韓國慶，張先鋒，談夢婷，包 闊，李 逸

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094）

反裝甲武器的高速發(fā)展對坦克、裝甲車輛及武裝直升機等高戰(zhàn)略價值目標的防護性能提出了更高的要求，尤其是裝甲車輛觀察窗口、武裝直升機擋風玻璃及雷達天線罩等脆弱部位，在保證良好透光率的前提下，需盡可能地提高其抗彈能力。透明陶瓷具有優(yōu)異的耐腐蝕、耐高溫等特性。同時，相較于傳統(tǒng)透明材料，透明陶瓷具有輕量化的特征，相同面密度下透明陶瓷往往具有更好的防護性能。典型的透明陶瓷材料有氧化鋁（AlO）、氮氧化鋁（AlON）、氧化釔（YO）、氟化鎂（MgF）等。除了具備優(yōu)異的抗沖擊性能外，釔鋁石榴石（YAG）透明陶瓷制備技術成熟，能夠實現批量生產，而鎂鋁尖晶石（MgAlO）透明陶瓷則具有密度低、透光性寬等特點，這些優(yōu)勢使得這兩種材料在透明裝甲中得到了廣泛應用。

為推動透明陶瓷在裝甲防護上的運用，需對其沖擊破壞機理進行深入研究。目前運用較廣泛的動態(tài)沖擊試驗方法主要有分離式霍普金森壓桿試驗、平板沖擊試驗、Taylor 桿撞擊試驗等。相較于其他測試方法，邊緣沖擊（edge-on impact, EOI）試驗方法可以通過改變沖頭幾何形狀、尺寸及材料，控制動態(tài)加載的輸入波形。由于EOI 試驗中垂直于撞擊方向的材料厚度較小，因此可以結合材料的光彈特性，觀察材料受沖擊過程中內部應力的變化。同時，EOI 試驗并不局限于陶瓷類脆性材料，在混凝土及巖石等非均質材料中均有應用。這些優(yōu)勢使得EOI 試驗成為研究材料動態(tài)響應與裂紋擴展的主流研究手段。此外，EOI 試驗測得的材料破壞行為能在一等程度上反映陶瓷裝甲的抗侵徹破壞過程。相較于子彈侵徹陶瓷裝甲及破片撞擊陶瓷復合靶，EOI 試驗也會產生著彈點附近的粉碎區(qū)、主裂紋擴展區(qū)以及兩側的次裂紋區(qū)域。Strassburger 等開展了柱形破片以20～1 000 m/s 速度撞擊SiC、TiB及AlO3 種陶瓷材料的EOI 試驗，通過對回收的碎片進行細觀觀測，對比了不同陶瓷的損傷演化特征。Strassburger將光彈技術與EOI 試驗相結合，探索了EOI 試驗中應力波在AlON 透明陶瓷材料內部的傳播規(guī)律。Grujicic 等基于大量的玻璃抗彈性能文獻，建立了鈉鈣玻璃（soda-lime glass）在高應變率下的本構模型，并通過EOI 試驗與數值模擬結果對比，驗證了模型的可靠性。國內有關EOI 試驗下陶瓷材料損傷演化過程的研究較少，楊岳峰等基于動接觸力二步法及有限元原理，對SiC 陶瓷EOI 試驗中的裂紋擴展進行了數值模擬研究。盡管相關學者針對EOI 試驗開展了數值模擬及損傷演化過程方面的研究，但是目前關于EOI 試驗下傳統(tǒng)透明材料與透明陶瓷在宏觀尺度下破壞模式差異性的研究鮮有報道。

沖擊作用下，脆性材料在細觀尺度上的破壞特征往往可以反映材料本身的物理性能及損傷演化特性。陶瓷材料在細觀尺度下具有滑移、孿晶、斷裂等響應形式。Subhash 等給出了BC 及ZrB-SiC 復合材料在靜動態(tài)壓痕試驗中斷口處細觀特征的差異，并與破片沖擊SiC 撞擊粉碎區(qū)內的陶瓷碎片斷面上的細觀破壞結構進行了比較，發(fā)現脆性材料的裂紋會由加工中的固有缺陷誘發(fā)產生。Ghosh 等在對ZrB-5%SiC 復合材料表面進行納米劃痕試驗中發(fā)現，由于最大剪應力的存在，劃痕前端將產生滑移帶；微裂紋則由于劃痕后方的最大拉應力產生。包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復合靶試驗中觀察到，隨著裂紋擴展，徑向、環(huán)向和錐裂紋中沿晶斷裂比例會逐漸增大，且穿晶比例也會隨破片撞擊速度的提高而增加。但是，針對兩種典型透明陶瓷材料（YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷）在高速沖擊作用下細觀結構的破壞響應有何不同，還需進行深入研究。

本文中，擬開展3 種不同透明材料（普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷以及鎂鋁尖晶石透明陶瓷）在不同破片撞擊速度（200～300 m/s）下的EOI 試驗。通過高速攝影捕獲的靶體沖擊破壞過程，計算裂紋擴展速度；統(tǒng)計試驗后破片的破碎情況及粉碎區(qū)面積，分析浮法玻璃與透明陶瓷在宏觀尺度下破壞特征的差異；使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）對回收的樣品進行細觀觀測，分析YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在細觀尺度下破壞特征的差異。

1 EOI 試驗

1.1 彈靶材料

如圖1 所示，試驗所用彈體為直徑9 mm、質量5.7 g 的高硬度碳化鎢球型破片，具體參數如表1 所示。試驗中破片沖擊速度為200～300 m/s。試驗所用靶體分別為普通浮法玻璃、YAG 透明陶瓷及鎂鋁尖晶石透明陶瓷3 種材料，圖2 為鎂鋁尖晶石透明陶瓷靶體。將試驗所用試樣的前后表面進行拋光處理以便于高速攝影的拍攝。3 種材料中，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷均由上海硅酸鹽研究所提供，具體參數如表2 所示，表中浮法玻璃的層裂強度為未測量參數。

表1 碳化鎢彈體尺寸及材料參數Table 1 Tungsten carbide projectile size and material parameters

表2 靶體尺寸和材料參數Table 2 Target size and material parameters

圖1 碳化鎢彈體Fig. 1 Tungsten carbide projectile

圖2 鎂鋁尖晶石透明陶瓷靶Fig. 2 A MgAl2O4 spinel transparent ceramic target

1.2 試驗布局

圖3 為試驗布局示意圖及靶體固定照片。使用9 mm 彈道槍作為試驗平臺，該平臺由高壓氣瓶、發(fā)射室、槍管、回收箱及靶架等部分組成。試驗過程中使用高壓氣體對破片進行加速，并撞擊固定在靶架上的試樣。高速攝影機透過回收箱上的觀察窗拍攝撞擊過程中的破片沖擊及靶體破壞過程，分析不同速度破片撞擊各材料的損傷演化過程，拍攝幀頻為7.9×10～1.4×10s。

圖3 試驗布局示意圖及靶體固定照片Fig. 3 Schematic of EOI test set up and target fixation

1.3 試驗結果

表3 為試驗參數及彈體破碎情況，圖4 為高速攝影機拍攝的3 種材料（材料參數見表2）在破片沖擊下典型的破壞過程。從高速攝影結果來看，破片穩(wěn)定撞擊到靶體的側邊中心位置，如圖4 所示。通過回收撞擊后的破片，發(fā)現當破片正撞擊玻璃材料時，未發(fā)生破碎現象；當破片正撞擊YAG 透明陶瓷及鎂鋁尖晶石透明陶瓷的試樣邊緣時，破片均會發(fā)生破碎情況。這是由于透明陶瓷材料的抗壓強度大于浮法玻璃的抗壓強度所導致的。由圖4 還可以看出，由于裂紋在不同材料中的傳播速度有所不同，導致3 種材料從開始受到沖擊到完全破碎經歷的時間存在差異。其中普通浮法玻璃在約100 μs 完成裂紋擴展，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在約60 μs 完成裂紋擴展。3 種材料受到破片撞擊后，均會在接觸區(qū)域產生粉碎區(qū)（高速攝影畫面中破片周圍的的白色高亮區(qū)域）。高速撞擊使陶瓷產生大量粉末并向破片四周飛散。隨著時間的增加，3 種靶體的主裂紋擴展速度均大于粉碎區(qū)的擴展速度，而環(huán)形的粉碎區(qū)在某一時刻后不再向外擴展。當主裂紋擴展到靶體邊緣后，靶體的破壞過程結束。

圖4 三種材料在破片沖擊下的破壞過程Fig. 4 Damage process of three transparent materials impacted by the tungsten carbide fragments

表3 試驗參數及彈體破碎情況Table 3 Test parameters and fragmentation of the projectile

圖5 為碳化鎢破片以不同速度撞擊鎂鋁尖晶石透明陶瓷過程中的破碎情況，其破碎程度隨著撞擊速度的提高而增大。這與包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復合靶中破片均未發(fā)生破碎的現象存在明顯不同。這是由于陶瓷在破片撞擊方向上厚度的增加導致試樣整體剛度增強，進而使破片在沖擊過程中發(fā)生破碎現象。

圖5 碳化鎢破片以不同速度撞擊鎂鋁尖晶石透明陶瓷的破碎情況Fig. 5 Fragmentation of tungsten carbide fragments impacting MgAl2O3 transparent ceramics with different impact velocities

試驗后3 種靶體的破碎結果如圖6 所示，結合高速攝影及回收后的試樣碎片，發(fā)現浮法玻璃相較于透明陶瓷的粉碎程度更大，且玻璃的斷裂面相較于透明陶瓷顆粒感更加明顯。這說明由于不同材料的細觀結構不同，導致破環(huán)特征存在差異。

圖6 回收試樣Fig. 6 Recovered samples

1.4 數據分析

通過高速攝影捕獲的畫面，確定各時刻材料的粉碎區(qū)面積（）與裂紋擴展距離，如圖7 所示。選擇撞擊結束時所有主裂紋中擴展距離最長、擴展路徑最清晰的一條裂紋，將該裂紋的長度定義為主裂紋擴展距離（）。

圖7 粉碎區(qū)及主裂紋擴展距離Fig. 7 Crush zone and main crack propagation distance

圖8 為粉碎區(qū)面積隨時間的變化規(guī)律。其中YAG-1 與YAG-3 兩發(fā)試驗由于破片撞擊時著靶點未在邊緣正中心，導致彈體發(fā)生偏撞擊，兩者的粉碎區(qū)面積與正撞擊相比誤差較大，因此未將其列入粉碎區(qū)面積分析結果中。從圖8 可以看出，隨著時間的增加，粉碎區(qū)面積逐漸增大，且增大速度逐漸變緩。兩種透明陶瓷材料粉碎區(qū)趨于穩(wěn)定的時間均比浮法玻璃材料的短，表明兩種陶瓷材料相較于玻璃能夠更快地吸收破片的撞擊動能。對比3 種材料的最終粉碎區(qū)面積，發(fā)現浮法玻璃的最終粉碎區(qū)域最大，YAG 透明陶瓷次之，鎂鋁尖晶石透明陶瓷的最終粉碎區(qū)域最小。與彈丸侵徹陶瓷靶板情況類似，材料所承受的最大應力超過材料強度極限時，將導致粉碎區(qū)域的產生。圖9 為主裂紋擴展距離與時間的關系，將裂紋擴展距離擬合為過坐標原點的直線，可以發(fā)現，3 種材料的主裂紋擴展速度基本恒定，且擬合直線的斜率即為主裂紋的擴展速度。同樣由于YAG-1 試驗破片著靶點未在邊緣正中心，導致彈體發(fā)生偏折，因此其裂紋擴展速度較YAG-2、YAG-3 略有偏差。通過擬合可得，浮法玻璃、YAG 透明陶瓷、鎂鋁尖晶石透明陶瓷的裂紋擴展速度分別為1 428.0、1 999.3、2 090.8 m/s。由于主裂紋基本為Ⅰ型裂紋，其裂紋產生與材料的斷裂韌性密切相關。3 種材料斷裂韌性的差異導致主裂紋擴展速度不同。在200～300 m/s 撞擊速度范圍內，不同撞擊速度下，同種材料的主裂紋擴展速度并無顯著差異。這與Strassburger 等對SiC 陶瓷的EOI 試驗的研究結果類似。在較低的破片撞擊速度范圍內，SiC 陶瓷平均主裂紋傳播速度隨撞擊速度的提高出現較明顯的“平臺段”。

圖8 粉碎區(qū)面積隨撞擊時間的演化Fig. 8 Evolution of the crushing zone area with impact time

圖9 主裂紋擴展距離隨時間演化過程Fig. 9 Distance of the main crack propagation as a function of impact time

2 透明材料邊緣沖擊宏觀破壞特征分析

圖10 EOI 試驗中波以及裂紋擴展示意圖Fig. 10 Schematic of wave and crack propagation in a plate caused by EOI test

圖11 超白玻璃的球型破片EOI 試驗[5]Fig. 11 EOI test on starphire glass with steel sphere[5]

分別定義浮法玻璃與透明陶瓷破壞過程中的損傷特征。如圖12 所示，浮法玻璃在破片撞擊初始階段會產生環(huán)形的粉碎區(qū)，粉碎區(qū)前方伴有少量主裂紋，同時在粉碎區(qū)兩側會有十分明顯的次裂紋區(qū)域。隨著時間的增加，粉碎區(qū)不再延伸，主裂紋將繼續(xù)向外擴展直至試樣邊緣，整個沖擊破壞過程基本結束。浮法玻璃容易在主裂紋過于密集的地方形成新的粉碎區(qū)。同時，相較于透明陶瓷材料，其主裂紋斷裂面在擴展過程中往往會發(fā)生嚴重變向，導致斷裂面不再垂直于材料上表面，反映到高速攝影結果上為主裂紋變成一條白色高亮的“斷裂帶”。次裂紋區(qū)域的產生是由于破片撞擊玻璃邊緣時，在試樣表面產生的Rayleigh 波及橫向應力波共同作用導致的。通過對比不同撞擊速度下浮法玻璃中次裂紋區(qū)域的擴展情況，發(fā)現隨著破片撞擊速度的提升，次裂紋區(qū)域會逐漸擴大至試樣的上下邊緣，如圖13 所示。通過對沖擊過程中應力波的傳播進行分析，可以得到次裂紋區(qū)域尖端到破片撞擊初始點的距離的擴展速度，即為材料的橫波波速。對浮法玻璃的3 組高速攝影結果進行分析，得到浮法玻璃的次裂紋尖端擴展速度為3 372 m/s，浮法玻璃的橫波波速一般約為3 500 m/s，表明理論分析具有可靠性。

圖12 浮法玻璃(Glass-1)在EOI 試驗下的破壞特征Fig. 12 Failure characteristics of float glass (Glass-1) under EOI test

圖13 浮法玻璃（Glass-2）的次裂紋區(qū)域沿邊緣擴展Fig. 13 Secondary crack zone of float glass (Glass-2)extends along the edge with higher velocity

隨著撞擊過程的繼續(xù)，應力波在試樣中的傳播如圖14 所示，當傳播速度較快的縱波L 到達試樣的上下邊緣時會發(fā)生反射，產生拉伸縱波L。如圖15 所示，相較于浮法玻璃，透明陶瓷材料在受到破片撞擊的初始階段同樣會在撞擊點附近產生環(huán)狀的粉碎區(qū)域，環(huán)形粉碎區(qū)前方伴有主裂紋產生，且主裂紋并非呈直線擴展，而是發(fā)生“彎折”。該現象可能是由于陶瓷試樣上下表面的邊界效應所造成，具體的主裂紋“彎折”機理還需利用大尺寸靶體開展進一步研究。同時，在粉碎區(qū)兩側會出現較明顯的次裂紋擴展，這是由于陶瓷材料強度高于浮法玻璃，在較低的破片撞擊速度下，單純的Rayleigh 波及橫波并不能使陶瓷產生明顯的次裂紋區(qū)。當反射的拉伸縱波L與橫波T 相互疊加，如圖14 中的以及區(qū)域。2 種波疊加作用使得陶瓷邊緣產生次裂紋簇，而非三角形的次裂紋區(qū)域。與浮法玻璃的裂紋變向不同，透明陶瓷的主裂紋與次裂紋在傳播過程中極易在裂紋末端發(fā)生分叉現象，這種宏觀斷裂現象使陶瓷產生類似于破片沖擊試驗下的環(huán)向裂紋斷裂面與徑向裂紋斷裂面。從回收的試樣與高速攝影結果分析，相較于浮法玻璃，透明陶瓷材料試樣在粉碎區(qū)內均勻性破碎為小塊無規(guī)則的碎片。

圖14 EOI 試驗中縱波的反射Fig. 14 Reflecton of longitudinal waves in the EOI test

圖15 透明陶瓷(Spinel-1)在EOI 試驗下的破壞特征Fig. 15 Failure characteristics of transparent ceramics (Spinel-1) under EOI test

3 透明陶瓷材料邊緣沖擊細觀破壞特征分析

雖然兩種透明陶瓷材料在宏觀尺度上的破壞特征類似，但由于二者在晶格結構、制備工藝及微觀結構等方面存在較大差異，使兩種透明陶瓷反映到細觀尺度上的破壞有所不同。通過掃描電子顯微鏡對EOI 試驗后回收的陶瓷碎片進行細觀觀測，比較兩種透明陶瓷材料受破片沖擊后其細觀破壞特征的差異。選取陶瓷破碎過程中粉碎區(qū)內碎片的層裂裂紋斷面、粉碎區(qū)外碎片的徑向裂紋斷面及環(huán)向裂紋斷面進行細觀觀測，如圖16 所示。

圖16 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷中被測碎片的位置Fig. 16 Location of fragments in the MgAl2O3 spinel ceramics and YAG ceramics

圖17 為YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷裂紋斷面在細觀尺度上的典型特征，兩種透明陶瓷材料無論在徑向裂紋斷面、環(huán)向裂紋斷面及層裂裂紋斷面上均可以觀察到處的沿晶斷裂、處的穿晶斷裂以及處的滑移帶3 種典型斷裂特征。如圖18 所示，在EOI 試驗中，YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷在徑向裂紋斷裂面上均會從自由面邊緣的穿晶斷裂較多逐步向斷面中心過渡為沿晶和穿晶混合斷裂，在某些區(qū)域甚至會出現沿晶穿晶分界線。這與包闊等在破片沖擊YAG 透明陶瓷復合靶板中發(fā)現的規(guī)律類似。但是這種過渡在2 種材料的環(huán)向裂紋斷面上表現得并不明顯，環(huán)向裂紋斷面的大部分區(qū)域均為沿晶與穿晶混合斷裂的細觀特征。

圖17 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷斷面典型細觀特征Fig. 17 Typical fracture characteristics of cross-sections of MgAl2O3 spinel transparent ceramic and YAG transparent ceramic

圖18 YAG 透明陶瓷碎片（①）與鎂鋁尖晶石透明陶瓷（③）徑向及環(huán)向斷裂面上沿晶及穿晶變化Fig. 18 Intergranular with transgranular changes of YAG transparent ceramics (①) and MgAl2O3 spinel transparent ceramics (③)on the radial and ring fracture surfaces

無論在徑向裂紋斷裂面還是環(huán)向裂紋斷裂面上，YAG 透明陶瓷相較于鎂鋁尖晶石透明陶瓷均會產生晶體的“剝落”現象，反映在SEM 圖像上即為黑色的“凹坑”，如圖19～20 所示。這種晶體的“剝落”現象會隨著距破片撞擊位置距離的減小而逐漸增大，甚至產生聚集現象。這表明YAG 透明陶瓷的晶界結合力不及鎂鋁尖晶石透明陶瓷強。如圖21 所示，鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂中，往往會產生鋸齒狀的斷裂特征，對比 YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂則較平滑。對于兩種材料在穿晶斷裂特征上的區(qū)別，如圖21 所示，通過調整SEM 圖像的觀測倍數，發(fā)現鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂中，往往會產生鋸齒狀的斷裂特征，對比 YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂則較平滑。

圖19 鎂鋁尖晶石透明陶瓷穿晶斷裂Fig. 19 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics

圖20 YAG 透明陶瓷晶體“剝落”現象Fig. 20 Peeling-off phenomenon in YAG transparent ceramic crystal

圖21 鎂鋁尖晶石透明陶瓷與YAG 透明陶瓷的穿晶斷裂Fig. 21 Transgranular fracture in MgAl2O3 spinel transparent ceramics and YAG transparent ceramics

4 結 論

開展了球型碳化鎢破片在撞擊速度為200～300 m/s 范圍內浮法玻璃、YAG 透明陶瓷和鎂鋁尖晶石透明陶瓷的EOI 試驗。通過高速攝影獲得3 種材料的沖擊破壞及損傷演化過程，計算了3 種材料粉碎區(qū)面積、主裂紋擴展距離隨撞擊時間的變化規(guī)律；對比了浮法玻璃與透明陶瓷在宏觀破壞特性上的區(qū)別。對撞擊后的陶瓷碎片進行回收，通過掃描電鏡觀察了YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷徑向裂紋面、環(huán)向裂紋面及層裂裂紋面在細觀尺度上的破壞特征，得到如下主要結論。

（1）EOI 試驗中，浮法玻璃的粉碎區(qū)面積最大，其次為YAG 透明陶瓷，鎂鋁尖晶石透明陶瓷的粉碎區(qū)最小。3 種材料的主裂紋擴展速度為恒定值，且在200～300 m/s 破片撞擊速度范圍內，同種材料的主裂紋擴展速度與撞擊速度的關聯性不大。

（2）浮法玻璃與透明陶瓷在EOI 試驗中宏觀破壞特性存在明顯差異：浮法玻璃會在粉碎區(qū)兩端產生較明顯的三角形次裂紋區(qū)，其主裂紋會出現“變向”擴展。而透明陶瓷的主裂紋在傳播過程中有明顯的“分叉”現象，且會產生少量細長狀次裂紋簇。

（3）YAG 透明陶瓷與鎂鋁尖晶石透明陶瓷的徑向裂紋、環(huán)向裂紋及層裂裂紋斷面在細觀上會呈現不同的破壞特征，2 種材料徑向裂紋面上的沿晶與穿晶比例會隨著其距陶瓷自由面的遠近發(fā)生改變，由靠近自由面的沿晶斷裂逐漸變化為斷裂面中心的沿晶與穿晶混合分布。而在2 種材料的環(huán)向裂紋面的大部分區(qū)域上均為沿晶穿晶混合分布；同時YAG 透明陶瓷在沿晶斷裂區(qū)域會產生晶體“剝落”現象，而鎂鋁尖晶石透明陶瓷在穿晶斷裂面上呈現鋸齒狀的斷裂特征。