高阻抗钽箔外贴控制战斗部壳体破片机理与性能优化研究

为解决战斗部壳体刻槽导致的强度下降问题，本研究创新性地提出在壳体外表面对称粘贴高阻抗钽箔的预控破片方法。通过水井回收实验、SEM微观形貌分析和LS-DYNA数值模拟，系统研究了不同形状（矩形、栅格状）和有效长度（λ）钽箔对AISI 1045钢壳体在内爆载荷作用下破片形成的影响。结果表明，外贴钽箔能显著提升破片可控性，产生更多质量大、形状规则、完整性高的破片，且剪切断裂是主要机理。当矩形钽箔有效长度λ=1.3时，破片均匀性最佳。该研究为新型可控毁伤战斗部设计提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

在军事装备和防护工程领域，战斗部壳体的破碎效果直接决定了其毁伤威力。传统的可控破片技术，如在壳体表面刻槽，虽然能定向控制破片形状和大小，却不可避免地削弱了壳体结构强度，导致炸药爆炸时壳体过早破裂，高压爆轰产物泄漏，反而降低了破片的动能和杀伤效果。为了在不牺牲壳体强度的前提下实现破片的可控生成，各国研究者探索了多种非刻槽预控方法，例如在壳体内壁加衬带槽层的“路易斯结构”、设计双层壳体的“阿诺德结构”，或采用累积滚压焊（ARB）等工艺制备双金属复合材料。然而，这些方法往往导致战斗部整体结构复杂、重量增加，不利于批量生产与应用。因此，开发一种结构简单、高效可靠的新型可控破片技术成为该领域的迫切需求。

针对这一挑战，发表在《Journal of Materials Research and Technology》上的一篇研究论文，提出了一种巧妙的解决方案。由郭青顺、马跃、欧荣江、张政、何源、郭磊、郭双峰、王传亭、陈雄和何勇组成的研究团队，创新性地设想：能否在战斗部壳体的外表面“做文章”，通过粘贴一层特殊材料来引导爆炸能量，从而控制壳体的破碎模式？他们选择了比壳体材料（AISI 1045钢）阻抗更高的金属——钽（Ta）制成薄箔，并将其按照特定图案（矩形和栅格状）和尺寸（定义有效长度λ = 钽箔边长l / 壳体壁厚h）粘贴在壳体外表面。当内部炸药爆炸时，产生的冲击波在穿过壳体遇到外层的钽箔时，其传播和反射行为会发生改变，从而在壳体内诱导出特定的应力分布，最终实现有序的断裂。

为了验证这一设想，研究人员精心设计并开展了一系列工作。他们主要采用了水井破片回收实验来获取爆炸后的壳体破片，通过宏观形态观察、质量统计以及扫描电子显微镜（SEM）对破片截面和断口进行微观形貌分析，以揭示断裂机理。同时，他们运用冲击波在不同阻抗界面传播的理论，分析了钽箔与壳体的相互作用过程，并进一步通过LS-DYNA软件进行流体-结构耦合数值模拟，直观再现了壳体的动态响应和断裂过程，验证了理论分析结果，并优化了关键参数。

实验设计

研究共设计了四个实验工况：Case 1#为无钽箔的光滑壳体作为对照；Case 2#和Case 4#外贴矩形钽箔，有效长度λ分别为0.7和1.3；Case 3#外贴栅格状钽箔。实验在一个特制的水井中进行，通过产生气泡缓冲，最大限度地回收破片，以减少二次破碎，确保实验数据的准确性。

实验结果与分析

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  破片宏观形态：与光滑壳体产生的形状不规则、小破片居多的结果相比，外贴钽箔的壳体产生的破片形状更规则，大质量破片数量显著增加。矩形钽箔控制的壳体破片在轴向钽箔间隙处出现明显凸起，而栅格状钽箔则在结合处产生凹坑。栅格状钽箔能产生更多条状大质量破片，但部分破片存在剪切裂纹未完全贯穿的现象。
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  破片质量分布：统计数据显示，外贴钽箔后，质量大于3克的破片数量和总质量占比大幅提升（Case 1#为20.63%，而Case 2#、3#、4#分别达到49.28%、58.63%和62.39%）。栅格状钽箔（Case 3#）在产生大质量破片方面优于矩形钽箔（Case 2#）。对于矩形钽箔，λ=1.3（Case 4#）比λ=0.7（Case 2#）能产生更多、更重的高质量破片。
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  破片微观形貌：SEM分析揭示了关键机理。光滑壳体破片外表面存在大量随机分布的宏观裂纹和微裂纹。而外贴钽箔的壳体破片，其外表面在钽箔覆盖或影响区域均未发现微裂纹，表明钽箔对破片外表面裂纹的产生起到了“屏蔽”作用，降低了破片内部损伤，提高了完整性。断口分析显示，破片断裂面存在大量的撕裂棱和伸长的韧窝，表明断裂模式以剪切断裂为主。

钽箔作用机理分析

研究人员通过冲击波理论阐明了其物理本质。当爆轰波从低阻抗的炸药传入高阻抗的壳体时，冲击压力会阶跃升高。当冲击波继续传播到壳体与更高阻抗的钽箔界面时，会反射回一个冲击波，使得界面处压力进一步升高，同时限制了该处壳体速度的过度增加，使其不易快速断裂。而在钽箔的间隙处，冲击波到达壳体自由表面后会反射一束中心稀疏波，使该处壳体速度倍增，并优先形成应力集中点，诱导裂纹萌生。数值模拟结果证实，外贴钽箔能有效降低壳体的峰值拉伸应力。

数值模拟验证与参数优化

数值模拟结果与实验现象高度吻合，清晰地再现了不同形状钽箔与壳体的相互作用过程。对于矩形钽箔，其与壳体先发生分离，随后再次碰撞贴合，裂纹从间隙处的应力集中点向壳体内表面扩展。而对于栅格状钽箔，其与壳体相互挤压形成凹坑，断裂主要由其“切割”作用主导，裂纹萌生于剪切带交汇处。此外，通过模拟不同有效长度λ（0.7, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4）下的断裂情况，发现当λ=1.3时，剪切裂纹恰好汇聚于壳体内表面，形成的破片质量和尺寸均匀性最佳。

研究结论与意义

本研究的核心结论在于，通过在战斗部壳体外表面粘贴高阻抗钽箔，能够利用冲击波在异质界面上的独特传播行为，主动调控壳体内的应力场，从而将原本随机、无序的壳体破碎转变为有序、可控的剪切断裂。这种方法成功克服了传统刻槽法削弱壳体强度的弊端，结构简单，易于实施。研究明确了钽箔形状（栅格状优于矩形在产生大破片数量上）和有效长度（λ=1.3为矩形钽箔的最佳参数）对破片性能的关键影响，并深入揭示了其“屏蔽”微裂纹、诱导剪切断裂的作用机理。该研究成果不仅为发展新一代高性能可控破片战斗部提供了创新性的设计思路和坚实的理论基础，而且其揭示的波系控制原理对相关冲击动力学领域和防护结构设计也具有重要的借鉴价值。