сгенерировать QR код
Открытый доступ
Только для подписчиков
Обзор критериев и методов оценки свойств керамических материалов, предназначенных для защиты от воздействия ударных нагрузок
https://doi.org/10.22349/1994-6716-2024-117-1-127-142
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
НИЦ «Курчатовский институт» — Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН
Россия
Россия
акад. РАН
199034, Санкт-Петербург, Биржевой проезд, 6
А. С. Долгин
НИЦ «Курчатовский институт» — Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН
Россия
Россия
д-р техн. наук
199034, Санкт-Петербург, Биржевой проезд, 6
М. М. Сычев
НИЦ «Курчатовский институт» — Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН;
НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей»;
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Россия
Россия
199034, Санкт-Петербург, Биржевой проезд, 6;
191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., 49;
190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 24,26/49
С. В. Балабанов
НИЦ «Курчатовский институт» — Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН
Россия
Россия
199034, Санкт-Петербург, Биржевой проезд, 6
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. Radio Soft. – 2008. – 406 p.
2. Шевченко В. Я., Ковальчук М. В., Орыщенко А. С. Синтез нового класса материалов с регулярной (периодической) взаимосвязанной микроструктурой // Физика и химия стекла. – 2020. – Т. 46, № 1. – С. 3–11.
3. Brandon D. G. Armor. Concise Encyclopedia of Advanced Ceramic Materials. – Pergamon, 1991. – P. 22–25.
4. Yadav R., Naebe M., Wang X., Kandasubramanian B. Body armour materials: from steel to contemporary biomimetic systems // RSC Adv. – 2016. – N 6. – Art. 115145–115174. https://doi.org/10.1039/c6ra24016j.
5. Medvedovski E. Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 1: Ceram. Int. – 2010. – N 36. – Art. 2103–2115. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.021.
6. Medvedovski E. Ballistic performance of armour ceramics: Influence of design and structure. Part 2: Ceram. Int. – 2010. – N 36. – Art. 2117–2127. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.05.022.
7. Tepeduzu B.,. Karakuzu R. Ballistic performance of ceramic/composite structures // Ceram. Int. 45 (2019) 1651–1660. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.10.042.
8. Rosenberg Z., Dekel E. Terminal Ballistics. – Springer Berlin Heidelberg, 2012. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25305-8.
9. Popa I.-D., Dobriţa F. Considerations on Dop (depth of penetration) Test for Evaluation of Ceramics Materials Used in Ballistic Protection // ACTA Univ. Cibiniensis. – 2018. – V. 69. – P. 162–166. https://doi.org/10.1515/aucts-2017- 0021 (повтор № 27)
10. Ashby M. F., Cebon D. Materials selection in mechanical design // Le Journal de Physique IV. – 1993. – V. 3, N C7. – P. 1–9.
11. Viechnicki D. J., Slavin M. J., Kliman M. I. Development and current status of armor ceramics // Am. Ceram. Soc. Bul. – 1991. – V.70, N 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. Шевченко В. Я., Орыщенко А. С., Перевислов С. Н., Сильников М. В. О критериях выбора материалов преград механическому динамическому нагружению // Физика и химия стекла. – 2021. – T. 47, № 4. – C. 365–375.
14. Физико-химические свойства окислов: Cправочник / Г. В. Самсонов и др. – М.: Металлургия, 1978. – 471 с.
15. Hallam D., Heaton A., James B., Smith P., Yeomans J. The correlation of indentation behaviour with ballistic performance for spark plasma sintered armour ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. – 2015. – Art. 352243–2252. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.11.035.
16. Karandikar P. G., Evans G., Wong S., Aghajanian M. K., Sennett M. – A Journal Pre-proof Review of Ceramics for Armor Application, 2009. – P. 163–175. https://doi.org/10.1002/9780470456286. ch16.
17. Shaktivesh, Nair N. S., Sesha Kumar Ch.V., Naik N. K. Ballistic impact performance of composite targets // Materials and Design. – 2013. – V. 51. – P. 833–846.
18. Гаршин А. П., Гропянов В. М., Зайцев Г. П., Семенов С. С. Керамика для машиностроения. – М.: Наука, 2003.
19. Woodward R.L., Gooch jr W.A., O'Donnel l R.G., Perciballi W.J., Baxter B.J., Pattie S.D. A study of fragmentation in the ballistic impact of ceramics // International Journal of Impact Engineering. – 1994. – V. 15, N 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. – P. 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, N 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, N 8. – P. 3669–3672.
23. Гриневич А. В., Лавров А. В. Оценка баллистических характеристик керамических материалов. dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2018-0-3-95-102.
24. Игнатова А.М., Сильников Н.М. Принципы и методы оценки баллистических характеристик неметаллических материалов и изделий // Вестник ПНИПУ. – 2015. – Т. 17, № 1.
25. Пат. РФ № 2394222. Способ определения типа и характера разрушения конструкционных материалов при ударно-волновом нагружении / Вшивков О. Ю., Рыбаков А. П., Погудин А. Л., Ланцов В. М., Гладков А. Н.
26. Normandia M.J., Gooch W.A. An Overview of Ballistic Testing Methods of Ceramic Materials. – Ceram. Armor Mater. by Des., 2002. – P. 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.(повтор № 9)
28. Crouch I.G., Eu B. Ballistic testing methodologies, 2017. https://doi.org/10.1016/b978-0-08-100704-4.00011-6.
29. Rozenberg Z., Yeshurun Y., The relation between ballastic efficiency and compressive strength of ceramic tiles // Int. J. Impact Eng. – 1988. – N 7. – P. 357–362. https://doi.org/10.1016/0734-743X(88)90035-8.
30. Dancygier A. N., Yankelevsky D. Z. Penetration mechanisms of nondeforming projectiles into reinforced concrete barriers // Struct. Eng. Mech. – 2002. – N 13. – P. 171–186. https://doi.org/10.12989/sem.2002.13.2.171.
31. Forrestal M. J. Penetration into dry porous rock // Int. J. Solids Struct. – 1986. – V. 22. – P. 1485–1500. https://doi.org/10.1016/0020-7683(86)90057-0.
32. Orphal D. L., Franzen R. R. 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. – 1997. – N 19. – P. 1–13. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)00064-H.
33. Subramanian R., Bless S. J. Penetration of semi-infinite AD995 alumina targets by tungsten long rod penetrators from 1.5 to 3.5 km/s // Int. J. Impact Eng. – 1995. – N 17. – P. 807–816. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)99901-3.
34. Orphal D.L., Franzen R.R., Piekutowski A.J., Forrestal M.J. Penetration of confined aluminum nitride targets by tungsten long rods at 1.5–4.5 km/s // Int. J. Impact Eng. – 1996. – N 18. – P. 355–368. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)00045-C.
35. Hohler V., Stilp A.J., Weber K. Hypervelocity penetration of tungsten sinter-alloy rods into aluminum // Int. J. Impact Eng. – 1995. – N 17. – P. 409–418. https://doi.org/10.1016/0734-743X(95)99866-P.
36. Sotskiy M. Y., Veldanov V. A., Sotskiy Y. M., Daurskikh А. Y. Experimental and theoretical estimate of impact conditions effects on projectiles deceleration history in targe // 26th Int. Symp. Ballist. 2011, Miami, USA, 2011. – P. 1468–1476. https://doi.org/https://doi.org/10.1115/1.4004308.
37. Zhai Y.X., Wu H., Fang Q. Interface defeat studies of long-rod projectile impacting on ceramic targets // Def. Technol. – 2020. – N 16. – P. 50–68. https://doi.org/10.1016/j.dt.2019.05.021.
38. Lundberg P., Renström R., Andersson O. Influence of confining prestress on the transition from interface defeat to penetration in ceramic targets // Def. Technol. – 2016. – N 12. – P. 263–271. https://doi.org/10.1016/j.dt.2016.02.002.
39. Zhang X., Serjouei A., Sridhar I. Criterion for interface defeat to penetration transition of long rod projectile impact on ceramic armor // Thin-Walled Struct. – 2018. – N 126. – P. 266–284. https://doi.org/10.1016/ j.tws.2017.04.016.
40. Bavdekar S., Subhash G., Satapathy S., A unified model for dwell and penetration during long rod impact on thick ceramic targets // Int. J. Impact Eng. – 2019. – N 131. – P. 304–316. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2019.05.014.
41. Dehn J. Modeling armor that uses interface defeat // AIP Conf. Proc., 1996. – P. 1139–1142. https://doi.org/10.1063/1.50783.
42. Anderson C.E., Walker J.D. An analytical model for dwell and interface defeat // Int. J. Impact Eng. – 2005. – N 31. – P. 1119–1132. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2004.07.013.
43. Aydelotte B., Schuster B. Impact and Penetration of SiC: The Role of Rod Strength in the Transition from Dwell to Penetration // Procedia Eng. – 2015. – N 103. – P. 19–26. https://doi.org/10.1016/ j.proeng.2015.04.004.
44. Partom Y., Modeling interface defeat and dwell in long rod penetration into ceramic targets // AIP Conf. Proc, 2012. – P. 76–79. https://doi.org/10.1063/1.3686225.
45. Holmquist T. J., Anderson C. E., Behner T., Orphal D.L. Mechanics of dwell and post-dwell penetration // Adv. Appl. Ceram. – 2010. – N 109. – P. 467–479. https://doi.org/10.1179/174367509X12535211569512.
46. Yuan J., Tan G. E. B., Goh W. L. Simulation of Dwell-to-Penetration Transition for SiC Ceramics Subjected to Impact of Tungsten Long Rods, 2017. – P. 65–73. https://doi.org/10.1002/9781119321682.ch8.
47. Holland C. C., Gamble E. A., Zok F. W., Deshpande V. S., McMeeking R. M. Effect of design on the performance of steel-alumina bilayers and trilayers subject to ballistic impact // Mech. Mater. – 2015. – N 91. – P. 241–251. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2015.05.002.
48. Rajagopal A., Naik N. K., Oblique ballistic impact behavior of composites // Int. J. Damage Mech. – 2014. – N 23. – P. 453–482. https://doi.org/10.1177/1056789513499268.
49. Hohler V., Weber K., Tham R., James B., Barker A., Pickup I. Comparative analysis of oblique impact on ceramic composite systems // Int. J. Impact Eng. – 2001. – V. 26. – P. 333–344. https://doi.org/10.1016/s0734- 743x(01)00102-6.
50. Yaziv D., Chocron S., Anderson C. E., Grosch D. J. Oblique penetration in ceramic targets // 19th Int. Symp. Ballist., 2001. – P. 7–11.
51. Ben-Dor G., Dubinsky A., Elperin T., Frage N. Optimization of two component ceramic armor for a given impact velocity // Theor. Appl. Fract. Mech. – 2000. – N 33. – P. 185–190. https://doi.org/10.1016/S0167-8442(00)00013-6.
52. Savio S. G., Madhu V. Methodology to measure the protective areal density of ceramic tiles against projectile impact // Def. Sci. J. – 2018. – N 68. – P. 76–82. https://doi.org/10.14429/dsj.68.11136.
53. Cui F., Wu G., Ma T., Li W. Effect of ceramic properties and depth-of penetration test parameters on the ballistic performance of armour ceramics // Def. Sci. J. – 2017. – N 67. – P. 260–268. https://doi.org/10.14429/dsj.67.10664.
54. Roberson C., Hazell P. J. Resistance of Different Ceramic Materials to Penetration by a Tungsten Carbide Cored Projectile / Intergovernmental Panel on Climate Change (Ed.) // Phys. Sci. Basis. – Cambridge University Press, Cambridge, 2012. – P. 153–163. https://doi.org/10.1002/9781118406793.ch13.
55. Swab J. J. 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, V. 26, N 7. – John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, 2005. https://doi.org/10.1002/9780470291276.
56. Roberson C., Hazell P. J. Resistance of Silicon Carbide to Penetration by a Tungsten Carbide Cored Projectile // Ceram. Trans. – 2012. – P. 165– 174. https://doi.org/10.1002/9781118406793.ch14.
57. Lach E. Mechanical behaviour of ceramics and their ballistic properties // CFI Ceram. Forum Int. 70, 1993. – P. 486–490.
58. Savio S. G., Ramanjaneyulu K., Madhu V., Bhat T. B. An experimental study on ballistic performance of boron carbide tiles // Int. J. Impact Eng. – 2011. – V. 38. – P. 535–541. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2011.01.006.
59. Huang F., Zhang L. DOP test evaluation of the ballistic performance of armor ceramics against long rod penetration // AIP Conf. Proc. – 2006. – P. 845 II. – P. 1383–1386. https://doi.org/10.1063/1.2263582.
Рецензия
Для цитирования:
Шевченко В.Я., Долгин А.С., Сычев М.М., Балабанов С.В. Обзор критериев и методов оценки свойств керамических материалов, предназначенных для защиты от воздействия ударных нагрузок. Вопросы материаловедения. 2024;(1(117)):127-142. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2024-117-1-127-142
For citation:
Shevchenko V.Ya., Dolgin A.S., Sychev M.M., Balabanov S.V. Review of criteria and methods for evaluating properties of ceramic materials designed for impact load protection. Voprosy Materialovedeniya. 2024;(1(117)):127-142. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2024-117-1-127-142
Просмотров:
77
Послать статью по эл. почте 