止裂层约束下陶瓷板低速冲击损伤行为
郑泽森1，杨阳2，贺璨1，曹勇1，董方栋3，刘靖宇1*
(1.太原理工大学 机械工程学院，太原 030002；2.包头北方嘉瑞防务科技有限公司，内蒙古 包头 014030；3.瞬态冲击技术重点实验室，北京 102202)
摘要：目的 探讨覆盖凯夫拉纤维止裂层后氮化硅陶瓷板在弹片冲击下的抗弹性能及其损伤机制。方法 通过金属弹片对覆盖止裂层的陶瓷板进行冲击实验，测定不同冲击速度下的弹片剩余速度。建立冲击损伤的有限元计算模型，分析了止裂层的存在、厚度及其与陶瓷板界面强度对抗弹性能的影响规律。结果 陶瓷板表面覆盖止裂层后，冲击中心区域的径向与周向裂纹更加密集，使陶瓷板在局部区域碎裂更加充分，从而吸收了更多的冲击能量，降低了弹片的剩余速度。对止裂层与陶瓷板之间的界面强度进行调控也可以影响其抗弹性能，当界面强度为0 MPa时，弹片的剩余速度较大，抗弹性能差；当界面强度>0 MPa时，弹片的剩余速度较低且趋于一恒值，不随界面强度变化，此时界面强度的具体数值对其抗弹性能影响小。结论 具有一定界面强度的止裂层可降低弹片冲击后的剩余速度，并可限制陶瓷板损伤后的裂纹扩展，促进局部弹靶间的相互作用，增大冲击弹道上的陶瓷损伤，从而提升其抗弹性能。界面强度的有无对弹片剩余速度影响大，而其数值大小对弹片剩余速度的影响小。本研究为陶瓷防护装甲的结构设计提供了重要的理论依据和参考，具有实际应用价值。 关键词：止裂层；氮化硅陶瓷；界面强度；有限元模拟；损伤机理；装甲防护
基金项目：国家自然科学基金（12472389）；国家自然科学基金（12402381）；山西省应用基础研究计划（20210302124325）；山西省科技创新人才团队（领军）专项（202204051002006）
引文格式：郑泽森,杨阳,贺璨,曹勇,董方栋,刘靖宇.止裂层约束下陶瓷板低速冲击损伤行为[J].包装工程,2025,(1):240-248.ZHENG Zesen,YANG Yang,HE Can,CAO Yong,DONG Fangdong,LIU Jingyu.Low-velocity Impact Damage Behavior of Ceramic Plates Under Crack Arresting Layer Confinement[J].Packaging Engineering,2025,(1):240-248.
陶瓷材料具有高硬度、低密度等特性，广泛应用于现代装甲防护装备中[1–3]。陶瓷材料受到弹片冲击时，迎弹面会产生向外飞溅的碎片，降低陶瓷装甲的防护效果。在陶瓷表面覆盖一薄层防护材料——止裂层，能减少陶瓷装甲表面碎片飞溅，提高陶瓷装甲的防弹性能，进而起到对陶瓷表面的约束保护作用。因此，有必要对覆盖止裂层后陶瓷板受到冲击时的损伤特征开展研究。
国内外研究学者对金属、陶瓷、复合纤维等多种材料组成的混合结构的抗冲击性能做了广泛研究[4–7]。Iqbal等[8-11]研究陶瓷金属靶板在弹道冲击下的损伤形貌和失效模式。Yu等[12-13]研究了不同背板材料特性对陶瓷/金属复合装甲弹道冲击性能的影响，分析了背板材料参数与陶瓷板破片粒径分布之间的规律。同无覆盖层防护结构相比，Tan等[14-17]研究表明，陶瓷表面的覆盖层可以有效防止陶瓷碎片的溅射，提高陶瓷抗冲击能力；Rahbek等[18]提出了一种新型硬装甲板生产方法，使弹体和靶板之间的相互作用更加充分，达到提高靶板抗弹性能的效果。欧阳科峰等[19-21]发现覆盖止裂层能有效提升整体靶板的防护性能。刘亚洵等[22]通过分析侵彻靶板后弹体的剩余速度、陶瓷板损伤情况等，发现黏接层能抑制陶瓷结构的裂纹扩展。钟辛子等[23]分析了复合结构的界面强度及力学性能。李翠伟等[24]研究了Si3N4/BN层状复合陶瓷抗穿甲性能，探究了靶板损伤破坏形式；贺璨[25]对层状金属增韧夹芯氮化硅陶瓷进行了聚能射流冲击侵彻试验，确立了抗射流侵彻最佳夹芯结构的厚度配比和界面方案。但是，现有研究多探讨不同材料背板对陶瓷抗弹性能的影响，且针对表面覆盖层材料的研究主要为金属材料，缺乏对止裂层材料选型、界面强度等因素的研究。
本研究制备了表面覆盖凯夫拉（Kevlar）纤维止裂层的单块陶瓷板，对该陶瓷板开展了轻气炮冲击试验，得到了在冲击时止裂层约束对陶瓷板抗冲击性能的影响；建立了与试验条件对应的数值模型，获取并分析了试验和仿真的弹片剩余速度，验证了仿真模型的准确性；探究了添加止裂层和止裂层与陶瓷板之间的界面强度对陶瓷板抗侵彻性能的影响，并对陶瓷板覆盖止裂层后迎弹面裂纹生成机理进行了分析。本研究可为陶瓷复合防弹板止裂层材料及界面设计提供一定的参考。
1试验过程
1.1陶瓷抗冲击
为了模拟陶瓷受到弹片冲击时的实际损伤情况，本文选取TC4钛合金弹片作为冲击弹体，氮化硅（Si3N4）陶瓷板作为靶板，凯夫拉平纹编织纤维作为止裂层，使用环氧树脂胶黏接止裂层和陶瓷板。本文设计了不同速度弹片冲击覆盖止裂层陶瓷板的试验，探究受到冲击时止裂层约束对陶瓷抗冲击性能的影响，为验证后续数值模拟方法的可靠性提供实验数据支撑。
1.1.1试验设计
弹片冲击覆盖止裂层的氮化硅陶瓷板的试验装置如图1所示，主要由轻气炮、弹片、弹托、脱弹器、靶板、夹具、高速摄像机和回收装置组成。图1g为TC4弹片照片，试验所使用的弹体长宽均为50 mm，厚度为6 mm，质量约为67 g。试验中使用弹托装载弹片构成组合体并通过轻气炮发射，借助高速摄像机观察弹体姿态、撞击靶板过程以及靶板损伤进程，随后计算弹体冲击速度和剩余速度。
凯夫拉平纹编织纤维和氮化硅陶瓷板组成复合靶板，陶瓷板和止裂层的平均长宽尺寸均为250 mm× 250 mm，平均厚度分别为12、0.75 mm，弹片冲击复合靶板情况如图2所示。
图1轻气炮冲击试验设备布局
图2弹片冲击复合靶板示意图（a）、靶板正面图（b）与靶板背面图（c）
1.1.2试验结果
表1给出了本次试验的主要结果。研究了不同着靶速度下止裂层对复合靶板抗弹性能的影响，并得到3组有效数据。
TC4弹片侵彻覆盖止裂层的氮化硅陶瓷靶板的高速摄像照片如图3所示，图3a弹片飞行姿态由侧视高速摄像机捕捉，飞行稳定性较好，弹片垂直侵彻陶瓷靶板。从图3b可以观察到，陶瓷靶板受到冲击时，表面的止裂层被弹片剪切侵彻，且陶瓷板由于受到冲击作用，正面产生的碎片被约束在止裂层表面，没有脱离靶板飞溅。图3c在弹片冲击过程中，氮化硅陶瓷板背面出现了沿着弹面向外发散的径向裂纹及以弹片边缘为焦点的椭圆形环向裂纹，并且径向和环向裂纹呈经纬交错形式分布。图3d为靶板正面照片，撞击后止裂层整体结构完整，并未出现大面积撕裂，表面仅有剪切侵彻的切口。由图3e可见，氮化硅陶瓷靶板由于弹片冲击，形成了清晰的陶瓷锥形貌。
1.2数值模拟及验证
采用非线性动力学有限元程序LS-DYNA对弹片侵彻毁伤过程进行数值模拟，构建了数值仿真模型，进一步分析止裂层对陶瓷板抗冲击性能的影响。
1.2.1有限元模型及算法
由于陶瓷在冲击载荷作用下产生的裂缝具有随机性，因此采用三维全尺寸模型进行有限元计算。弹体、靶板、夹具有限元模型均由8节点六面体网格构成，通过对靶板受到冲击的中心区域单元网格进行加密，提高了计算精度，网格尺寸为0.5 mm×0.5 mm× 0.75 mm；为了提高计算效率，外部区域网格划分相对稀疏。使用Lagrange算法计算弹片和靶板之间的相互作用。夹具与止裂层和陶瓷板之间的接触为面面接触，考虑到环氧树脂胶的黏接作用，止裂层与陶瓷板之间使用tiebreak接触参数设置，界面强度为30 MPa，弹片与止裂层和陶瓷板之间设置为侵蚀接触。靶板与夹具之间全部采用共节点方式连接，将夹具设置为固定约束，保证数值模拟的初始条件与试验中的初始条件一致，弹片侵彻覆盖止裂层的氮化硅陶瓷板的计算模型如图4所示。
图3弹片侵彻陶瓷板试验照片
图4仿真计算模型和网格加密区
1.2.2材料本构模型及参数
弹片材料为TC4钛合金，夹具材料为45#钢。根据高速摄像机拍摄结果及试验后观察，弹片和夹具未发生明显变形，因此本文将弹片和夹具均视为刚体，选取MAT_20号材料，TC4钛合金和45#钢参数见表2。
Johnson-Holmquist Ⅱ(JH-2)材料本构模型能较好地模拟在大变形、高应变率以及高压下的强度、应变率效应、损伤劣化等力学行为，广泛应用于陶瓷、玻璃等脆性材料的数值模拟过程中。JH-2模型包括应变率、静水压力以及与损伤相关的强度模型和多项式形式的状态方程，在JH-1模型的基础上，加入强度的连续损伤劣化效应，模拟材料的梯度破坏现象。氮化硅陶瓷板采用JH-2本构模型进行描述，选取MAT_110号材料，具体参数见表3。
表3中：ρ为密度；G为剪切模量；A为准静态屈服强度；B为应变强化系数；N为应变硬化指数；C为应变率敏感系数；M为温度软化系数；D1、D2为损伤常数。
凯夫拉平纹编织材料止裂层可以等效为均匀正交各向异性材料，选取MAT_022号材料，并添加最大主应变失效准则和最大主应力失效准则，具体参数见表4。
表4中：E为不同方向的弹性模量；G为不同方向的剪切模量；S为不同方向的横向剪切强度；υ为不同方向的泊松比；Xt为纵向抗拉强度；Yt为横向抗拉强度；Yc为横向抗压强度；Kfail为失效材料的体积模量；Sc为剪切强度；Sn为正拉强度。
1.2.3仿真结果及验证
将仿真中弹片的冲击速度分别设置为113、104.1、88.36 m/s，对靶板进行冲击，验证有限元模型的准确性，仿真结果如图5所示。弹片冲击过程如图5a所示，其中I区为未冲击期间；Ⅱ区为次冲击侵彻期间，弹片冲击侵彻止裂层，受到止裂层一定的
阻碍作用，当弹片继续侵彻时，矩形弹片的边缘处产生的应力波使止裂层从陶瓷板表面剥离，同时止裂层受到拉应力作用被撕裂；Ⅲ区为冲击侵彻平台期间，由于止裂层撕裂使弹片能够穿过，阻碍作用基本消失，仅剩撕裂区域与弹片之间的摩擦，但此时弹片并未抵达陶瓷板，速度基本不发生变化；Ⅳ区为冲击损伤累积期间，当弹片与陶瓷板接触时，陶瓷板整体结构完整，抗侵彻能力强，弹片受到的阻力较大，速度急剧下降，陶瓷板开始出现损伤时，整体结构遭到破坏，抗冲击性能被削弱，主冲击过程结束，侵彻过程开始；Ⅴ区为主侵彻区，陶瓷板受到弹片冲击作用产生的冲击波不断作用在板内，使得陶瓷板出现明显的陶瓷锥现象，形成近似于椭圆形的损伤区域，此时，冲击路径上的陶瓷碎片继续阻碍弹片冲击，当弹片造成的损伤区域完全脱离陶瓷板时，主要的侵彻过程已经结束；Ⅵ区冲击过程已经结束，侵彻不再进行。如图5b所示，靶板在3种速度弹片的冲击侵彻下，都产生了冲击平台区，当受到弹片侵彻时，止裂层首先被压缩，随后由于受到拉应力作用，止裂层被拉紧并撕裂，对弹片阻碍的作用由弱至强，直到止裂层被撕裂，阻碍作用消失。图5c为靶板止裂层受到冲击时产生的撕裂损伤，同试验和高速摄像机拍摄的损伤情况相符。图5d为靶板受到冲击后陶瓷板的损伤情况，陶瓷锥现象明显，内圈损伤为陶瓷板迎弹面损伤区域，外圈损伤为陶瓷板背弹面损伤区域，损伤区域近似椭圆形，符合试验中破片冲击陶瓷板的损伤情况。
图5113 m/s冲击速度下的弹片速度曲线（a）、弹片冲击受止裂层影响时的速度曲线（b）、仿真正面图（c）、仿真背面损伤图及剖面图（d）
仿真速度结果见表5，当冲击速度分别为113、104.1、88.36 m/s时，弹片冲击后的仿真剩余速度分别为25.54、23.61、18.35 m/s。将仿真剩余速度与试验得到的剩余速度进行对比，可以观察到，误差值均<10%，可以证明数值仿真中的参数设置合理，仿真结果可信。
2止裂层对陶瓷板抗冲击性能影响规律
在验证仿真模型和参数可靠性的基础上，探究止裂层对陶瓷板抗冲击性能的影响，本文分别设计了针对是否有止裂层覆盖和不同止裂层与陶瓷板之间的界面强度（简称界面强度）2种仿真模型，研究弹片冲击陶瓷板后的剩余速度和陶瓷板裂纹生成扩展情况。基准仿真模型设置冲击速度为113 m/s，止裂层厚度为0.75 mm，陶瓷板厚度为12 mm，止裂层与陶瓷板界面强度为30 MPa，弹片剩余速度为25.24 m/s。
2.1覆盖止裂层对陶瓷板抗冲击性能的影响
通过建立无止裂层且陶瓷板厚度为12.75 mm的仿真模型，探究覆盖止裂层是否会对陶瓷板抗冲击性能产生影响，弹片与陶瓷板表面的距离和基准模型相等。当冲击速度为113 m/s时，有止裂层和无止裂层的陶瓷板迎弹面损伤如图6所示。
从图6可以看出，止裂层在裂纹扩展末端具有明显抑制作用，在冲击中心止裂效果不明显，且会增大损伤效果。当t=10 μs时，覆盖止裂层的靶板相比无止裂层的靶板，产生更多裂缝，损伤更为集中，在中心冲击区域的损伤更为致密；同时对比t=13 μs时的损伤情况，覆盖止裂层的靶板外部裂纹生成速度明显小于无止裂层的靶板，但有止裂层的靶板内部裂纹生成速度要远大于无止裂层的靶板；当t=15 μs时，同无止裂层靶板相比，有止裂层靶板损伤范围增大约4%，冲击产生的动能更多地被中心区域吸收；当t=20 μs 时，迎弹面冲击损伤形貌基本生成，通过对仿真结果进行分析，表面覆盖止裂层使迎弹面损伤后外部裂纹生成大幅减小，并且裂纹生成更加集中在中心区域。
图6有止裂层和无止裂层的陶瓷板迎弹面损伤
为了探究止裂层对弹片剩余速度的影响，弹片分别以113、104.1、88.36 m/s这3种不同速度冲击靶板，其剩余速度见表6；通过对靶板面密度及靶板对弹片吸收动能变化率进行分析，将无止裂层情况与有止裂层进行比较，其中面密度变化率、靶板吸收动能变化率见表6。
面密度变化率ε的计算见式（1）。
式中：m1为无止裂层靶板质量；V1为无止裂层靶板体积；H1为无止裂层靶板厚度；m0为有止裂层靶板质量；V0为有止裂层靶板体积；H0为有止裂层靶板厚度。
弹片动能变化率E的计算见式（2）。
式中：mp为弹片质量；v为冲击速度；v0为有止裂层的剩余速度；v1为无止裂层的剩余速度。
根据表6仿真结果可得，陶瓷板表面覆盖止裂层能显著降低弹片冲击剩余速度，提高靶板抗弹性能。与靶板覆盖止裂层相比较，当靶板没有覆盖止裂层时，相同靶板厚度下，靶板面密度增加了5.87%，弹片冲击靶板后剩余速度明显增加，靶板吸收弹片冲击动能平均下降2.6%，靶板抗弹性能被大大削弱。当冲击速度较低时，止裂层对靶板吸收弹片冲击动能性能的影响更大；当冲击速度较高时，止裂层对靶板吸收弹片冲击动能性能的影响更小。
2.2界面强度对陶瓷板抗冲击性能的影响
基于基准模型，分别建立了界面强度从0 MPa到40 MPa共8种不同情况的数值模型，对比基准模型探究止裂层与陶瓷板之间界面强度对陶瓷板抗冲击性能的影响，结果见表7。从该表可以看出，止裂层与陶瓷板之间界面强度的强弱对陶瓷板抗冲击性能影响不大，但是否存在界面强度对陶瓷板抗弹性能影响较大。当止裂层与陶瓷板之间无界面强度（0 MPa）时，止裂层平铺在陶瓷板表面，被夹具夹持，弹片剩余速度为29.4 m/s。与无界面强度模型相比，当止裂层黏接在陶瓷板表面，界面强度从5 MPa增加到40 MPa时，弹片剩余速度分布在25.5 m/s左右，靶板抗弹性能提升显著。
止裂层与陶瓷板之间界面强度为30 MPa和0 MPa的模型受到弹片冲击后，迎弹面损伤情况如图7所示。当t=10 μs时，无界面强度模型由于止裂层并未紧贴在陶瓷板表面，所以力传递情况相较于有界面强度模型会滞后；当t=11 μs时，弹片冲击到靶板后，无界面强度模型损伤分布分散，损伤吸能效果较差，界面强度不为0的模型损伤分布集中，损伤吸能效果好；当t=20 μs时，有界面强度的模型中心区域损伤更为充分，无界面强度的模型损伤区域不充分，存在大块片状碎片，并未将大块碎片粉碎，吸收更多能量。
图7止裂层与陶瓷板之间界面强度为30 MPa和0 MPa模型受冲击损伤情况
陶瓷板表面覆盖的止裂层在受到冲击时会产生较大的应变，当存在界面强度时，止裂层约束在中心撞击区域，同时，弹片冲击产生的力通过止裂层与陶瓷板之间的黏接力扩散至陶瓷板上，使陶瓷板受到冲击后的损伤积累期间产生更多的损伤，吸收弹片更多的动能；当止裂层与陶瓷板之间没有界面强度时，止裂层在表面并未对弹片冲击靶板时的力产生影响,仅阻止迎弹面受冲击产生的陶瓷碎片不会从迎弹面方向飞溅而出。
3结论
针对是否覆盖止裂层以及止裂层与陶瓷板之间的界面强度等因素，本文详细讨论了凯夫拉平纹编织纤维止裂层对氮化硅陶瓷板抗弹能力和迎弹面损伤特征的影响，试验及仿真结论如下。
1）当陶瓷靶板表面覆盖止裂层时，在受到弹片冲击后，能有效降低陶瓷靶板表面破损碎片飞溅，同时能促进弹片与陶瓷靶板在冲击区域局部弹靶间的相互作用，增加弹片冲击陶瓷靶板产生的损伤，降低弹片剩余速度，提高了陶瓷靶板的抗弹性能。
2）同单独的陶瓷防护装甲相比，表面覆盖止裂层的复合装甲在受到弹片冲击时，能限制迎弹面裂纹扩展范围，在弹、靶作用的局部区域裂纹更为密集，可吸收更多的冲击能量，因此弹片的剩余速度更低；同时，弹片冲击速度越低，覆盖止裂层对靶板吸收弹片冲击动能效果越好。
3）当止裂层与陶瓷板之间存在黏接力时，黏接力的强度对复合装甲抗弹性能影响不明显；当止裂层与陶瓷板之间不存在黏接力，止裂层被夹具夹持在陶瓷板表面时，止裂层的作用为一层单独的复合纤维防护层，并未起到止裂的作用，只能保证破裂的陶瓷碎片无法从迎弹面飞出，陶瓷板的损伤状态与未覆盖止裂层时的损伤状况相似。
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