陶瓷-活性粉末混凝土复合靶抗侵彻试验研究

邹慧辉， 宋春明， 王德荣， 文德生

(陆军工程大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室， 南京 210007)

随着精确制导武器侵彻威力的不断增强，许多国家都致力于研究抵抗精确制导武器破坏效应的新材料、新结构[1]。多种新材料和复合结构[2-4]被研究应用到工程防护领域，有效提高了防护工程的抗侵彻能力。陶瓷材料具有高强度、高硬度、高耐磨性和密度低的特点[5]，被广泛的应用在坦克、飞机、舰船、装甲车辆等关键部位的防弹层上，装甲陶瓷的抗侵彻性能已成为研究热点。研究表明[6]，陶瓷作为装甲材料不仅在当前的弹速水平(<1.8 km/s)下可提供高效的抗侵彻能力，也可在未来的弹速水平(2.5～3.0 km/s甚至更高)下有相当的抗侵彻防护潜力。因此，将陶瓷材料应用到工程防护中有望进一步提高重要防护工程的抗侵彻能力。

陶瓷材料的主要缺点是脆性大，装甲防护领域往往采用延性好的材料与陶瓷组成复合结构形式来改善陶瓷的脆性，主要有装甲钢、铝合金、玻璃钢和纤维复合板等。孙素杰等[7]研究了相同厚度的钢、铝和玻璃钢背板支撑的氧化铝陶瓷的抗弹性能，结果表明背板材料的波阻抗越小，陶瓷面板的抗弹性能越好。另外，许多学者研究通过约束改善陶瓷的脆性。Sherman等[8]研究了约束对陶瓷抗弹性能的影响机制，表明：约束减小了陶瓷的径向裂纹，抑制了陶瓷锥的周向裂纹和碎裂，并且随横向约束程度的增加抗弹性能增加。张先锋等[9-10]的试验结果表明约束陶瓷使射流的侵彻深度降低了约30%。纤维陶瓷复合结构中高强纤维层对陶瓷同样有约束作用，王文俊[11]试验研究了陶瓷/纤维增强复合材料复合靶板的抗弹性能，认为面/背板间高粘结强度对提高抗弹性能具有重要作用。另外，陶瓷复合结构面板和背板的厚度设计，应满足防护性能要求的同时使结构重量最小。杜忠华等[12]基于小型穿甲弹垂直侵彻陶瓷/铝合金薄板动力响应理论模型，计算出给面板和背板的优化厚度配置，并通过试验加以验证。

由于工程防护结构中大多是混凝土结构，陶瓷材料必须通过与混凝土结构组成复合结构的形式加以应用，其抗侵彻特性有待重新评估，原有的防护结构设计和优化配置理论对陶瓷-混凝土复合结构可能也不再适用。但目前缺少针对陶瓷-混凝土组合靶体的抗侵彻试验与理论研究。陶瓷材料的强度极高，可首先考虑同高强度混凝土的复合。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)，是一种高强度、高韧性、低孔隙率的混凝土材料，抗侵彻能力达普通混凝土的3倍以上，是目前防护工程大力推广使用的工程材料之一[13-14]。本文设计了3块陶瓷-活性粉末混凝土复合靶体(简称FC-RPC靶体)，采用DOP(Depth of Penetration)侵彻试验研究了FC-RPC靶体的侵彻破坏规律，分析了陶瓷材料的抗侵彻性能，为其在防护工程的应用提供依据。

1 试验概况

1.1 弹体设计

试验弹体长490 mm，弹径为125 mm，长径比为3.92；弹体头部形状为正切卵形，弹头为实心，弹头长径比为1.28，CRH为1.89；弹体质量25.88 kg。弹体材料为35CrMnSiA，屈服强度为1 280 MPa。如图1所示。

1.2 靶体设计

本文共设计了3块FC-RPC靶体。FC-RPC靶体由陶瓷靶(简称FC靶)和RPC靶复合而成，为保证FC靶与RPC靶的固定效果，并消除结构间隙，使压缩波能在两种介质中透射，该复合靶体通过强力胶将FC靶粘贴于RPC靶体正表面，如图2所示。FC靶由Al2O3陶瓷片和玻璃纤维粘合而成，横向尺寸为2 m×2 m，厚度分别为16 cm、10 cm和6 cm。陶瓷材料Al2O3含量为95%，陶瓷材料的力学性能参数按相关国家标准测试，测试结果如表1所示。纤维布的抗拉强度为4 000 MPa。

图1 弹体图

(a) 纤维陶瓷板组成结构

(b) 试验靶体

密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa弯曲强度/MPa硬度/HB断裂韧性/(MN·m-3/2)375038143915004.81

RPC靶体可为FC面靶提供强力支撑，防止其发生因整体弯曲变形而产生拉伸断裂，保证FC靶抗侵彻性能的发挥。根据前期试验的研究成果，RPC的体积含纤率超过5%时，材料在现场施工时不能得到充分振捣与搅拌，其实际强度与韧度反而大幅下降。从施工应用出发，本系列试验均采用含纤率为5%的RPC靶体，且本文RPC的配合比与文献[13]中一致，力学性能参数相近。RPC靶体为直径1.6 m，长2 m的圆筒，为消除边界效应影响，靶板四周用3 mm厚的钢板箍紧。相对于弹体在靶体上的侵彻深度，RPC靶体较厚，可认为是无限厚度靶体。RPC的性能参数见表2。

1.3 发射与测试

侵彻试验在南京汤山某野外试靶场进行。试验系统包括125特制榴弹炮、网靶测速系统、高速摄影等。试验系统布局示意图如图3(a)所示。FC-RPC复合靶体距离榴弹炮出口约50 m处，在距离炮口40 m的位置安装2个断丝网靶。高速摄影位于榴弹炮侧面，用于记录弹体飞行过程和着靶过程。预计弹体着靶速度约为350～400 m/s。

表2 RPC材料性能参数

(a) 试验布置示意图

(b) 125特制榴弹炮

2 试验结果及其分析

2.1 侵彻试验结果

本次侵彻试验共进行了3炮，侵彻速度v=360～400 m/s，在定性分析破坏现象时可认为速度不变。图4为高速摄像机拍摄到的弹体飞行姿态，从图中可以看出试验弹体飞行的俯仰角较小，飞行姿态满足了正侵彻试验的要求，弹体的最终着靶姿态可认为是正侵彻。

图4 弹体飞行过程图像

表3给出了侵彻试验结果。对比表3中RPC靶的破坏情况可知，随着FC靶厚度的减小，弹体在RPC靶的侵彻深度增加，弹坑直径也增加。从表3可以看出，在试验速度下不同厚度的3块FC靶全部贯穿。对FC靶体而言，弹丸贯穿靶体过程中的能量消耗主要有三部分[15]，一是纤维层受到冲击产生拉伸变形，弹丸的小部分动能转化为纤维的弹性势能或断裂能；第二部分是着弹点范围内陶瓷材料受到高压应力和剪切力作用，介质被粉碎扩散和厚度方向冲切破坏消耗大部分能量；第三部分就是弹体自身的变形吸收能量。因此，可以从弹体和靶体两个方面来分析陶瓷复合靶的抗侵彻机理。

表3 侵彻试验结果

2.2 弹体破坏情况

图5给出了弹体(v=369 m/s)在侵彻后的破坏情况。从图5可知，弹体在侵彻后结构保持完整，弹体头部出现墩粗现象，并留有明显的磨蚀痕迹；弹体质量损失约为1.7%。弹头发生一定程度的墩粗钝化，表明FC靶对弹体产生了一定的侵蚀作用；但弹体质量损失较小，表明在低速侵彻过程中弹体的侵蚀作用还不十分明显。试验表明[16]，在低速(300～400 m/s)侵彻钢筋混凝土试验中弹体基本无破损和变形现象，可看作刚体。而在本试验中，由于陶瓷材料的高硬和高强特性使弹体头部均发生明显钝化，造成弹体侵彻效率显著下降，这表明FC-RPC复合结构中，FC靶仍能发挥其良好的抗侵彻性能，陶瓷-活性粉末混凝土复合结构具有较高的抗侵彻性能。

(b) 试验后弹体头部磨蚀情况

2.3 靶体破坏情况

弹体速度为397 m/s时侵彻1号靶体的破坏情况如图6所示。FC靶体在弹着点处局部破碎，部分陶瓷片喷出，靶体最终被贯穿；FC靶体贯穿后产生分层和脱层现象，整体有沿撞击方向的凸起变形(见图6(a))。这是由于该靶体在一定程度上能够协同变形，变形的同时靶板发生层间位移，最终导致分层。这种破坏形式的靶板能量吸收高，抗弹能力较好。文献[15]将纤维陶瓷靶板的破坏特征分为类：脆性分层型、变形凸起型、冲切贯穿型。对比可知，1号靶体的FC靶体破坏属于变形凸起型破坏。弹体贯穿16 cm厚的FC靶板后侵入到RPC靶体，RPC靶体除正面混凝土小面积剥落外整体保持完好(见图6(b))，剥落区域直径约为10 cm，侵彻深度约2 cm。

弹体速度为369 m/s时侵彻2号靶体的破坏情况如图7所示。FC靶体在弹着点局部破碎，陶瓷块喷出量较1号靶少，靶体被贯穿；FC靶体贯穿后并未发生类似于1号靶的分层和脱层现象，FC靶整体变形较小，吸能不高。2号 靶的FC靶破坏属于文献[15]描述的冲切贯穿型破坏。弹体贯穿10 cm厚FC靶板后侵入RPC靶体10 cm，并形成了一定深度的破坏空腔，靶体正面混凝土剥落区域直径较1号靶大大增加，约为36 cm，如图7(b)所示。

弹体速度为365 m/s时侵彻3号靶体的破坏情况如图8所示。FC靶体在弹着点处局部破碎，并被贯穿(见图8(a))，属于文献[15]描述的冲切贯穿型破坏。与前面两次试验相比，由于FC靶板较薄，消耗的弹体动能最小，弹体穿透FC靶板后对RPC靶体的破坏坑腔最深，剥落区域也最大。3号靶体的RPC靶最大侵彻深度为16 cm，剥落区域直径约为46 cm，破坏情况如图8(b)所示。

(a) 试验后FC靶破坏情况

(b) 试验后RPC靶破坏情况

(a) 试验后FC靶破坏情况

(b) 试验后RPC靶破坏情况

(a) 试验后FC靶破坏情况

(b) 试验后RPC靶破坏情况

2.4 复合靶体抗侵彻性能的影响因素

在弹体侵彻作用下，FC-RPC复合靶的抗侵彻性能与FC靶体的厚度、纤维层的约束作用、RPC背靶的支撑作用等多种因素有关。

(1) 不同于小口径弹侵彻单片陶瓷，在大口径弹侵彻FC靶过程中，应力波将在陶瓷片之间来回传播，靶体越厚靶体中的应力波经历的反射和透射次数也就越多，传播过程也更复杂，在传播过程中耗散的能量也增加。从试验中的FC靶体破坏情况可看出，随着FC靶体厚度的增加，靶体破坏性形式由冲切贯穿型转变为变形凸起型；FC靶体的耗能能力增加，FC-RPC复合靶的抗侵彻效果也增强。

(2) FC靶由单块陶瓷通过高强玻璃纤维复合而成，纤维层的主要作用之一是使FC靶在侵彻过程中能保持整体性。从FC靶的破坏情况可以看出，FC靶仅在弹着点附近出现局部破坏，而靶板整体并未破裂，表明纤维的约束作用较为明显，通过玻璃纤维粘结在一起的陶瓷片不会整体散碎，陶瓷靶的整体性能达到了预期的效果。当弹体攻击FC-RPC复合靶时，首先由于陶瓷的高强、高硬和耐高温作用使攻击弹头软化、钝化，然后陶瓷层被粉碎；由于纤维层增强了陶瓷层的整体性，并有效增大了陶瓷碎片的冲击面积，同时抑制陶瓷碎片和粉末的横向和反冲击方向流动，进而提高了复合靶的抗侵彻性能。

(3) RPC靶体的作用主要有两个：提供足够的支撑刚度，保证整体性能；透射压缩波，防止FC靶产生层裂。从FC靶体的破坏情况可以看出，FC靶没有出现整体的弯曲破坏，表明在FC靶和RPC靶粘结良好的情况下，RPC靶能够提供强有力的支撑，FC靶板的抗侵彻能力得以有效发挥。另外，当压缩应力波由波阻抗高的介质传入波阻抗低的介质时，会在两种介质的截面处产生反射和透射波；文献[7]的研究认为背板材料的波阻抗越小，陶瓷面板的抗弹性能越好。RPC靶的波阻抗小于FC靶的波阻抗，有利于FC靶的抗侵彻性能。

3 复合靶的抗侵彻性能分析

试验采用剩余侵彻深度测量的方法，也称DOP方法。当弹体以一定速度撞击到复合靶体时，弹体首先穿透陶瓷板，接着侵彻后面的RPC靶，通过对弹体在RPC靶中侵彻深度的测量，来评价FC靶的抗侵彻能力。因此，明确RPC靶的抗侵彻性能是应用DOP方法的前提。由于陶瓷材料主要用于坦克装甲等装甲防护领域，其抗弹性能主要由质量防护系数和差分防护系数等指标来评价[17]，而工程防护中的混凝土、岩土类材料主要由侵彻系数等指标来评价。但目前工程防护领域缺乏针对陶瓷材料的侵彻深度计算公式，因此，本文主要采用我国规范中的侵彻深度计算公式初步定性分析陶瓷材料的抗侵彻性能。

3.1 RPC的抗侵彻性能

RPC是一种高强度、高韧性、低孔隙率的混凝土材料，抗侵彻能力约为普通混凝土的3倍以上。前期已对含纤率为5%的RPC靶体开展了半穿甲弹侵彻试验，共进行10次不同速度的侵彻试验，得出了在弹速为300～600 m/s情况下，RPC抗侵彻能力是C40混凝土3倍的结论。规范中采用修正的BLZ(别列赞)公式对弹体侵彻混凝土、岩土等工程防护材料的深度进行计算，BLZ公式的基本假设是：阻力大小与弹的横截面积成正比，与侵彻深度成正比，即阻力定律为：F=K1d2v。我国根据大量实弹试验和数据综合分析，在BLZ公式的基础上给出了修正的BLZ公式。在正侵彻条件下，修正的BLZ公式为

(1)

式中:hq为侵彻深度；λ1为弹形系数；λ2为弹径系数；m为弹体质量；d为弹体直径；v为弹体速度；Kq为介质材料侵彻系数。

式(1)的建议应用范围为：弹速20～1 000 m/s。并认为，对于特定的混凝土靶体介质，在给定的应用范围内，修正的BLZ公式对特定的介质计算结果是比较精确的；而对高强靶体介质，公式中的系数需要修正。本文将采用式(1)作为初步确定RPC材料抗侵彻性能的依据。

利用最小二乘法将文献[13]中的试验数据采用式(1)的形式进行拟合。经过计算分析，得到RPC材料的侵彻系数Kqr为3.6×10-7，可为FC-RPC靶体的侵彻试验提供计算依据。规范中骨料强度80 MPa的C40混凝土侵彻系数Kq为10.0×10-7，则RPC的抗侵彻能力约为C40混凝土的2.8倍。图9中的直线即为数据拟合得到的结果。

图9 RPC靶体侵彻实验数据

3.2 FC靶的抗侵彻性能

为评价FC靶的抗侵彻能力，可按DOP试验原理，首先利用上节得到的RPC材料的侵彻系数，计算试验速度下弹体侵彻纯RPC靶的侵彻深度h2，减去试验DOP值，即可得到FC靶的等效厚度he1。将该等效厚度与陶瓷靶的实际厚度相比，该比值即认为是两种材料的侵彻系数之比。因此，FC靶的侵彻系数可按式(2)计算。计算结果如表4所示。

(2)

式中:Kqr为RPC的侵彻系数，为3.6×10-7；h1为FC板的厚度；he1为RPC靶的等效厚度，等于计算深度h2和试验侵彻深度之差hq2，即he1=h2-hq2。

表4 侵彻系数计算结果

由表4可得FC靶的侵彻系数为2.04×10-7，约为骨料强度80 MPa的C40混凝土的4.9倍。这表明陶瓷材料是一种侵彻性能优良的新型防护材料，和RPC组合可大幅度提高靶体的抗侵彻能力。

3.3 FC-RPC靶的抗侵彻性能

陶瓷装甲防护领域通常采用质量防护因数和差分

防护因数来分析复合靶的抗弹性能，文献[4]成功引用了差分防护系数来评价钢纤维混凝土-装甲钢复合靶的抗侵彻性能。为进一步定量分析FC靶厚度对复合靶抗侵彻性能的影响，本文也引入质量防护因数和差分防护因数来评价试验工况中各FC-RPC复合靶的抗侵彻性能，表达式分别为

(3)

(4)

式中：ρr为RPC的密度；ρc为陶瓷的密度；h2为RPC靶的基准穿深；h1为FC靶的厚度；hq2为RPC靶的试验侵彻深度。

表5 质量防护因数和差分防护因数计算结果

表5的计算结果表明，随着FC靶厚度的增加，FC-RPC靶的质量防护因数提高。这是由于质量防护系数侧重于描述复合靶整体的抗弹性能，而FC材料的抗弹性能优于RPC材料的抗弹性能，因此FC靶厚度越大，FC-RPC靶的整体抗弹性能就越强。但工程防护中介质材料的质量因素相对于材料的抗侵彻性能处于次要地位，因此侧重于描述FC靶的抗弹性能的差分防护因数更适用于评价FC材料的抗侵彻性能。差分防护因数的计算结果表明，随着FC靶厚度的增加，差分防护因数减小，但相差不大；这与表4中得到的侵彻系数随FC靶厚度的规律是一致的。这也说明本文中得出的FC靶的侵彻系数具有一定的合理性。

4 结 论

本文利用直径125 mm的特制弹体对设计的FC-RPC复合靶进行低速侵彻试验，主要分析了试验后弹体和靶体的变形和破坏情况，得到以下结论：

(1) 陶瓷材料可以以FC-RPC复合结构的形式应用到防护工程中，且试验结果表明FC-RPC复合结构具有良好的抗侵彻性能。

(2) FC靶的厚度、纤维层的约束作用和RPC靶的支撑作用是影响FC-RPC复合靶抗侵彻性能的关键因素。

(3) 采用修正的BLZ公式对侵彻深度进行了初步分析，本次试验所用陶瓷材料的抗侵彻能力约是普通C40混凝土的4.9倍，同时采用差分防护因数计算论证了侵彻系数合理性，可为防护工程设计提供依据。