一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法与流程

1.本发明属于材料抗弹性能表征测试领域，具体涉及一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法。


背景技术：

2.由纤维增强树脂基复合材料和抗弹陶瓷组成的装甲防护材料及结构，由于具有比强度高、比吸能性好、可设计性强等优点，被广泛用作人体和车体防护材料。为表征这类装甲防护材料的抗弹性能，国内外制定了多种测试标准，实现了对材料性能的定性或定量表征：gjb4300a-2012军用防弹衣安全技术性能要求，规定了防弹衣、防弹插板材料在54式手枪51式手枪弹或53式穿甲燃烧弹侵彻时的变形量要求；gjb5115a-2012军用防弹头盔安全技术性能要求，规定了防弹头盔材料在标准模拟破片侵彻时的极限穿透速度要求。然而，现有防护标准大多只规定了对材料抵御弹丸侵彻的变形量或极限穿透速度的要求及其测试方法，并未从弹丸本身变形的角度考虑材料抗弹性能的差异。而弹丸变形因素对其侵彻力的影响是十分显著的，靶板破坏面积、穿透深度等与材料抗弹性能相关的损伤特性都与弹丸变形量密切相关。
3.另一方面，以抗弹陶瓷为代表的典型硬质装甲材料，通过对弹丸的钝化和变向作用，在复合装甲中发挥了破碎弹丸、抵御侵彻的排头兵作用。目前，人们对其抗弹性能的表征局限于硬度、强度、断裂韧性等力学性能参数，这些性能参数并不能直观反映材料抗弹性能的差异。不同硬质装甲材料对弹丸变形量的影响尚无报道，导致无法量化评价材料的钝化变向效果，具有明显的局限性。
4.因此，本领域亟需提供一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的诸多不足之处，提供了一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法，该方法通过直径变化率、长度损失率、重量损失率等参数量化表征硬质材料的钝化效果，通过反射角和透射角等参数量化表征硬质材料的变向效果，能够直观的体现硬质材料对弹丸的防护能力。
6.本发明的具体技术方案如下：
7.一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法，包括硬质材料的钝化效果检测和变向效果检测，其中的硬质材料主要为碳化硼陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的一种；
8.其中硬质材料的钝化效果检测具体步骤为：
9.采用与防护等级相当的弹丸直接侵彻硬质防护材料靶板，入射法线角0
°
，通过控制弹丸初速确保弹丸贯穿靶板，并通过设置在靶板后的弹丸破片收集装置收集残余弹丸，
通过统计弹丸侵彻前后几何参数的变化，量化表征材料对弹丸的钝化功能。
10.侵彻试验结束后，对收集的残余弹丸进行重量、长度、直径的几何参数统计，以直径变化率、长度损失率、重量损失率量化表征硬质材料的钝化效果：
11.直径变化率按公式(1)计算：
[0012][0013]
式中：
[0014]
wd——直径变化率，单位为％；
[0015]
d2——残余弹丸的最大直径，单位为mm；
[0016]
d1——弹芯的标称直径，单位为mm。
[0017]
长度损失率按公式(2)计算：
[0018][0019]
式中：
[0020]wl
——长度损失率，单位为％；
[0021]
l2——残余弹丸的最大长度，单位为mm；
[0022]
l1——弹芯的标称长度，单位为mm。
[0023]
重量损失率按公式(3)计算：
[0024][0025]
式中：
[0026]
wm——重量损失率，单位为％；
[0027]
m2——残余弹丸的重量，单位为g；
[0028]
m1——弹芯的标称重量，单位为g。
[0029]
具体测试时，将硬质材料板与纤维复合材料背板粘接复合成靶板，所用纤维复合材料板可以为超高分子量聚乙烯纤维ud板、芳纶纤维ud板、pb0纤维ud板、玻璃纤维机织布复合材料板、芳纶纤维机织布复合材料板、pb0纤维机织布复合材料板中的一种，均为市场上直接购得的成品材料，其中硬质材料的厚度为8-10mm，背板厚度为3-4mm，优选背板厚度为3mm，这是由于背板主要起支撑作用，厚度过低无法支撑硬质材料，过高则会影响弹丸侵彻效果，背板尺寸不小于硬质材料板。靶板形状优选矩形，尺寸不小于150mm*150mm。
[0030]
与防护等级相当的侵彻弹丸可以为53式7.62mm穿甲燃烧弹、53式7.62mm普通弹、56式7.62mm普通弹、56式7.62mm穿甲燃烧弹中的一种。
[0031]
弹丸破片收集装置由模塑胶泥和抗弹纤维ud片材组成，均为市场上直接购得的成品材料，其中模塑胶泥厚度100mm-250mm，其迎弹面面积大于靶板面积，抗弹纤维ud片材可以为超高分子量聚乙烯纤维ud、芳纶纤维ud、pb0纤维ud等，厚度0-50mm，确保对残余弹丸的无损伤收集，之所以可以选择厚度为0mm也就是不添加抗弹纤维ud片材是由于当模塑胶泥厚度足够厚时，可以完全将残余弹丸无损伤收集，此时可以不添加抗弹纤维ud片材，只有当模塑胶泥厚度较低时，可以选择添加抗弹纤维ud片材，此时也需要保证该层的迎弹面面积大于模塑胶泥迎弹面面积。
[0032]
优选的，为保证充分发挥硬质材料的钝化功能，测试靶板优选硬质材料/超高分子量聚乙烯纤维板复合结构，此时硬质材料厚度优选10mm，超高分子量聚乙烯纤维板厚度优选3mm，这样既能保证超高分子量聚乙烯纤维板材料能对硬质材料有足够的支撑作用，又不会对残余弹丸的形状等几何参数造成显著影响。优选53式7.62mm穿甲燃烧弹，其弹速800-815m/s，射击距离15m。弹丸破片收集装置由模塑胶泥和超高分子量聚乙烯纤维ud片材组成，总厚度优选100mm-300mm，确保对残余弹丸的无损伤收集。
[0033]
除此之外，所述的硬质材料变向效果检测，具体步骤如下：
[0034]
分为反射角测试和透射角测试：
[0035]
反射角测试：在靶板前方放置前效纸板，弹丸垂直入射靶板，调整子弹弹速《100m/s，使之能击中靶板后反弹回来，通过测量子弹反弹后在前效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度，计算反射角α，前效纸板距靶板距离10-30cm，射击距离为15m。
[0036]
透射角测试：在靶板后方放置后效纸板，弹丸垂直入射靶板，调整子弹弹速使之能穿透靶板，每块板打1发。通过测量子弹透射靶板后在后效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度，计算透射角β。后效纸板距靶板距离10-30cm，射击距离为15m。
[0037]
硬质材料靶板结构优选为10mm厚硬质材料/6mm厚超高分子量聚乙烯纤维板复合结构；所采用的前效纸板和后效纸板均选自铜版纸或硬质高密度聚乙烯合成纸，纸板厚度0.2mm-0.5mm，采用的弹药优选为53式穿甲燃烧弹，对应的射击距离为15m；
[0038]
通过上述两组实验，可以通过直径变化率、长度损失率、重量损失率等参数量化表征硬质材料的钝化效果，通过反射角和透射角等参数量化表征硬质材料的变向效果，能够直观的体现硬质材料对弹丸防护能力，填补了本领域的空白。
附图说明
[0039]
图1为钝化功能表征试验装置示意图，
[0040]
图2为变向反射角表征试验装置示意图，
[0041]
图3为变向透射角表征试验装置示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合实施例来进一步说明本发明，可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，下述实施例中所采用的材料均为市场上直接购得；所采用的硬质材料选自陶瓷材料。
[0043]
实施例1：
[0044]
一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法，包括硬质材料的钝化效果检测和变向效果检测，其中硬质材料的钝化效果检测所采用的装置如图1所示，由测试弹丸、靶板和弹丸破片收集装置组成。其中靶板由碳化硼陶瓷硬质材料/超高分子量聚乙烯纤维ud板复合而成，其中硬质材料厚度10mm(表面带有直径10mm、高度0.2mm的球状凸起)，超高分子量聚乙烯纤维板厚度3mm，靶板尺寸150mm*150mm。弹丸破片收集装置由模塑胶泥和超高分子量聚乙烯纤维ud片材组成，模塑胶泥厚度100mm，超高分子量聚乙烯纤维
ud片材厚度50mm，弹丸破片收集装置尺寸200mm*200mm。采用单发53式7.62mm穿甲燃烧弹以0
°
角垂直侵彻靶板，弹速810m/s，射击距离15m。
[0045]
靶试试验结束后，收集残余弹丸，对收集的残余弹丸进行重量、长度、直径等几何参数统计，以直径变化率、长度损失率、重量损失率参数量化表征硬质材料的钝化效果。53式7.62mm穿甲燃烧弹弹芯标称直径5.90mm，标称长度27.0mm，标称重量5.0g。经硬质材料钝化后，残余弹丸直径6.05mm，长度14.7mm，重量2.4g。按照说明书中给出的计算公式进行计算，经统计，该碳化硼硬质材料对53式穿甲燃烧弹的钝化效果为直径变化率2.5％、长度损失率45.6％、重量损失率52.0％。
[0046]
变向效果测试分为反射角测试和透射角测试，其中靶板结构为上述10mm厚碳化硼陶瓷硬质材料/6mm厚超高分子量聚乙烯纤维板复合结构；
[0047]
反射角测试装置参见图2，在靶板前方30cm处放置前效纸板，以53式穿甲燃烧弹垂直入射靶板，调整子弹弹速至90m/s，测量子弹反弹后在前效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为17cm，计算得到反射角α为29.5
°
；
[0048]
透射角测试装置参见图3，在靶板后方30cm处放置后效纸板，以53式穿甲燃烧弹垂直入射靶板并贯穿，弹速808m/s；测量子弹穿过靶板后在后效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为7cm，计算得到透射角β为13.1
°
。
[0049]
上述所采用的前效纸板和后效纸板均选自铜版纸，纸板厚度0.5mm，射击距离为15m；
[0050]
通过以上检测可知，该碳化硼陶瓷对53式7.62mm穿甲燃烧弹的钝化效果量化参数为：直径变化率2.5％、长度损失率45.6％、重量损失率52.0％；变向效果量化参数为：反射角29.5
°
，透射角13.1
°
。
[0051]
实施例2
[0052]
一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法，包括硬质材料的钝化效果检测和变向效果检测，其中硬质材料的钝化效果检测所采用的装置如图1所示，由测试弹丸、靶板和弹丸破片收集装置组成。靶板由碳化硅陶瓷硬质材料/芳纶纤维ud板复合而成，硬质材料厚度9mm(表面带有直径8mm、高度0.3mm的球状凸起)，芳纶纤维板厚度4mm，靶板尺寸200mm*200mm。弹丸破片收集装置由模塑胶泥和超高分子量聚乙烯纤维ud片材组成，模塑胶泥厚度180mm，ud片材厚度30mm，弹丸破片收集装置尺寸300mm*300mm。采用53式7.62mm普通弹以0
°
角垂直侵彻靶板，弹速830m/s，射击距离15m。
[0053]
靶试试验结束后，收集残余弹丸，对收集的残余弹丸进行重量、长度、直径等几何参数统计，以直径变化率、长度损失率、重量损失率等参数量化表征硬质材料的钝化效果。53式7.62mm普通弹弹芯标称直径6.0mm，标称长度23.3mm，标称重量4.7g。经硬质材料钝化后，残余弹丸直径6.28mm，长度14.4mm，重量3.1g。经统计，该碳化硅硬质材料对53式普通弹的钝化效果为直径变化率4.7％、长度损失率38.2％、重量损失率34.0％。
[0054]
变向效果测试分为反射角测试和透射角测试。靶板结构为上述9mm厚碳化硅陶瓷硬质材料/6mm厚芳纶纤维板复合结构。
[0055]
反射角测试参见图2，在靶板前方20cm处放置前效纸板，以53式7.62mm普通弹垂直入射靶板，调整子弹弹速至80m/s，测量子弹反弹后在前效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为8cm，计算得到反射角α为21.8
°
。
[0056]
透射角测试参见图3，在靶板后方20cm处放置后效纸板，以53式7.62mm普通弹垂直入射靶板并贯穿，弹速830m/s。测量子弹穿过靶板后在后效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为3cm，计算得到透射角β为8.5
°
。
[0057]
所采用的前效纸板和后效纸板均选自硬质高密度聚乙烯合成纸，纸板厚度0.25mm，射击距离15m；
[0058]
通过以上检测可知，该碳化硅陶瓷对53式7.62mm普通弹的钝化效果量化参数为：直径变化率4.7％、长度损失率38.2％、重量损失率34.0％；变向效果量化参数为：反射角21.8
°
，透射角8.5
°
。
[0059]
实施例3
[0060]
一种基于异型复杂结构硬质材料对弹丸钝化变向效果的测试方法，包括硬质材料的钝化效果检测和变向效果检测，其中硬质材料的钝化效果检测所采用的装置如图1所示，由测试弹丸、靶板和弹丸破片收集装置组成。靶板由氧化铝陶瓷硬质材料/pbo纤维ud板复合而成，硬质材料厚度8mm(带有直径6mm、高度0.15mm的球状凸起)，pbo纤维板厚度3mm，靶板尺寸300mm*300mm。弹丸破片收集装置由模塑胶泥组成，胶泥厚度250mm，尺寸320mm*320mm。采用56式7.62mm普通弹以0
°
角垂直侵彻靶板，弹速725m/s，射击距离15m。
[0061]
靶试试验结束后，收集残余弹丸，对收集的残余弹丸进行重量、长度、直径等几何参数统计，以直径变化率、长度损失率、重量损失率等参数量化表征硬质材料的钝化效果。56式7.62mm普通弹弹芯标称直径5.7mm，标称长度19.7mm，标称重量3.6g。经硬质材料钝化后，残余弹丸直径5.89mm，长度11.4mm，重量1.9g。经统计，该氧化铝硬质材料对56式普通弹的钝化效果为直径变化率3.3％、长度损失率42.1％、重量损失率47.2％。
[0062]
变向效果测试分为反射角测试和透射角测试。靶板结构为8mm厚氧化铝陶瓷硬质材料/6mm厚pbo纤维板复合结构。
[0063]
反射角测试参见图2，在靶板前方10cm处放置前效纸板，以56式普通弹垂直入射靶板，调整子弹弹速至60m/s，测量子弹反弹后在前效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为5cm，计算得到反射角α为26.6
°
。
[0064]
透射角测试参见图3，在靶板后方10cm处放置后效纸板，以56式普通弹垂直入射靶板并贯穿，弹速725m/s。测量子弹穿过靶板后在后效纸板上的轨迹点距离入射中心线的长度为2cm，计算得到透射角β为11.3
°
。
[0065]
所采用的前效纸板和后效纸板均选自铜版纸，纸板厚度0.2mm，射击距离15m；
[0066]
通过以上检测可知，该氧化铝陶瓷对56式7.62mm普通弹的钝化效果量化参数为：直径变化率3.3％、长度损失率42.1％、重量损失率47.2％；变向效果量化参数为：反射角26.6
°
，透射角11.3
°
。