宋思维;刘天生;王凤英;晏蜜
【摘 要】对SiC和Al2O3陶瓷反应装甲的附带损伤效应进行了试验.试验结果表明,SiC陶瓷破片平均直径要小于Al2O3陶瓷破片的平均直径;Al2O3陶瓷破片所造成的冲塞穿孔密度最高可达SiC陶瓷破片穿孔密度的7.6倍.经计算,Al2O3飞板破片初速为927.81 m/s,SiC飞板破片初速879.59 m/s,Al2O3陶瓷破片的极限杀伤距离为10.06 m,SiC陶瓷破片为5.15m.等效厚度的SiC反应装甲的附带损伤效应要低于Al2O3陶瓷反应装甲的附带损伤效应. 【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2016(016)013
【总页数】晾衣叉5页(P151-155)
【关键词】陶瓷反应装甲;附带损伤;格尼能;临界杀伤距离
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【作 者】宋思维;刘天生;王凤英;晏蜜
【作者单位】中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051;中北大学化工与环境学院,太原030051
【正文语种】中 文
【中图分类】O383.3
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力学
陶瓷材料的低密度效应、吸能效应、磨损效应和动力学效应使其在装甲防护领域中的应用越来越广泛[1]。目前国内外用作装甲的陶瓷材料主要有碳化硅、氧化铝等。氧化铝的抗弹性能略低，但具有烧结性能好、制品尺寸稳定、表面粗糙度低、价格便宜等优点，被广泛应用于各类装甲车辆、飞机机腹、飞行员和要害部位的防护；碳化硅比氧化铝轻20%，硬度和模量较高，可用于装甲车辆和机腹。
有研究证明，与金属材料飞板相比，具有更高硬度和强度的陶瓷材料飞板干扰破坏金属射流的频率更高，射流在穿透飞板过程中损耗的能量更大；并且，陶瓷材料耐高温，性质不会因与射流摩擦或爆炸产生的高温而发生改变，因而陶瓷反应装甲(ERA)防护性能相
对于金属ERA更加优秀[2—4]。另一方面，陶瓷材料的脆性高，飞板破碎后形成的破片的粉碎程度更高，不易形成大尺寸的破片，能够有效的减小反应装甲作用后对周围非对抗目标(如未起爆的反应装甲、主装甲、作战人员等)的杀伤效应，即附带损伤效应[5—7]。
本研究中对以等效厚度(约为2.5 mm钢板厚度)SiC和Al2O3陶瓷为飞板材料的两种反应装甲产生的陶瓷破片的特点及附带损伤进行了试验研究，对格尼公式和破片对人体的临界杀伤距离公式进行了推导并进行了计算。通过试验和计算结果对两种陶瓷反应装甲的附带损伤效应进行了比较。研究结果可以为陶瓷材料在反应装甲中的应用提供一定的参考。
1.1 格尼公式
爆炸载荷作用下整体平板运动速度的工程计算，通常采用格尼公式[8]。
基于冲击波的质量守恒、动量守恒和能量守恒公式，可以推导获得爆速D和能量传递于破片的格尼能的估算公式。
质量守恒 ρ0D=ρj(D-uj)
动量守恒 pj-p0=ρ0Duj
能量守恒
当pj>>p0时，由式(2)和式(3)可得
由式(5)及式(6)可得。整理得,
由式(4)可得，
将式(7)代入式(8)可得，
由C-J面上uj与爆速D的关系可知
将式(10)代入式(9)可得,
取，可得到格尼能的估算公式为
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1.2 临界杀伤距离
破片速度衰减公式为
V=V0exp(-aR)
破片对人体造成杀伤的临界比动能为160 J/cm2。对于球形破片，假设其直径为d，则有Cx=0.97，球形破片的平均迎风面积为
由此可得，圆形破片对人体造成杀伤的临界速度为
由式(14)～式(16)可得破片临界杀伤距离公式为
由上述公式即可估算反应装甲起爆时产生的陶瓷破片的初速，结合试验数据即可对陶瓷破片的临界杀伤距离进行计算。
2.1 试验材料及试验用ERA结构
碳化硅陶瓷板厚度为6.40 mm，密度为4.5～4.10 g/cm3，氧化铝陶瓷板厚度为5.30 mm，密度为3.8～3.9 g/cm3。陶瓷板结构如图1
夹层为钝黑，装药密度为1.20 g/cm3，爆速D为6 800 m/s。靶板为3层胶合木板，共需8块。引爆ERA结构用聚能弹4发，口径30 mm。 闪光棒两片陶瓷片组成一块飞板。夹层长158.3 mm，宽48 mm，装药厚度4 mm，陶瓷飞板
及装药结构如图2。
2.2 试验布置
试验共进行四组，每组对应一个ERA结构，试验一、二为SiC陶瓷反应装甲，试验三、四组为Al2O3陶瓷反应装甲。
将ERA结构固定于地面上，在其侧面安放一个聚能弹，在聚能弹调整聚能弹的轴线对准反应装甲的中心位置。在反应装甲两侧一定距离上布置两块靶板，两块靶板距ERA结构的距离不同，调整两靶板的中线位于反应装甲的中心上，并使靶板与反应装甲保持平行，如图3所示。
试验一、三两靶板距ERA分别为1 m、2 m，试验二、四两靶板距ERA分别为3 m、5 m。
2.3 结果与分析
由试验一、二结果(图4)可以发现：1 m，2 m处的靶板受到了剧烈的破坏，断裂为大小不一的碎片;而3 m靶板则更加完整并未发生断裂，这就表明大部分的碳化硅陶瓷破片及爆
轰的破坏威力在3 m内会显著衰减；SiC陶瓷板破碎时产生的破片尺寸很不均匀，其中直径小于1mm的破片通常无法穿透靶板，只能在靶板断裂处留下大量密集的麻点，且速度衰减迅速;在3 m、5 m靶板的破坏以冲塞穿孔为主，不存在麻点及靶板破碎的现象。现将SiC陶瓷试验不同距离靶板上的穿孔的平均直径总结于表2。随着靶板距离的增大，靶板上穿孔的平均直径也随之增大，5 m处靶板上穿孔的平均直径为1 m处靶板上穿孔的平均直径的1.83倍。这就表明，在一定的直径范围内，颗粒越大的陶瓷破片，速度衰减越慢。
通过试验三、四(图5)，我们发现1 m、2 m靶板受到了严重的破坏，断裂为若干块大小不一的碎片，且在断裂处出现了大量密集的麻点，麻点直径都不超过1 mm；3 m处的靶板相对完整，但其上分布有大量的穿孔；破片在靶板上留下的穿孔的形状很不规则，穿孔的尺寸通常大于2 mm，但不同距离靶板上穿孔的平均直径的波动却较小，最大穿孔直径为最小穿孔直径的1.34倍，这就表明Al2O3陶瓷板破碎时产生的大尺寸破片直径均匀，不同距离上穿孔直径及平均直径见表3。
对比1 m、2 m和3 m处靶板上穿孔平均直径(图6)，我们发现SiC产生的穿孔直径要小于Al2O3产生的穿孔直径，这反映出SiC陶瓷破片的直径较Al2O3陶瓷破片的直径要更小，Si
过滤减压器C陶瓷破片平均直径为3.295 mm，Al2O3陶瓷破片平均直径为3.935 mm，后者为前者的1.19倍。实际上，试验一和试验三中1 m、2 m处靶板都受到极大的破坏且破坏类型也极为相似，都是发生断裂，并且有大量穿孔并伴随有大量麻点，仅从靶板的受到损伤的程度无法直观比较两种陶瓷ERA起爆后附带损伤的大小。但是由3 m处靶板对比，我们清楚地可以看到无论是靶板上穿孔的密度还是穿孔的直径，Al2O3陶瓷反应装甲对靶板造成的破坏要明显高于SiC陶瓷反应装甲所造成的破坏(图7)，前者穿孔密度高达0.38，穿孔直径4.825 mm，后者穿孔密度仅为0.05，穿孔直径3.793 mm，Al2O3陶瓷造成穿孔密度为SiC陶瓷的7.6倍。
在3 m及5 m处靶板上，穿孔的直径大多为4 mm左右。这说明直径过小或过大的破片会由于空气阻力或重力的原因无法在空气中保持稳定的飞行；而4 mm左右的陶瓷破片能在空气中飞行较长距离而不衰减，因而在较远距离上，4 mm左右的陶瓷破片是主要的杀伤单元。
2.4 破片初速及临界杀伤距离的计算
由式(12)、式(13)可得，爆轰产物多方指数γ=2.537。经计算，的格尼能=2 537.744 m/s。由式(1)可以求得，Al2O3飞板破片初速约为927.81 m/s，SiC飞板破片初速
约为879.59 m/s。由式(1)求得的飞板速度只与的性质及飞板的质量有关，而并没有考虑飞板材料的力学性能。实际上，SiC陶瓷的硬度、抗压强度还有抗弯强度都高于Al2O3陶瓷[11]，因而飞板在爆炸载荷下发生弯曲破碎时，SiC所消耗的能量要高于Al2O3，这就会导致SiC陶瓷破片的速度进一步降低。因而，实际情况下两种破片的速度要比计算所得速度小，并且速度差也会扩大。
为了便于进行对比，我们将破片简化为球形，以穿孔平均直径作为球形破片的直径。由式(17)可求得，陶瓷破片的临界杀伤距离为5.15 m，Al2O3的临界杀伤距离为10.06 m，后者接近前者的2倍。
(1)试验一及试验三中的靶板在爆轰波和破片的作用下发生断裂破碎，试验二及试验四中的靶板保存比较完整，主要破坏形式为破片造成的冲塞穿孔。两种陶瓷在爆轰载荷下都会产生大量小于1 mm的破片，且SiC陶瓷板在爆炸冲击下破碎程度比Al2O3更高。Al2O3陶瓷破片的平均直径3.935 mm，SiC陶瓷破片平均直径为3.295 mm，前者为后者的1.19倍；3 m处靶板上，Al2O3陶瓷破片造成的穿孔密度是SiC破片穿孔密度的7.6倍。
(2)经计算，Al2O3飞板破片初速为927.81 m/s，SiC飞板破片初速879.59 m/s，前者为后者
1.05倍；Al2O3陶瓷破片的极限杀伤距离为10.06 m，SiC陶瓷破片为5.15 m，前者为后者2倍。
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