钢包覆式活性破片侵彻双层铝靶的行为特性研究

彭 军，李彪彪，袁宝慧，孙兴昀，杨 青

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

活性破片是一种具有冲击引发反应释能特性的含能毁伤元，与传统惰性破片不同，活性破片在撞击目标时会迅速产生燃烧或爆炸效应，所形成的局域冲击波或准静态压力能够显著提升弹药战斗部的毁伤威力，活性破片侵爆特性研究是目前高效毁伤技术领域的研究热点[1-5]。

活性破片的力学性能、冲击反应能量释放特性、毁伤效应、冲击反应机理等是科研人员关心的重点，已开展了广泛研究。肖艳文[6]、J.Cai[7]研究了柱形活性破片的静态力学性能，获得了配方组分、力学强度及性能之间的关系，分析了其力学失效机理；Xu F[8]等分别研究了活性破片在密闭空间及撞击铝板的反应和能量释放特性；肖艳文[9]、Sorensen B[10]研究了活性破片对铝靶的毁伤效应；Xu F[8]、Feng Bin[11]基于实验，分析了活性材料在不同条件下的反应机理。这些研究成果主要是基于直接用活性材料制备的“裸”活性破片而开展的，这种“裸”活性破片力学强度只有几十兆帕，不能满足杀伤战斗部炸药爆轰加载所需强度要求。文献[10]虽然也采用了金属外壳包覆活性材料的结构，但其结构相对简单，整体结构强度低，仍不能满足杀伤战斗部炸药爆轰加载时复杂力学环境所需强度要求，其目的仅是为了满足侵彻强度或发射过载强度，而且也未开展毁伤效应或冲击点火机理的研究。钢包裹活性材料制成的钢包覆式活性破片比“裸”活性破片或简单包覆式活性破片具有更高的强度和安定性，部分战斗部静爆实验结果表明[12]，该破片能够满足爆轰驱动后完好且冲击目标后反应释能的要求，在杀伤战斗部中具有良好的应用前景。

本研究利用弹道枪实验系统，研究钢包覆活性破片、钢惰性破片对双层铝靶的侵彻特性，以期获得两型破片毁伤效应的差异和活性破片产生毁伤增强效应的条件，进而分析活性破片毁伤增强效应的机理，为活性破片杀伤战斗部设计提供参考。

1 弹道实验

1.1 实验样品

包覆式活性破片采用外层钢壳体包裹内层活性材料的结构，经活性材料制备、模压成型[6]和封装过程制备而成，实验样品如图1所示。包覆式活性破片质量约10g，外径12mm，高度12mm。其中内层活性材料采用金属/聚合物体系，由Al/PTFE/W/其他活性金属组成，外径9mm，高度9mm，密度与钢相同，质量约4.4g。外层钢壳采用韧性较好的低碳钢材料制成，质量约5.6g。惰性破片为同质量、同尺寸低碳钢破片。

实验靶板采用尺寸200mm×200mm、厚度3mm、材料为2A12铝的前后双层间隔铝靶，前靶板与后靶板之间的距离为200mm。

图1 活性破片试样及双层铝靶Fig.1 The reactive fragments and double-layer-aluminum target

1.2 实验装置

实验装置由14.5mm弹道枪、弹托、破片、测速网靶、双层间隔铝靶、反光镜和高速摄影组成，示意图如图2所示。通过调整弹道枪发射药量控制破片发射速度，利用测速网靶系统测量结果计算得到破片的着靶速度。

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

1.3 实验工况

实验破片着靶速度范围为500～1400m/s，共进行25发有效实验。其中惰性钢破片进行8发实验，速度步长约150m/s，每种速度获得1发有效数据；活性破片进行17发实验，速度步长约100m/s，每种速度附近获得2发有效数据。

活性破片冲击引发化学反应将形成冲击波和热等多种毁伤效应。因此，本研究在实验后利用游标卡尺或图像处理软件测量的靶板穿孔直径或面积、靶板侧面隆起高度等数据作为表征其毁伤增强效应的参量，测量方法如图3所示。同时利用高速摄影观测破片侵彻靶板过程的发火现象，记录火光持续时间，作为活性破片发生化学反应以及反应剧烈程度的参量。

图3 实验结果测量方法Fig.3 Measurement method of experiment results

2 结果与分析

2.1 包覆式活性破片侵彻靶板过程的现象

利用高速摄影观测破片侵彻靶板过程中的反应情况，图4为活性破片侵彻靶板过程的典型图像。

由图4(a)可知，破片着靶速度为947m/s时，在两靶之间出现持续200μs左右的火光，而低于此速度时，由于破片穿靶过程极短暂，仅持续数十微秒，高速摄影中未见明显火光。由图4(b)可知，当着靶速度至1010m/s时，活性破片在两靶之间出现持续时间约800μs的明亮火光。由图4(c)可知，当提高着靶速度至1128m/s时，火光明亮程度进一步提高，且持续时间达到十几毫秒，与活性材料在Taylor实验中发生后燃烧反应时间尺度相同[13]。分析认为当活性破片着靶速度大于947m/s时，开始发生点火，随着靶速度的提高，反应的剧烈程度增加，这主要是因为当着靶速度大于活性破片反应阈值后，随着靶速度的提高，活性材料的反应程度提高[9]。

图4 活性破片在不同着靶速度下侵彻双层铝靶的过程Fig.4 The process of reactive fragment impact double-layer aluminum plate under different impact velocities

2.2 前后靶毁伤效应

2.2.1 前靶毁伤效应

图5为同质量、同尺寸的两型破片分别以约500m/s和1000m/s着靶速度侵彻前靶后的典型穿孔图像。由图5可见，两型破片对前靶的穿孔形态均为圆孔，穿孔模式均为冲塞型穿孔。

图5 前靶典型穿孔图像Fig.5 Typical perforation of the front plate

图6 前靶穿孔直径与着靶速度的关系Fig.6 The relationship between perforation diameter of the front plate and impact velocity

根据两型破片在500～1500m/s着靶速度范围内对前靶的穿孔直径实验统计数据，利用Origin软件进行拟合，结果见图6。由图6可看出，两型破片对前靶的穿孔直径与破片着靶速度成线性关系，且孔径大小和斜率基本一致，穿孔直径(D)范围为12.5～14.7mm，是破片直径(D0)的1.04～1.24倍。

2.2.2 后靶毁伤效应

图7为同质量、同尺寸的两型破片侵彻后靶的典型穿孔图像。当活性破片速度高于点火阈值时，后靶穿孔为不规则孔，因此，用后靶的穿孔面积作为其毁伤效应的参量，用后靶穿孔面积S与破片截面积S0之比(S/S0)作为后靶毁伤增强效应的参量。图8为后靶穿孔面积和破片截面积之比(S/S0)与破片着靶速度的关系。图9为后靶隆起高度与破片着靶速度的关系。

图7 后靶典型穿孔图像Fig.7 Typical perforation of rear plate

由图7～图9可知，当两型破片的着靶速度小于947m/s时，相同着靶速度对后靶形成的穿孔形态和直径基本相等，穿孔模式由韧性扩孔和冲塞型穿孔复合穿孔模式逐步转变为冲塞型穿孔模式，背部隆起高度随穿孔模式的变化而改变，即隆起高度随着靶速度提高而降低。但当着靶速度大于947m/s时，活性破片对后靶的穿孔与惰性破片相比出现显著差异。活性破片能够对后靶形成更大的穿孔，穿孔周围伴随花瓣形翻边隆起。当着靶速度为947～1391m/s时，活性破片对后靶穿孔面积平均为4.1倍破片截面积，最大为7.2倍破片截面积；对后靶产生的翻边隆起高度平均为11mm，最大为22mm。分析认为，活性破片在着靶速度大于947m/s后发生反应释放能量，产生侵爆耦合毁伤效应，从而加剧了对后靶毁伤。因此，活性破片的释能是后靶毁伤增强效应的主因。依据实验结果，本研究弹靶条件下活性破片点火阈值速度约为947m/s。

图8 后靶毁伤增强效应随撞击速度变化Fig.8 The relationship between damage enhanced effect and impact velocity of rear plate

图9 后靶板隆起高度随撞击速度变化Fig.9 The relationship between protuberance height and impact velocity of rear plate

2.3 包覆式活性破片点火机制

活性破片与惰性破片穿孔差异的主要原因是活性破片满足点火条件后在前后靶之间发生反应释放化学能，对后靶形成侵爆耦合毁伤效应。由实验结果可知，两型破片形成毁伤差异的临界速度为947m/s。

文献[9]研究了未包覆冷压成型活性破片的冲击铝靶点火情况，认为破片在冲击压力P=Pcr时(Pcr=0.75GPa)，可发生点火反应。

基于一维应力波理论，本研究弹靶条件下活性破片中冲击压力用以下公式计算：

(1)

式中：P0为弹靶界面初始压力；v0为破片撞靶速度；ρp、Up、ρt、Ut分别是破片和靶板初始密度与应力波速度，下标p表示破片壳体，t表示靶板。

进一步依据弹丸头部与靶板撞击面处的连续条件及弹靶材料的线性 Hugoniot 关系:

(2)

式中：cp、sp、ct、st分别是Hugoniot参数；up、ut分别是粒子速度，式中参数取值见文献[14]。

P′0=P0exp(-αD)

(3)

(4)

式中：a为壳体材料中应力波衰减系数，取0.0536mm-1[15]； 为包覆壳体头部厚度，得到P′0=9.67GPa。

应力波在两种介质界面处传播规律：

(5)

式中：下标h表示活性材料相关参数，其取值可由混合物质的冲击绝热参数的混合法则求出[16]。

依据本研究活性材料组分配比，计算得ch=4323m/s，sh=1.31。

联立式(4)和式(5)，计算得到传入活性材料中的压力为5.61GPa，此速度包覆式活性破片不点火，但此时压力已远远大于文献[9]中活性材料反应压力阈值。因此，认为包覆式活性破片点火机制与冷压成型活性破片点火机制显著不同。

文献[11]认为活性材料在低速冲击下点火发生在裂纹间，反应的剧烈程度与裂纹的数量和尺寸相关，在本研究中，通过观察点火阈值速度附近破片撞靶过程认为，包覆式活性破片发生点火的前提是其外壳在侵彻前靶过程中发生结构损伤，此时内部活性材料不再受外壳约束，产生较大的裂纹及形成碎片。裂纹及碎片产生的原因一方面来自于内应力的剪切作用，此部分活性材料在弹靶作用区域的三高(高压、高温、高应变率)环境下点火发生反应；另一部分未损伤或颗粒尺寸较大的活性材料，在随后高速撞击后靶时产生剪切应力，产生裂纹及形成碎片，点火发生反应。参照PELE弹丸研究成果[17]，本研究弹靶条件下活性破片着靶速度越高，其自身损伤越大。因此，前后靶之间观察到的反应越剧烈，后靶的毁伤增强效应越大，这与实验结果相吻合。可以预测，当着靶速度达到一定上限阈值时，外壳完全破碎，此时活性材料反应程度将达到最大，后靶毁伤增强效应也达到最大。

3 结 论

(1)通过弹道枪开展了同质量、同尺寸的惰性钢破片、钢包覆活性破片撞击双层铝靶的实验，包覆式活性破片在满足点火阈值速度后，能够对双层铝靶形成显著的毁伤增强效应，表现为对后靶形成穿孔和隆起变形综合毁伤效应，本研究弹靶条件下活性破片点火阈值速度为947m/s，当着靶速度为947～1391m/s时，活性破片对后靶穿孔面积平均为4.1倍破片截面积，最大为7.2倍破片截面积；对后靶产生的翻边隆起高度平均为11mm，最大为22mm。

(2)包覆式活性破片外壳结构损伤是其点火发生反应的前提，当包覆壳体在冲击压力条件下发生结构损伤后，内部活性材料不再受外壳约束，在剪切效应下产生较大的裂纹及形成碎片，一部分在弹靶作用区域的三高(高压、高温、高应变率)环境下点火发生反应，另一部分未损伤或颗粒尺寸较大的活性材料，在高速撞击后靶时进一步点火发生反应。

(3)由于弹道枪发射最大速度的限制，未能得到后靶毁伤增强效应最大时活性破片的上限速度阈值，但可以预测，当着靶速度达到某一临界值时，活性破片反应程度达到最大，后靶毁伤增强效应也达到最大。