W0.75NbTiZr高熵合金反应破片侵彻间隔靶板的毁伤效应与耦合机理研究

本期推荐：北京理工大学团队针对传统惰性破片毁伤效能不足的问题，通过弹道枪实验与理论建模相结合，系统研究了W0.75NbTiZr高熵合金反应破片侵彻间隔靶板的动态响应特性。研究发现该材料在1428.67 m/s速度下可形成3231 mm2的毁伤面积，化学能释放达6.966 kJ，建立了包含破片活化、能量释放和碎片云膨胀的理论模型，揭示了动能-化学能耦合毁伤机制，为高效毁伤元件的设计提供了重要理论支撑。

　　在现代战争中，弹药战斗部的毁伤效能提升始终是军事科技研究的核心课题。传统惰性金属破片由于强度不足和能量释放受限，难以满足对复杂防护目标的毁伤需求。近年来，兼具金属强度和爆炸特性的反应材料（RM）成为研究热点，但工程应用仍面临低撞击速度下激活困难、结构易损等瓶颈问题。高熵合金（HEA）因其独特的力学性能和能量特性，为开发新型高效毁伤元件提供了全新思路。

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室的周晟团队针对这一挑战，创新性地制备了W_0.75NbTiZr高熵合金反应破片，通过14.5 mm弹道枪实验系统研究了其侵彻间隔靶板的毁伤效应。研究采用真空悬浮熔炼法制备密度8.86 g/cm³的圆柱形破片（Φ10 mm×10 mm），以4 mm/6 mm 45钢为前靶板、1.5 mm 2A12铝合金为后靶板，在800-1500 m/s速度范围内开展实验。关键技术包括：1）基于封闭压力容器测试系统量化化学能释放；2）高速摄影记录破片-靶板相互作用过程；3）图像识别法精确测量毁伤面积；4）建立包含应力波传播、动态断裂和能量释放的理论模型。

研究结果揭示：破片侵彻前靶板时经历三阶段动态响应：首先在冲击载荷下发生高应变率塑性变形，随后破碎形成碎片云，其中小尺寸碎片因表面活性较高被激活。残余破片继续运动并穿透后靶板时，通过动能侵彻和化学能释放产生耦合毁伤效应。特别值得注意的是，破片形成独特的椭球型耦合能量区，其最大散射角θ_max随撞击速度呈193.6942(v₀/U_t)-16.14821关系增长。当撞击速度达1428.67 m/s时，27 L密闭容器内准静态超压达0.0932 MPa，对应化学能释放6.966 kJ。

理论分析表明：破片活化长度L_r由冲击波压力P₀、临界激活压力P_c(11.16 GPa)和稀疏波卸载长度L₂共同决定。能量释放率η遵循S型曲线η=1/(1+e^v_mid-r_sv_r)，其中v_mid=6.846，r_s=0.009623。碎片云动能密度分布显示，当后靶板单位面积接收能量E_mkθ+1.2E_mrθ≥0.528675 J/mm²时即可形成有效毁伤。

研究得出重要结论：W_0.75NbTiZr高熵合金反应破片存在最优撞击速度区间——前靶板厚度4 mm和6 mm时分别为1297 m/s和1335 m/s，此时碎片云扩张能力与能量集中达到最佳平衡。该工作建立的理论模型可准确预测毁伤面积（误差<12.45%），为高熵合金毁伤元件的工程应用提供了设计依据。研究成果发表在《Heliyon》期刊，不仅深化了对反应材料动态响应机制的认识，也为发展新一代高效毁伤战斗部技术奠定了重要基础。