3种多层复合防护板抗破片侵彻试验研究
                 李爽，王天运，夏建伟，郑力
      （1.总参工程兵科研三所，河南洛阳471023；总装防化驻成都和贵阳地区军代室，四川成都610041） 
      摘要为指导高动能破片防护结构优化设计，通过模拟破片侵彻试验，对3种多层复合防护结构进行防护性能对比研 究，并简要分析不同结构的防护机理。结果表明，在试验对比的结构中，陶瓷/钢/FRP复合结构对高动能破片的侵彻防护性 能最佳。
     关键词复合结构；侵彻；破片；试验研究；侵彻机理
以陶瓷为面板和以纤维增强树脂基复合材料 （FRP）或金属为背板所构成的多层复合结构，与传统 的金属均质装甲相比是一种更为有效的轻型防护材 料，这种防护结构可利用弹体侵彻各阶段特有的侵彻 机理，使面板和背板材料的性能优势分别得以最大 程度的发挥［1］。目前，国内外通过试验研究、数值模拟 分析的手段，对多层复合防护结构防护性能和破坏机 理进行较多研究，取得了大量成果。其中Woodward［2］、 王天运［3］等对陶瓷/纤维增强树脂结构的性能和防护机 理进行了分析；杜忠华［4-6］，赵俊山［7］，李爽［8］等对双层 及三层陶瓷/金属（钢和铝合金）结构和陶瓷/玻璃纤 维/钢板复合靶板的抗弹性能和防护机理进行了研 究。研究结果表明这些先进的复合结构防护性能较均 质材料，在防护弹丸侵彻方面性能优越。但是，针对同 种防护条件下不同防护材料的性能对比研究方面的报 道很少。作者在以往成果的基础上，对3种多层复合结 构进行了侵彻试验，对比其对高动能破片的防护性能， 为防破片结构的选取提供可靠参考。
1多层复合结构设计
主要选取3种多层复合防护结构进行模拟破片侵 彻试验。第1种结构为陶瓷/纤维增强树脂复合结构， 如图1a所示。该结构最外层为FRP层，用以防止陶瓷
 
片脱落和飞溅；中间为陶瓷层，最后为FRP支撑层。第 2种结构为双层陶瓷/FRP复合结构，如图1b所示。该 结构以两层陶瓷作为迎弹层；两层陶瓷之间及最外侧 均设有FRP层用以粘结和防止陶瓷脱落；最后为FRP 支撑层。第3种结构为陶瓷/钢/FRP复合结构，如图1c 所示。该结构以陶瓷为迎弹层；在陶瓷后设有钢板，用 以增加整体形变能力；背板支撑层为FRP。 3种结构均采用模压工艺制备，粘结剂体系选用 改性环氧树脂。不同结构层的厚度如表1所示，主要原 材料型号及性能如表2~5所示，其中FRP层由两种高 强纤维布交替铺排增强。制备的试验靶板尺寸为150 mm×150 mm，陶瓷层由9块陶瓷板均匀铺排，设计面
 
密度为55 kg/m2，制备的部分试验靶板如图2所示。
2试验设计
防护板抗侵彻试验在总参工程兵科研三所的常规 武器实验室进行。模拟破片选用普通铸钢加工而成，形 状为圆柱形，设计弹丸质量26.5 g，如图3所示；着靶方式为垂直入射，着靶角90°。试验发射装置为14.5 mm口径滑膛弹道枪发射系统，采用火药推进。试验弹 速通过专制靶架及靶网测速系统测试弹体着靶前的入 射速度及穿透靶板后的剩余速度。测速基本原理为：在 Δl距离上设置两个靶网（铝箔），子弹通过每一组靶网 将触发一个电脉冲信号，两个脉冲信号的时间由超动 态示波器记录，根据两个脉冲信号的时间间隔Δt，可 求得弹体速度。具体试验布局如图4所示。

3试验结果与分析
按照所设计的试验，对每种结构的靶板均进行3 组侵彻试验，试验结果如表6所示，典型的靶板破坏情 况如图5所示。
通过实验结果分析可以发现，一型、二型结构靶板 的单位面密度吸能分别为85.6 J/（kg/m2）和87.5 J/（kg/ m2），试验靶板均被穿透，陶瓷层发生驻塞状破碎，背板 大部分发生大幅度体积变形，且与陶瓷层脱粘并最终 被贯穿。破坏模式与文献［3］和文献［4］所述相同。 
 


三型结构靶板的防护性能明显高于前两种，单位 面密度吸能达到99.6 J/（kg·m-2），能够有效防护弹丸 的侵彻。该结构靶板在受侵彻时陶瓷层发生驻塞状破 碎，钢板与背板层变形都很大且脱粘严重，结构层分层 明显，最后的FRP层出现放生轻度分层破坏，弹丸在 侵彻过程中头部被严重钝粗，如图6所示。三型结构 的侵彻防护过程在文献［8］中曾详细表述，该结构对 于大动量破片的优良防护性能主要是由于在陶瓷层 破坏过程中作为背板的钢板和纤维增强树脂层发生 了明显的体积变形和脱粘分层，从而吸收了大量的冲 击动能。
4结论
1）在试验所选用模拟破片以700~760 m/s的冲 击速度侵彻下，陶瓷/FRP和双层陶瓷/FRP结构防护 高动能破片侵彻的单位面密度吸能分别可以达到 85.6，87.5 J/（kg·m-2），但两种结构的试验靶板均被贯 穿，不能实现侵彻防护的目的。2）陶瓷/钢板/FRP多层复合结构防护高动能破 片侵彻的单位面密度吸能能够达到99.6 J/（kg·m-2）， 且能够有效地防住模拟破片的侵彻，防护性能明显优 于另外两种结构，适宜用于高动能破片的安全防护。 3）陶瓷/钢板/FRP多层复合结构对高动能破片 具有优良的防护性能，主要是因为在侵彻过程中背板 材料发生明显的体积变形和脱粘分层，从而吸收了大 量的冲击动能。
5参考文献
［1］邱桂杰，王勇祥，杨洪忠，等.新型复合防弹装甲结构材料的 研究［J］.纤维复合材料，2005，12（2）：12-15.
［2］Woodward R L.Asimpleone dimensional 
approach tomodelling ceramic composite 
armourde feat［J］.Int J Impact Eng
，1990，9 （4）：455-474.
［3］王天运，李爽，刘水江，等.Al2O3陶瓷/FFRP复合防护板抗弹 性能研究［J］.防护工程，2008，30（2）：55-58.
［4］杜忠华，赵国志，王晓鸣，等.双层陶瓷复合靶板抗弹性的研 究［J］.航空学报，2002，23（2）：147.
［5］杜忠华，赵国志，欧阳春.多层陶瓷复合轻装甲结构的抗弹 性分析［J］.南京理工大学学报，2002，26（2）：148.
［6］杜忠华，赵国志，杨玉林.陶瓷/玻璃纤维/钢板复合靶板抗弹 性能的研究［J］.兵工学报，2003，24（3）：119-221.
［7］赵俊山，王勇祥，邱桂杰，等.结构/功能一体化轻质复合防 弹材料研究［J］.玻璃钢/复合材料，2005（1）：22-24.
［8］李爽，王天运，江大志.多层复合防护板抗侵彻数值模拟分 析及试验研究［J］.防护工程，2009，31（2）：51-55.