Ti/SiC三明治互穿型复合装甲的三维预应力约束效应与抗弹机理

本项目基于宏观规则多孔道陶瓷板的金属铸造复合技术，设计和制备具有三明治互穿型结构的新型Ti合金封装SiC陶瓷复合装甲。如何实现复合装甲中陶瓷的有效三维预应力约束，以及宏微观结构、预应力约束与抗弹性能的关联性是项目研究需要解决的主要关键科学问题。借助宏微观结构设计与调控，试验和数值方法相结合重点研究复合装甲抗弹性能的三维预应力约束与界面效应，分析系统各单元在不同冲击特征下的失效机理，并建立分析模型，分析靶板结构、界面特征、弹着点等因素与弹靶系统各部分耗能之间的关系。理论研究冲击波在陶瓷/金属界面的传播特性。项目在制备工艺、界面调控、抗弹性能表征与优化等方面的研究具有创新性。通过研究，揭示复合装甲的制备工艺、宏微观结构与抗弹性能的关系，阐明其抗弹相关机理及三维预应力约束与界面效应，实现新型陶瓷复合装甲的综合抗弹性能优化。

为提高陶瓷复合装甲的综合抗弹性能，尤其是抗多次打击能力，本项目在制备复杂形状反应烧结碳化硅陶瓷板的基础上，采用金属铸造工艺制备了具有三明治和多层互穿结构的不同金属（纯Ti、TC4(Ti6Al4V)、TA5和钢）封装碳化硅陶瓷复合装甲板，同时设计制备了多孔金属封装陶瓷复合装甲板和内嵌陶瓷板的金属点阵三明治板复合装甲板。主要分析了不同金属封装条件下的复合装甲板陶瓷/金属界面行为，开展了复合装甲板的弹道冲击和静态力学性能试验研究，采用有限元方法对弹靶系统进行了网格划分，利用LS-DYNA专业计算软件，结合于Johnson-Holmquist和Johnson-Cook连续模型，实现了互穿型金属封装碳化硅陶瓷复合装甲的抗侵彻过程）的数值模拟，考察了靶板结构（如侧向、轴向约束、陶瓷厚度）、冲击特征（如侵彻角度、弹着点）等参数对复合装甲抗侵彻性能的影响，也基于试验后弹靶系统的破坏行为和数值模拟中的应力传播和能量损耗分析了其抗弹机理。另外，也进行了了内嵌陶瓷板的金属点阵三明治板结构抗侵彻性能分析。试验和数值模拟结果表明，本项目研制的具有三明治结构的Ti合金封装碳化硅陶瓷复合装甲板能对制式穿甲弹Ø12.7，v≈850 m/s和有、无6mm钢背板条件下和制式穿甲弹Ø14.5+v≈1000 m/s 和15mm钢背板冲击下进行有效防护，在实心穿甲弹Ø10.07冲击时其弹道极限速度约为1050m/s。总之，通过本青年基金研究，一定程度上揭示了该类金属封装陶瓷复合装甲的破坏行为与机理，为坦克装甲车辆等防护结构的优化设计提供基础。