泡沫铝/UHMWPE夹芯复合结构抗弹性能试验研究

周 楠,朱景伟,夏冰寒,唐 奎

(1.南京森林警察学院刑事科学技术学院， 南京 210023；2.南京森林警察学院特警学院， 南京 210023；3.重庆红宇精密工业集团有限公司， 重庆 402760；4.南京理工大学 瞬态物理重点实验室， 南京 210094)

1 引言

夹芯复合结构材料一般是由夹芯层、面板和背板组成的多层复合材料，夹芯层通常选用低密度且具有吸波、吸能、降噪、减震、耐热等功能性材料，如具有优异吸能特性的泡沫材料、蜂窝材料和金属点阵材料等，面板和背板起到提高结构整体性和强度的作用。由于夹芯复合材料具有质量轻、比强度高、比刚度高以及功能可设计等优点，广泛应用于冲击吸能、结构防护以及公共安全领域中有限空间内爆炸物的安全防范等。

在轻质防护领域中，泡沫金属和纤维复合材料作为轻质高效防护材料的代表，受到国内外学者越来越多的关注[1-3]。泡沫金属作为一种含有无序微结构的高孔隙率、低密度的超轻多孔金属材料，具有承载、传热、降噪、电磁屏蔽、减振、吸能等多功能特性[4]，特别是其在动态载荷下表现出应力平台效应，能吸收大量压缩能量，从而具备优良的缓冲吸能性能[5]；纤维复合材料因其具有比强度和比模量大、重量轻、可设计性好和动能吸收性好以及无“二次杀伤效应”等优点，已被广泛应用于航空航天、兵器工业、交通运输和工程防护等国民经济和国防建设等领域[6-8]。作为上述两类材料的代表，泡沫铝和超高分子量聚乙烯纤维(ultra high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE纤维)因其自身优异的物理和力学性能[9-11]，已被广泛应用于防护领域中，针对二者的材料制备[12-13]、动态力学性能[14-15]、失效机理[16]、防护性能及其影响因素[17-19]也开展了大量的研究工作。

本文以含泡沫铝/UHMWPE纤维夹芯复合靶板为研究对象，重点研究该复合结构材料在警用制式弹侵彻下的防护性能及破坏模式。分别采用77式和92式警用手枪开展弹道侵彻试验，基于试验结果，讨论靶板组合方式和纤维密度对其防护性能和破坏模式的影响，并基于能量守恒原理评价其防护性能；在此基础上，实现对该复合结构材料防护性能的优化设计。

2 试验研究

2.1 复合靶板的制备

本试验所研究复合靶板是以泡沫铝/UHM-WPE纤维作为夹芯层，铝板作为面板和背板，各层材料间使用环氧树脂胶粘制备而成。试验所用泡沫铝为闭孔泡沫铝板，其尺寸为300 mm(长)×140 mm(宽)×20 mm(厚)，密度为0.70 g/cm3。UHMWPE纤维选用面密度为130 g/m2(记为SM-13)和240 g/m2(记为SM-24)2种规格，组合方式分为“铝面板-纤维-泡沫铝-纤维-铝背板”(记为T-A)和“铝面板-纤维-泡沫铝-铝背板”(记为T-B)两类。在复合靶板面密度相当的情况下，重点考虑靶板组合方式和纤维密度的影响，本文共制备4组靶板，其规格均为300 mm(长)×140 mm(宽)，所制备靶板实物如图1所示，靶板组合参数见表1。其中，靶板T1与T2、T3与T4主要是分析靶板组合方式的影响；T1与T3、T2与T4主要是分析纤维密度的影响。

图1 试验制备不同组合靶板实物图

表1 靶板组合参数

2.2 侵彻试验

分别采用77式(口径7.62 mm，弹头质量4.67 g)和92式(口径9 mm，弹头质量7.74 g)警用手枪开展系列侵彻试验，入射角θ(即子弹前进方向与靶板法线方向间的夹角)设置为0°和45°，采用专用夹具将复合靶板固定在靶架上，通过移动靶架调节靶板与击发点的位置关系，以便对同一靶板进行多次侵彻试验。子弹入射速度由高速摄影记录并计算而得，子弹贯穿靶板后的残余速度由在靶后设置的锡箔靶进行测量，锡箔靶间距为0.24 m，击发点与靶板间距离为5 m。试验现场布置如图2所示，子弹如图3所示。需要指出的是，因为是制式枪支发射制式子弹，其初速基本稳定，无法通过调节初速改变动能，所以本文采用2种枪支主要是考虑子弹能够以不同的初始动能侵彻靶板，进而从能量守恒的角度评估靶板的防护性能，未再考虑弹头形状的影响。

图2 侵彻试验现场布置示意图

图3 警用枪制式子弹实物图

3 复合靶板破坏模式分析

3.1 铝板破坏模式

为研究复合靶板在子弹侵彻下的破坏模式，图4和图5分别给出了子弹以0°和45°入射角侵彻时铝面板和铝背板的破坏模式。对于铝面板而言，从图4中可以看出，在子弹的垂直侵彻下(即入射角θ=0°)，铝面板入射面[图4(a)]沿子弹周向形成明显的凹陷变形，结合铝板出射面[图4(b)]形态可以看出，铝面板主要发生延性拉伸变形，材料端口较规整，未发生明显的径向撕裂破坏；类似的，当子弹以45°入射角斜侵彻铝面板时，如图4(c)和(d)所示，铝板材料亦发生延性拉伸变形，与垂直侵彻状态不同的是，沿着子弹斜入射的方向，入射面形成的弹孔面积更大，材料的延性变形也更加明显，主要集中于子弹前进的方向上。所以，在子弹的侵彻下，无论是正侵彻还是斜侵彻，铝面板均发生明显的延性拉伸变形，此时主要是材料的拉伸失效消耗子弹动能。

图4 靶板T1中铝面板破坏模式形态图

对于铝背板的破坏模式而言，相较于铝面板，最显著的差异是铝背板的出射面在子弹的侵彻作用下发生明显的径向撕裂破坏，形成较明显的花瓣状破坏特征。从图5(a)和(b)可以看出，在子弹的垂直侵彻作用下，铝背板先产生范围大于子弹半径的整体凹陷变形，随着侵彻的继续，铝板在子弹径向上发生撕裂破坏。图5(a)给出了铝板未被完全贯穿时的临界状态，随着子弹入射速度的提高，铝板被完全贯穿，如图5(b)所示，径向撕裂破坏更加明显，此时铝背板形成典型的花瓣状破坏模式。图5(c)和(d)给出了子弹以45°入射角侵彻下铝背板的破坏模式，类似的是，铝背板在沿着子弹径向方向上形成明显的撕裂破坏；不同的是，在子弹斜侵彻的前进方向上，铝背板形成面积较大的撕裂破坏，未形成典型的花瓣状破坏，这主要是因为斜侵彻下弹靶接触作用面积增大、应力分配不均所致。通过上述分析可以看出，铝背板的整体大变形、径向撕裂破坏以及花瓣状破坏的形成主要是由于板材后部没有约束所致，这也是铝背板出射面的破坏模式明显异于铝面板出射面的主要原因。

图5 铝背板出射面破坏模式形态图

3.2 夹芯层破坏模式

针对本文制备的含泡沫铝/UHMWPE纤维夹芯复合靶板，其在子弹侵彻下发挥抗弹作用的主要是铝板和UHMWPE纤维层，其中纤维层的作用更为突出。图6给出了胶粘纤维层在子弹以不同入射角侵彻下的破坏模式。对于纤维类织物材料而言，其抗拉性能最为突出，在防护领域中的应用也主要是利用其优异的抗拉性能。从图中可以看出，在子弹的侵彻作用下，纤维均呈现出典型的拉伸断裂破坏模式。图6(a)给出了子弹垂直侵彻下纤维层临界破坏状态，可以看出，弹孔附近的纤维发生明显的拉伸变形，断裂不明显，子弹头部直接作用的局部纤维在弹头压应力的持续作用下，不断受拉变形，最终发生了拉伸断裂，但未完全贯穿；随着子弹入射速度的提高，纤维层被完全贯穿，典型的拉伸断裂形貌如图6(b)所示，可以看出，弹孔中心处的纤维断裂并外翻，形成类似于铝背板的延性拉伸破坏，体现了弹道破坏的一致性，在纤维破坏过渡区(即纤维完全断裂与未明显变形间区域)，经向纤维与纬向纤维间的约束失效，发生纤维间的滑移，消耗部分子弹侵彻动能；当子弹以45°入射角斜侵彻纤维时，子弹前进方向上的纤维发生更加显著的拉伸断裂，过渡区纤维间的滑移失效也更加集中，如图6(c)所示，这也与铝背板在子弹斜侵彻下的失效模式呈现出高度的一致性。

图6 UHMWPE纤维层破坏模式形态图

通过上述分析可以看出，纤维织物由于组织结构的多样性和多层次性，在子弹的侵彻作用下，常产生纤维整体变形、组织结构变形、纱线和纤维断裂、纱线间的滑移以及纤维间的滑移等[20]，进而消耗子弹的侵彻动能。需要指出的是，在本文制备的纤维夹芯层中，最多含有20层纤维织物，各层间采用环氧树脂进行胶黏，所以，在子弹的侵彻作用下，纤维层间的胶黏也会发生脱胶失效，失效模式如图7所示，层间结合的失效也将消耗子弹的侵彻动能。

图7 纤维层层间失效模式形态图Fig.7 Failure mode of fiber layer interlayer

对于夹芯层中的泡沫铝材料而言，其特点是通过自身多孔结构的压实变形来吸收压缩应力波，常作为爆炸冲击波吸能材料使用。而在弹道侵彻过程中，由于弹着点作用集中，弹孔附近泡沫铝材料的压缩变形并不明显，主要是弹道方向上的材料在子弹的侵彻作用下发生击溃碎裂，见图8，此部分材料失效对子弹动能的消耗有限。需要指出的是，在子弹作用于纤维层的过程中，泡沫铝可在一定程度上吸收结构整体变形的应变能，但随着侵彻速度的提高，此部分耗能机理的贡献度需进一步分析。

图8 泡沫铝失效模式形态图Fig.8 Failure mode of foamed aluminum

4 复合靶板防护性能分析

在本文所开展的弹道试验中，由于采用警用制式枪击发制式子弹，当射击距离一定时，子弹入射速度波动不大，所以无法采用弹道极限速度法评价靶板的防护性能。因此，本文通过计算子弹动能的损耗值(即靶板的吸能)来评价靶板的防护性能，针对每种组合靶板进行3～5发射击，以获得子弹有效的靶前、靶后速度。需要指出的是，对于同一类型枪支而言，当垂直侵彻未贯穿靶板时，则不再进行斜入射工况下的定量研究。

4.1 靶板组合方式的影响

本文共制备了“铝面板-纤维-泡沫铝-纤维-铝背板”(记为T-A)和“铝面板-纤维-泡沫铝-铝背板”(记为T-B)两大类组合靶板，对于“T-B”组合靶板而言，存在子弹由纤维层入射(记为T-B-1)和由泡沫铝层入射(记为T-B-2)2种情况，后续将加以区分讨论。

表2给出了4种组合靶板(6种工况)典型试验数据。对于T1组合靶板，在77式手枪子弹的垂直侵彻下出现了临界(V0=307.5 m/s)和穿透(V0=328.0 m/s)状态，当子弹以45°入射角侵彻靶板时未穿透(V0=358.8 m/s)，而换用初始动能更高的92式手枪子弹以45°入射角侵彻靶板时则完全贯穿(V0=410.0 m/s)，所以说，T1组合靶板无法实现对92式手枪的防护，但可较大概率实现对77式手枪的防护。一般情况下，对于同一弹靶系统，相同速度的子弹在垂直侵彻状态下具有更高的动能，所以当子弹在斜侵彻状态下可完全贯穿靶板时，则认为其在垂直状态下亦可完全贯穿靶板，基于此，本文主要采用子弹穿透靶板过程中所消耗的动能来评价靶板的防护性能。

表2 弹道侵彻试验数据

图9为垂直侵彻下3种不同作用工况下组合靶板对子弹动能吸收平均值的直方图，需要指出的是，这里忽略了弹头形状的影响。从图中可以看出，“T-B”组合靶板对子弹动能吸收值的平均值高于“T-A”组合靶板，平均提高了36.1%，也就是说，相较于纤维层前后各10层的分别设置，纤维层的集中设置(共20层)更有利于复合靶板吸能效率的提高；而对于“T-B”组合靶板而言，“T-B-1”组合靶板(即子弹由纤维层入射)对子弹动能吸收值的平均值相较于“T-B-2”组合靶板(即子弹由泡沫铝层入射)提高了5.6%，也就是说，子弹先作用于纤维层更有利于靶板对子弹动能吸收率的提高。这主要是因为在所制备的泡沫铝/UHMWPE纤维夹芯复合结构中，对子弹侵彻起到主要防护作用的是UHMWPE纤维，其优异的抗拉性能能够显著吸收子弹动能，同时，纤维层的集中而非分层设计更有利于子弹侵彻动能的耗散，这主要得益于后部纤维层对前部准失效纤维材料的整体支撑作用，这使得在增强子弹作用方向上纤维层的抗拉作用的同时，也能够通过层间失效和整体变形消耗子弹更多的动能，进而提高自身的抗弹性能。此外，泡沫铝因其多孔特性，胞壁结构在子弹侵彻集中载荷的作用下，迅速压溃失效，对子弹动能消耗有限，所以将其置于纤维层后方用以吸收纤维层整体变形耗能更有利于复合结构整体防护性能的提升，此时能够更好地发挥其对面载荷的吸能特性。综上所述，在3种不同组合靶板中，“T-B-1”组合靶板具有最佳的防护性能。

图9 不同组合靶板动能吸收平均值直方图

4.2 纤维密度的影响

当复合靶板的组合方式一定时，进一步讨论纤维面密度对复合靶板防护性能的影响。如表1所示，靶板T3、T4相较于T1、T2主要是改用面密度更大的纤维材料，即纤维面密度由130 g/m2(SM-13)提高到240 g/m2(SM-24)，但靶板密度总体变化不大。图10为3种不同作用工况下改变纤维面密度时靶板吸能平均值的直方图，从图中可以看出，对于3种工况而言，纤维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，对于“T-A”组合靶板，纤维面密度的提高对靶板吸能的影响最为显著，相较于低密度纤维靶板提高了31.5%。所以，纤维密度的提高有利于复合靶板防护性能的增强，而且对于不同组合方式靶板的贡献度不同。

图10 纤维密度对靶板吸能特性的影响直方图

5 结论

1) 在子弹的侵彻作用下，无论是正侵彻还是斜侵彻，铝面板均发生明显的延性破坏，铝背板主要发生整体大变形、径向撕裂及花瓣状破坏；与垂直侵彻不同的是，沿着子弹斜入射的方向，入射面形成的弹孔面积更大，且靠近子弹一侧的铝板发生更明显的凹陷变形，出射面材料的延性变形更明显，集中于子弹前进方向，主要由于板材后部没有约束。

2) 对于夹芯层材料而言，在子弹的侵彻下，纤维以拉伸断裂破坏为主，同时纤维层间发生局部脱胶失效；对于泡沫铝材料，由于弹着点作用区域的集中性，弹道方向上的泡沫铝材料发生击溃碎裂。

3) 复合靶板面密度一定时，靶板组合方式对防护性能的影响最明显，铝面板-纤维-泡沫铝-铝背板组合靶板的防护性能优于铝面板-纤维-泡沫铝-纤维-铝背板组合靶板，前者对子弹侵彻动能吸收值较后者平均提高36.1%；其中，子弹由纤维层入射的防护性能又优于子弹由泡沫铝层入射。

4) 靶板组合方式一定时，纤维密度的增大有利于复合靶板防护性能的提高，而不同组合靶板的贡献度不同。在3种组合靶板中，纤维密度的提高对铝面板-纤维-泡沫铝-纤维-铝背板组合靶板吸能的影响最为显著，较低密度纤维靶板提高31.5%。

5) 泡沫铝开/闭孔结构及其密度、纤维层数和面密度以及胶黏强度和用胶量等因素均影响着复合靶板的防护性能，后续在靶板面密度一定的情况下提高防护性能的研究中，将重点考虑多因素优化设计。