周 楠,朱景偉,夏冰寒,唐 奎

(1.南京森林警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 南京 210023；2.南京森林警察學(xué)院特警學(xué)院， 南京 210023；3.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司， 重慶 402760；4.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210094)

1 引言

夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)材料一般是由夾芯層、面板和背板組成的多層復(fù)合材料，夾芯層通常選用低密度且具有吸波、吸能、降噪、減震、耐熱等功能性材料，如具有優(yōu)異吸能特性的泡沫材料、蜂窩材料和金屬點(diǎn)陣材料等，面板和背板起到提高結(jié)構(gòu)整體性和強(qiáng)度的作用。由于夾芯復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高以及功能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于沖擊吸能、結(jié)構(gòu)防護(hù)以及公共安全領(lǐng)域中有限空間內(nèi)爆炸物的安全防范等。

在輕質(zhì)防護(hù)領(lǐng)域中，泡沫金屬和纖維復(fù)合材料作為輕質(zhì)高效防護(hù)材料的代表，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注[1-3]。泡沫金屬作為一種含有無序微結(jié)構(gòu)的高孔隙率、低密度的超輕多孔金屬材料，具有承載、傳熱、降噪、電磁屏蔽、減振、吸能等多功能特性[4]，特別是其在動(dòng)態(tài)載荷下表現(xiàn)出應(yīng)力平臺(tái)效應(yīng)，能吸收大量壓縮能量，從而具備優(yōu)良的緩沖吸能性能[5]；纖維復(fù)合材料因其具有比強(qiáng)度和比模量大、重量輕、可設(shè)計(jì)性好和動(dòng)能吸收性好以及無“二次殺傷效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器工業(yè)、交通運(yùn)輸和工程防護(hù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域[6-8]。作為上述兩類材料的代表，泡沫鋁和超高分子量聚乙烯纖維(ultra high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE纖維)因其自身優(yōu)異的物理和力學(xué)性能[9-11]，已被廣泛應(yīng)用于防護(hù)領(lǐng)域中，針對(duì)二者的材料制備[12-13]、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[14-15]、失效機(jī)理[16]、防護(hù)性能及其影響因素[17-19]也開展了大量的研究工作。

本文以含泡沫鋁/UHMWPE纖維夾芯復(fù)合靶板為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在警用制式彈侵徹下的防護(hù)性能及破壞模式。分別采用77式和92式警用手槍開展彈道侵徹試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，討論靶板組合方式和纖維密度對(duì)其防護(hù)性能和破壞模式的影響，并基于能量守恒原理評(píng)價(jià)其防護(hù)性能；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)該復(fù)合結(jié)構(gòu)材料防護(hù)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 復(fù)合靶板的制備

本試驗(yàn)所研究復(fù)合靶板是以泡沫鋁/UHM-WPE纖維作為夾芯層，鋁板作為面板和背板，各層材料間使用環(huán)氧樹脂膠粘制備而成。試驗(yàn)所用泡沫鋁為閉孔泡沫鋁板，其尺寸為300 mm(長(zhǎng))×140 mm(寬)×20 mm(厚)，密度為0.70 g/cm3。UHMWPE纖維選用面密度為130 g/m2(記為SM-13)和240 g/m2(記為SM-24)2種規(guī)格，組合方式分為“鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板”(記為T-A)和“鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板”(記為T-B)兩類。在復(fù)合靶板面密度相當(dāng)?shù)那闆r下，重點(diǎn)考慮靶板組合方式和纖維密度的影響，本文共制備4組靶板，其規(guī)格均為300 mm(長(zhǎng))×140 mm(寬)，所制備靶板實(shí)物如圖1所示，靶板組合參數(shù)見表1。其中，靶板T1與T2、T3與T4主要是分析靶板組合方式的影響；T1與T3、T2與T4主要是分析纖維密度的影響。

圖1 試驗(yàn)制備不同組合靶板實(shí)物圖

表1 靶板組合參數(shù)

2.2 侵徹試驗(yàn)

分別采用77式(口徑7.62 mm，彈頭質(zhì)量4.67 g)和92式(口徑9 mm，彈頭質(zhì)量7.74 g)警用手槍開展系列侵徹試驗(yàn)，入射角θ(即子彈前進(jìn)方向與靶板法線方向間的夾角)設(shè)置為0°和45°，采用專用夾具將復(fù)合靶板固定在靶架上，通過移動(dòng)靶架調(diào)節(jié)靶板與擊發(fā)點(diǎn)的位置關(guān)系，以便對(duì)同一靶板進(jìn)行多次侵徹試驗(yàn)。子彈入射速度由高速攝影記錄并計(jì)算而得，子彈貫穿靶板后的殘余速度由在靶后設(shè)置的錫箔靶進(jìn)行測(cè)量，錫箔靶間距為0.24 m，擊發(fā)點(diǎn)與靶板間距離為5 m。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示，子彈如圖3所示。需要指出的是，因?yàn)槭侵剖綐屩Оl(fā)射制式子彈，其初速基本穩(wěn)定，無法通過調(diào)節(jié)初速改變動(dòng)能，所以本文采用2種槍支主要是考慮子彈能夠以不同的初始動(dòng)能侵徹靶板，進(jìn)而從能量守恒的角度評(píng)估靶板的防護(hù)性能，未再考慮彈頭形狀的影響。

圖2 侵徹試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖

圖3 警用槍制式子彈實(shí)物圖

3 復(fù)合靶板破壞模式分析

3.1 鋁板破壞模式

為研究復(fù)合靶板在子彈侵徹下的破壞模式，圖4和圖5分別給出了子彈以0°和45°入射角侵徹時(shí)鋁面板和鋁背板的破壞模式。對(duì)于鋁面板而言，從圖4中可以看出，在子彈的垂直侵徹下(即入射角θ=0°)，鋁面板入射面[圖4(a)]沿子彈周向形成明顯的凹陷變形，結(jié)合鋁板出射面[圖4(b)]形態(tài)可以看出，鋁面板主要發(fā)生延性拉伸變形，材料端口較規(guī)整，未發(fā)生明顯的徑向撕裂破壞；類似的，當(dāng)子彈以45°入射角斜侵徹鋁面板時(shí)，如圖4(c)和(d)所示，鋁板材料亦發(fā)生延性拉伸變形，與垂直侵徹狀態(tài)不同的是，沿著子彈斜入射的方向，入射面形成的彈孔面積更大，材料的延性變形也更加明顯，主要集中于子彈前進(jìn)的方向上。所以，在子彈的侵徹下，無論是正侵徹還是斜侵徹，鋁面板均發(fā)生明顯的延性拉伸變形，此時(shí)主要是材料的拉伸失效消耗子彈動(dòng)能。

圖4 靶板T1中鋁面板破壞模式形態(tài)圖

對(duì)于鋁背板的破壞模式而言，相較于鋁面板，最顯著的差異是鋁背板的出射面在子彈的侵徹作用下發(fā)生明顯的徑向撕裂破壞，形成較明顯的花瓣?duì)钇茐奶卣鳌膱D5(a)和(b)可以看出，在子彈的垂直侵徹作用下，鋁背板先產(chǎn)生范圍大于子彈半徑的整體凹陷變形，隨著侵徹的繼續(xù)，鋁板在子彈徑向上發(fā)生撕裂破壞。圖5(a)給出了鋁板未被完全貫穿時(shí)的臨界狀態(tài)，隨著子彈入射速度的提高，鋁板被完全貫穿，如圖5(b)所示，徑向撕裂破壞更加明顯，此時(shí)鋁背板形成典型的花瓣?duì)钇茐哪Ｊ健D5(c)和(d)給出了子彈以45°入射角侵徹下鋁背板的破壞模式，類似的是，鋁背板在沿著子彈徑向方向上形成明顯的撕裂破壞；不同的是，在子彈斜侵徹的前進(jìn)方向上，鋁背板形成面積較大的撕裂破壞，未形成典型的花瓣?duì)钇茐模@主要是因?yàn)樾鼻謴叵聫棸薪佑|作用面積增大、應(yīng)力分配不均所致。通過上述分析可以看出，鋁背板的整體大變形、徑向撕裂破壞以及花瓣?duì)钇茐牡男纬芍饕怯捎诎宀暮蟛繘]有約束所致，這也是鋁背板出射面的破壞模式明顯異于鋁面板出射面的主要原因。

圖5 鋁背板出射面破壞模式形態(tài)圖

3.2 夾芯層破壞模式

針對(duì)本文制備的含泡沫鋁/UHMWPE纖維夾芯復(fù)合靶板，其在子彈侵徹下發(fā)揮抗彈作用的主要是鋁板和UHMWPE纖維層，其中纖維層的作用更為突出。圖6給出了膠粘纖維層在子彈以不同入射角侵徹下的破壞模式。對(duì)于纖維類織物材料而言，其抗拉性能最為突出，在防護(hù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也主要是利用其優(yōu)異的抗拉性能。從圖中可以看出，在子彈的侵徹作用下，纖維均呈現(xiàn)出典型的拉伸斷裂破壞模式。圖6(a)給出了子彈垂直侵徹下纖維層臨界破壞狀態(tài)，可以看出，彈孔附近的纖維發(fā)生明顯的拉伸變形，斷裂不明顯，子彈頭部直接作用的局部纖維在彈頭壓應(yīng)力的持續(xù)作用下，不斷受拉變形，最終發(fā)生了拉伸斷裂，但未完全貫穿；隨著子彈入射速度的提高，纖維層被完全貫穿，典型的拉伸斷裂形貌如圖6(b)所示，可以看出，彈孔中心處的纖維斷裂并外翻，形成類似于鋁背板的延性拉伸破壞，體現(xiàn)了彈道破壞的一致性，在纖維破壞過渡區(qū)(即纖維完全斷裂與未明顯變形間區(qū)域)，經(jīng)向纖維與緯向纖維間的約束失效，發(fā)生纖維間的滑移，消耗部分子彈侵徹動(dòng)能；當(dāng)子彈以45°入射角斜侵徹纖維時(shí)，子彈前進(jìn)方向上的纖維發(fā)生更加顯著的拉伸斷裂，過渡區(qū)纖維間的滑移失效也更加集中，如圖6(c)所示，這也與鋁背板在子彈斜侵徹下的失效模式呈現(xiàn)出高度的一致性。

圖6 UHMWPE纖維層破壞模式形態(tài)圖

通過上述分析可以看出，纖維織物由于組織結(jié)構(gòu)的多樣性和多層次性，在子彈的侵徹作用下，常產(chǎn)生纖維整體變形、組織結(jié)構(gòu)變形、紗線和纖維斷裂、紗線間的滑移以及纖維間的滑移等[20]，進(jìn)而消耗子彈的侵徹動(dòng)能。需要指出的是，在本文制備的纖維夾芯層中，最多含有20層纖維織物，各層間采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行膠黏，所以，在子彈的侵徹作用下，纖維層間的膠黏也會(huì)發(fā)生脫膠失效，失效模式如圖7所示，層間結(jié)合的失效也將消耗子彈的侵徹動(dòng)能。

圖7 纖維層層間失效模式形態(tài)圖Fig.7 Failure mode of fiber layer interlayer

對(duì)于夾芯層中的泡沫鋁材料而言，其特點(diǎn)是通過自身多孔結(jié)構(gòu)的壓實(shí)變形來吸收壓縮應(yīng)力波，常作為爆炸沖擊波吸能材料使用。而在彈道侵徹過程中，由于彈著點(diǎn)作用集中，彈孔附近泡沫鋁材料的壓縮變形并不明顯，主要是彈道方向上的材料在子彈的侵徹作用下發(fā)生擊潰碎裂，見圖8，此部分材料失效對(duì)子彈動(dòng)能的消耗有限。需要指出的是，在子彈作用于纖維層的過程中，泡沫鋁可在一定程度上吸收結(jié)構(gòu)整體變形的應(yīng)變能，但隨著侵徹速度的提高，此部分耗能機(jī)理的貢獻(xiàn)度需進(jìn)一步分析。

圖8 泡沫鋁失效模式形態(tài)圖Fig.8 Failure mode of foamed aluminum

4 復(fù)合靶板防護(hù)性能分析

在本文所開展的彈道試驗(yàn)中，由于采用警用制式槍擊發(fā)制式子彈，當(dāng)射擊距離一定時(shí)，子彈入射速度波動(dòng)不大，所以無法采用彈道極限速度法評(píng)價(jià)靶板的防護(hù)性能。因此，本文通過計(jì)算子彈動(dòng)能的損耗值(即靶板的吸能)來評(píng)價(jià)靶板的防護(hù)性能，針對(duì)每種組合靶板進(jìn)行3～5發(fā)射擊，以獲得子彈有效的靶前、靶后速度。需要指出的是，對(duì)于同一類型槍支而言，當(dāng)垂直侵徹未貫穿靶板時(shí)，則不再進(jìn)行斜入射工況下的定量研究。

4.1 靶板組合方式的影響

本文共制備了“鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板”(記為T-A)和“鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板”(記為T-B)兩大類組合靶板，對(duì)于“T-B”組合靶板而言，存在子彈由纖維層入射(記為T-B-1)和由泡沫鋁層入射(記為T-B-2)2種情況，后續(xù)將加以區(qū)分討論。

表2給出了4種組合靶板(6種工況)典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于T1組合靶板，在77式手槍子彈的垂直侵徹下出現(xiàn)了臨界(V0=307.5 m/s)和穿透(V0=328.0 m/s)狀態(tài)，當(dāng)子彈以45°入射角侵徹靶板時(shí)未穿透(V0=358.8 m/s)，而換用初始動(dòng)能更高的92式手槍子彈以45°入射角侵徹靶板時(shí)則完全貫穿(V0=410.0 m/s)，所以說，T1組合靶板無法實(shí)現(xiàn)對(duì)92式手槍的防護(hù)，但可較大概率實(shí)現(xiàn)對(duì)77式手槍的防護(hù)。一般情況下，對(duì)于同一彈靶系統(tǒng)，相同速度的子彈在垂直侵徹狀態(tài)下具有更高的動(dòng)能，所以當(dāng)子彈在斜侵徹狀態(tài)下可完全貫穿靶板時(shí)，則認(rèn)為其在垂直狀態(tài)下亦可完全貫穿靶板，基于此，本文主要采用子彈穿透靶板過程中所消耗的動(dòng)能來評(píng)價(jià)靶板的防護(hù)性能。

表2 彈道侵徹試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9為垂直侵徹下3種不同作用工況下組合靶板對(duì)子彈動(dòng)能吸收平均值的直方圖，需要指出的是，這里忽略了彈頭形狀的影響。從圖中可以看出，“T-B”組合靶板對(duì)子彈動(dòng)能吸收值的平均值高于“T-A”組合靶板，平均提高了36.1%，也就是說，相較于纖維層前后各10層的分別設(shè)置，纖維層的集中設(shè)置(共20層)更有利于復(fù)合靶板吸能效率的提高；而對(duì)于“T-B”組合靶板而言，“T-B-1”組合靶板(即子彈由纖維層入射)對(duì)子彈動(dòng)能吸收值的平均值相較于“T-B-2”組合靶板(即子彈由泡沫鋁層入射)提高了5.6%，也就是說，子彈先作用于纖維層更有利于靶板對(duì)子彈動(dòng)能吸收率的提高。這主要是因?yàn)樵谒苽涞呐菽X/UHMWPE纖維夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)中，對(duì)子彈侵徹起到主要防護(hù)作用的是UHMWPE纖維，其優(yōu)異的抗拉性能能夠顯著吸收子彈動(dòng)能，同時(shí)，纖維層的集中而非分層設(shè)計(jì)更有利于子彈侵徹動(dòng)能的耗散，這主要得益于后部纖維層對(duì)前部準(zhǔn)失效纖維材料的整體支撐作用，這使得在增強(qiáng)子彈作用方向上纖維層的抗拉作用的同時(shí)，也能夠通過層間失效和整體變形消耗子彈更多的動(dòng)能，進(jìn)而提高自身的抗彈性能。此外，泡沫鋁因其多孔特性，胞壁結(jié)構(gòu)在子彈侵徹集中載荷的作用下，迅速壓潰失效，對(duì)子彈動(dòng)能消耗有限，所以將其置于纖維層后方用以吸收纖維層整體變形耗能更有利于復(fù)合結(jié)構(gòu)整體防護(hù)性能的提升，此時(shí)能夠更好地發(fā)揮其對(duì)面載荷的吸能特性。綜上所述，在3種不同組合靶板中，“T-B-1”組合靶板具有最佳的防護(hù)性能。

圖9 不同組合靶板動(dòng)能吸收平均值直方圖

4.2 纖維密度的影響

當(dāng)復(fù)合靶板的組合方式一定時(shí)，進(jìn)一步討論纖維面密度對(duì)復(fù)合靶板防護(hù)性能的影響。如表1所示，靶板T3、T4相較于T1、T2主要是改用面密度更大的纖維材料，即纖維面密度由130 g/m2(SM-13)提高到240 g/m2(SM-24)，但靶板密度總體變化不大。圖10為3種不同作用工況下改變纖維面密度時(shí)靶板吸能平均值的直方圖，從圖中可以看出，對(duì)于3種工況而言，纖維密度的提高均有利于靶板吸能的提高，平均提高了15.9%；其中，對(duì)于“T-A”組合靶板，纖維面密度的提高對(duì)靶板吸能的影響最為顯著，相較于低密度纖維靶板提高了31.5%。所以，纖維密度的提高有利于復(fù)合靶板防護(hù)性能的增強(qiáng)，而且對(duì)于不同組合方式靶板的貢獻(xiàn)度不同。

圖10 纖維密度對(duì)靶板吸能特性的影響直方圖

5 結(jié)論

1) 在子彈的侵徹作用下，無論是正侵徹還是斜侵徹，鋁面板均發(fā)生明顯的延性破壞，鋁背板主要發(fā)生整體大變形、徑向撕裂及花瓣?duì)钇茐?；與垂直侵徹不同的是，沿著子彈斜入射的方向，入射面形成的彈孔面積更大，且靠近子彈一側(cè)的鋁板發(fā)生更明顯的凹陷變形，出射面材料的延性變形更明顯，集中于子彈前進(jìn)方向，主要由于板材后部沒有約束。

2) 對(duì)于夾芯層材料而言，在子彈的侵徹下，纖維以拉伸斷裂破壞為主，同時(shí)纖維層間發(fā)生局部脫膠失效；對(duì)于泡沫鋁材料，由于彈著點(diǎn)作用區(qū)域的集中性，彈道方向上的泡沫鋁材料發(fā)生擊潰碎裂。

3) 復(fù)合靶板面密度一定時(shí)，靶板組合方式對(duì)防護(hù)性能的影響最明顯，鋁面板-纖維-泡沫鋁-鋁背板組合靶板的防護(hù)性能優(yōu)于鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板組合靶板，前者對(duì)子彈侵徹動(dòng)能吸收值較后者平均提高36.1%；其中，子彈由纖維層入射的防護(hù)性能又優(yōu)于子彈由泡沫鋁層入射。

4) 靶板組合方式一定時(shí)，纖維密度的增大有利于復(fù)合靶板防護(hù)性能的提高，而不同組合靶板的貢獻(xiàn)度不同。在3種組合靶板中，纖維密度的提高對(duì)鋁面板-纖維-泡沫鋁-纖維-鋁背板組合靶板吸能的影響最為顯著，較低密度纖維靶板提高31.5%。

5) 泡沫鋁開/閉孔結(jié)構(gòu)及其密度、纖維層數(shù)和面密度以及膠黏強(qiáng)度和用膠量等因素均影響著復(fù)合靶板的防護(hù)性能，后續(xù)在靶板面密度一定的情況下提高防護(hù)性能的研究中，將重點(diǎn)考慮多因素優(yōu)化設(shè)計(jì)。