

止裂层对陶瓷复合防弹插板冲击损伤行为研究

目的 研究冲击载荷下迎弹面覆盖止裂层的复合防弹插板陶瓷面板碎裂机理和抗侵彻性能。方法 对所设计的复合防弹插板进行空气炮打靶试验,构建冲击仿真有限元计算模型。结合试验和数值模拟,研究覆盖环氧树脂、凯夫拉平纹织物止裂层及无止裂层复合防弹插板的抗侵彻性能,分析不同冲击速度下复合防弹插板陶瓷损伤失效过程。采用内聚力单元对止裂层和陶瓷之间的黏结区域进行建模,分析黏结程度对陶瓷损伤和失效的影响。结果 止裂层表面约束的陶瓷在冲击过程中产生的径向裂纹随着撞击点附近的环向拉应力波的传播而延伸。止裂层黏结作用增强时,陶瓷的冲击缺口面积增大,但质量损失基本不变;迎弹面止裂层未对侵彻过程中子弹动能和复合防弹插板背凸情况产生显著影响。结论 止裂层在一定程度上能减少陶瓷质量损失,但也会造成更多的损伤,这种现象在高速情况下较为明显,且凯夫拉平纹织物止裂层所造成的损伤更多。相关研究工作可为陶瓷复合防弹板的设计提供参考。     

反应烧结B4C/Al2O3复合陶瓷的装甲防护性能研究

以B₂O₃、Al、石墨和B₄C粉体为原料, 采用反应-热压烧结工艺在1800℃/35 MPa的烧结条件下制备了致密的碳化硼基复相陶瓷, 对复相陶瓷的显微组织、物相组成、硬度、抗弯强度以及断裂韧性进行了观察与测试, 采用7.62 mm口径的穿甲弹分别对约束状态下和自由状态下的复相陶瓷靶板进行了剩余穿深试验(DOP), 并以AZ陶瓷和B₄C陶瓷为对比靶板, 根据剩余穿深结果计算了各自的防护系数。结果表明, 复相陶瓷的主要成分为B₄C和Al₂O₃, 其中主相B₄C约占70wt%, 第二相Al₂O₃约占30wt%, 由Al-B-O共同构成的复杂中间相填充在主相与第二相之间; 复相陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.82 g/cm³, 41.5 GPa, 380 MPa和3.9 MPa•m^1/2, 其中断裂韧性比纯碳化硼陶瓷提高了85.7%; 复相陶瓷的防护系数为7.34, 比AZ陶瓷和碳化硼陶瓷分别提高了11%和70%; 在约束状态下, 各个样品的防护系数比自由状态均提高10%。     

SiC-B4C复合膜的制备及其力学和热电性能

探索了 SiC-B₄C复合膜的热等离子体 PVD(TPPVD)法快速制备,研究了 SiC-B₄C复合膜的力学性能和热电性能。实验结果表明:以 SiC和 B₄C超细粉为原料的热等离子体PVD(TPPVD)法是快速制备 SiC-B₄C复合膜的有效方法。通过控制 SiC和 B₄C粉末的供给,可以获得具有层状结构的 SiC-B₄C致密优质复合膜,最大沉积速度达356 nm/s,高于常规 PVD和 CVD法两个数量级。膜的硬度随 B₄C含量增加而增大,最大显微维氏硬度达到 35 GPa。SiC-B₄C复合膜的电阻率和 Seebeck系数随 B₄C含量增加而减小。最大 Seebeck系数为 550 μVK-1,在 973 K时最大功率因子达到640 μWm-1K-2,是SiC烧结体的21倍。      

基于SPS法B4C/6061Al中子吸收复合材料组织及性能

B₄C中B的同位素¹⁰B具有较大的热中子吸收截面,是良好的中子吸收体。采用放电等离子烧结法（SPS）制备了B₄C体积分数为10%~40%的B₄C/6061Al中子吸收复合材料,对B₄C/6061Al中子吸收复合材料的微观组织形貌及物相组成进行了观察分析,并测试了其拉伸性能。结果表明：B₄C颗粒均匀地分布在6061Al基体中,颗粒尖端放电产生的等离子体能够促进B₄C颗粒/6061Al基体界面结合,材料内部的物相主要有Al、B₄C、AlB₂和Al₃BC。随着B₄C体积分数的增加,B₄C/6061Al中子吸收复合材料的致密度降低,抗拉强度先增加后降低,断裂机制主要为6061Al基体及B₄C颗粒/6061Al基体界面的撕裂。     

陶瓷/纤维/阻尼复合靶板抗冲击性能及优化

随着弹体的侵彻能力逐渐增强，复合防弹装甲成为不可或缺的装备之一。基于ANSYS建立了陶瓷/纤维/阻尼复合防弹靶板的冲击有限元模型，揭示了材料参数和几何参数对复合防弹靶板的影响规律，利用多目标遗传算法优化了碳化硅陶瓷/碳纤维/超高分子量聚乙烯纤维/背层阻尼复合防弹靶板结构，并通过实验验证了优化设计结果的可信性。结果表明：同面密度条件下，涂刷一定厚度背层阻尼对靶板防弹性能的提升较为显著；采用遗传算法优化后的复合防弹靶板结构为：6.9mm碳化硅陶瓷/4.8mm碳纤维层合板/6.0mm超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维层合板/1.1mm阻尼，面密度为36.236kg/m²。相同防弹性能条件下，与陶瓷/装甲钢结构靶板相比，优化后的靶板面密度降低超过49%。     

原位引入BN-SiC燃烧合成Si3N4-BN-SiC复合材料

Si₃N₄-BN-SiC复合材料以其良好的力学性能和抗氧化性能而具有良好的工程应用前景。本研究以Si、Si₃N₄稀释剂、B₄C和Y₂O₃为原料, 采用燃烧合成法成功制备了Si₃N₄-BN-SiC复合材料。通过Si、B₄C和N₂气之间的反应, 在Si₃N₄陶瓷中原位引入BN和SiC, 制备的Si₃N₄-BN-SiC复合材料由长棒状的β-Si₃N₄和空心球形复合材料组成。实验研究了空心球微结构的形成机理, 结果表明, 生成的SiC、BN颗粒及玻璃相覆盖在原料颗粒上, 当原料颗粒反应完全时, 形成空心球形微结构。并进一步研究了B₄C含量对Si₃N₄-BN-SiC复合材料力学性能的影响。原位引入SiC和BN在一定程度上可以提高复合材料的力学性能。当B₄C添加量为质量分数0~20%时, 获得了抗弯强度为28~144 MPa、断裂韧性为0.6~2.3 MPa·m ^1/2, 杨氏模量为17.4~54.5 GPa, 孔隙率为37.7%~51.8%的Si₃N₄-BN-SiC复合材料。     

微/纳B4C增强6061Al复合材料微观结构及力学性能

采用先进粉末冶金技术(放电等离子烧结+热挤压)制备了三种体积分数(3vol%、5vol%、7vol%)的微/纳B₄C增强6061Al复合材料,对不同制备阶段复合材料的微观组织(SEM、TEM、EBSD)进行观察分析,对复合材料的纳米压痕行为及拉伸性能进行测试。结果表明:烧结后B₄C颗粒在基体中呈“网状”分布;挤压变形后B₄C颗粒在基体实现弥散均匀分布。挤压变形后,纳米B₄C在晶内及晶界均有分布,纳米B₄C对位错的钉扎作用使得基体积累大量位错,提供驱动力并越过动态回复,使内部再结晶比例高达74%。当B₄C体积分数为3vol%时,挤压态B₄C/6061Al复合材料的抗拉强度、屈服强度及延伸率为219 MPa、88 MPa和22.5%,断裂形貌中呈现大量韧窝。      

C/C复合材料的SiC/Si-B4C涂层在500~1 500℃的抗氧化机制

为提高C/C复合材料的宽温域抗氧化性能,开发了一种新型SiC/Si-B₄C复合涂层,利用热重法对C/C复合材料的SiC/Si-B₄C复合涂层进行氧化试验,研究了试样从室温到1 500℃的氧化行为,在1 500℃保温2 h后,试样增重仅为2.21%。分别对SiC、Si和B₄C三种粉体进行了不同温度（500~1 500℃）的氧化试验,分析了涂层各组分的高温氧化行为,阐明了SiC、Si和B₄C的有效抗氧化温域,通过氧化动力学计算得到SiC和Si的氧化活化能分别为196.7 kJ/mol和167.3 kJ/mol。结果表明,SiC/Si-B₄C涂层中各组分的抗氧化性能形成了良好的协同作用,复合涂层具有良好的宽温域自愈合能力,在600~1 500℃范围内表现出良好的抗氧化性能。     

A numerical comparison of the ballistic performance of unitary rod and segmented-rods against stationary and moving oblique plates

The purpose of this paper is to investigate the ballistic performance of segmented-rods against stationary or moving oblique plates. To do this, a series of three-dimensional numerical simulations for the impact characteristics of segmented-rods (5 of L/D=1) into stationary or moving oblique thin-plate targets is conduced. To provide a base line data, an L/D=5 unitary rod projectile which has the same mass and kinetic energy is also considered. The ballistic characteristics of the projectiles are evaluated by examining the crater profile in a thick witness target that is placed behind the oblique plate. The impact velocities considered are 1400, 1800 and 2200 m/s. The results for the test range show that the unitary rod projectile shows better performance in the moving oblique target than the stationary one and the segmented-rods always show slightly better performance in the stationary target. From the impact velocity of 2200 m/s, the outstanding penetration performance of the segmented-rods can be observed. This trend is due to the interaction between the reactive plate and projectile. The extent of the interaction relies on the relative velocities of the plate and projectiles, the plate angle and extended total length of the segmented-rods     

热轧高含量B4C颗粒增强Al基复合材料的成形性能

高含量B₄C (B₄C≥30wt%)颗粒增强Al基(B₄C_P/Al)复合材料具有优异的结构和功能特性,尤其是具有优异的中子吸收性能,在核防护领域被用做屏蔽材料使用。但由于高含量B₄C颗粒的加入,使B₄C_P/Al复合材料变形困难。采用ABAQUS数值模拟方法对不同变形量下B₄C_P/Al复合材料的热轧过程进行数值模拟分析,在480℃温度下对热压烧结的B₄C_P/Al复合材料坯料进行轧制,并对其微观组织和力学性能进行分析。数值模拟结果表明,热轧变形量达到60%以上时,B₄C_P/Al复合材料板材表面中间区域应力较小,侧面应力较大,在板材边缘容易产生残余应力。研究结果表明,随轧制下压量的增加,B₄C_P/Al复合材料中B₄C颗粒分布明显均匀,位错密度增加。当轧制变形量达到70%时,B₄C_P/Al复合材料的屈服强度提高至249.46 MPa,极限抗拉强度提高至299.56 MPa。在拉伸过程中,B₄C颗粒优先断裂,但并未与基体界面脱黏,B₄C颗粒承受了主要载荷,Al基体发生塑性流动,从而提高了B₄C_P/Al复合材料的强度。      

等离子喷涂碳化硼/钼涂层氚的滞留性能研究

为了保证核能源的使用安全, 对氚在第一壁材料表面的滞留数量以及深度进行定量表征非常重要。在本研究中, 制备了一系列潜在的第一壁材料B₄C/Mo 涂层, 并采用成像板(IP)和β射线激发X射线(BIXS)法对其表面的氚滞留情况进行了测定。IP 图像表明, 涂层表面吸附的氚含量遵循以下顺序: B₄C>BM15>BM5>Mo。而BIXS结果进一步表明, 对于B₄C涂层, 大部分氚扩散到了涂层内部; 而对于其他三种涂层, 氚仅在其表面发生吸附。扫描电镜(SEM)结果显示, B₄C涂层气孔率最高, 而其他三种涂层尽管气孔率较低, 但其截面仍能观察到大量气孔和微裂纹的存在。涂层中的这些缺陷为氚的吸收和扩散提供了通道, 而气孔与微裂纹的尺寸最终决定了氚在涂层表面的吸附数量。实验结果还表明, 涂层杂质成分Ti的存在也对氚的滞留产生了一定影响。     

液硅渗透法制备SiBC改性C/CSiC复合材料

为了降低液硅渗透法制备C/C-SiC复合材料中残留Si的含量, 采用浆料浸渗结合液硅渗透工艺制备B₁₂(C, Si, B)₃改性C/C-SiC复合材料。通过分析不同比例B₄C-Si体系在不同温度的反应产物, 确定了B₁₂(C, Si, B)₃的生成条件。结果表明: B₄C和Si在1300℃开始反应, 生成少量B₁₂(C, Si, B)₃和SiC, 且B₁₂(C, Si, B)₃的生成量随反应温度的升高而增加; 当B₄C和Si的摩尔比为3:1、 反应温度为1500℃ 时, 产物为B₁₂(C, Si, B)₃和SiC; 液硅渗透法制备的C/C-SiC复合材料相组成为非晶态C、 β-SiC和B₁₂(C, Si, B)₃, 未见残留Si。     

纯镁对碳化硼颗粒的常压浸渗

本文研究了纯镁对不同致密度的碳化硼(B₄C)颗粒基片的常压浸渗性;讨论了镁液对B₄C颗粒聚集体常压浸渗的影响因素;提出了浸渗模型。研究表明,纯镁在氩气保护下,800～850℃温度范围保温30min即可浸渗B₄C颗粒聚集体。浸渗深度和宽度随加热温度升高和保温时间延长而增加;常压浸渗的B₄C_P/Mg复合材料具有很高的硬度,B₄C颗粒在基体中分布较均匀。