多层轻质点阵金属/陶瓷复合结构抗侵彻性能研究

This project is focused on novel lightweight armor design that is of practical and also scientific importance. Along with the pressing demand of national defense, increasingly more attention has been paid on developing high performance lightweight hybrid or composite armors rather than their monolithic counterparts. Highly porous metallic lattice-based sandwich with ceramic insertions is a novel type of armor having great potential in improving the ballistic resistance because of its considerable designability. Improved performance can be achieved by combining different materials or structures. We carry out experiments as well as numerical simulations to investigate the ballistic performance of multi-layered metallic lattice/ceramic hybrid-cored sandwich armors. Upon analyzing the deformation and failure mechanisms and energy absorption of different layers and sub-structures, optimal design is carried out. The sensitivity of the overall ballistic resistance to interfacial debonding and geometrical imperfections are quantified. Finally, high strength fiber reinforced composite sheets are empolyed to pack the armor to futher enhance the ballistic resistance. This project will provide significant design benchmarks in engineering applications.

本项目关注具有重大应用背景和科学意义的轻质装甲防护领域。随着国防工业的发展，装甲防护正从原来的均质装甲朝着轻量化复合装甲的方向发展。点阵金属结构作为一种可设计性较强的新型轻质结构，可以通过针对装甲防护领域构造多材料复合结构来达到提高整体结构抗侵彻性能的目的。本项目从实验与数值模拟角度对新型多层点阵金属/陶瓷复合结构的抗侵彻性能进行研究，分析结构内各子结构/材料的变形/破坏机理及能量吸收效率，并在实验结果的基础上,通过模拟手段对此新型多层复合结构实现优化配比设计。同时关注复合结构内层间及材料间界面结合强度对整体结构抗侵彻性能的影响，揭示此类复合结构的吸能及防护机理对界面连接方式及缺陷的敏感度。另外，考察高强度纤维增强材料三维约束效果对此类多层点阵金属/陶瓷复合结构的抗侵彻性能的影响。给出不同约束条件下，复合结构抗侵彻性能的变化规律。本项目的研究将为相关工程应用领域提供有意义的指导及技术支撑。

随着国防工业的发展，装甲防护正朝着新概念、新原理、新结构、新材料和轻质等方向发展。多层及多材料复合装甲的应用使主战坦克的防护性能发生质的变化，其防护能力与装甲钢相比成倍提高。我国第三代主战坦克的性能指标位列于世界第三，但也具有自身重量大、防护能力不足的缺陷，严重限制了坦克车辆的机动灵活性和可运输性。本项目基于单层点阵金属/陶瓷复合结构的抗侵彻性能，利用其抗侵彻性能相对于等重量传统防护结构有大幅提高的优势，进一步研究了多层点阵金属/陶瓷/环氧树脂复合结构的抗侵彻性能，具备轻质、高强度、性能可设计和结构可变等特点。主要研究内容如下：.（1）通过实验与仿真研究了双层点阵金属/陶瓷复合结构抗侵彻性能，得到其弹道极限在1350 m/s左右，发现同等质量下双层复合结构防护性能优于单层。在双层结构中，当上层结构厚度配比增加时，结构防护性能进一步提升。.（2）通过实验与数值模拟分析对点阵金属/陶瓷/环氧树脂复合结构界面性能对抗侵彻性能的影响进行了探究，发现环氧树脂材料的加入，增加了结构的整体性，提升抗弹性能。.（3）实验对比研究了纤维增强复合材料三维约束对点阵金属/陶瓷/环氧树脂复合结构破坏模式的影响，发现迎弹面与背面的纤维增强复合材料破坏模式相同，弹丸撞击影响区域小，抗多发弹丸打击的能力增强。.（4）通过实验与数值模拟研究了预应力对陶瓷抗侵彻性能的影响，发现预应力可增强陶瓷对弹丸间的销蚀作用，提升结构的弹道极限速度，减少结构损伤。.（5）通过实验与数值模拟研究点阵/活性粉末混凝土复合结构的抗侵彻性能，发现点阵金属/活性粉末混凝土/环氧树脂结构具有优异的抗弹性能。.以上研究工作揭示了多层点阵金属/陶瓷/环氧树脂复合结构的抗侵彻机理，及其防护性能受内部界面结合强度和外部约束强度的影响规律，为轻质复合结构的抗侵彻性能研究及优化设计提供理论和实验依据，反映了固体力学的研究前沿，具有重大的学术意义及迫切的工程实际应用需求。