碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制

贾楠; 焦亚男; 周庆; 何业茂; 陈利

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20210928.002

碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强树脂基复合材料复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能及其损伤机制

贾楠^{1, 2, 3},
焦亚男^{1, 2, ,},
周庆³,
何业茂^{1, 2, 3},
陈利^{1, 2}

1.
天津工业大学　纺织科学与工程学院，天津 300387
2.
天津工业大学　先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387
3.
北京普诺泰新材料科技有限公司，北京 102200

详细信息

通讯作者:
焦亚男，博士，研究员，博士生导师，研究方向为纺织复合材料结构与性能　E-mail：jiaoyn@tiangong.edu.cn

中图分类号: TB332
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出版历程
- 收稿日期: 2021-08-16
- 修回日期: 2021-09-06
- 录用日期: 2021-09-17
- 网络出版日期: 2021-09-28
- 刊出日期: 2022-08-21

Anti-penetration performance of SiC-ultra-high molecular weight polyethylene fiber reinforced resin matrix composite armor plate against armor piercing projectile and its damage mechanism

JIA Nan^{1, 2, 3},
JIAO Yanan^{1, 2, ,},
ZHOU Qing³,
HE Yemao^{1, 2, 3},
CHEN Li^{1, 2}

1.
School of Textile Science and Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China
2.
Key Laboratory of Advanced Textile Composite Materials, Ministry of Education, Tiangong University, Tianjin 300387, China
3.
Beijing Protech New Material Science CO., LTD., Beijing 102200, China

摘要

摘要: 以碳化硅陶瓷(SiC)作为面板材料，超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料，通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道冲击试验研究复合装甲板的结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响，采用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography，CT)技术，研究复合装甲板在53式7.62 mm穿甲弹以弹速为( ${808}_{-8}^{+7})$ m/s进行多发弹道侵彻下的损伤模式。研究结果表明：SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗多发弹道侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的降低而逐渐下降，10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是试验中抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构；UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU的防护效率，其还通过降低对陶瓷面板的支撑作用，间接影响陶瓷的防护效率；弹道侵彻后的复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏。
- 碳化硅陶瓷 /
- 超高分子量聚乙烯 /
- 复合装甲板 /
- 穿甲弹 /
- 计算机断层扫描(CT)分析 /
- 损伤机制
Abstract: The silicon carbide ceramics (SiC) and ultra-high molecular weight polyethylene fiber reinforced waterborne polyurethane composite laminate (UHMWPE/WPU) were used to prepare SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate by resin film infusion. Based on ballistic impact test, the influence of structural parameters of the composite armor plate on the anti-penetration performance of armor-piercing projectile was investigated. The damage mode of the post-impact SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate, which was repeatedly impacted by type-53 and 7.62 mm armor piercing projectile at a velocity of ${(808}_{-8}^{+7})$ m/s, was investigated by the X-ray computed tomography (CT) technology. The results show that the anti-multiple penetration performance of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate decreases gradually with the reduction of UHMWPE/WPU thickness or SiC thickness. Significantly, 10 mm-thick SiC+13 mm-thick UHMWPE/WPU may be the best engineering application structure to resist the multiple ballistic penetration of type 53 and 7.62 mm armor piercing projectile in the test. The reduction of area density of UHMWPE/WPU not only affects the protection efficiency of UHMWPE/WPU, but also indirectly affects the protection efficiency of ceramics via decreasing the support effect. Moreover, the damage modes of post-impact composite armor plate include SiC fragmentation, interface failure between SiC and UHMWPE/WPU, adiabatic shear failure, tensile deformation and delamination failure of UHMWPE/WPU.
- silicon carbide ceramics /
- ultra-high molecular weight polyethylene /
- composite armor plate /
- armor piercing projectile /
- computed tomography (CT) analysis /
- damage mechanism

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高防护效率、轻量化和集成化是重武器防弹装具在当前复杂战场环境下的重要发展趋势。基于高硬度、高强度和高压缩模量的特点，防弹陶瓷材料具有优异的抗穿甲弹侵彻性能。但由于其韧性较差、易碎裂的缺陷，致使其无法单独作为防弹材料使用，通常与金属材料或高性能纤维树脂基复合材料组合制备复合装甲板^[1]。防弹陶瓷/高性能纤维树脂基复合材料复合装甲板是以SiC或B₄C为代表的高硬度、低体积密度的防弹陶瓷材料作为面板材料，以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强树脂基复合材料层压板为代表的高性能纤维树脂基复合材料作为背板材料，基于真空袋膜压或热压罐设备，通过粘接-复合工艺制备的一种抗穿甲弹或穿甲燃烧弹侵彻的轻质、高强防弹装甲板。相比传统均质钢板装甲或陶瓷/金属材料复合装甲板，其具有低体积密度、高比吸收能、可设计性强等优点^[2-3]，即通过组分材料配比的优化调节，可实现复合装甲板的结构轻量化，并显著提升其防弹性能，同时还能减少跳弹或碎片带来的二次威胁，广泛应用于车辆装甲防护、野战军事防护等装甲弹道防护领域^[4-5]。

近年来，基于弹道侵彻试验和有限元仿真模拟，研究工作者围绕着以防弹陶瓷作为面板的复合装甲板的防弹性能开展了大量富有成效的工作，研究发现其防弹性能受陶瓷材料、背板材料、面板-背板的界面和弹着点位置等多种因素的影响。Fejdys等^[6]研究发现装甲的防弹性能与陶瓷材料的声阻抗值及断裂韧性相关，当陶瓷材料与背板材料具有相近的声阻抗值及陶瓷具有较高的断裂韧性时，复合装甲板表现出更优异的抗弹道侵彻性能；Zhang等^[7]通过数值模拟发现装甲陶瓷的防护效率主要受背板厚度、弹性模量和屈服强度的影响，其主要的作用机制是弹道冲击过程中的惯性支撑和机械支撑产生的增量效率；Liu等^[8]通过弹击试验研究背板结构对复合装甲板防弹性能的影响；Gao等^[9]基于弹道侵彻试验和仿真模拟研究陶瓷-背板之间的界面胶层对复合装甲板防弹性能的影响，研究结果表明随着胶层厚度的增加，粘接层内的剪切应变和剪切应变率降低，从而提高了复合装甲板的抗冲击性能。此外，Tasdemirci等^[10]通过仿真模拟发现在陶瓷-背板的界面中加入聚四氟乙烯和泡沫夹层能够降低应力波向复合材料背板的传播，有利于提升装甲的防弹性能；Cao等^[11]发现在陶瓷和纤维复合材料背板之间加入TC₄钛合金作为过渡层，能够为陶瓷面板提供高强度支撑，延长了陶瓷的磨损时间，能够提升装甲板的抗穿甲弹侵彻性能；Luo等^[12]研究了SiC陶瓷/装甲钢复合装甲在长杆穿甲弹侵彻下的弹道性能，结果表明弹着点位置对其抗弹道侵彻性能具有显著影响。

本文以弹道防护用的UHMWPE纤维增强水性聚氨酯树脂基复合材料层压板(UHMWPE/WPU)作为背板材料，以SiC陶瓷作为面板材料，通过真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板。基于弹道侵彻试验，研究SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的双层结构参数对其抗穿甲弹侵彻性能的影响，分析其在抗53式7.62 mm穿甲弹侵彻条件下组分材料(SiC和UHMWPE/WPU)的最佳匹配机制，从结构匹配的角度优化SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的防弹性能。此外，基于工业级X射线断层扫描技术和场发射扫描电镜技术，观察弹道侵彻后SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在细观和微观尺度上的损伤形貌，分析其在53式7.62 mm穿甲弹(GJB 4300A—2012^[13])以弹速 ${(808}_{-8}^{+7})$ m/s进行多发弹道侵彻下的损伤机制。对SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在防护53式7.62 mm穿甲弹威胁的工程应用中的结构设计具有重要的指导意义。

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

SiC陶瓷，宁夏机械研究院股份有限公司，形状是对边距为30 mm的正六边形；UHMWPE/WPU，北京普诺泰新材料科技有限公司，尺寸为300×300 mm，其增强体结构为单向(Unidirectional，UD)正交结构，通过缠绕-复合-热压工艺制备而成；SiC与UHMWPE/WPU的物理性能如表1所示。界面粘结用胶膜，北京普诺泰新材料科技有限公司，单层面密度为(45±5) g/m²；芳纶平纹织物，北京普诺泰新材料科技有限公司，单层面密度为(200±10) g/m²，其放置于碳化硅陶瓷面板的表面，主要作用是为了减少弹道侵彻过程中陶瓷碎裂后飞溅而导致的二次伤害。

表 1 实验用SiC陶瓷及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强水性聚氨酯树脂(WPU)复合材料层压板的物理性能

Table 1. Physical properties of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber reinforced waterborne polyurethane (WPU) composite laminate and SiC ceramics in experiment

Material	Density/(g·cm^-3)	Tensile strength at break/MPa	Young’s modulus/GPa	Tensile strain at break/%
UHMWPE/WPU	0.95-1.00	738.19	39.92	2.55
SiC	3.2	250.00	330.00	−

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1.2 复合装甲板的制备

采用真空袋膜压工艺制备SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板，如图1(a)所示。首先，将原材料按UHMWPE/WPU/热塑性树脂基胶膜/SiC/热塑性树脂基胶膜/芳纶平纹织物顺序堆栈，外包覆真空袋塑料膜并密封；随后，采用真空泵(FY-1C-N，中国飞越有限公司)抽真空处理，使堆栈的原材料处于0.1 MPa恒压状态下并固定位置；最后，将其置于烘箱(DHG-9243A，中国中杰电热有限公司)中，在110℃下，放置1h后取出，保压冷却至室温后卸压并取出复合装甲板。制备的复合装甲板的结构及其参数如表2所示。

表 2 实验用SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的规格参数

Table 2. Specifications of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate in experiment

Number	SiC	UHMWPE/WPU	SiC-UHMWPE/WPU
Number	Thickness/ mm	Thickness/ mm	Thickness/ mm	Areal density/ (kg·m⁻²)
1^#	10	12.957	23.95	45.36
2^#	10	11.945	22.92	44.34
3^#	10	10.754	21.50	43.35
4^#	10	9.615	20.45	42.35
5^#	9	12.815	22.60	42.13

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图 1 实验路线示意图：(a) SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板制备工艺；(b)弹道测试装置；(c)弹道侵彻后复合装甲板和弹丸的表面形貌；(d) 计算机断层(CT)扫描设备及其工作机制

Figure 1. Schematic of experimental route: (a) Preparation process of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate; (b) Illustration of ballistic test setup; (c) Surface morphologies of post-impact composite armor plate and post-impact projectile; (d) Illustration of computed tomography (CT) scan setup

UFCL—UHMWPE fiber composite laminates; API—Armor piercing incendiary

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1.3 弹道测试

参照GJB 4300A—2012^[13]标准，选用配备53式7.62 mm穿甲弹的弹道枪对SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板进行多发弹道侵彻实验。弹道测试参数如表3所示，弹道实验所用设备如图1(b)所示。弹道测试后SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的表面破坏形貌、界面层的破坏形貌和弹丸的破碎形貌如图1(c)所示。

表 3 弹道测试实验参数

Table 3. Experimental parameters of ballistic test

Reference standard	Projectile	Velocity/ (m·s⁻¹)	Material of bullet-core	Shooting angle/(°)	Shooting distance/m	Shooting state
GJB 4300A—2012^[13]	Type-53, 7.62 mm AP	${808}_{-8}^{+7}$	Hardened steel (HV 785)	0	30	Hang in the air
Note: AP—Armor piercing.

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1.4 损伤形貌表征

采用工业级X射线计算机断层扫描设备(Diondo d5，德国Diondo GmbHy有限公司)对弹道侵彻后的装甲板进行X 射线计算机断层扫描(CT)分析，实验所用设备如图1(d)所示，通过1600个旋转视图(0.2°旋转步长)构建装甲板的3D扫描图。此外，采用3D轮廓测量仪(Keyence VR-5200，日本基恩士有限公司)观察复合装甲板弹孔处SiC和UHMWPE/WPU的细观损伤形貌；采用FESEM (Hitachi S4800，日本日立有限公司)观察弹道侵彻后复合装甲板弹孔处SiC和UHMWPE/WPU的微观损伤形貌。

2. 结果与分析

2.1 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗弹道侵彻性能

本文采用53式7.62 mm穿甲弹以弹速 ${(808}_{-8}^{+7})$ m/s对双层结构参数的SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板进行多发弹道实验，选用弹道侵彻后层压板的剩余厚度作为复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能的衡量指标。表4为弹丸侵彻速度和弹道测试结果。可知，弹丸的侵彻速度稳定在合理的范围内，保证了弹道测试结果的横向可比性；此外，1^#、2^#复合装甲板有效抵挡了弹丸三发的弹道侵彻，而3^#、4^#、5^#复合装甲板在有效抵挡了第一发弹道侵彻后，在第二发弹或第三发弹道侵彻过程中被弹丸完全贯穿。

表 4 弹丸侵彻速度和SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板弹道测试结果

Table 4. Impacting velocity of projectile and ballistic test results of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate

Number	Shooting sequence	Velocity/(m·s⁻¹)	Post-impact state	Residual thickness/mm	Distribution area of impact point
1^#	1st	811	NP	10.727	Eccentric area
	2nd	809	NP	7.725	Eccentric area
	3rd	815	NP	10.154	Central area
2^#	1st	811	NP	10.600	Central area
	2nd	809	NP	6.813	Eccentric area
	3rd	813	NP	5.514	Central area
3^#	1st	811	NP	6.551	Central area
	2nd	808	CP	0	Eccentric area
	3rd	810	NP	7.978	Central area
4^#	1st	812	NP	4.033	Central area
	2nd	808	CP	0	Eccentric area
	3rd	813	CP	0	Eccentric area
5^#	1st	811	NP	8.853	Central area
	2nd	808	CP	0	Central area
	3rd	814	NP	5.690	Edge area
Notes: NP—Non-perforating; CP—Complete perforating.

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图2是弹道侵彻后复合装甲板中UHMWPE/WPU的余量百分数。其物理意义是弹道侵彻后UHMWPE/WPU的剩余厚度与原厚度的比值，计算公式如下所示：

图 2 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗弹道侵彻性能

Figure 2. Anti-penetration performance of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate

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$\varphi =\frac{t}{H}$

(1)

式中： $\varphi$ 是余量百分数(%)； $t$ 是弹道侵彻后UHMWPE/WPU的剩余厚度(mm)； $H$ 是UHMWPE/WPU的厚度(mm)。可知，对于1^#~5^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板，随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的梯度降低，虽然其都有效抵挡了弹丸的第一发弹道侵彻，但其抗弹道侵彻性能整体呈现下降趋势，并且在第一发弹着点处UHMWPE/WPU的厚度余量百分数依次为82.79%、88.74%、60.92%、41.94%和69.08%。其中1^#复合装甲板的余量低于2^#复合装甲板的原因是受弹着点位置的影响。当UHMWPE/WPU的厚度降低至10.754 mm及以下，或SiC厚度降低至9 mm时，复合装甲板在第二发或第三发弹道测试中发生了穿透现象。这表明复合装甲板的抗多发弹道侵彻的能力随着UHMWPE/WPU或SiC厚度的减少而逐渐降低。其中，1^#和2^#复合装甲板在连续有效抵挡三发弹丸的侵彻后，UHMWPE/WPU的最低剩余厚度百分数分别为59.62%和46.16%。目前复合装甲板被穿甲弹侵彻后的背板安全余量约为≥50%(实际工程经验参数)，因此，对于试验用的双层结构来说，1^#复合装甲板的结构是抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构，即10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU。

2.2 双层结构参数对SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能的影响

图3是弹道侵彻后SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板中第一发弹着点处UHMWPE/WPU的比余量百分数。因为1^#~5^#装甲板的面密度是梯度变化的，且第二或第三发弹道侵彻响应都受到上一或两发的影响，所以采用第一发的比余量百分数作为归一化性能指标，用于评估双层结构参数对复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能的影响，其物理意义是弹道侵彻后复合装甲板中UHMWPE/WPU的余量百分数与复合装甲板面密度的比值，计算公式如下所示：

图 3 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在第一发弹着点处的比余量百分数

Figure 3. Specific margin percentage of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate at 1st impact point

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$\varPhi =\frac{\varphi }{D}$

(2)

式中： $\varPhi$ 是比余量百分数(%·m²·kg⁻¹)；D是复合装甲板的面密度(kg·m⁻²)。

对比2^#和5^#复合装甲板的比余量百分数可知，在复合装甲板厚度相近的条件下，将1 mm厚陶瓷替换成同等厚度的UHMWPE/WPU时，复合装甲板的抗弹道侵彻性能下降了约18.04%。这主要是由于SiC防护效率下降所导致抗弹道侵彻性能的衰减幅度超过UHMWPE/WPU增厚对抗弹道侵彻性能的提升幅度；即在同等厚度条件下，SiC对复合装甲板的抗穿甲弹侵彻性能的影响权重要大于UHMWPE/WPU。此外，对比4^#和5^#复合装甲板的比余量百分数可知，在复合装甲板面密度相等的条件下，将1 mm厚陶瓷替换成同等面密度的UHMWPE/WPU(约3.2 mm厚)时，复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约65.66%。这主要是由于UHMWPE/WPU的显著增厚增强了其在弹道侵彻过程中的支撑作用，从而提升了SiC的弹道防护效率^[3]，且其防护效率的提升幅度覆盖了由SiC厚度降低导致的防护效率衰减幅度。

对于1^#~4^#复合装甲板，随着背板厚度按约1 mm的梯度递减时，其抗弹道侵彻性能呈现先增大后减少的变化规律，主要是由于1^#复合装甲板的第一发弹着点落于正六边形的偏心区，2^#、3^#、4^#复合装甲板的弹着点落于正六边形的中心区，如图4所示，从而导致1^#复合装甲板中陶瓷的防护效率降低。且对比图3中2^#~4^#复合装甲板的比余量百分数可知，复合装甲板的抗弹道侵彻性能随着UHMWPE/WPU厚度按1 mm递减而按约29.67%的比例梯度衰减。因此，从理论上来说，在弹着点区域相同的条件下，1^#复合装甲板的修正余量百分数接近100%(溢出取上限值)，即其修正比余量百分数约为2.205 %·m²·kg⁻¹。分别对比修正后的1^#复合装甲板与图3中4^#、5^#复合装甲板发现：在同等减重的条件下，降低UHMWPE/WPU的面密度导致复合装甲板的抗弹道侵彻性能下降了约55.10%，而降低SiC的面密度导致复合装甲板的抗弹道侵彻性能下降了约25.62%。这主要是由于SiC面密度的减少只是单纯降低了陶瓷的防护效率，而UHMWPE/WPU面密度的减少不仅降低了UHMWPE/WPU的防护效率，其还降低了UHMWPE/WPU对陶瓷的机械支撑作用，间接地弱化了陶瓷的防护效率，且这种弱化效应可能是抗弹道侵彻性能下降幅度超过50%的主要原因。

图 4 试验用1^#~5^#复合装甲板的第一发弹着点分布示意图

Figure 4. Schematic diagram of impact point distribution of the 1st impact point of 1^#-5^# composite armor plate

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对于正六边形拼接的陶瓷面板，其具有可抗多发弹道侵彻的特点，但是其面内陶瓷防护效率呈现非均匀的分布^[14]。根据弹着点与正六边形中心的距离，可将陶瓷面板划分为三个区域：距离正六边形中心10 mm以内的中心区；距离正六边形中心14 mm以外的边界区；中心区和边界区之间的偏心区^[15]，如图4所示。结合图2和表4可知，3^#、4^#和5^#复合装甲板的穿透现象均发生在偏心区和边界区内，且1^#复合装甲板的第二发余量百分数低于第三发的原因是其弹着点位于偏心区。这主要是由于随着弹着点与正六边形中心距离的增大，陶瓷碎裂的程度和范围在减少^[16-17]，复合装甲板在弹道侵彻过程中吸收的能量在逐渐降低，如图5所示。图5显示了弹道点位置对正六边形拼接陶瓷面板弹道侵彻损伤形貌的影响。如图5(a)所示，当弹着点位于中心区时，SiC具有较大的响应区域，同时形成完整的陶瓷锥；如图5(b)所示，当弹着点位于偏心区时，受边界限制的影响，SiC响应区域减少，同时形成不完整的陶瓷锥，导致其防护效率下降；如图5(c)所示，当弹着点位于边界区时，正六边形SiC的边界阻止了裂纹的扩展，防护效率显著降低^[18]。

图 5 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板内正六边形拼接陶瓷面板的损伤形貌：(a)中心区；(b)偏心区；(c)边界区

Figure 5. Damage morphologies of hexagonal spliced ceramic panel in SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate: (a) Central area; (b) Eccentric area; (c) Edge area

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2.3 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在非贯穿状态下的损伤机制

弹道侵彻过程是弹丸在自旋和高速前进的耦合状态下与复合装甲板结构相互作用的过程，其相互作用结果表现为弹道侵彻后复合装甲板的损伤形貌。因此，研究复合装甲板在非贯穿状态下的损伤模式和弹道侵彻过程，对优化SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的结构设计具有重要的指导意义。

图6是基于CT技术获得的弹道侵彻后1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在弹着点处的横截面损伤形貌。对比图6(a)和6(b)可知，第一发和第二发弹道侵彻导致陶瓷损伤区域的跨度相近，这是由于两发弹道点都位于偏心区，如表4所示，但第二发侵彻导致UHMWPE/WPU存在更严重的剪切破坏和分层破坏，这主要是由于第一发弹道侵彻后UHMWPE/WPU存在一定程度的损伤。对比图6(c)和6(b)可知，第三发侵彻导致UHMWPE/WPU的损伤程度要低于第二发侵彻，这是由于第三发弹着点位于中心区，诱导更多的陶瓷参与抗弹道侵彻的响应中。

图 6 1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的弹孔剖面形貌：(a)第一发；(b)第二发；(c)第三发

Figure 6. Bullet-hole profile morphologies of 1^# SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate: (a) 1st shot; (b) 2nd shot; (c) 3rd shot

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图7是弹道侵彻后1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在弹着点处的多尺度损伤形貌。由图6可知，在穿甲弹侵彻作用下，SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在厚度方向上的损伤模式可以分为三部分。第一部分主要为陶瓷破碎，陶瓷通过破碎吸收弹丸的动能，并基于其高硬度特性使穿甲弹碎裂(图1(c))及改变弹丸的前进方向(图6(b))，从而最大程度削弱弹丸的侵彻力。陶瓷裂纹是以弹着点为中心，沿径向扩展，呈现花瓣状的裂纹形态，如图7(a1)所示，这表明陶瓷具有良好的韧性^[19]；由图7(b1)可知，陶瓷碎片颗粒的尺寸呈现沿裂纹扩展的径向逐渐增大的变化趋势，在弹着点处呈现陶瓷粉末状(图7(a2))，这是由于弹丸携带的动能以弹着点为中心，以冲击波脉冲的形式沿径向扩散，随着径向传播的距离增加，能量逐渐减少，陶瓷的碎裂程度也逐渐降低^[20-21]。此外，部分纳米级别的陶瓷碎片吸收弹丸的动能，跟随弹丸一起侵彻UHMWPE/WPU，如图7(c3)所示。第二部分为UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏，包括UHMWPE/WPU的剪切破坏(图7(b2)和图7(c1))和熔融破坏(图7(b3)和图7(c2))，导致剪切破坏的主要原因是侵彻过程中弹着点响应区域的UHMWPE/WPU与弹丸或陶瓷碎片之间的速度差。第三部分为UHMWPE/WPU的剪切破坏、弯曲变形和分层破坏，如图8所示。其中由弯曲变形诱导的膜力效应导致UHMWPE/WPU的拉伸变形是其耗散弹丸动能主要模式^[22]。

图 7 弹道侵彻后1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在弹着点的多尺度损伤形貌：(a)宏观尺度；(b)细观尺度；(c)微观尺度

Figure 7. Multi-scale damage morphology of post-impact 1^# SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate at impact point: (a) Macro scale; (b) Meso scale; (c) Micro scale

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图 8 弹道侵彻下复合装甲板中UHMWPE/WPU的损伤机制示意图

Figure 8. Schematic diagram of damage mechanism of UHMWPE/WPU in composite armor plate during impact

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对于悬空测试的复合装甲板而言，在弹道侵彻作用下，导致UHMWPE/WPU发生分层破坏的作用机制主要包含三种^[23]：(1)弹道冲击产生的高压缩应力诱导的层间纵向位移机制；(2) UHMWPE/WPU弯曲变形诱导的弯曲张力机制；(3)冲击压缩波在自由端面(复合装甲板的背面)反射产生冲击拉伸波。前两者是层间剪切作用导致的分层破坏，后者是层间拉伸作用导致的分层破坏。由图6可知，UHMWPE/WPU的分层破坏主要分布在背凸部分。其中，弹着点正下方的分层破坏是由层间纵向位移机制和冲击拉伸波的耦合作用导致的，但同时承受弹丸冲击导致的横向高压缩应力作用，因此分层现象并不明显。弹着点两侧的分层破坏主要是由弯曲变形诱导的弯曲张力机制^[24]。当弹道冲击导致UHMWPE/WPU的弯曲挠度接近或超过其厚度时，会在UHMWPE/WPU面内产生明显的膜力效应^[25]，即UHMWPE/WPU承受面内拉伸作用，基于相邻单向层（Unidirectional，UD）层间的面内塑性变形的各向异性，面内拉伸作用会诱导出层间剪切作用，如图8所示，当层间剪切应力大于UHMWPE/WPU的层间剪切强度时，UHMWPE/WPU发生分层破坏。

由上可知，在穿甲弹的侵彻作用下，SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在厚度方向上的损伤模式依次为SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏。图9是SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在穿甲弹侵彻作用下的非贯穿响应过程示意图。其中，弹丸主要经历了非线性的减速过程，直至动能耗尽；SiC主要经历了破碎和部分SiC碎片先加速后减速的过程；UHMWPE/WPU主要经历了先加速后减速的响应过程。由于冲击波的传播速度远大于弹丸的侵彻速度，因此当弹丸接触混杂复合材料装甲板时，其携带动能以冲击波脉冲的形式迅速在装甲板内传播，如图9(a)所示；陶瓷通过碎裂方式吸收弹丸的动能，裂纹以弹着点为中心沿径向向周围扩散，其中弹丸正下方的陶瓷粉化并与弹丸一同侵彻UHMWPE/WPU背板，如图9(b)所示，与此同时，在弹丸冲击的作用下，弹着点区域的UHMWPE/WPU向下做加速运动，并出现轻微背凸变形，此外基于陶瓷的高硬度特性，弹丸的碎裂也发生在这一阶段；弹丸持续做减速运动，基于弹丸与UHMWPE/WPU之间的速度差，UHMWPE/WPU背板被剪切破坏，直至UHMWPE/WPU加速至与弹丸速度相等，随后弹丸和UHMWPE/WPU一同向下做减速运动，如图9(c)所示，在弹丸和UHMWPE/WPU共同减速的过程中，UHMWPE/WPU的背凸部分承受面内拉伸变形并出现分层破坏；当弹丸和UHMWPE/WPU的动能耗尽时，UHMWPE/WPU具有最大程度的背凸变形，随后在UHMWPE/WPU弹性恢复作用下，UHMWPE/WPU和弹丸出现短暂的反向加速和减速运动，如图9(d)所示。其中，压缩冲击波在UHMWPE/WPU背面(自由端面)反射为拉伸冲击波，随后在压缩冲击波和拉伸冲击波的耦合作用下，弹丸正下方的UHMWPE/WPU中出现轻微分层破坏。

图 9 弹丸侵彻SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的过程示意图：(a)冲击波的传播；(b) SiC破碎吸能和UHMWPE/WPU加速运动；(c) UHMWPE/WPU剪切破坏、UHMWPE/WPU与SiC共同减速运动；(d) UHMWPE/WPU弹性回弹

Figure 9. Schematic diagram of penetration process of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate: (a) Propagation process of shock wave; (b) Energy absorption of SiC by crushing and acceleration of UHMWPE/WPU; (c) Shear failure of UHMWPE/WPU, joint deceleration of UHMWPE/WPU and SiC; (d) UHMWPE/WPU elastic rebound

V—Velocity of projectile at different time t

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3. 结论

(1)碳化硅-超高分子量聚乙烯纤维增强水性聚氨酯 (SiC-UHMWPE/WPU)复合装甲板的抗多发弹侵彻能力随着UHMWPE/WPU厚度或SiC厚度的梯度降低而逐渐下降；对于试验用的双层结构来说，10 mm厚SiC+13 mm厚UHMWPE/WPU是抗53式7.62 mm穿甲弹多发弹道侵彻的最佳工程应用结构。

(2)在同等厚度条件下，SiC的结构参数对复合装甲板抗53式7.62 mm穿甲弹侵彻性能的影响权重要大于UHMWPE/WPU。在同等面密度条件下，UHMWPE/WPU的结构参数对复合装甲板抗53式7.62 mm穿甲弹侵彻性能的影响权重要大于SiC，这是由于UHMWPE/WPU面密度的减少不仅影响UHMWPE/WPU自身的防护效率，其还通过降低对陶瓷的支撑作用，间接影响陶瓷的防护效率。

(3)在53式7.62 mm穿甲弹以 ${(808}_{-8}^{+7})$ m/s的弹速侵彻SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的非贯穿性侵彻过程中，复合装甲板在厚度方向上的损伤模式依次为SiC碎裂、SiC与UHMWPE/WPU的界面破坏及UHMWPE/WPU的绝热剪切破坏、拉伸变形和分层破坏。

UFCL—UHMWPE fiber composite laminates; API—Armor piercing incendiary

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图 2 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的抗弹道侵彻性能

Figure 2. Anti-penetration performance of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate

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图 3 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在第一发弹着点处的比余量百分数

Figure 3. Specific margin percentage of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate at 1st impact point

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图 4 试验用1^#~5^#复合装甲板的第一发弹着点分布示意图

Figure 4. Schematic diagram of impact point distribution of the 1st impact point of 1^#-5^# composite armor plate

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图 5 SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板内正六边形拼接陶瓷面板的损伤形貌：(a)中心区；(b)偏心区；(c)边界区

Figure 5. Damage morphologies of hexagonal spliced ceramic panel in SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate: (a) Central area; (b) Eccentric area; (c) Edge area

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图 6 1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的弹孔剖面形貌：(a)第一发；(b)第二发；(c)第三发

Figure 6. Bullet-hole profile morphologies of 1^# SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate: (a) 1st shot; (b) 2nd shot; (c) 3rd shot

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图 7 弹道侵彻后1^# SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板在弹着点的多尺度损伤形貌：(a)宏观尺度；(b)细观尺度；(c)微观尺度

Figure 7. Multi-scale damage morphology of post-impact 1^# SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate at impact point: (a) Macro scale; (b) Meso scale; (c) Micro scale

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图 8 弹道侵彻下复合装甲板中UHMWPE/WPU的损伤机制示意图

Figure 8. Schematic diagram of damage mechanism of UHMWPE/WPU in composite armor plate during impact

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V—Velocity of projectile at different time t

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表 1 实验用SiC陶瓷及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维增强水性聚氨酯树脂(WPU)复合材料层压板的物理性能

Table 1 Physical properties of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber reinforced waterborne polyurethane (WPU) composite laminate and SiC ceramics in experiment

Material	Density/(g·cm^-3)	Tensile strength at break/MPa	Young’s modulus/GPa	Tensile strain at break/%
UHMWPE/WPU	0.95-1.00	738.19	39.92	2.55
SiC	3.2	250.00	330.00	−

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表 2 实验用SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板的规格参数

Table 2 Specifications of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate in experiment

Number	SiC	UHMWPE/WPU	SiC-UHMWPE/WPU
Number	Thickness/ mm	Thickness/ mm	Thickness/ mm	Areal density/ (kg·m⁻²)
1^#	10	12.957	23.95	45.36
2^#	10	11.945	22.92	44.34
3^#	10	10.754	21.50	43.35
4^#	10	9.615	20.45	42.35
5^#	9	12.815	22.60	42.13

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表 3 弹道测试实验参数

Table 3 Experimental parameters of ballistic test

Reference standard	Projectile	Velocity/ (m·s⁻¹)	Material of bullet-core	Shooting angle/(°)	Shooting distance/m	Shooting state
GJB 4300A—2012^[13]	Type-53, 7.62 mm AP	${808}_{-8}^{+7}$	Hardened steel (HV 785)	0	30	Hang in the air
Note: AP—Armor piercing.

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表 4 弹丸侵彻速度和SiC-UHMWPE/WPU复合装甲板弹道测试结果

Table 4 Impacting velocity of projectile and ballistic test results of SiC-UHMWPE/WPU composite armor plate

Number	Shooting sequence	Velocity/(m·s⁻¹)	Post-impact state	Residual thickness/mm	Distribution area of impact point
1^#	1st	811	NP	10.727	Eccentric area
	2nd	809	NP	7.725	Eccentric area
	3rd	815	NP	10.154	Central area
2^#	1st	811	NP	10.600	Central area
	2nd	809	NP	6.813	Eccentric area
	3rd	813	NP	5.514	Central area
3^#	1st	811	NP	6.551	Central area
	2nd	808	CP	0	Eccentric area
	3rd	810	NP	7.978	Central area
4^#	1st	812	NP	4.033	Central area
	2nd	808	CP	0	Eccentric area
	3rd	813	CP	0	Eccentric area
5^#	1st	811	NP	8.853	Central area
	2nd	808	CP	0	Central area
	3rd	814	NP	5.690	Edge area
Notes: NP—Non-perforating; CP—Complete perforating.

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