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Ballistic performance and mechanism of a novel multi-scale bionic array
gradient (SiCcþB4Cp)/Al armor

新型多尺度仿生陣列梯度（SiC晶須+B4C顆粒）/鋁復(fù)合裝甲的彈道性能與機(jī)理

作者信息：

Z.L. Chao, Z.W. Wang, L.T. Jiang, S.Q. Du a, T. Luo a, Y. Sun a, J.H. Ge a, Y.D. He, S.P. Chen, B.J. Pang, G.Q. Chen, G.H. Wua

School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

Chongqing Research Institute, Harbin Institute of Technology, Chongqing, 400000, China

School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

No. 52 Institute of China Ordnance Industries, Yantai, 264003, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100022

文章介紹：

陶瓷材料（如碳化硅、碳化硼和氧化鋁）因其高強(qiáng)度、高硬度和低密度等特性被廣泛應(yīng)用于裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)。然而，陶瓷固有的脆性及其與背板材料之間的聲阻抗失配，導(dǎo)致傳統(tǒng)陶瓷復(fù)合裝甲難以具備優(yōu)異的抗多次沖擊性能。為解決這一難題，現(xiàn)有陶瓷復(fù)合裝甲常采用小塊陶瓷拼接結(jié)構(gòu)。這種簡易拼接方式雖能提升裝甲結(jié)構(gòu)的抗多次打擊能力，但會(huì)削弱其抗侵徹性能——尤其在陶瓷塊接縫處更為顯著。如何解決高強(qiáng)度與高韌性之間的矛盾，始終是裝甲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的關(guān)鍵問題。

犰狳、魚類、鱷魚和棱皮龜?shù)壬飺碛械娜嵝云つw裝甲系統(tǒng)，為仿生裝甲設(shè)計(jì)提供了重要靈感。這類天然裝甲通常具有膠原纖維連接剛性結(jié)構(gòu)單元（鱗片或皮內(nèi)成骨）的多級(jí)結(jié)構(gòu)，可在保持強(qiáng)度的同時(shí)顯著提升柔韌性。以犰狳外殼為例，其由夏皮纖維連接的礦化硬質(zhì)片構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖1a）。目前已報(bào)道的仿生裝甲大多采用“硬質(zhì)鱗片嵌入軟質(zhì)基底”的設(shè)計(jì)范式，軟質(zhì)基底材料包括橡膠、樹脂或直接留空，其剛度通常比硬質(zhì)片低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。這種軟基底設(shè)計(jì)可賦予結(jié)構(gòu)抗穿刺、彎曲適應(yīng)性、損傷容限及抗多次沖擊等特性，但在面對(duì)高速穿甲彈等強(qiáng)火力時(shí)，由于軟基難以有效約束硬質(zhì)片，整個(gè)結(jié)構(gòu)易發(fā)生潰散。因此，在車輛裝甲設(shè)計(jì)中需重新權(quán)衡軟基與硬質(zhì)片的配比關(guān)系，有必要采用更強(qiáng)韌的基底材料來約束硬質(zhì)片以應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度威脅，同時(shí)不過度犧牲抗多次沖擊能力。對(duì)于陶瓷鱗片而言，充分約束對(duì)其彈道性能發(fā)揮至關(guān)重要。

功能梯度材料被視為解決裝甲結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌矛盾的有效方案。梯度結(jié)構(gòu)可降低材料間的阻抗失配[20]，改變應(yīng)力波的傳播與反射模式，并具備增強(qiáng)的裂紋擴(kuò)展阻力。目前功能梯度材料研究多集中于B4C/Al、SiC/Al、TiB/Ti等金屬基復(fù)合材料體系，但存在前沿面板陶瓷含量偏低（通常≤60%）的共性問題。Strapβburger指出金屬陶瓷的陶瓷體積分?jǐn)?shù)需顯著超過70%，才能獲得與整體陶瓷相當(dāng)量級(jí)的彈道性能。因此，制備具有高陶瓷含量的高強(qiáng)度、高硬度前面板是實(shí)現(xiàn)功能梯度材料優(yōu)異彈道性能的關(guān)鍵。

受犰狳背甲與毛竹仿生結(jié)構(gòu)啟發(fā)，本研究通過多尺度陶瓷相復(fù)合設(shè)計(jì)，制備出兼具陣列結(jié)構(gòu)與梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的多尺度仿生陣列梯度（SiC晶須+B4C顆粒）/鋁復(fù)合材料（圖1c）。其中陣列層由厘米級(jí)SiC陶瓷柱與微米級(jí)B4C顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（B4Cp/Al）構(gòu)成，陶瓷含量可達(dá)93%——兼具高強(qiáng)度與一定韌性的B4Cp/Al能對(duì)SiC陶瓷柱形成有效約束；梯度層則由55 vol% B4Cp/Al構(gòu)成。沿彈丸侵徹方向由此形成93%-55%的雙層梯度結(jié)構(gòu)。通過將（SiCc+B4Cp）/Al梯度復(fù)合材料與超高分子量聚乙烯、裝甲鋼結(jié)合，制備出多尺度仿生陣列梯度復(fù)合裝甲（AGS）。采用初速約800 m/s的12.7 mm穿甲燃燒彈進(jìn)行彈道測試，并以相同面密度的典型陶瓷復(fù)合裝甲（CCS）作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明：AGS在保持與CCS相當(dāng)抗侵徹性能的同時(shí)，損傷程度顯著降低——受擊后AGS結(jié)構(gòu)保持完整，僅產(chǎn)生直徑約57 mm的彈孔與數(shù)條徑向裂紋；而CCS的陶瓷面板已破碎解體。相較CCS，AGS的損傷面積減少超80%。這種低損傷特性源于陣列結(jié)構(gòu)對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制，以及雙層梯度結(jié)構(gòu)對(duì)反射拉伸波的削減作用。有限元模擬侵徹過程表明，復(fù)合裝甲的彈道性能與彈著點(diǎn)位置相關(guān)。該多尺度仿生陣列梯度復(fù)合裝甲展現(xiàn)出優(yōu)異的抗侵徹性能與潛在的抗多次沖擊能力，本研究可為新型高性能裝甲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備提供數(shù)據(jù)支撐。

中文摘要：

本研究設(shè)計(jì)并制備了一種新型多尺度仿生陣列梯度（SiC晶須+B4C顆粒）/鋁復(fù)合材料裝甲結(jié)構(gòu)（AGS）。該結(jié)構(gòu)包含由B4Cp/鋁約束致密SiC陶瓷柱組成的陣列層（陶瓷含量93 vol%），以及由55 vol% B4Cp/鋁構(gòu)成的梯度層。通過12.7毫米穿甲燃燒彈（API）測試其抗彈性能，并結(jié)合損傷形貌觀察、侵徹過程模擬和應(yīng)力波計(jì)算揭示了抗彈機(jī)理。結(jié)果表明：具有優(yōu)異力學(xué)性能的B4Cp/5083鋁復(fù)合材料對(duì)SiC陶瓷柱形成有效約束，且陶瓷柱與鋁基體呈現(xiàn)良好界面結(jié)合。AGS結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出卓越抗彈性能，在面密度91 kg/m²時(shí)可有效抵御12.7毫米API彈的貫穿。與傳統(tǒng)陶瓷復(fù)合裝甲相比，該新型結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的錐形與徑向裂紋擴(kuò)展模式。在保持相當(dāng)抗貫穿性能的前提下，AGS的損傷面積較同等面密度傳統(tǒng)陶瓷裝甲結(jié)構(gòu)（CCS）減少85%以上。仿真模擬顯示侵徹過程可大致劃分為5個(gè)階段，彈體在貫穿陣列層時(shí)動(dòng)能與質(zhì)量損失最為顯著。研究還證實(shí)著彈位置對(duì)裝甲結(jié)構(gòu)抗彈性能存在影響。本工作有望為新型高抗侵徹、抗多次沖擊裝甲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備提供技術(shù)支撐。