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纤维约束陶瓷复合靶板的制备及抗弹性能研究

罗通  
【摘要】:装甲陶瓷具有高硬度、高压缩强度和低密度的优点,是现代装甲中最重要的材料之一。但陶瓷韧性差,在受高速弹丸侵彻时发生大面积破碎,急剧减小装甲的有效防护面积。采用高强度纤维布胶粘约束陶瓷片是目前国内外常用的用于减小装甲陶瓷弹击破损面积的方法。由于技术保密的原因,有关纤维布胶粘约束陶瓷片的工艺技术和约束结构特征的细节未见文献报道。本论文针对陶瓷/金属复合装甲中纤维约束陶瓷的特征与相应复合靶板的抗弹性能之间关系开展研究,为陶瓷复合装甲设计和结构优化提供科学依据。通过研究,取得主要结论如下: (1)高强玻纤胶粘陶瓷片形成陶瓷/金属复合靶板,随着胶膜强度增加和胶膜/玻纤润湿率提高,复合靶板的抗弹性能提高。其中粘接强度达到40MPa的环氧类胶膜SY-24C(Π型)制备的复合靶具有最高的防护因子K和最小破损面积。 (2)陶瓷正面(迎弹面)玻纤复合材料层能有效减小靶板弹击破损面积,同时随着玻纤复合材料层厚度增加,复合靶板的防护因子K先增大后减小,1mm厚度(2层玻纤布)时具有最佳抗弹性能。陶瓷背面(陶瓷面板与金属背板之间)的玻纤复合材料层对复合靶板防护因子K影响较小,随着厚度增加,K总体呈缓慢上升趋势;但陶瓷背面玻纤复合材料层有效防止了弹击后陶瓷复合板与金属背板之间的脱粘,提高了首发弹弹坑附近抗第二次打击的能力;当陶瓷背面玻纤复合层厚度为1mm(2层玻纤布)时具有最佳的综合性能。陶瓷面板和金属背板之间粘接强度对陶瓷复合靶板具有重要影响,面板与背板之间高强度粘接(40MPa)较自由叠加放置时防护因子K提高9%以上。 (3)采用优选的粘接胶膜、玻纤层数和面/背板的连接方式(正面2层玻纤,背面2层玻纤,40MPa强度胶膜,面/背板粘接连接),制备得到陶瓷复合靶板的防护因子K达到1.43,较无玻纤、无粘接复合结构提高7%,同时破损面积小(100mm100mm复合靶板宏观完整),无面/背板胶粘分层。其机理在于高强纤维通过高粘接强度胶膜将陶瓷、金属背板连接成整体,共同对装甲陶瓷施加了横向约束,提高了陶瓷对弹丸的驻留能力,增加了陶瓷碎块与穿甲弹丸之间相互作用,从而同时提高了复合靶板的防护因子和弹击后靶板完整性。 (4)探索了高强有机纤维三维缠绕约束陶瓷片与钢背板复合制备靶板的抗弹性能,结果表明高强纤维有效地阻碍了陶瓷碎片的飞溅,使陶瓷板损伤面积减小,提高了复合靶板受弹击后的完整性;缠绕纤维预紧力越大,效果越好。同时纤维缠绕使得陶瓷与钢背板之间引入了一层软质的厚的纤维层(1.3mm),使钢背板对陶瓷面板的支撑作用明显降低,复合靶板的防护因子K随着纤维层的厚度增加而明显下降。采用强度高、模量高、直径小的纤维对面板实施高预紧力的三维约束,方可降低陶瓷的损伤面积同时提高复合靶板的抗弹性能。


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