低硬度聚脲/钢板复合结构抗高速破片侵彻机理试验

针对低硬度聚脲/钢板复合结构的抗破片高速侵彻机理问题,通过弹道试验,分析了复合结构靶板的侵彻破坏模式和抗弹性能,并与相同面密度的纯钢板进行了比较. 从应力波的角度进一步探讨了复合结构靶板的抗弹机理,以及前聚脲层对后钢板层的影响机制. 结果表明,破片高速侵彻下,前聚脲层主要呈现剪切冲塞的破坏模式;而后钢板层的侵彻破坏模式则由无前聚脲层时的剪切冲塞,逐渐转变为花瓣开裂. 相同面密度情形下,虽然复合结构靶板的整体抗弹性能不如纯钢板,但由于前聚脲层的影响,后钢板层的抗弹效率会得到大幅提升;随前聚脲层/后钢板层面密度比值增大,复合结构靶板整体抗弹性能不是一直降低,而是先降低后提高,且后钢板层是主要耗能构件.      

石墨烯增强铝基SiC复合材料的动态失效机理与抗侵彻性能

研究石墨烯增强铝基复合材料的动态力学性能、失效机理以及抗侵彻性能.通过静、动态压缩测试掌握了材料在0.001~5 200.000 s-1应变率范围内的力学性能,揭示了该材料的应变率效应,结合光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分析了该材料在静、动态压缩下的断裂机理;通过弹道枪试验掌握了该材料与Q235钢面板层叠构成复合结构及12~18 mm厚Q235A钢板的弹道极限速度及极限比吸收能.试验结果表明,Q235A钢/石墨烯增强铝基复合结构的极限比吸收能是12~14 mm厚度范围Q235A钢板的1.79倍,34.10 mm厚石墨烯增强铝基SiC复合材料的极限比吸收能与16.70 mm厚Q235A钢相当.      

UHMWPE背板铺层角度对陶瓷复合靶板抗弹性的影响

由于背板强度对陶瓷/纤维复合装甲的抗弹性能存在明显影响，采用12.7 mm穿燃弹(刚脆性)冲击实验研究了不同UHMWPE背板铺层角度对陶瓷/纤维复合装甲弹道冲击性能的影响.通过观测回收的弹芯、靶体陶瓷及纤维背板宏观破坏特征，分析了陶瓷/纤维复合装甲的耗能机理及抗弹性能.试验结果表明，陶瓷锥是陶瓷面板的主要破坏模式，其宏观裂纹主要有:径向、环向及与锥形裂纹；纤维背板变形模式为动态锥形鼓包及边界褶皱，其破坏失效模式有:剪切失效及层间剥离.并且，背板强度对陶瓷/纤维复合靶板的抗弹性能有明显影响，随着UHMWPE背板铺层角度的减小，背板强度以及陶瓷/纤维靶板整体结构刚度随之增大，靶板对弹芯的破碎作用越明显，冲击后剩余弹芯最大碎片质量减小，小碎块数量增多，弹丸碎块穿透靶板后剩余侵彻能力减弱，复合靶板整体抗弹性能增加，同时背板鼓包高度减小，锥形鼓包所形成的角度增大，纤维层合板的破坏失效模式从剪切失效向层间剥离转变.      

破片侵彻钢/陶瓷/钢复合板的特性分析

为了从理论角度分析钢/陶瓷/钢复合板抵御爆炸破片的侵彻能力,将钢/陶瓷/钢复合靶板简化为由单层的薄板(钢面板)与陶瓷/钢复合靶板组合而成,建立了破片侵彻复合板过程的理论分析模型。结合Florence模型推导了弹体穿透钢/陶瓷/钢复合靶板的剩余速度公式。采用非线性动力学计算程序AUTODYN模拟了圆柱形破片对钢/陶瓷/钢复合靶板的侵彻过程,模拟结果与理论计算结果吻合较好,推导得到的理论公式具有一定的工程实用性。     

聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

立方形破片对钢靶的穿甲威力研究

利用14.5 mm弹道枪通过六射弹弹道极限法,结合LS-DYNA数值计算法研究了8 g立方形钢破片和3 g、8 g立方形钨合金破片垂直侵彻Q235钢靶板的v50弹道极限速度,并分析了三种类型破片在v50弹道极限速度附近的穿甲机理、穿甲威力等。结果表明,三种破片在侵彻靶板时具有相同的穿甲机理,两种类型的钨合金破片具有良好的穿甲效果。在冲击比动能相差不大的情况下,贯穿5 mm靶时,破片材料的密度是影响穿甲威力的主要因素;而贯穿10 mm靶时,破片的密度和质量共同决定着破片的穿甲威力。     

陶瓷/芳纶纤维复合靶板防弹性能研究及结构改进

为了提高靶板防弹性能,提出一种由陶瓷和芳纶纤维复合材料构成的防弹结构。对陶瓷及芳纶纤维防弹性能有限元仿真分析的结果表明：陶瓷的弹孔面积大于纤维,陶瓷内部的形状比较粗糙而纤维则比较平滑,陶瓷吸能主要是通过自身的破碎和断裂及应力波的传递实现的,而纤维吸能则主要是通过自身的拉伸和延展将弹丸的动能转换为自身的弹性势能和断裂能。此外,基于陶瓷和芳纶纤维的抗侵彻原理,进行了复合靶板的结构设计,并利用NSGA-II算法对层间材料的厚度进行了优化,优化后复合靶板子弹的剩余速度降低了185 m/s,靶板的面密度降低了5.4 kg/m²,综合防弹性能得到了明显提高,为后续进行新型轻质防弹复合装甲的结构设计提供指导思路。     

钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹性能

为优化设计钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板,结合薄板冲塞的极限速度方程与Florence模型建立了钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板的抗弹极限速度预测模型. 根据模型,分析了不同面板、背板及陶瓷厚度组合对钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹极限速度的影响,并通过7.62mm普通钢芯弹侵彻钢/Al2O3陶瓷/钢复合装甲板试样实验验证了该模型的正确性. 结果表明,钢面板厚度小于1.0mm时,复合板抗弹极限速度计算值和实验值之间的相对误差在15%以下,陶瓷芯与钢背板的厚度比保持在1.5～4.5之间比较合理.     

钨合金破片对钢板和铝板的高速穿甲实验及数值模拟

研究钨合金破片对有限厚钢板和铝板的穿甲效应. 采用12.7 mm滑膛弹道枪,57.5 mm/14.5 mm二级轻气炮以及通靶速度测试装置组成实验系统进行3g（直径7 mm）球形钨合金破片对9.64,11.78,14.81,15.89和17.9 mm厚Q235A钢板和10.16,20.38 mm厚2A12铝板的穿甲实验,通过实验获得球形钨合金破片对不同厚度金属板的弹道极限以及对Q235A钢板的极限贯穿厚度;采用扫描电镜（SEM）对实验后回收破片进行了微观结构特征观察,分析了不同弹靶作用条件下钨合金破片的失效机理. 进行了与实验相同弹靶结构的数值模拟研究,通过数值模拟研究了破片对金属板侵彻过程中的阻力变化特征. 结果表明,钢板较高的密度是存在极限贯穿厚度的主要原因.     

夹层对陶瓷/装甲钢复合结构应力波传播及抗弹性能影响

选取陶瓷/装甲钢复合结构为研究对象,开展霍普金森压杆试验(SHPB),研究夹层材料对复合结构应力波传播与能量耗散的影响;采用12.7 mm穿甲燃烧弹对不同夹层复合结构进行靶试验证,开展夹层材料对复合结构抗弹性能的研究. 结果表明:在陶瓷/装甲钢复合结构中引入合适的夹层材料作为过渡层,对应力波衰减起到一定改善作用;能显著提高复合结构的抗弹性能.     

钨球正撞击下低碳钢板的极限贯穿厚度研究

研究低碳钢板在钨球正撞击下的极限贯穿厚度.采用6射弹弹道极限试验数据处理方法通过试验获得Φ6.0 mm（93 W）、Φ7.0 mm（93 W）、Φ6.0 mm（95 W）和Φ7.5 mm（95 W）共4种钨球对6种不同厚度Q235A钢板正撞击下的弹道极限速度和极限贯穿厚度范围.采用Autodyn软件进行了同试验条件下的数值仿真,仿真模型被验证后,通过仿真获得了极限贯穿厚度范围,同时分析了钨球正撞击侵彻过程中的能量转换规律.基于能量守恒,建立了钨球对低碳钢板正撞击下极限贯穿厚度的计算模型.采用所建立的计算模型计算得到:Φ6.0 mm（93 W）、Φ7.0 mm（93 W）、Φ6.0 mm（95 W）和Φ7.5 mm（95 W）4种钨球正撞击下Q235A钢板的极限贯穿厚度分别为16.95,19.17,17.30,21.50 mm,计算结果与试验和数值仿真所获得范围误差不大于10%.研究结果为杀爆战斗部毁伤元的设计提供了基础数据以及方法支撑.      

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列（TNAs）,然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极（TCW）,并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法（UV-Vis DRS）和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区（384 nm）扩展至可见光区（426 nm）,带隙宽度（E_g）从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157 μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101 μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V （vs.Ag/AgCl）,电化学电流噪声（ECN）振幅增大,腐蚀过程受到明显抑制。以上结果表明TCW对Q235碳钢具有优异的光致阴极保护作用。     

三维编织复合材料抗侵彻性能--准静态侵彻实验与弹道侵彻有限元计算的对比

用钢制圆柱锥体对四步法三维编织芳纶／环氧复合材料在MTS材料试验机上作准静态侵彻测试，得到准静态侵彻载荷一位移曲线，并由此计算得到侵彻功一位移曲线。在对复合材料侵彻破坏的细观观测中发现，复合材料主要以拉伸断裂方式为主并在受侵彻面伴有压缩和剪切破坏。由于弹道侵彻破坏很难测量侵彻过程中的侵彻功随侵彻位移的变化，这里用有限元程序LS—DYNA960并结合由准静态得到的破坏判据、复合材料力学性质常数模拟动态侵彻，对比准静态侵彻功一位移曲线和弹道侵彻模拟曲线，两者有较好的一致性，表明用该类复合材料的准静态侵彻性能模拟弹道侵彻性能有一定的可行性。     

Q235钢表面硬质合金喷涂层的磨损特性研究

用超音速火焰喷涂方法在Q235钢表面进行了WC硬质合金粉末的喷涂.在MRH-5A型滑动磨损试验机上,对涂层进行室温下的干滑动摩擦磨损性能测验,借助于扫描电镜观察磨损试样磨面形貌.通过对摩擦磨损数据进行分析,结果表明:Q235钢表面用WC硬质合金喷涂后,耐磨性大大提高,涂层磨损机理主要表现为磨粒磨损和粘着磨损.     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列（TNAs）,然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极（TCW）,并通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法（UV-Vis DRS）和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区（384 nm）扩展至可见光区（426 nm）,带隙宽度（E_g）从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157 μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101 μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V （vs.Ag/AgCl）,电化学电流噪声（ECN）振幅增大,腐蚀过程受到明显抑制。以上结果表明TCW对Q235碳钢具有优异的光致阴极保护作用。