黃炳瑜，熊 瑋，張先鋒，劉 闖，杜 寧，談夢婷

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

含能結(jié)構(gòu)材料（也稱活性材料）是將多種金屬或金屬與非金屬以一定的工藝方法制備而成的混合物材料。由含能材料形成的毀傷元撞擊目標(biāo)時，除了具有動能侵徹作用外，還會發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)并釋放大量熱量，對目標(biāo)造成更強(qiáng)的毀傷效果［1-3］。為增強(qiáng)聚能裝藥射流的侵徹毀傷能力，特別是聚能射流的橫向開孔能力，美國學(xué)者研究出一種稱作“Barnie”的含能藥型罩聚能裝藥，這種含能藥型罩聚能裝藥比同等尺寸下惰性藥型罩裝藥形成的聚能射流對混凝土的侵徹孔徑顯著增大［4］。

含能結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和釋能特性一直是高效毀傷領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一，近年來越來越多的工作集中于研究含能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于聚能裝藥藥型罩，形成活性射流，以提高其侵徹破壞能力。但目前國內(nèi)大多數(shù)研究集中于采用Al/PTFE 基含能藥型罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計與威力測試方面［5-8］，其密度僅有2.30 g·cm-3左右，由于其密度及延展性的限制，對目標(biāo)的侵徹深度并不理想。文獻(xiàn)［9］設(shè)計了一種嵌入有約束圓柱的藥型罩結(jié)構(gòu)，并采用W/Zr 非晶合金作為藥型罩材料，其密度達(dá)到12.20 g·cm-3；研究結(jié)果表明W/Zr 藥型罩的穿透深度比銅的提高了66.35%，且在穿透目標(biāo)后有更強(qiáng)的后效作用。韓偉等［10］進(jìn)行了鋯/鉭雙層藥型罩爆炸成型彈丸（Explosively Formed Projectile，EFP）的成型及侵徹性能研究，結(jié)果表明，1 mm Zr/3 mm Ta 雙層藥型罩與60 mm 基準(zhǔn)罩侵徹深度和擴(kuò)孔直徑差距不大，具備化學(xué)反應(yīng)釋能特性。

Al/Ni 復(fù)合材料作為一種典型的含能結(jié)構(gòu)材料，兼具優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)反應(yīng)釋能特性，其在受沖擊時會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成AlNi、AlNi3、Al3Ni2等化合物，釋放與TNT 爆炸相似（TNT 能量密度為9623.2 J·cm-3）的能 量 密 度9581.36 J·cm-3，生 成 熱 在293 K 時 為71128 J·mol-1［11］，在高效毀傷技術(shù)和防護(hù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。Church 等［12］對Al/Ni 藥型罩形成的射流粒子進(jìn)行回收，并檢測到金屬間化合物NiAl，說明Al/Ni 藥型罩在形成射流的過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。張子敏等［13］設(shè)計了一種基于鋁/鎳體系的含能藥型罩，試驗(yàn)結(jié)果表明含能材料可以提高射流對目標(biāo)的侵徹孔徑及后效作用，但侵徹深度有所減小。

鄭宇等［14］研究了雙層藥型罩的射流成型特性，其形成的射流主體部分由內(nèi)層藥型罩產(chǎn)生，而外層藥型罩材料主要存在于射流尾部，其侵徹性能要優(yōu)于單層藥型罩。K 裝藥形成的桿式侵徹體具有對炸高不敏感、后效大的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)裝藥相比，其能量利用率更高、形成侵徹孔更加均勻［15］。

綜上所述，含能材料藥型罩射流對目標(biāo)的侵徹孔徑有一定貢獻(xiàn)，但均是犧牲了射流的侵徹深度?；诖?，為使含能材料形成的射流在侵徹過程中可充分發(fā)揮其動能與化學(xué)能的聯(lián)合侵徹效應(yīng)，保證其不犧牲侵徹深度，又有一定的擴(kuò)孔作用，本研究結(jié)合K 裝藥與雙層藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)侵徹破壞能力的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一種基于K 裝藥的雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了射流成型X 光試驗(yàn)和侵徹性能試驗(yàn)研究。最后，探討了含能結(jié)構(gòu)藥型罩射流對鋼靶和混凝土靶的侵徹破壞能力，獲取了射流的開孔特性及孔形變化規(guī)律，分析了雙層含能藥型罩聚能射流在提升毀傷能力方面的優(yōu)勢。

2 聚能裝藥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)方案

2.1 藥型罩及裝藥制備

利用Al/Ni 復(fù)合材料的強(qiáng)度和含能特性形成一種含能雙層藥型罩結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)方案設(shè)計中，外層含能藥型罩主要由Al 粉和Ni 粉的混合物制備而成，化學(xué)計量比為1∶1，以保證良好的化學(xué)反應(yīng)性能［16］。用于對比的惰性藥型罩主要成分為Cu 粉，且添加少量粘結(jié)劑便于模壓成型。內(nèi)層藥型罩采用高導(dǎo)無氧銅精加工制成。采用模壓成型的方式制備外層含能藥型罩，Al/Ni含能藥型罩和Cu 粉末藥型罩的理論密度分別為5.26 g·cm-3和8.90 g·cm-3，壓制成型的Al/Ni 藥型罩和Cu 藥型罩的實(shí)際密度為理論密度的87.5%，最終成型的藥型罩如圖1 所示。

圖1 壓制成型的外層藥型罩Fig.1 Press-formed outer shaped charge liners

圖2 為基于K 裝藥的雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖，主要由起爆藥、副藥柱、隔板、主藥柱和雙層藥型罩組成。炸藥采用中心點(diǎn)起爆產(chǎn)生初始爆轟波，隔板將改變爆轟波傳播方向并形成匯聚形爆轟波，提高對藥型罩的壓垮速度，形成高速桿式射流［17］。

裝藥口徑為Φ60 mm，長徑比為1，采用壓裝8701炸藥，密度為1.68 g·cm-3。藥型罩采用頂部與底部厚、中間薄的變壁厚偏心亞半球結(jié)構(gòu)，外層罩與內(nèi)層罩的外曲率半徑分別為93 mm和91 mm，偏心距分別為49 mm和39 mm。隔板采用尼龍材料，密度為1.13 g·cm-3。

按照圖2 采用蟲膠漆對各部分進(jìn)行粘接，以有利于爆轟波的穩(wěn)定傳播，粘接時盡量保證結(jié)構(gòu)對稱性，以確保爆轟波對藥型罩的對稱壓垮，Al/Ni-Cu 罩和Cu-Cu 罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件分別為308 g 和335 g，實(shí)物如圖3 所示。

圖2 雙層含能藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖1—起爆藥，2—副藥柱，3—隔板，4—主藥柱，5—外層藥型罩，6—內(nèi)層藥型罩Fig.2 Schematic of the shaped charge with a double-layered reactive liner1—detonator，2—the second charge，3—barrier，4—main charge，5—outer liner，6—inner liner

圖3 雙層藥型罩K 聚能裝藥實(shí)物圖Fig.3 The K-charges with double-layer liners

2.2 試驗(yàn)布局及測試方案

為了獲取本文設(shè)計和制備的雙層藥型罩射流成型結(jié)果，驗(yàn)證粉末壓制工藝藥型罩形成聚能射流的有效性，采用瑞典ScandiFlash 公司生產(chǎn)的300 kV 脈沖X 光機(jī)對Al/Ni-Cu 雙層藥型罩射流成型過程進(jìn)行了拍攝，試驗(yàn)布局如圖4 所示。將裝配好的聚能裝藥通過鐵絲和棉線懸掛于出光口與X 光底片盒之間，并保證X 光出光口、聚能裝藥和底片盒中軸線在一個平面內(nèi)，同時保證裝藥懸掛高度適中，使形成的射流完整地投影到底片上。在底片盒上粘結(jié)一根長度為100 mm 的鐵絲，取其在底片上的投影為參考線。炸藥起爆時啟動X 光機(jī)的計時系統(tǒng)，通過控制X 光的出光時間t，可以獲取不同時刻的射流形態(tài)。

圖4 X 光試驗(yàn)布局圖Fig.4 Layout of X-ray experiments

為研究雙層含能藥型罩形成復(fù)合射流對典型目標(biāo)的侵徹毀傷能力，靶板選擇了典型的45#鋼靶和混凝土靶，為了減小徑向邊界效應(yīng)對射流侵徹過程的影響，鋼靶直徑取為Φ150 mm（2.5 倍裝藥直徑），高度為200 mm?；炷涟畜w尺寸取為Φ450 mm×700 mm，采用不含粗骨料的砂漿靶，可避免骨料的局部不均勻性對侵徹過程造成影響，所制備的砂漿靶密度約為2.25 g·cm-3，平均抗壓強(qiáng)度為40 MPa。同時，在混凝土靶外固定一個厚度為3 mm 的A3 鋼箍，用以確保靶體在試驗(yàn)中不崩塌或碎裂。雙層含能藥型罩靜破甲試驗(yàn)布局如圖5a 和5b 所示，為保證射流侵徹時已經(jīng)完全成型且不發(fā)生斷裂，炸高筒高度設(shè)置為2.5 倍裝藥口徑。

圖5 侵徹試驗(yàn)布局圖Fig.5 Layout of penetrating experiments

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 射流成型過程X 光攝影試驗(yàn)結(jié)果

獲取了含Al/Ni-Cu 雙層藥型罩的K 聚能裝藥分別在t=28 μs 和t=41 μs 兩個典型時刻的X 光照片，并得到了對應(yīng)的復(fù)合射流成型狀態(tài)，如圖6 所示。

由圖4a 可知，X 光出光口與聚能裝藥和底片盒的水平距離分別為X1和X2，根據(jù)幾何相似原理，可以計算出在底片上成型的物體照片與真實(shí)物體尺寸的放大比例K：

基于底片上參考線的尺寸以及放大比K，由拍攝的底片上射流形態(tài)尺寸l 可計算出相應(yīng)時刻真實(shí)尺寸l0：

同時，記錄裝藥高度H0，通過計算射流頭部與參考線的豎直距離ΔH，并考慮放大比及不同試驗(yàn)初始裝藥高度差，可以計算射流頭部速度：

其中，X1、X2、l0、l、ΔH1、ΔH2、H01及H02單位均為mm，Vj為射流頭部速度，m·s-1。以100 mm 長的鐵絲為參考，并通過上式可計算得到射流頭部速度、射流長度及射流最大直徑，如表1 所示。

圖6 Al/Ni-Cu 雙層藥型罩的K 型裝藥射流成型過程X 光照片F(xiàn)ig.6 X-ray photos of the K-charge with Al/Ni-Cu double-layered liners forging process

從圖6 可看出，內(nèi)外層分別為惰性金屬及含能材料的藥型罩形成了完整的連續(xù)射流。在射流尾部有明顯的低密度區(qū)域，推測該區(qū)域主要分布為Al/Ni 粉末材料及其反應(yīng)產(chǎn)物［7］，且其形成了粒子流，并隨著時間的增長粒子流更加發(fā)散。觀察到射流尾部區(qū)域的對稱性較差，這是由于不同材料粉末顆粒在模具中流動性不一致，壓制得到的外層藥型罩口部密度偏低，且有裂紋存在，導(dǎo)致外層罩在周向上壓垮過程存在差異。

表1 Al/Ni-Cu 雙層藥型罩的K 型裝藥X 光試驗(yàn)結(jié)果Table 1 X-ray radiography experimental results of the K-charge with Al/Ni-Cu double-layered liners

3.2 射流對鋼靶靜破甲試驗(yàn)結(jié)果對比分析

共進(jìn)行了4 發(fā)聚能射流對鋼靶的靜破甲試驗(yàn)，Al/Ni-Cu 雙層含能藥型罩與Cu-Cu 雙層藥型罩侵徹鋼靶各兩發(fā)，其裝藥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)條件均一致，表2為侵徹鋼靶的試驗(yàn)結(jié)果。與Cu-Cu 雙層藥型罩相比，Al/Ni-Cu 雙層含能藥型罩對鋼靶的侵徹深度和侵徹容積分別提高了20.1%和23.0%，但侵徹孔徑增大并不明顯。

表2 侵徹鋼靶靜破甲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of steel targets in the static armor-piercing test

如圖7 所示為射流侵徹鋼靶后的表面破壞情況。從圖7 中可以看出，圖7a 和圖7c 中開坑區(qū)附著有呈紫紅色的Cu；而圖7b 和圖7d 中其開坑處呈銀灰色，說明該處附著有Al/Ni 材料或其反應(yīng)生成物。該現(xiàn)象表明，射流在侵徹鋼靶時，先由內(nèi)層罩形成的主射流進(jìn)行侵徹開孔，再由外層Cu 罩或外層Al/Ni 罩形成的射流進(jìn)行擴(kuò)孔，造成開坑區(qū)的形成。圖7a 和圖7d 中可以觀察到鋼靶表面存在翻邊現(xiàn)象，這是靶體材料受到射流侵徹時產(chǎn)生了塑性流動所致，且圖7b 和圖7d 翻邊現(xiàn)象更加明顯，說明由Al/Ni 材料化學(xué)反應(yīng)對復(fù)合射流的侵徹作用過程有較好的強(qiáng)化作用。

為了研究含雙層藥型罩的K 聚能裝藥侵徹45#鋼靶后的侵徹孔道特征，采用線切割的方法將回收的鋼靶沿開坑區(qū)的中軸線切割為完全對稱的兩部分，如圖8所示。從圖8可以看出，含雙層藥型罩結(jié)構(gòu)的K裝藥對45#鋼靶具有較強(qiáng)的侵徹能力，其形成的射流在侵徹鋼靶過程中產(chǎn)生了具有一定深度的侵徹孔道。對比Cu-Cu藥型罩和Al/Ni-Cu 藥型罩對鋼靶的侵徹結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，活性復(fù)合射流的侵徹深度更大，侵徹能力更強(qiáng)。

此外，對于Cu-Cu 雙層藥型罩，從圖8c 中隧道區(qū)孔底能觀察到大塊堆積的Cu 射流殘體。這是由于侵徹最后階段，射流速度小于臨界侵徹速度而在隧道底部發(fā)生堆積。對于Al/Ni-Cu 雙層藥型罩，圖8b 和圖8d 顯示僅在接近孔底處存在零散的Cu 射流堆積。從圖8的局部放大圖中可看出，Al/Ni-Cu 雙層藥型罩侵徹鋼靶后在孔道底部形成了更深的顏色，推斷其附著有Al/Ni 材料的反應(yīng)生成物，說明其形成的侵徹體部分在侵徹鋼靶過程中產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，未在隧道底部產(chǎn)生射流堆積，從而有利于侵徹體對靶體的進(jìn)一步侵徹，提高侵徹深度。

圖7 鋼靶表面破壞Fig.7 Penetration results of shaped charge jet impact on the steel targets

圖8 射流侵徹45#鋼靶孔道形狀Fig.8 Hole shape in steel targets

為獲取射流侵徹鋼靶的侵徹孔道體積，提取侵徹孔道的輪廓，并對所繪輪廓的開坑尺寸、侵徹深度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。侵徹孔道輪廓如圖9 所示，基于該幾何輪廓可以計算Cu-Cu 藥型罩和Al/Ni-Cu 藥型罩結(jié)構(gòu)形成的射流在鋼靶中產(chǎn)生的侵徹孔道體積，分別為（7965.0±595.0）mm3和（9800.0±230.0）mm3，可得外層藥型罩為Al/Ni材料的K 裝藥結(jié)構(gòu)對鋼靶侵徹產(chǎn)生的侵徹孔道體積與Cu-Cu藥型罩結(jié)構(gòu)相比提升了23.0%。

圖9 鋼靶中侵徹孔道輪廓Fig.9 Profile of penetration trajectory in steel targets

3.3 射流對混凝土靶靜破甲試驗(yàn)結(jié)果對比分析

同樣，共開展了4 發(fā)含雙層藥型罩的K 聚能裝藥射流侵徹混凝土靶試驗(yàn)，Al/Ni-Cu 雙層含能藥型罩與Cu-Cu 雙層藥型罩侵徹混凝土靶各兩發(fā)，射流侵徹混凝土靶后的表面破壞情況如圖10 所示。試驗(yàn)結(jié)果（圖10）表明，混凝土靶表面在射流侵徹過程中發(fā)生了崩落，形成了大孔徑的開坑。該開坑的形成與混凝土的脆性特性有關(guān)：射流頭部擠壓靶體的初始階段，向靶體傳入了沖擊波，靶體介質(zhì)沿軸向和徑向流動，使混凝土靶體表面崩落。同時，從靶體表面可以觀測到以侵徹孔道為中心向外擴(kuò)展的徑向裂紋，說明含雙層藥型罩的聚能裝藥對混凝土靶表面造成了嚴(yán)重的破壞。

試驗(yàn)結(jié)束后，為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，將環(huán)氧樹脂灌入孔道中，等待其完全凝固后對混凝土進(jìn)行剖靶，以獲取完整的“侵徹孔道”。圖11 為侵徹孔道內(nèi)灌有環(huán)氧樹脂的混凝土靶及剖靶后混凝土內(nèi)部形態(tài)，其中D、d、hc、ht和P 分別表示開坑直徑、隧道口部直徑、開坑深度、隧道區(qū)長度和侵徹深度。由于射流對靶體的侵徹作用，造成混凝土處于疏松狀態(tài)，且環(huán)氧樹脂本身具有強(qiáng)粘結(jié)力，獲取的“侵徹孔道”上附有一層混凝土，但其基本可以表示混凝土在射流侵徹后的孔道形態(tài)。

圖10 試驗(yàn)后混凝土靶的表面破壞Fig.10 Penetration results of shaped charge jet impact on the typical concrete targets

圖11 混凝土靶剖靶情況Fig.11 Profile of concrete targets after splitting

圖12 環(huán)氧樹脂“侵徹孔道”形狀Fig.12 Epoxy“penetration trajectory”shape

圖13 混凝土靶中侵徹孔道輪廓Fig.13 Profile of penetration trajectory in concrete targets

對“侵徹孔道”進(jìn)行表面處理后獲取如圖12 所示的環(huán)氧樹脂“侵徹孔道”，為了得到更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)，提取了混凝土靶侵徹孔道輪廓如圖13 所示。對比四個“侵徹孔道”模型的長度可以發(fā)現(xiàn)，藥型罩為Al/Ni-Cu的聚能裝藥結(jié)構(gòu)對混凝土靶的侵徹深度大于Cu-Cu藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)，說明前者對靶體的毀傷威力更大。同時，觀測到每發(fā)試驗(yàn)中在孔底都存在Cu 射流堆積，射 流 堆 積 長 度 分 別 為42.6，22.9，33.3 mm 和23.0 mm。Al/Ni-Cu 雙層藥型罩所形成的射流堆積長度小于Cu-Cu 藥型罩，且與Cu-Cu 藥型罩形成射流的侵徹深度相比明顯增大，在Al/Ni-Cu 藥型罩對應(yīng)的“侵徹孔道”中，底部未發(fā)現(xiàn)除Cu 以外的其他物質(zhì)，推測Al/Ni 藥型罩形成的侵徹體部分在侵徹過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，未在孔底產(chǎn)生射流堆積，這與Al/Ni-Cu雙層藥型罩侵徹鋼靶情況類似。

對試驗(yàn)后的混凝土靶侵徹孔道進(jìn)行測量，結(jié)果如表3 所示，其中，Dmax、Dmin、hc、Vc、dt、ht、Vt、Pj和VP分別表示最大開坑直徑、最小開坑直徑、開坑深度、開坑體積、隧道口部直徑、隧道區(qū)長度、隧道區(qū)體積、侵徹深度以及侵徹孔道總體積。在開坑區(qū)，由含Cu-Cu 藥型罩的K 聚能裝藥侵徹的混凝土靶最大開坑直徑為（98.5±1.5）mm，開坑深度為（34.0±1.0）mm，相應(yīng)的開坑體積為（113.7±0.8）cm3；而含Al/Ni-Cu 藥型罩的K 聚能裝藥侵徹混凝土的最大開坑直徑為110.0 mm，開坑深度為（45.0±5.0）mm，開坑體積為（172.2±22.2）cm3。因此，相比于Cu-Cu 藥型罩，Al/Ni-Cu 藥型罩形成的射流能夠同時提高對混凝土靶的開坑直徑和開坑深度，從而增大了開坑體積。這是由于杵體的直徑大于射流直徑，當(dāng)其運(yùn)動至混凝土靶表面時，Al/Ni 材料將在強(qiáng)烈的沖擊作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放能量，增大對開坑區(qū)的破壞作用，形成了更大的開坑。

總體而言，含Al/Ni-Cu 藥型罩的K 聚能裝藥對混凝土靶的侵徹深度為（394.5±26.5）mm，侵徹孔道體積為（244.1±20.2）cm3，分別相對于含Cu-Cu 藥型罩的K 聚能裝藥提高了17.2%和45.6%。進(jìn)入隧道區(qū)的杵體繼續(xù)對混凝土進(jìn)行侵徹。這是因?yàn)閷τ贑u-Cu藥型罩，其后續(xù)侵徹體在穿過射流堆積區(qū)的過程中消耗能量而繼續(xù)在隧道底部發(fā)生堆積；而對于Al/Ni-Cu藥型罩，侵徹體尾部的Al/Ni 材料在侵徹過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在減少隧道底部的射流堆積的同時對混凝土進(jìn)一步破壞，得到了更深的侵徹深度。

表3 侵徹混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of concrete targets in the test

4 結(jié)論

基于K 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計并制備了含能材料的雙層藥型罩成型裝藥結(jié)構(gòu)。通過X 光試驗(yàn)對含雙層藥型罩的K 裝藥聚能射流成型狀態(tài)進(jìn)行了分析，并開展了侵徹鋼靶和混凝土靶試驗(yàn)。得到的主要結(jié)論如下：

（1）通過粉末壓制方法制備的Al/Ni 藥型罩和Cu藥型罩結(jié)構(gòu)均成型較好，密實(shí)度可達(dá)到87% 以上。X 光試驗(yàn)也表明，所設(shè)計和制備的Al/Ni-Cu 雙層藥型罩可形成連續(xù)射流，主射流為密實(shí)態(tài)的Cu，而Al/Ni 材料主要分布在射流尾部形成粒子流。隨著時間推移，主射流拉伸，粒子流逐漸發(fā)散。

（2）相比于相同結(jié)構(gòu)條件的含Cu-Cu 雙層藥型罩的K 聚能裝藥，含Al/Ni-Cu 藥型罩的K 聚能裝藥形成射流對鋼靶的侵徹深度和侵徹孔道體積分別提高了20.1%和23.0%，而對混凝土靶的侵徹深度和侵徹孔道體積分別提高了17.2%和45.6%。

（3）在聚能裝藥射流侵徹典型靶體試驗(yàn)中，Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料在提高毀傷效能方面起到了較好的效果，其主要貢獻(xiàn)是利用沖擊釋能特性增大對開坑處的破壞作用，并減少射流堆積，有助于提高侵徹深度，但無明顯的擴(kuò)孔作用。