Ballistic performance and mechanism of a novel multi-scale bionic array
gradient (SiCcþB4Cp)/Al armor

新型多尺度仿生阵列梯度（SiC晶须+B4C颗粒）/铝复合装甲的弹道性能与机理

作者信息：

Z.L. Chao, Z.W. Wang, L.T. Jiang, S.Q. Du a, T. Luo a, Y. Sun a, J.H. Ge a, Y.D. He, S.P. Chen, B.J. Pang, G.Q. Chen, G.H. Wua

School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

Chongqing Research Institute, Harbin Institute of Technology, Chongqing, 400000, China

School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001, China

No. 52 Institute of China Ordnance Industries, Yantai, 264003, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100022

文章介绍：

陶瓷材料（如碳化硅、碳化硼和氧化铝）因其高强度、高硬度和低密度等特性被广泛应用于装甲防护结构。然而，陶瓷固有的脆性及其与背板材料之间的声阻抗失配，导致传统陶瓷复合装甲难以具备优异的抗多次冲击性能。为解决这一难题，现有陶瓷复合装甲常采用小块陶瓷拼接结构。这种简易拼接方式虽能提升装甲结构的抗多次打击能力，但会削弱其抗侵彻性能——尤其在陶瓷块接缝处更为显著。如何解决高强度与高韧性之间的矛盾，始终是装甲结构设计面临的关键问题。

犰狳、鱼类、鳄鱼和棱皮龟等生物拥有的柔性皮肤装甲系统，为仿生装甲设计提供了重要灵感。这类天然装甲通常具有胶原纤维连接刚性结构单元（鳞片或皮内成骨）的多级结构，可在保持强度的同时显著提升柔韧性。以犰狳外壳为例，其由夏皮纤维连接的矿化硬质片构成复合结构（图1a）。目前已报道的仿生装甲大多采用“硬质鳞片嵌入软质基底”的设计范式，软质基底材料包括橡胶、树脂或直接留空，其刚度通常比硬质片低数个数量级。这种软基底设计可赋予结构抗穿刺、弯曲适应性、损伤容限及抗多次冲击等特性，但在面对高速穿甲弹等强火力时，由于软基难以有效约束硬质片，整个结构易发生溃散。因此，在车辆装甲设计中需重新权衡软基与硬质片的配比关系，有必要采用更强韧的基底材料来约束硬质片以应对高强度威胁，同时不过度牺牲抗多次冲击能力。对于陶瓷鳞片而言，充分约束对其弹道性能发挥至关重要。

功能梯度材料被视为解决装甲结构强韧矛盾的有效方案。梯度结构可降低材料间的阻抗失配[20]，改变应力波的传播与反射模式，并具备增强的裂纹扩展阻力。目前功能梯度材料研究多集中于B4C/Al、SiC/Al、TiB/Ti等金属基复合材料体系，但存在前沿面板陶瓷含量偏低（通常≤60%）的共性问题。Strapβburger指出金属陶瓷的陶瓷体积分数需显著超过70%，才能获得与整体陶瓷相当量级的弹道性能。因此，制备具有高陶瓷含量的高强度、高硬度前面板是实现功能梯度材料优异弹道性能的关键。

受犰狳背甲与毛竹仿生结构启发，本研究通过多尺度陶瓷相复合设计，制备出兼具阵列结构与梯度结构优势的多尺度仿生阵列梯度（SiC晶须+B4C颗粒）/铝复合材料（图1c）。其中阵列层由厘米级SiC陶瓷柱与微米级B4C颗粒增强铝基复合材料（B4Cp/Al）构成，陶瓷含量可达93%——兼具高强度与一定韧性的B4Cp/Al能对SiC陶瓷柱形成有效约束；梯度层则由55 vol% B4Cp/Al构成。沿弹丸侵彻方向由此形成93%-55%的双层梯度结构。通过将（SiCc+B4Cp）/Al梯度复合材料与超高分子量聚乙烯、装甲钢结合，制备出多尺度仿生阵列梯度复合装甲（AGS）。采用初速约800 m/s的12.7 mm穿甲燃烧弹进行弹道测试，并以相同面密度的典型陶瓷复合装甲（CCS）作为对比。实验表明：AGS在保持与CCS相当抗侵彻性能的同时，损伤程度显著降低——受击后AGS结构保持完整，仅产生直径约57 mm的弹孔与数条径向裂纹；而CCS的陶瓷面板已破碎解体。相较CCS，AGS的损伤面积减少超80%。这种低损伤特性源于阵列结构对裂纹扩展的抑制，以及双层梯度结构对反射拉伸波的削减作用。有限元模拟侵彻过程表明，复合装甲的弹道性能与弹着点位置相关。该多尺度仿生阵列梯度复合装甲展现出优异的抗侵彻性能与潜在的抗多次冲击能力，本研究可为新型高性能装甲结构的设计与制备提供数据支撑。

中文摘要：

本研究设计并制备了一种新型多尺度仿生阵列梯度（SiC晶须+B4C颗粒）/铝复合材料装甲结构（AGS）。该结构包含由B4Cp/铝约束致密SiC陶瓷柱组成的阵列层（陶瓷含量93 vol%），以及由55 vol% B4Cp/铝构成的梯度层。通过12.7毫米穿甲燃烧弹（API）测试其抗弹性能，并结合损伤形貌观察、侵彻过程模拟和应力波计算揭示了抗弹机理。结果表明：具有优异力学性能的B4Cp/5083铝复合材料对SiC陶瓷柱形成有效约束，且陶瓷柱与铝基体呈现良好界面结合。AGS结构展现出卓越抗弹性能，在面密度91 kg/m²时可有效抵御12.7毫米API弹的贯穿。与传统陶瓷复合装甲相比，该新型结构呈现出不同的锥形与径向裂纹扩展模式。在保持相当抗贯穿性能的前提下，AGS的损伤面积较同等面密度传统陶瓷装甲结构（CCS）减少85%以上。仿真模拟显示侵彻过程可大致划分为5个阶段，弹体在贯穿阵列层时动能与质量损失最为显著。研究还证实着弹位置对装甲结构抗弹性能存在影响。本工作有望为新型高抗侵彻、抗多次冲击装甲结构的设计与制备提供技术支撑。