Обзор критериев и методов оценки свойств керамических материалов, предназначенных для защиты от воздействия ударных нагрузок

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Керамика нашла широкое применение в качестве материала для защиты от воздействия ударных нагрузок благодаря механическим свойствам и плотности, обеспечивающим высокую удельную прочность преград. Основная функция преград, заключается в предотвращении разрушения конструкции защищаемого объекта. Выбор конкретной керамики для преград зависит от массы, способности поглощать энергию удара, устойчивости к множественным ударам и т. д. Приведен обзор критериев и методов оценки свойств керамических материалов, предназначенных для защиты от воздействия ударных нагрузок. Существующие критерии отбора можно разделить на две группы: фундаментальные, которые основаны на физических свойствах материала, и критерии оценки служебных свойств. Также существуют экспериментальные методы оценки качества преград. Показано, что критерий В. Я. Шевченко является универсальным, учитывающим свойства проникающего тела (ударника) и позволяющим построить надежный представительный ряд для большинства керамических материалов при хрупком разрушении.

Об авторах

В. Я. Шевченко

Нижневартовский институт (филиал) Тюменского государственного университета

Автор, ответственный за переписку.
Email: mail@crism.ru
академик РАН ул. Гребенщикова, 1990, Ханты-Мансийск, Россия

А. С. Долгин

Нижневартовский институт (филиал) Тюменского государственного университета

Email: mail@crism.ru
ул. Гребенщикова, 1990, Ханты-Мансийск, Россия

М. М. Сычев

Нижневартовский институт (филиал) Тюменского государственного университета

Email: mail@crism.ru
д-р техн. наук ул. Гребенщикова, 1990, Ханты-Мансийск, Россия

С. В. Балабанов

Нижневартовский институт (филиал) Тюменского государственного университета

Email: mail@crism.ru
ул. Гребенщикова, 1990, Ханты-Мансийск, Россия

Список литературы

  1. Grigoryan, V.A. Materialy i zashchitnye struktury dlya lokal'nogo i individual'nogo bronirovaniya. [Materials and protective structures for local and individual booking]. Izd. RadioSoft. 2008. 406 p.
  2. В.Я. Шевченко, М.В. Ковальчук, А.С. Орыщенко. Синтез нового класса материалов с регулярной (периодической) взаимосвязанной микроструктурой. Физика и химия стекла 2020, том 46, № 1, с. 3–11
  3. Brandon D.G. Armor. Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials. – Pergamon. 1991.P. 22–25.
  4. R. Yadav, M. Naebe, X. Wang, B. Kandasubramanian, Body armour materials: from steel to contemporary biomimetic systems, RSC Adv. 6(2016) 115145–115174. https://doi.org/10.1039/c6ra24016j.
  5. E. Medvedovski, Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 1, Ceram. Int. 36 (2010) 2103–2115. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.021.
  6. E. Medvedovski, Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 2, Ceram. Int. 36 (2010) 2117–2127. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.022.
  7. B. Tepeduzu, R. Karakuzu, Ballistic performance of ceramic/composite structures, Ceram. Int. 45 (2019) 1651–1660. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.042.
  8. Z. Rosenberg, E. Dekel, Terminal Ballistics, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25305-8.
  9. I.-D. Popa, F. Dobriţa, Considerations on Dop (Depth Of Penetration) Test for Evaluation of Ceramics Materials Used in Ballistic Protection, ACTA Univ. Cibiniensis. 69 (2018) 162–166. https://doi.org/10.1515/aucts-2017- 0021
  10. Ashby M.F., Cebon D. Materials selection in mechanical design. Le Journal de Physique IV. 1993. V. 3. № C7. P. 1–9.
  11. Viechnicki D.J., Slavin M.J., Kliman M.I. Development and current status of armor ceramics // Am. Ceram. Soc. Bull. 1991. Vol.70, №6, P. 1035-1039
  12. Шевченко В.Я., Изотов А.Д., Лазарев В.Б., Жаворонков Н.М. Энергия диссоциации и предельная упругая деформация в модели двухчастичного взаимодействия // Неорганические материалы. 1984. Т. 20. № 6. С. 1047–1052.
  13. В. Я. Шевченко, А. С. Орыщенко, С. Н. Перевислов, М. В. Сильников. О критериях выбора материалов преград механическому динамическому нагружению // Физика и химия стекла, 2021, T. 47, № 4, стр. 365-375.
  14. Физико-химические свойства окислов: справочник / Г. В. Самсонов [и др.]. – М.: Изд-во «Металлургия», 1978. – 471 с.
  15. D. Hallam, A. Heaton, B. James, P. Smith, J. Yeomans, The correlation of indentation behaviour with ballistic performance for spark plasma sintered armour ceramics, J. Eur. Ceram. Soc. 35 (2015) 2243–2252. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.035.
  16. P.G. Karandikar, G. Evans, S. Wong, M.K. Aghajanian, M. Sennett, A Journal Pre-proof Review of Ceramics for Armor Applications, in: 2009: pp. 163–175. https://doi.org/10.1002/9780470456286.ch16.
  17. Ballistic impact performance of composite targets / Shaktivesh, N.S. Nair, Ch.V. Sesha Kumar, N.K. Naik // Materials and Design. –2013. – Vol. 51. –P. 833-846.
  18. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С. Керамика для машиностроения. – М.: Научтехлитиздат. – 2003г.
  19. A study of fragmentation in the ballistic impact of ceramics / R.L. Woodward, W.A. Gooch jr, R.G. O'Donnell, W.J. Perciballi, B.J. Baxter, S.D. Pattie // International Journal of Impact Engineering. – 1994. – Vol. 15. – No. 5. – P. 605-618
  20. Neshpor, V.C.; Zaitsev, G.P.; Dovgal, E.J. Armour ceramics ballistic efficiency evaluation. In Ceramics: Charting the Future,Proceedings of the 8th. CIMTEC, Florence, Italy, 28 June–4 July 1994; Vincenzini, P., Ed.; Techna S.R.L.: Milano, Italy, 1995;pp. 2395–2401.
  21. Tate A. A theory for the deceleration of long rods after impac // Journal of The Mechanics and Physics of Solids. 1967. V. 15 No. 6. P. 387-399.
  22. Forrestal M.J., Longcope D.B. Target strength of ceramic materials for high-velocity penetration // Journal of Applied Physics. 1990. V. 67. No. 8. P. 3669-3672.
  23. А. В. Гриневич, А. В. Лавров Оценка баллистических характеристик керамических материалов. dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2018-0-3-95-102.
  24. А.М. Игнатова, Н.М. Сильников Принципы и методы оценки баллистических характеристик неметаллических материалов и изделий. Вестник ПНИПУ, 2015, Т. 17, № 1.
  25. Способ определения типа и характера разрушения конструкционных материалов при ударно-волновом нагружении. Патент RU 2394222. Вшивков Олег Юрьевич, Рыбаков Анатолий Петрович, Погудин Андрей Леонидович, Ланцов Владимир Михайлович, Гладков Алексей Николаевич.
  26. M.J. Normandia, W.A. Gooch, An Overview of Ballistic Testing Methods of Ceramic Materials, Ceram. Armor Mater. by Des. (2002) 113–138.
  27. I.-D. Popa, F. Dobriţa, Considerations on Dop (Depth Of Penetration) Test for Evaluation of Ceramics Materials Used in Ballistic Protection, ACTA Univ. Cibiniensis. 69 (2018) 162–166. https://doi.org/10.1515/aucts-2017-0021.
  28. I.G. Crouch, B. Eu, Ballistic testing methodologies, 2017. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100704-4.00011-6.
  29. Z. Rozenberg, Y. Yeshurun, The relation between ballastic efficiency and compressive strength of ceramic tiles, Int. J. Impact Eng. 7 (1988) 357–362. https://doi.org/10.1016/0734-743X(88)90035-8.
  30. A.N. Dancygier, D.Z. Yankelevsky, Penetration mechanisms of nondeforming projectiles into reinforced concrete barriers, Struct. Eng. Mech. 13 (2002) 171–186. https://doi.org/10.12989/sem.2002.13.2.171.
  31. M.J. forrestal, Penetration into dry porous rock, Int. J. Solids Struct. 22 (1986) 1485–1500. https://doi.org/10.1016/0020-7683(86)90057-0.
  32. D.L. Orphal, R.R. Franzen, Penetration of confined silicon carbide targets by tungsten long rods at impact velocities from 1.5 to 4.6 km/s, Int. J. Impact Eng. 19 (1997) 1–13. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)00064-H.
  33. R. Subramanian, S.J. Bless, Penetration of semi-infinite AD995 alumina targets by tungsten long rod penetrators from 1.5 to 3.5 km/s, Int. J. Impact Eng. 17 (1995) 807–816. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)99901-3.
  34. D.L. Orphal, R.R. Franzen, A.J. Piekutowski, M.J. Forrestal, Penetration of confined aluminum nitride targets by tungsten long rods at 1.5–4.5 km/s, Int. J. Impact Eng. 18 (1996) 355–368. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)00045-C.
  35. V. Hohler, A.J. Stilp, K. Weber, Hypervelocity penetration of tungsten sinter-alloy rods into aluminum, Int. J. Impact Eng. 17 (1995) 409–418. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)99866-P.
  36. M.Y. Sotskiy, V.A. Veldanov, Y.M. Sotskiy, А.Y. Daurskikh, EXPERIMENTAL AND THEORETICAL ESTIMATE OF IMPACT CONDITIONS EFFECTS ON PROJECTILES DECELERATION HISTORY IN TARGET, in: Ballist. 2011 26th Int. Symp., Journal of Applied Mechanics, Miami, USA, 2011: pp. 1468–1476. https://doi.org/https://doi.org/10.1115/1.4004308.
  37. Y.X. Zhai, H. Wu, Q. Fang, Interface defeat studies of long-rod projectile impacting on ceramic targets, Def. Technol. 16 (2020) 50–68. https://doi.org/10.1016/j.dt.2019.05.021.
  38. P. Lundberg, R. Renström, O. Andersson, Influence of confining prestress on the transition from interface defeat to penetration in ceramic targets, Def. Technol. 12 (2016) 263–271. https://doi.org/10.1016/j.dt.2016.02.002.
  39. X. Zhang, A. Serjouei, I. Sridhar, Criterion for interface defeat to penetration transition of long rod projectile impact on ceramic armor, Thin-Walled Struct. 126 (2018) 266–284. https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.04.016.
  40. S. Bavdekar, G. Subhash, S. Satapathy, A unified model for dwell and penetration during long rod impact on thick ceramic targets, Int. J. Impact Eng. 131 (2019) 304–316. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2019.05.014.
  41. J. Dehn, Modeling armor that uses interface defeat, in: AIP Conf. Proc., AIP, 1996: pp. 1139–1142. https://doi.org/10.1063/1.50783.
  42. C.E. Anderson, J.D. Walker, An analytical model for dwell and interface defeat, Int. J. Impact Eng. 31 (2005) 1119–1132. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2004.07.013.
  43. B. Aydelotte, B. Schuster, Impact and Penetration of SiC: The Role of Rod Strength in the Transition from Dwell to Penetration, Procedia Eng. 103 (2015) 19–26. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.04.004.
  44. Y. Partom, Modeling interface defeat and dwell in long rod penetration into ceramic targets, in: AIP Conf. Proc., 2012: pp. 76–79. https://doi.org/10.1063/1.3686225.
  45. T.J. Holmquist, C.E. Anderson, T. Behner, D.L. Orphal, Mechanics of dwell and post-dwell penetration, Adv. Appl. Ceram. 109 (2010) 467–479. https://doi.org/10.1179/174367509X12535211569512.
  46. J. Yuan, G.E.B. Tan, W.L. Goh, Simulation of Dwell-to-Penetration Transition for SiC Ceramics Subjected to Impact of Tungsten Long Rods, in: 2017: pp. 65–73. https://doi.org/10.1002/9781119321682.ch8.
  47. C.C. Holland, E.A. Gamble, F.W. Zok, V.S. Deshpande, R.M. McMeeking, Effect of design on the performance of steel-alumina bilayers and trilayers subject to ballistic impact, Mech. Mater. 91 (2015) 241–251. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2015.05.002.
  48. A. Rajagopal, N.K. Naik, Oblique ballistic impact behavior of composites, Int. J. Damage Mech. 23 (2014) 453–482. https://doi.org/10.1177/1056789513499268.
  49. V. Hohler, K. Weber, R. Tham, B. James, A. Barker, I. Pickup, Comparative analysis of oblique impact on ceramic composite systems, Int. J. Impact Eng. 26 (2001) 333–344. https://doi.org/10.1016/s0734- 743x(01)00102-6.
  50. D. Yaziv, S. Chocron, C.E. Anderson, D.J. Grosch, Oblique penetration in ceramic targets, 19th Int. Symp. Ballist. (2001) 7–11.
  51. G. Ben-Dor, A. Dubinsky, T. Elperin, N. Frage, Optimization of two component ceramic armor for a given impact velocity, Theor. Appl. Fract. Mech. 33 (2000) 185–190. https://doi.org/10.1016/S0167-8442(00)00013-6.
  52. S.G. Savio, V. Madhu, Methodology to measure the protective areal density of ceramic tiles against projectile impact, Def. Sci. J. 68 (2018) 76–82. https://doi.org/10.14429/dsj.68.11136.
  53. F. Cui, G. Wu, T. Ma, W. Li, Effect of ceramic properties and depth-of penetration test parameters on the ballistic performance of armour ceramics, Def. Sci. J. 67 (2017) 260–268. https://doi.org/10.14429/dsj.67.10664.
  54. C. Roberson, P.J. Hazell, Resistance of Different Ceramic Materials to Penetration by a Tungsten Carbide Cored Projectile, in: Intergovernmental Panel on Climate Change (Ed.), Clim. Chang. 2013 - Phys. Sci. Basis, Cambridge University Press, Cambridge, 2012: pp. 153–163. https://doi.org/10.1002/9781118406793.ch13.
  55. J.J. Swab, Advances in Ceramic Armor: A Collection of Papers Presented at the 29th International Conference on Advanced Ceramics and Composites, January 23-28, 2005, Cocoa Beach, Florida, Ceramic Engineering and Science Proceedings, Volume 26, Number 7, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, 2005. https://doi.org/10.1002/9780470291276.
  56. C. Roberson, P.J. Hazell, Resistance of Silicon Carbide to Penetration by a Tungsten Carbide Cored Projectile, in: Ceram. Trans., 2012: pp. 165– 174. https://doi.org/10.1002/9781118406793.ch14.
  57. E. Lach, Mechanical behaviour of ceramics and their ballistic properties, CFI Ceram. Forum Int. 70 (1993) 486–490.
  58. S.G. Savio, K. Ramanjaneyulu, V. Madhu, T.B. Bhat, An experimental study on ballistic performance of boron carbide tiles, Int. J. Impact Eng. 38 (2011) 535–541. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2011.01.006.
  59. F. Huang, L. Zhang, DOP test evaluation of the ballistic performance of armor ceramics against long rod penetration, AIP Conf. Proc. 845 II (2006) 1383–1386. https://doi.org/10.1063/1.2263582.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).