尚春明,施冬梅,張云峰,徐雪濤

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003)

隨著裝甲車輛、空中戰(zhàn)機、地面工事等軍事裝備和設(shè)施的防護(hù)性能不斷提升，彈藥對目標(biāo)“擊而不毀”、“擊而不傷”的現(xiàn)象逐漸增多，要想徹底摧毀敵軍的軍事目標(biāo)，對彈藥的毀傷效能提出了更高的要求，破片、藥型罩等毀傷元的含能化便是其中發(fā)展的重要方向[1]。

Zr基非晶合金由金屬元素組成，并向其中添加Ag、Fe、Nb、B、Co、Pd等合金元素，根據(jù)所添加的合金元素種類不同，主要分為三大類：三元合金Zr-Al-TM(BCD)、四元合金Zr-Ti(Nb)-Al-TM和Zr-Ti(Al)-TM-Be。其中，最常見的體系為Zr-Al-Ni-Cu。非晶合金長程無序、短程有序的原子排列結(jié)構(gòu)，使得材料性質(zhì)均勻，沒有合金常見的位錯、空位等缺陷，具有高強度、高硬度、高彈性、高韌性和超塑性的優(yōu)異性能[2]，而且能量處于亞穩(wěn)態(tài)，在受到高動態(tài)沖擊時會引發(fā)急劇的釋能反應(yīng)[3]，這種侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)可以大幅增強彈藥的毀傷威力。除此之外，Zr-Ti-Ni-Al(Cu)-Be、Zr-Ti-Cu-Co-Be等系列的非晶合金還具有剪切敏感性，在高速侵徹過程中可以保持頭部相對尖銳，從而增大侵徹深度。由此可見，Zr基非晶合金在彈藥上具有廣闊的應(yīng)用前景。本文從穿甲彈芯、破片、藥型罩3個方面出發(fā)，對當(dāng)前Zr基非晶合金的毀傷研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1 Zr非晶合金的沖擊釋能反應(yīng)

根據(jù)當(dāng)前對Zr基非晶合金釋能特性的研究結(jié)果[4-8]，沖擊過程釋放的能量來自兩個過程，一是金屬元素與氧氣的反應(yīng)，常見的組成元素如Zr、Al、Ti等與氧氣較“親和”，容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，而且具有很大的生成焓，放出的能量多，在文獻(xiàn)[4-6]的研究中，Zr基非晶合金在氮氣、氬氣等缺氧的環(huán)境中釋能不明顯，而在空氣氣氛下急劇釋能、火花四濺，這說明氧化反應(yīng)是釋能的主要來源；二是金屬與金屬之間或金屬與中間產(chǎn)物之間的反應(yīng)，相比氧化反應(yīng)，金屬間的反應(yīng)速度較慢，而且釋放的能量很少。

Zr+O2→ZrO2ΔH=-1 078.3 kJ/mol

2Al+2/3O2→Al2O3ΔH=-1 676 kJ/mol

Ti+O2→TiO2ΔH=-944.0 kJ/mol

從Zr基非晶合金的沖擊釋能反應(yīng)類型來看，其自身蘊含較少的能量，釋放的能量大部分來自組成元素的氧化反應(yīng)，沖擊過程的釋能多少在很大程度上要受到環(huán)境中氧氣含量的影響。所以Zr基非晶合金制備的毀傷元更加適用于攻擊地面或低空目標(biāo)，在高空或其他缺氧環(huán)境中，Zr基非晶合金的釋能效應(yīng)和毀傷威力將會明顯減弱。

2 毀傷研究進(jìn)展

2.1 穿甲彈芯

彈芯是穿甲彈的核心結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較廣泛的彈芯材料主要是鎢合金和貧鈾合金。鎢合金在侵徹過程容易發(fā)生頭部“鐓粗”而導(dǎo)致侵徹阻力增大(圖1(a)所示)，其穿甲威力一般只有貧鈾合金的85%。而貧鈾合金的缺點更突出，具有重金屬放射性和毒性，對使用人員和環(huán)境的危害性、污染性很大。所以各國對穿甲彈芯的研究集中在提高鎢合金的侵徹能力和發(fā)展性能比肩甚至超過貧鈾合金的新穿甲材料上，非晶基體鎢絲復(fù)合材料便是其中的重點發(fā)展方向[9]。

圖1 鎢合金彈芯的“鐓粗”和復(fù)合材料彈芯的“自銳”

Zr基非晶合金的強度高、韌性好，而且還具有剪切敏感性[10-11]，即自銳性(圖1(b)所示)。在侵徹過程中頭部能夠保持尖銳，從而減小阻力以增大穿甲深度，但其密度很小，僅有6.5 g/cm3左右，這決定了Zr基非晶合金不能直接用作彈芯材料。Dandliker[12]率先開展了以Zr基非晶合金為基體，以金屬絲為增強相的復(fù)合材料制備研究工作，他發(fā)現(xiàn)鎢絲與非晶合金的界面潤濕性很好，而且鎢絲的加入既不會使非晶合金發(fā)生脆性結(jié)晶，也不會發(fā)生反應(yīng)，能形成穩(wěn)定的復(fù)合材料。表1[13-14]列舉了鎢合金、貧鈾合金和鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料的力學(xué)性能參數(shù)。由表1可知，鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料的密度可以達(dá)到17.0 g/cm3，與鎢合金和貧鈾合金相當(dāng)，而且強度、延展率要高于鎢合金和貧鈾合金，可以認(rèn)為鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料的密度和力學(xué)性能已經(jīng)能夠滿足穿甲彈芯材料的要求。

表1 鎢合金、貧鈾合金、非晶復(fù)合材料的力學(xué)性能

除了密度高、力學(xué)性能好，鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料同樣具有自銳性，而且受到穿甲彈芯的長徑比和著靶速度的影響[15-18]。長徑比對自銳性的影響是有無關(guān)系，長徑比小時，穿甲彈芯容易發(fā)生劈裂而失去侵徹能力；長徑比大于10時，鎢絲/Zr基非晶合金穿甲彈芯表現(xiàn)出較好的自銳性，侵徹彈坑的直徑小且侵徹深度比鎢合金彈芯提高了10%～20%。著靶速度對自銳性的影響是彈芯的破壞模式，著靶速度小，穿甲彈芯在侵徹過程中為整體剪切破壞，鎢絲和Zr基非晶合金不會發(fā)生剝離，彈芯的頭部呈錐形；著靶速度高，作用在穿甲彈芯頭部的溫度和應(yīng)變率也隨之增大，Zr基非晶合金因此會發(fā)生熔化而失去對鎢絲的包裹限制作用，鎢絲發(fā)生屈曲回流使彈芯頭部呈半球形。由此可見，采用鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料制備的穿甲彈芯在高低速下都具有良好的自銳性。針對上述小長徑比的穿甲彈芯易劈裂的現(xiàn)象，杜忠華[19]采用護(hù)套和分段結(jié)構(gòu)，有效地解決了這一問題，而且還提高了彈芯的侵徹能力。

數(shù)值模擬是研究侵徹過程的另一重要手段。描述鎢絲/Zr基非晶合金的本構(gòu)模型經(jīng)歷了從整體均質(zhì)材料模型到鎢絲和Zr基非晶合金分別賦予材料模型的轉(zhuǎn)變，仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，但復(fù)合材料中的鎢絲是各向異性材料，而目前使用的Johnson-Cook模型描述的是各向同性材料，用于描述鎢絲并不準(zhǔn)確，所以鎢絲的本構(gòu)模型需進(jìn)一步探索。國內(nèi)外學(xué)者還著重研究了制備工藝，非晶元素、鎢絲參數(shù)對材料性能的影響規(guī)律[20]，保溫溫度的影響由于學(xué)者們說法不一還需要做出更準(zhǔn)確的結(jié)論，這些影響規(guī)律的研究為高性能材料的制備提供了重要指導(dǎo)。從目前來看，鎢絲/Zr基非晶合金復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)良的性能，將很可能替代鎢合金和貧鈾合金，成為新一代穿甲材料。

2.2 含能破片

含能破片的概念最早在1976年由Hugh[21]在其專利中提出。傳統(tǒng)的鋼、鎢合金等惰性破片對目標(biāo)的作用屬于“硬碰硬”模式，純依靠動能侵徹毀傷，而含能破片對目標(biāo)的作用是侵爆聯(lián)合毀傷。急劇釋放的化學(xué)能不僅增強了破片的徑向毀傷能力，而且可以引燃、引爆殼體后的易燃易爆物[20-21]，具有較好的后效毀傷能力，是實現(xiàn)彈藥高效毀傷的重要途徑。

目前含能破片中受到廣泛研究、技術(shù)成熟度較高的主要是氟聚物+金屬復(fù)合材料破片和活性金屬合金破片，盡管Zr基非晶合金在含能破片上的應(yīng)用研究開展較晚，但表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。表2是不同類型含能破片的性能參數(shù)，表中的能量密度是指含能破片在高速沖擊條件下(Al/PTFE為910 m/s，Al/Ni/W為1 176 m/s，其余為1 300～1 450 m/s)單位質(zhì)量或體積所放出的能量。

表2 不同類型含能破片的性能參數(shù)

由表2可知，以Al/PTFE、Al/Ni/PTFE為代表的氟聚物+金屬復(fù)合材料含能破片的能量密度很高，但密度小、壓縮強度低預(yù)示著其侵徹能力較差，難以穿透目標(biāo)的防護(hù)殼體，更發(fā)揮不出應(yīng)有的后效毀傷威力。鎢經(jīng)常作為增強體與其他活性金屬燒結(jié)制備活性金屬合金破片，如表中的Al/Ni/W、W/Zr，相比氟聚物+金屬復(fù)合材料含能破片，密度和力學(xué)性能都有了很大的提高，但能量密度有所降低。對于Zr基非晶合金，其力學(xué)性能好，能量密度高，但密度小和脆性大限制了Zr基非晶合金在破片上的直接應(yīng)用。研究人員采用真空浸滲法制備W骨架/Zr基非晶合金復(fù)合材料，密度達(dá)到了14.28 g/cm3，壓縮強度為1916 MPa，遠(yuǎn)高于其他含能破片。而且侵徹能力強，對10.5 mm均質(zhì)裝甲鋼的臨界侵徹速度為973 m/s[31]，圖2是高速攝影拍攝的破片侵徹裝甲鋼靶板整個過程的釋能情況。

圖2 破片侵徹裝甲鋼靶板的高速攝影圖像

由圖2可知，W骨架/Zr基非晶合金復(fù)合材料破片在侵徹裝甲靶板時發(fā)生了類爆炸釋能反應(yīng)。從撞靶瞬間到穿透靶板整個過程，破片的釋能愈加劇烈，從圖2(c)、圖2(d)中靶前靶后明亮的閃光、四濺的火花可以看出破片具有較好的釋能和后效毀傷能力。從表2數(shù)據(jù)來看，由于添加了大量鎢作為增強體，W骨架/Zr基非晶合金復(fù)合材料破片中的含能材料相對減少，單位質(zhì)量的能量密度僅有0.88 kJ/g，但是較高的密度使得其單位體積的能量密度達(dá)到12.57 kJ/cm3，與其他含能材料相差不大。而且實際上戰(zhàn)斗部預(yù)留破片的空間是有限的，所以侵徹能力強、單位體積能量密度高的W骨架/Zr基非晶合金復(fù)合材料破片在預(yù)制破片戰(zhàn)斗部上將會有很好的應(yīng)用前景。

2.3 含能藥型罩

藥型罩在炸藥爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下形成能量密度極高的金屬射流，侵徹能力強，穿甲深度大，是當(dāng)前反裝甲最有效的毀傷元之一。從銅到鉬、鎢、鉭等，藥型罩的材料一直是提升破甲戰(zhàn)斗部毀傷效能的重要途徑[32]。美國陸軍武器研發(fā)工程中心在2002年提出的“終點化學(xué)能戰(zhàn)斗部”設(shè)計理念，就是利用新型含能材料來制備藥型罩，其形成的射流會在侵徹過程中發(fā)生爆炸，釋放大量化學(xué)能，以此提高戰(zhàn)斗部的毀傷威力。國內(nèi)重點對Al/PTFE含能藥型罩開展了研究[33-35]。

藥型罩材料要求具有高密度、高聲速、塑性好的特性[36]，這樣形成的射流才能延展性好、密度大、高速連貫、毀傷能力強。純銅的密度為8.9 g/cm3，聲速為4.7 km/s，而Zr基非晶合金的密度大約為6.5 g/cm3，聲速在4.8 km/s左右[37]，材料性能參數(shù)大致與純銅相當(dāng)。美國陸軍研究實驗室武器和材料研究中心開展了Zr57Cu15.4Ni12.6Al10Nb5非晶合金藥型罩的成型和侵徹實驗[38]，捕捉的射流如圖3所示。射流從右向左飛行，從放大圖可以看到射流有很多空隙，呈現(xiàn)出逐漸飛散的狀態(tài)。這種飛散特性說明Zr基非晶合金藥型罩更加適用于小炸高侵徹，這與文獻(xiàn)[33]對Al/PTFE含能藥型罩的仿真結(jié)論相同。Zr基非晶合金射流的侵徹試驗顯示在大炸高下，射流對鋼板的毀傷呈現(xiàn)出多凹坑的狀態(tài)，最深侵徹深度只有19 mm，而炸高較小時，射流對裝甲鋼的侵徹深度可以達(dá)到254.2 mm，穿孔直徑為57 mm，侵徹能力大幅增大，有關(guān)射流的釋能情況，研究人員并沒有太多關(guān)注。

圖3 X射線儀器拍攝的Zr基非晶合金射流

國內(nèi)中科院金屬所、陸軍工程大學(xué)[39]采用液態(tài)近凈形壓鑄充型技術(shù)制備了高精密的Zr基非晶合金藥型罩，并開展了其侵徹性能實驗。圖4是直徑45.8 mm的ZrCuNiAlAg非晶合金藥型罩對45#鋼的毀傷效果，入口孔徑為25 mm，侵徹深度為110 mm，在開孔放大處可以看到鋼靶被燒蝕變黑的痕跡，這說明射流在侵徹過程中釋放了能量。含能材料形成的射流由于釋能反應(yīng)，其侵徹能力稍弱于金屬射流，但含能射流的內(nèi)爆釋能可以造成裝甲爆裂毀傷，對輕型裝甲車輛、艦船等的精密儀器、油箱、彈藥具有比惰性射流更好的后效毀傷能力。

圖4 Zr基非晶合金射流侵徹鋼板時的釋能

3 結(jié)論

對比當(dāng)前制備穿甲彈芯、破片、藥型罩的惰性或含能材料，Zr基非晶合金表現(xiàn)出了不亞于現(xiàn)有材料的優(yōu)良性能，極有潛力成為新一代毀傷材料?？傮w來說，Zr基非晶合金的應(yīng)用發(fā)展方向是充分發(fā)揮其自銳、侵爆特性，提高彈藥的高效毀傷效能，今后的重點研究工作有：

1) 高性能復(fù)合材料的制備研究，探索制備過程中各種因素對材料性能的影響規(guī)律，選擇合適的制備工藝、材料參數(shù)，加快推動Zr基非晶合金的實際應(yīng)用。

2) 毀傷效能和機理研究，開展侵徹和靶后油箱、屏蔽炸藥的引燃引爆試驗，綜合評定材料的毀傷效能，確定材料充分發(fā)揮自銳性、侵爆能力的試驗條件，系統(tǒng)研究毀傷機理，以指導(dǎo)在實際彈藥中的應(yīng)用。

3) 搭載戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)完整性研究，將Zr基非晶合金或復(fù)合材料制備的破片等毀傷元搭載在彈藥上進(jìn)行靜爆試驗，研究其在炸藥爆轟產(chǎn)物驅(qū)動下能否保持結(jié)構(gòu)完整，能否發(fā)揮應(yīng)有的毀傷威力。