碳化硼-泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能

第36卷第8期 北京科技大学学报 Vol.36 No.8 2014年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2014 碳化硼一泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 岳新艳⑧，李振楠，郭冠宇，茹红强 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳110004 ☒通信作者，E-mail:yuexy@atm.neu.cdu.cn 摘要采用热压烧结制备的碳化硼陶瓷和发泡法制备的泡沫铝，经环氧树脂黏结后制备得到碳化硼一泡沫铝双层复合材 料.通过对材料靶板进行实弹靶试试验，着重研究和分析了该双层复合材料的防弹性能.靶试试验中，使用口径分别为7.62 mm和12.7mm的穿甲燃烧弹，冲击速度约820m8,射击距离为10m.试验结果表明：碳化硼-泡沫铝双层复合材料对7.62 mm口径穿甲燃烧弹具有较好的防护能力，其防护系数范围为5.06~5.12. 关键词复合材料：碳化硼：泡沫铝：层状结构：防弹性能 分类号TB333 Preparation and ballistic resistance of B C-Al foam composites with a bilayer structure YUE Xin-yan,LI Zhen-nan,GUO Guan-yu,RU Hong-qiang Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials(Ministry of Education),Northeastern University.Shenyang 110004,China Corresponding author,E-mail:yuexy@atm.neu.edu.cn ABSTRACT Hot-pressed boron carbide and aluminum foams were connected by epoxy resin to prepare bilayer composite materials. The ballistic resistance of the composite materials was investigated by ballistic testing using the materials as target plates.Armor pierc- ing projectiles,7.62 and 12.7 mm in caliber,respectively,were used as test projectiles.The impact velocity was probably of the order of 820msand the shooting distance was 10m.It is found that the composite materials have good ballistic resistance to 7.62mm-eali- ber armor piercing projectiles,with the protecting factor in the range of 5.06 to 5.12. KEY WORDS composite materials:boron carbide:aluminum foams:laminar structure:ballistic resistance 纵观古今，用做装甲防弹的材料大体有四类：金 料所具备的吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益 属、陶瓷、玻璃钢和纤维.装甲防弹材料应具备的特于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、 性可概括为高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成 高分子材料及其复合材料所不具备的，也使得它在 本.传统金属防弹材料由于其密度大，使用过厚过 装甲防护中获得了广泛的应用，并已成为装甲防护 重的钢板装甲，对于车辆、船舶和飞机来说就必须牺 中的主导材料之一，具有不可替代的作用0.其中 牲其有效载荷，同时过重的装甲材料又降低了其操 B,C陶瓷的高硬度（仅次于金刚石和立方氮化硼，约 纵性和灵活性，因此轻质的防弹装甲材料己成为目 为30GPa)和低密度(2.52g"cm-3),使其在军事领 前研究和发展的重点与趋势.陶瓷材料具有强度 域具有很好的应用前景.纯B,C材料因其高共价键 高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性优异、热 含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添 膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，并且陶瓷材 加烧结助剂促进其烧结P-刀.另外B,C陶瓷材料的 收稿日期：201307-25 基金项目：国家科技部重大专项课题(2012ZX04003061):中央财政专项资金资助项目(N120510002,N130810003):辽宁省高校优秀人才支 持计划资助项目(LJQ2013023):国家自然科学基金资助项目(51272039) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.014:http://journals.ustb.edu.cn

第 36 卷 第 8 期 2014 年 8 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 8 Aug． 2014 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 岳新艳，李振楠，郭冠宇，茹红强 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳 110004  通信作者，E-mail: yuexy@ atm． neu． edu． cn 摘 要 采用热压烧结制备的碳化硼陶瓷和发泡法制备的泡沫铝，经环氧树脂黏结后制备得到碳化硼--泡沫铝双层复合材 料． 通过对材料靶板进行实弹靶试试验，着重研究和分析了该双层复合材料的防弹性能． 靶试试验中，使用口径分别为 7. 62 mm 和 12. 7 mm 的穿甲燃烧弹，冲击速度约 820 m·s － 1，射击距离为 10 m． 试验结果表明: 碳化硼--泡沫铝双层复合材料对 7. 62 mm 口径穿甲燃烧弹具有较好的防护能力，其防护系数范围为 5. 06 ～ 5. 12． 关键词 复合材料; 碳化硼; 泡沫铝; 层状结构; 防弹性能 分类号 TB 333 Preparation and ballistic resistance of B4 C--Al foam composites with a bilayer structure YUE Xin-yan ，LI Zhen-nan，GUO Guan-yu，ＲU Hong-qiang Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials ( Ministry of Education) ，Northeastern University，Shenyang 110004，China  Corresponding author，E-mail: yuexy@ atm． neu． edu． cn ABSTＲACT Hot-pressed boron carbide and aluminum foams were connected by epoxy resin to prepare bilayer composite materials． The ballistic resistance of the composite materials was investigated by ballistic testing using the materials as target plates． Armor pierc￾ing projectiles，7. 62 and 12. 7 mm in caliber，respectively，were used as test projectiles． The impact velocity was probably of the order of 820 m·s － 1 and the shooting distance was 10 m． It is found that the composite materials have good ballistic resistance to 7. 62 mm-cali￾ber armor piercing projectiles，with the protecting factor in the range of 5. 06 to 5. 12． KEY WOＲDS composite materials; boron carbide; aluminum foams; laminar structure; ballistic resistance 收稿日期: 2013--07--25 基金项目: 国家科技部重大专项课题( 2012ZX04003--061) ; 中央财政专项资金资助项目( N120510002，N130810003) ; 辽宁省高校优秀人才支 持计划资助项目( LJQ2013023) ; 国家自然科学基金资助项目( 51272039) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 08． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn 纵观古今，用做装甲防弹的材料大体有四类: 金 属、陶瓷、玻璃钢和纤维． 装甲防弹材料应具备的特 性可概括为高硬度、高强度、高韧性、低密度和低成 本． 传统金属防弹材料由于其密度大，使用过厚过 重的钢板装甲，对于车辆、船舶和飞机来说就必须牺 牲其有效载荷，同时过重的装甲材料又降低了其操 纵性和灵活性，因此轻质的防弹装甲材料已成为目 前研究和发展的重点与趋势． 陶瓷材料具有强度 高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下耐磨性优异、热 膨胀系数小、密度低等优良的综合性能，并且陶瓷材 料所具备的吸能效应、磨损效应、动力学效应等有益 于发挥陶瓷材料的抗弹能力，这些特性是金属材料、 高分子材料及其复合材料所不具备的，也使得它在 装甲防护中获得了广泛的应用，并已成为装甲防护 中的主导材料之一，具有不可替代的作用［1］． 其中 B4C 陶瓷的高硬度( 仅次于金刚石和立方氮化硼，约 为 30 GPa) 和低密度( 2. 52 g·cm － 3 ) ，使其在军事领 域具有很好的应用前景． 纯 B4C 材料因其高共价键 含量和低自扩散系数，烧结性较差，通常可以通过添 加烧结助剂促进其烧结［2 － 7］． 另外 B4C 陶瓷材料的

第8期 岳新艳等：碳化硼一泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 ·1083· 低韧性，严重地影响其防弹性能，因此可以采取成分 及结构复合的方式来提高B,C陶瓷的韧性.泡沫铝 是一种在铝或铝合金骨架中含有大量结构及分布可 控的孔洞，并以孔洞作为复合相的新型铝基复合材 料.泡沫铝是多孔材料，具有质量轻、减震和优异的 碳化硼陶瓷层 能量吸收特性，是一种非常流行的作为保护层的吸 能材料-0.复合装甲车中利用泡沫铝吸能，可使 穿甲弹和破甲弹作用力分散，阻止其进入内部.本 泡沫铝层 研究将B,C陶瓷和泡沫铝制备成层状结构复合材 料，以期获得很好的防弹性能，并通过实弹靶试试 验着重研究了该层状复合材料的防弹性能。目前， 图1双层复合材料的结构示意图 这种碳化硼一泡沫铝双层复合材料在文献中尚未 Fig.I Schematic illustration of bilayer composite materials 见报道 描电子显微镜(SEM)观察试样的显微形貌，并通过 1实验方法 实弹靶试试验评估碳化硼一泡沫铝双层复合材料的 防弹性能.图2为碳化硼一泡沫铝双层复合材料制 实验采用热压B,C陶瓷和发泡法得到的泡沫 备的靶板实物照片，靶板直径为90mm,采用45钢 铝，利用环氧树脂黏结制备出碳化硼一泡沫铝双层 作为约束.图3为实弹靶试试验过程示意图，选用 复合材料，其结构示意图如图1所示.B,C陶瓷层 603装甲钢做背板，双层复合材料靶板的迎弹面为 的作用是利用B,C超高的硬度来消耗弹丸的动能， B,C陶瓷层.靶试试验在中国兵器工业第五二研究 泡沫铝层的作用是利用泡沫铝的三维网络结构吸收 所烟台分所冲击环境材料技术重点实验室的穿甲模 剩余能量.热压B,C陶瓷层采用表1所示的原料配 拟实验室进行，分别采用7.62mm和12.7mm穿甲 方，通过1900℃热压烧结而成：泡沫铝层使用质量 燃烧弹对碳化硼一泡沫铝双层复合材料进行实弹试 分数99%的A1-Si合金粉末和1%的发泡剂TH2, 验，冲击速度约820m·s,射击距离均为10m.本 在620~640℃下发泡4~8min,经粉末治金发泡法 制得 研究通过碳化硼一泡沫铝双层复合材料的实弹靶试 试验评估了该层状复合材料的防弹性能.将靶试试 表1碳化硼一泡沫铝双层复合材料的配方 验所得数据通过如下公式计算出该材料的防护 Table 1 Compositions of BC-Al foam composite materials with a bilayer 系数回： structure 层的类别 配比（质量比） 层厚/mm N=P×(L-L) (1) P.×6。 B,C陶瓷层 B4C:Ti:碳黑=94.5：2.5：3.0 7.5 式中：N为防护系数：p,为均质装甲钢密度，gcm~3, 泡沫铝层 ASi粉：TH2=99:1 7.5 一般按照7.85g·cm-3来计算：p.为靶板的密度，g· 实验采用X Pert Pro MRD衍射仪(XRD)测定 cm-3;L.为没有靶板时背板穿深，mm;L.为有靶板时 层状复合材料各层的物相组成，利用SSX-550型扫 背板的剩余穿深，mm;δ。为靶板的厚度，mm. (b) 图2碳化硼一泡沫铝双层复合材料靶板实物照片.()碳化硼层：(b)泡沫铝层 Fig.2 Photos of the bilayer B CAl foam target plates:(a)BC layer:(b)aluminum foam layer

第 8 期 岳新艳等: 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 低韧性，严重地影响其防弹性能，因此可以采取成分 及结构复合的方式来提高 B4C 陶瓷的韧性． 泡沫铝 是一种在铝或铝合金骨架中含有大量结构及分布可 控的孔洞，并以孔洞作为复合相的新型铝基复合材 料． 泡沫铝是多孔材料，具有质量轻、减震和优异的 能量吸收特性，是一种非常流行的作为保护层的吸 能材料［8 － 10］． 复合装甲车中利用泡沫铝吸能，可使 穿甲弹和破甲弹作用力分散，阻止其进入内部． 本 研究将 B4C 陶瓷和泡沫铝制备成层状结构复合材 料，以期获得很好的防弹性能，并通过实弹靶试试 验着重研究了该层状复合材料的防弹性能． 目前， 这种碳化硼--泡沫铝双层复合材料在文献中尚未 见报道． 1 实验方法 实验采用热压 B4 C 陶瓷和发泡法得到的泡沫 铝，利用环氧树脂黏结制备出碳化硼--泡沫铝双层 复合材料，其结构示意图如图 1 所示． B4 C 陶瓷层 的作用是利用 B4C 超高的硬度来消耗弹丸的动能， 泡沫铝层的作用是利用泡沫铝的三维网络结构吸收 剩余能量． 热压 B4C 陶瓷层采用表 1 所示的原料配 方，通过 1900 ℃ 热压烧结而成; 泡沫铝层使用质量 分数 99% 的 Al--Si 合金粉末和 1% 的发泡剂 TiH2， 在 620 ～ 640 ℃下发泡 4 ～ 8 min，经粉末冶金发泡法 图 2 碳化硼--泡沫铝双层复合材料靶板实物照片． ( a) 碳化硼层; ( b) 泡沫铝层 Fig． 2 Photos of the bilayer B4C-Al foam target plates: ( a) B4C layer; ( b) aluminum foam layer 制得［11］． 表 1 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的配方 Table 1 Compositions of B4C-Al foam composite materials with a bilayer structure 层的类别 配比( 质量比) 层厚/mm B4C 陶瓷层 B4C∶ Ti∶ 碳黑 = 94. 5∶ 2. 5∶ 3. 0 7. 5 泡沫铝层 Al--Si 粉∶ TiH2 = 99∶ 1 7. 5 实验采用 X'Pert Pro MＲD 衍射仪( XＲD) 测定 层状复合材料各层的物相组成，利用 SSX--550 型扫 图 1 双层复合材料的结构示意图 Fig． 1 Schematic illustration of bilayer composite materials 描电子显微镜( SEM) 观察试样的显微形貌，并通过 实弹靶试试验评估碳化硼--泡沫铝双层复合材料的 防弹性能． 图 2 为碳化硼--泡沫铝双层复合材料制 备的靶板实物照片，靶板直径为 90 mm，采用 45 钢 作为约束． 图 3 为实弹靶试试验过程示意图，选用 603 装甲钢做背板，双层复合材料靶板的迎弹面为 B4C 陶瓷层． 靶试试验在中国兵器工业第五二研究 所烟台分所冲击环境材料技术重点实验室的穿甲模 拟实验室进行，分别采用 7. 62 mm 和 12. 7 mm 穿甲 燃烧弹对碳化硼--泡沫铝双层复合材料进行实弹试 验，冲击速度约 820 m·s － 1，射击距离均为 10 m． 本 研究通过碳化硼--泡沫铝双层复合材料的实弹靶试 试验评估了该层状复合材料的防弹性能． 将靶试试 验所得数据通过如下公式计算出该材料的防护 系数［12］: N = ρs × ( Ls － Lc ) ρc × δc ． ( 1) 式中: N 为防护系数; ρs为均质装甲钢密度，g·cm － 3， 一般按照 7. 85 g·cm － 3来计算; ρc为靶板的密度，g· cm － 3 ; Ls为没有靶板时背板穿深，mm; Lc为有靶板时 背板的剩余穿深，mm; δc为靶板的厚度，mm． · 3801 ·

·1084· 北京科技大学学报 第36卷 603装甲 碳化硼一泡沫铝 弹道枪发射装置 双层复合材料 穿甲燃烧弹 电子测时仪 计算机 图3靶试试验过程示意图 Fig.3 Ballistic testing process 2实验结果与讨论 域为碳化硼基体相.由图5(b)可以看出，碳化硼基 体的致密度较高，且基体相的颜色深浅不一，由X 2.1碳化硼-泡沫铝双层复合材料的物相分析 射线衍射和能谱分析可知，颜色深浅不一的区域均 图4是碳化硼一泡沫铝双层复合材料的X射线 为碳化硼相，这是因为硼碳化合物在B4.oC~B.3C 衍射图谱.图4(a)是碳化硼陶瓷层的X射线衍射 很宽的均相区内，硼碳原子比不同所致.图5（©） 图谱，碳化硼陶瓷层的主相是B,C,并检测到少量的 和()是不同放大倍数的泡沫铝层的形貌照片， TB,和碳黑.在1900℃的热压烧结过程中，烧结助 可以看到泡沫结构理想，相邻孔之间的孔壁厚度 剂Ti与B,C发生反应生成了TB2·图4(b)为泡沫 适宜，泡沫的骨架结构稳定，其中80%左右的孔 铝层的X射线衍射图谱，可知泡沫铝层的主相为 直径为3~5mm,且孔径大小分布较为均匀.由 A山.21Si.7,这同原料合金粉末是一致的.发泡后孔 图5(a)和(b)可知B,C陶瓷层非常致密，其超高 壁上分布的单质Ti是TH,失氢后的产物，孔壁上未 的硬度可以使弹头变钝或破碎，在子弹侵彻过程 见TH,相，表明发泡剂已完全分解. 中消耗高速冲击弹丸的动能：而图5(c)和(d)所 ·BC 示的骨架结构稳定且孔径大小分布均匀的泡沫 o TiB. ■ 铝的三维网络结构可以很好地吸收弹丸的剩余 能量，从而避免陶瓷开裂造成的二次伤害.因此， 从能量吸收与复合效应二个方面考虑，以B,C陶 瓷层为迎弹面，泡沫铝为背板的宏观结构设计， ·AlSio 可使各层的性能优势得到最大限度的发挥，达到 Ti ,i0 防弹之目的. 2.3碳化硼一泡沫铝双层复合材料的防弹性能 通过实弹靶试试验评估碳化硼一泡沫铝双层复 合材料的防弹性能。绝大多数表征防弹性能的方法 10 2030405060 7080 00 209 是针对复合装甲的抗侵彻性能来进行的，本次试验 图4双层复合材料的X射线衍射图谱.(a)B,C陶瓷层：(b) 亦是如此，通过公式计算出的防护系数的大小可以 泡沫铝层 反映出材料抗侵彻性能的好坏，即防护系数越大抗 Fig.4 XRD patterns of the bilayer Ba CAl foam composite materi- 侵彻性能越好.表2为实弹靶试试验结果记录表. als:(a)BaC ceramics layer:(b)aluminum foam layer 从表2中可以看出：对于12.7mm穿甲燃烧弹的实 2.2碳化硼-泡沫铝双层复合材料的显微形貌 弹靶试试验，材料被打穿，背板背凸，无法计算出材 图5是双层复合材料的显微形貌照片.图5 料的防护系数，说明碳化硼一泡沫铝双层复合材料 (a)和(b)是不同放大倍数的碳化硼层.碳化硼陶 对12.7mm穿甲燃烧弹没有防御能力：对于7.62 瓷层主要由灰色和白色相区域组成.结合X射线衍 mm穿甲燃烧弹的实弹靶试试验，背板穿深在2.2~ 射物相分析和能谱分析可知，图5(a)中白色区域为 2.4mm之间，其防护系数范围在5.06~5.12之间， 添加的金属Ti和B,C反应所生成的TB,相，灰色区 说明碳化硼-泡沫铝双层复合材料对7.62mm穿甲

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 图 3 靶试试验过程示意图 Fig． 3 Ballistic testing process 2 实验结果与讨论 2. 1 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的物相分析 图 4 是碳化硼--泡沫铝双层复合材料的 X 射线 衍射图谱． 图 4( a) 是碳化硼陶瓷层的 X 射线衍射 图谱，碳化硼陶瓷层的主相是 B4C，并检测到少量的 TiB2和碳黑． 在 1900 ℃ 的热压烧结过程中，烧结助 剂 Ti 与 B4C 发生反应生成了 TiB2 ． 图 4( b) 为泡沫 铝层的 X 射线衍射图谱，可知泡沫铝层的主相为 Al3. 21 Si0. 47，这同原料合金粉末是一致的． 发泡后孔 壁上分布的单质 Ti 是 TiH2失氢后的产物，孔壁上未 见 TiH2相，表明发泡剂已完全分解． 图 4 双层复合材料的 X 射线衍射图谱 . ( a) B4 C 陶瓷层; ( b) 泡沫铝层 Fig． 4 XＲD patterns of the bilayer B4 C-Al foam composite materi￾als: ( a) B4C ceramics layer; ( b) aluminum foam layer 2. 2 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的显微形貌 图 5 是双层复合材料的显微形貌照片． 图 5 ( a) 和( b) 是不同放大倍数的碳化硼层． 碳化硼陶 瓷层主要由灰色和白色相区域组成． 结合 X 射线衍 射物相分析和能谱分析可知，图 5( a) 中白色区域为 添加的金属 Ti 和 B4C 反应所生成的 TiB2相，灰色区 域为碳化硼基体相． 由图 5( b) 可以看出，碳化硼基 体的致密度较高，且基体相的颜色深浅不一，由 X 射线衍射和能谱分析可知，颜色深浅不一的区域均 为碳化硼相，这是因为硼碳化合物在 B4. 0 C ～ B10. 3 C 很宽的均相区内，硼碳原子比不同所致． 图 5( c) 和( d) 是不同放大倍数的泡沫铝层的形貌照片， 可以看到泡沫结构理想，相邻孔之间的孔壁厚度 适宜，泡沫的骨架结构稳定，其中 80% 左右的孔 直径为3 ～ 5 mm，且孔径大小分布较为均匀． 由 图 5( a) 和( b) 可知 B4C 陶瓷层非常致密，其超高 的硬度可以使弹头变钝或破碎，在子弹侵彻过程 中消耗高速冲击弹丸的动能; 而图 5 ( c) 和( d) 所 示的骨架结构稳定且孔径大小分布均匀的泡沫 铝的三维网络结构可以很好地吸收弹丸的剩余 能量，从而避免陶瓷开裂造成的二次伤害． 因此， 从能量吸收与复合效应二个方面考虑，以 B4 C 陶 瓷层为迎弹面，泡沫铝为背板的宏观结构设计， 可使各层的性能优势得到最大限度的发挥，达到 防弹之目的． 2. 3 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的防弹性能 通过实弹靶试试验评估碳化硼--泡沫铝双层复 合材料的防弹性能． 绝大多数表征防弹性能的方法 是针对复合装甲的抗侵彻性能来进行的，本次试验 亦是如此，通过公式计算出的防护系数的大小可以 反映出材料抗侵彻性能的好坏，即防护系数越大抗 侵彻性能越好． 表 2 为实弹靶试试验结果记录表． 从表 2 中可以看出: 对于 12. 7 mm 穿甲燃烧弹的实 弹靶试试验，材料被打穿，背板背凸，无法计算出材 料的防护系数，说明碳化硼--泡沫铝双层复合材料 对 12. 7 mm 穿甲燃烧弹没有防御能力; 对于 7. 62 mm 穿甲燃烧弹的实弹靶试试验，背板穿深在 2. 2 ～ 2. 4 mm 之间，其防护系数范围在 5. 06 ～ 5. 12 之间， 说明碳化硼--泡沫铝双层复合材料对 7. 62 mm 穿甲 · 4801 ·

第8期 岳新艳等：碳化硼一泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 ·1085· 100um 500um 图5双层复合材料的显微形貌.(a,b)B,C陶瓷层：(c,d)放大30倍的泡沫铝层 Fig.5 Microstructures of the bilayer BCAl foam composite materials:(a,b)BC ceramics layer:(c,d)aluminum foam layer 燃烧弹有较好的防护能力，可以防止穿甲燃烧弹对 反射和透射，反射波和透射波的强度主要取决于两 装甲的进一步入侵，起到防护作用.在本次实弹靶 种材料的声阻抗，陶瓷层的声阻抗大于泡沫铝层的 试试验中，高速冲击的弹体在撞击B,C陶瓷层时， 声阻抗，反射波强度大于透射波强度，因此可以很好 弹体与陶瓷层接触从而在碰撞面产生持续压缩应力 地阻止弹体的侵彻.最后，从防护系数的计算公式 波，到达陶瓷层的应力波使陶瓷层以着弹点为中心 (1)可以看出：在其他条件相同的情况下，靶板材料 产生裂纹并向四周扩散，形成的陶瓷破碎锥能够起 的密度越低，其防弹性能越好，而碳化硼和泡沫铝相 到吸收动能和阻止弹体侵彻的作用.另外，当应力 对其他材料的低密度，也是使其具有较好防弹性能 波从B,C陶瓷层进入泡沫铝层时会在界面上发生 的原因. 表2靶试试验结果 Table 2 Ballistic testing results 序号 靶板结构 穿甲燃烧弹弹型 射角/() 速度/(ms1) 说明 防护系数，N 0 603装甲钢 12.7mm 0 832 穿深：30mm 1.00 1 靶板结构· 12.7mm 0 817 背板背凸：2.1mm 靶板结构 7.62mm 0 829 背板穿深：2.2mm 5.12 靶板结构 7.62mm 0 828 背板穿深：2.4mm 5.06 603装甲钢 7.62mm 823 穿深：18mm 1.00 注：*B,C陶瓷(7.5mm-泡沫铝(7.5mm)双层复合防弹材料+603装甲钢(28mm)背板 根据文献所述，Savio等)使用7.62mm穿甲 采用45钢做约束，能很好地测试出碳化硼一泡沫铝 燃烧弹对采用不同约束（钢约束、铝合金约束和无 双层复合材料的防弹性能.Madhua等使用7.62 约束)的B,C陶瓷进行了靶试试验，得出的结论是 mm穿甲燃烧弹对50mm×50mm的99.5%A山，03陶 采用钢约束的B,C陶瓷的防弹性能优于采用铝合 瓷片拼成的150mm×l50mm的陶瓷板进行靶试试 金约束或无约束的B,C陶瓷的防弹性能，原因在于 验（背板是7017铝合金），测得6mm厚的陶瓷片的 钢比其他的材料有较高的声阻抗.因此本试验靶板 防护系数为5.0，而8mm厚的陶瓷片的防护系数为

第 8 期 岳新艳等: 碳化硼--泡沫铝双层复合材料的制备及其防弹性能 图 5 双层复合材料的显微形貌． ( a，b) B4C 陶瓷层; ( c，d) 放大 30 倍的泡沫铝层 Fig． 5 Microstructures of the bilayer B4C-Al foam composite materials: ( a，b) B4C ceramics layer; ( c，d) aluminum foam layer 燃烧弹有较好的防护能力，可以防止穿甲燃烧弹对 装甲的进一步入侵，起到防护作用． 在本次实弹靶 试试验中，高速冲击的弹体在撞击 B4 C 陶瓷层时， 弹体与陶瓷层接触从而在碰撞面产生持续压缩应力 波，到达陶瓷层的应力波使陶瓷层以着弹点为中心 产生裂纹并向四周扩散，形成的陶瓷破碎锥能够起 到吸收动能和阻止弹体侵彻的作用． 另外，当应力 波从 B4C 陶瓷层进入泡沫铝层时会在界面上发生 反射和透射，反射波和透射波的强度主要取决于两 种材料的声阻抗，陶瓷层的声阻抗大于泡沫铝层的 声阻抗，反射波强度大于透射波强度，因此可以很好 地阻止弹体的侵彻． 最后，从防护系数的计算公式 ( 1) 可以看出: 在其他条件相同的情况下，靶板材料 的密度越低，其防弹性能越好，而碳化硼和泡沫铝相 对其他材料的低密度，也是使其具有较好防弹性能 的原因． 表 2 靶试试验结果 Table 2 Ballistic testing results 序号 靶板结构 穿甲燃烧弹弹型 射角/( °) 速度/( m·s － 1 ) 说明 防护系数，N 0 603 装甲钢 12. 7 mm 0 832 穿深: 30 mm 1. 00 1 靶板结构* 12. 7 mm 0 817 背板背凸: 2. 1 mm — 2 靶板结构* 7. 62 mm 0 829 背板穿深: 2. 2 mm 5. 12 3 靶板结构* 7. 62 mm 0 828 背板穿深: 2. 4 mm 5. 06 4 603 装甲钢 7. 62 mm 0 823 穿深: 18 mm 1. 00 注: * B4C 陶瓷( 7. 5 mm) --泡沫铝 ( 7. 5 mm) 双层复合防弹材料 + 603 装甲钢( 28 mm) 背板． 根据文献所述，Savio 等［13］使用 7. 62 mm 穿甲 燃烧弹对采用不同约束( 钢约束、铝合金约束和无 约束) 的 B4 C 陶瓷进行了靶试试验，得出的结论是 采用钢约束的 B4 C 陶瓷的防弹性能优于采用铝合 金约束或无约束的 B4C 陶瓷的防弹性能，原因在于 钢比其他的材料有较高的声阻抗． 因此本试验靶板 采用 45 钢做约束，能很好地测试出碳化硼--泡沫铝 双层复合材料的防弹性能． Madhua 等［14］使用 7. 62 mm 穿甲燃烧弹对50 mm × 50 mm 的99. 5% Al2O3陶 瓷片拼成的 150 mm × 150 mm 的陶瓷板进行靶试试 验( 背板是 7017 铝合金) ，测得 6 mm 厚的陶瓷片的 防护系数为 5. 0，而 8 mm 厚的陶瓷片的防护系数为 · 5801 ·

·1086 北京科技大学学报 第36卷 3.8.根据计算防护系数公式也可以看出：在其他条 Int J Refract Met Hard Mater,2012,30(1)139 件相同的情况下，陶瓷的厚度越小，防护系数越大， [4]Roy T K,Subramanian C,Suri A K.Pressureless sintering of bo- ron carbide.Ceram Int,2006,32(3):227 防弹性能越好，但是厚度不是唯一的影响因素，在提 5]Mashhadi M,Taheri-Nassaj E,Sglavo V M,et al.Effect of Al 高防护系数时还应该考虑其他因素的影响.M- addition on pressureless sintering of BC.Ceram Int,2009,35 shra使用7.62mm穿甲燃烧弹对以7017铝合金 (2):831 为背板的高硬度钢板进行靶试，测得的防护系数为 6] Mashhadi M,Taheri-Nassaj E,Mashhadi M,et al.Pressureless 1.16~1.90.牛雯霞等a使用7.62mm穿甲燃烧弹 sintering of BCTiB composites with Al additions.Ceram Int 2011,37(8):3229 对82mm×12mm的碳化硼基3DMC材料进行靶 [7]Yue X Y,Wang JJ,Yu S Y,et al.Microstructure and mechani- 试试验，测得的防护系数在2.68~2.89范围内.通 cal properties of a three-ayer BC/Al-B C/TiB,-B C composite. 过对比可知，碳化硼一泡沫铝双层复合材料对7.62 Mater Des,2013,46:285 mm口径穿甲燃烧弹的防护系数(5.06~5.12)均高 [8]Miedzinska D,Niezgoda T,Gieleta R.Numerical and experimen- 于上述文献中提到的99.5%A山，0，陶瓷、高硬度钢 tal aluminum foam microstructure testing with the use of computed 板、碳化硼基3DMC等材料，但缺点是不能抵抗多发 tomography.Comput Mater Sci,2012,64:90 [9 Aguirre-Perales L Y,Jung I H,Drew RA L.Foaming behavior of 弹的侵彻.本文重点研究了碳化硼一泡沫铝双层复 powder metallurgical Al-Sn foams.Acta Mater,2012,60 (2): 合材料的防弹性能，可为进一步提高该材料的防护 759 水平提供参考 [10]Peroni M,Solomos G,Pizzinato V.Impact behaviour testing of aluminium foam.Int Impact Eng,2013,53:74 3结论 [01] Zu G Y,Zou Y,Li H,et al.Powder metallurgy foaming process of rolled precursor for aluminum foam sandwich.Northeast Unin (1)利用环氧树脂将热压碳化硼陶瓷和发泡法 Nat Sci,2009,30(2):246 制得的泡沫铝黏结，制备出碳化硼一泡沫铝双层复 (祖国胤，邹颖，李鸿，等.泡沫铝夹心板轧制预制坯的粉末 合材料. 治金发泡工艺.东北大学学报：自然科学版，2009,30(2)： (2)在使用12.7mm穿甲燃烧弹的靶试试验 246) [12]Ge W Y,Zhang X J,Cao LZ.Study on ballistic resistance prop- 中，碳化硼一泡沫铝双层复合材料被打穿，背板背 erties of Al2 O:ceramic.Ordnance Mater Sci Eng,2004,27 凸，不能计算出防护系数；在使用7.62mm穿甲燃烧 (4):48 弹的靶试试验中，背板穿深在2.2~2.4mm之间，其 (葛文艳，张向军，曹连忠.A山20，基陶瓷抗弹性能的研究 防护系数范围为5.06~5.12. 兵器材料科学与工程，2004,27(4)：48) [13]Savio S G,Ramanjaneyulu K,Madhu V,et al.An experimental (3)碳化硼一泡沫铝双层复合材料对7.62mm study on ballistic performance of boron carbide tiles.Int /Impact 穿甲燃烧弹具有较好的防护能力 Eng,2011,38(7):535 14]Madhua V,Ramanjaneyulua K,Bhata T B,et al.An experi- 参考文献 mental study of penetration resistance of ceramic armour subjected [Liu G W,Ni C Y,Jin F,et al.Review of anti-ballistic confine- to projectile impact.Int J Impact Eng,2005,32(14)337 ment effects of ceramic-metal composite armor.I Xi'an Jiaotong 15] Mishra B,Ramakrishna B,Jena P K,et al.Experimental stud- Unim,2011,45(3):7 ies on the effect of size and shape of holes on damage and micro- (刘桂武，倪长也，金蜂，等.陶瓷/金属复合装甲抗弹约束效 structure of high hardness armour steel plates under ballistic im- 应述评.西安交通大学学报，2011,45(3)：7) pact.Mater Des,2013,43:17 Zorzi J E,Perottoni C A,Da Jomada J A H.Hardness and wear 16] Niu WX.Liu D.Han WZ.Preliminary study on the mechanism resistance of BC ceramics prepared with several additives.Mater of anti-ballistic capability of surface and interface of B,C-based Let,2005,59(23):2932 3DMC composite material.China Surf Eng,2004(5):19 B]Xu C M,Cai Y B,Flodstrom K,et al.Spark plasma sintering of (牛雯霞，刘东，韩文政.碳化厨基3DMC材料表、界面抗弹 BaC ceramics:the effects of milling medium and TiB2 addition. 机理初探.中国表面工程，2004(5)：19)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 3. 8． 根据计算防护系数公式也可以看出: 在其他条 件相同的情况下，陶瓷的厚度越小，防护系数越大， 防弹性能越好，但是厚度不是唯一的影响因素，在提 高防护系数时还应该考虑其他因素的影响． Mi￾shra［15］使用 7. 62 mm 穿甲燃烧弹对以 7017 铝合金 为背板的高硬度钢板进行靶试，测得的防护系数为 1. 16 ～ 1. 90． 牛雯霞等［16］使用7. 62 mm 穿甲燃烧弹 对 82 mm × 12 mm 的碳化硼基 3DMC 材料进行靶 试试验，测得的防护系数在 2. 68 ～ 2. 89 范围内． 通 过对比可知，碳化硼--泡沫铝双层复合材料对 7. 62 mm 口径穿甲燃烧弹的防护系数( 5. 06 ～ 5. 12) 均高 于上述文献中提到的 99. 5% Al2O3陶瓷、高硬度钢 板、碳化硼基 3DMC 等材料，但缺点是不能抵抗多发 弹的侵彻． 本文重点研究了碳化硼--泡沫铝双层复 合材料的防弹性能，可为进一步提高该材料的防护 水平提供参考． 3 结论 ( 1) 利用环氧树脂将热压碳化硼陶瓷和发泡法 制得的泡沫铝黏结，制备出碳化硼--泡沫铝双层复 合材料． ( 2) 在使用 12. 7 mm 穿甲燃烧弹的靶试试验 中，碳化硼--泡沫铝双层复合材料被打穿，背板背 凸，不能计算出防护系数; 在使用 7. 62 mm 穿甲燃烧 弹的靶试试验中，背板穿深在 2. 2 ～ 2. 4 mm 之间，其 防护系数范围为 5. 06 ～ 5. 12． ( 3) 碳化硼--泡沫铝双层复合材料对 7. 62 mm 穿甲燃烧弹具有较好的防护能力． 参 考 文 献 ［1］ Liu G W，Ni C Y，Jin F，et al． Ｒeview of anti-ballistic confine￾ment effects of ceramic-metal composite armor． J Xi’an Jiaotong Univ，2011，45( 3) : 7 ( 刘桂武，倪长也，金峰，等． 陶瓷/金属复合装甲抗弹约束效 应述评． 西安交通大学学报，2011，45( 3) : 7) ［2］ Zorzi J E，Perottoni C A，Da Jornada J A H． Hardness and wear resistance of B4C ceramics prepared with several additives． Mater Lett，2005，59( 23) : 2932 ［3］ Xu C M，Cai Y B，Flodstrm K，et al． Spark plasma sintering of B4C ceramics: the effects of milling medium and TiB2 addition． Int J Ｒefract Met Hard Mater，2012，30( 1) : 139 ［4］ Ｒoy T K，Subramanian C，Suri A K． Pressureless sintering of bo￾ron carbide． Ceram Int，2006，32( 3) : 227 ［5］ Mashhadi M，Taheri-Nassaj E，Sglavo V M，et al． Effect of Al addition on pressureless sintering of B4 C． Ceram Int，2009，35 ( 2) : 831 ［6］ Mashhadi M，Taheri-Nassaj E，Mashhadi M，et al． Pressureless sintering of B4 C-TiB2 composites with Al additions． Ceram Int， 2011，37( 8) : 3229 ［7］ Yue X Y，Wang J J，Yu S Y，et al． Microstructure and mechani￾cal properties of a three-layer B4C /Al--B4C /TiB2--B4C composite． Mater Des，2013，46: 285 ［8］ Miedzińska D，Niezgoda T，Gieleta Ｒ． Numerical and experimen￾tal aluminum foam microstructure testing with the use of computed tomography． Comput Mater Sci，2012，64: 90 ［9］ Aguirre-Perales L Y，Jung I H，Drew Ｒ A L． Foaming behavior of powder metallurgical Al-Sn foams． Acta Mater，2012，60 ( 2 ) : 759 ［10］ Peroni M，Solomos G，Pizzinato V． Impact behaviour testing of aluminium foam． Int J Impact Eng，2013，53: 74 ［11］ Zu G Y，Zou Y，Li H，et al． Powder metallurgy foaming process of rolled precursor for aluminum foam sandwich． J Northeast Univ Nat Sci，2009，30( 2) : 246 ( 祖国胤，邹颖，李鸿，等． 泡沫铝夹心板轧制预制坯的粉末 冶金发泡工艺． 东北大学学报: 自然科学版，2009，30( 2) : 246) ［12］ Ge W Y，Zhang X J，Cao L Z． Study on ballistic resistance prop￾erties of Al2 O3 ceramic． Ordnance Mater Sci Eng，2004，27 ( 4) : 48 ( 葛文艳，张向军，曹连忠． Al2 O3 基陶瓷抗弹性能的研究． 兵器材料科学与工程，2004，27( 4) : 48) ［13］ Savio S G，Ｒamanjaneyulu K，Madhu V，et al． An experimental study on ballistic performance of boron carbide tiles． Int J Impact Eng，2011，38( 7) : 535 ［14］ Madhua V，Ｒamanjaneyulua K，Bhata T B，et al． An experi￾mental study of penetration resistance of ceramic armour subjected to projectile impact． Int J Impact Eng，2005，32( 1-4) : 337 ［15］ Mishra B，Ｒamakrishna B，Jena P K，et al． Experimental stud￾ies on the effect of size and shape of holes on damage and micro￾structure of high hardness armour steel plates under ballistic im￾pact． Mater Des，2013，43: 17 ［16］ Niu W X，Liu D，Han W Z． Preliminary study on the mechanism of anti-ballistic capability of surface and interface of B4 C-based 3DMC composite material． China Surf Eng，2004( 5) : 19 ( 牛雯霞，刘东，韩文政． 碳化硼基 3DMC 材料表、界面抗弹 机理初探． 中国表面工程，2004( 5) : 19) · 6801 ·