Numerical Simulation of Disturbance by Double-Layer Explosive Reactive Armor with Wedged Flying-Plate on Jet
-
摘要: 为得到干扰聚能射流能力更好的爆炸反应装甲，在经典爆炸反应装甲的基础上，设计了一种双层楔形飞板爆炸反应装甲。利用ANSYS/LSDYNA-3D仿真软件对3种不同方案进行了模拟计算，分别对各方案中飞板飞行形态、逃逸射流特性、射流的动能变化以及聚能射流对靶板的侵彻深度进行了分析。结果表明：夹层炸药引爆后，楔形飞板在向外飞出的同时具有一定的旋转特征，合理的摆放结构能够增大飞板与射流的作用面积；聚能射流在穿过反应装甲后，动能急剧下降，穿深能力降低，方案二聚能射流侵彻深度最浅，方案三次之，方案一最深，表明方案二具有良好的防护效果。对楔形飞板的研究丰富了爆炸反应装甲的结构设计，为反应装甲的进一步研究提供了理论参考。Abstract: Based on the traditional explosive reactive armor (ERA), we designed a structure of double-layer ERA with wedged flying-plates, to achieve the best performance in jet disturbing.By using the simulation software ANSYS/LSDYNA-3D, we simulated 3 different schemes of ERA structures, and analyzed the flying states of flying-layers, the character of escaped jet, the kinetic energy of jet and the penetrating depth of target by jet separately.The results show that the flying-layer tended to rotate after the sandwich explosive were detonated, and a proper structure arrangement helped to enlarge the active area between the jet and the flying-layer.The kinetic energy of jet declined greatly after across the ERA, resulting in a lower penetrating depth.Of the 3 schemes, Scheme 2 has the smallest penetrating depth by jet into the target, the next is Scheme 3, while Scheme 1 has the maximum penetrating depth, indicating that the structure of Scheme 2 has the best protection effect.This study on the wedged double-layer ERA enriched the structure design of ERA, providing theoretical reference for its further research.
-
Key words:
- wedged flying-layer /
- explosive reactive armor /
- shaped charge jet /
- penetration
-
1. 引言
作为一种重要的功能材料和常用的化学添加剂, 氧化锌(ZnO)在压电、光电、热电等方面都具有优异的性能, 以其为基的材料在压电传感器、气敏传感器、紫外光发射、太阳能电池、显示器件、光电子器件和热电器件等领域都有广泛的应用[1-4]。在压电性质方面, 研究表明, 其置换的ZnO薄膜的压电常数d33可达13.5 pC/N, 压电系数可达110 pC/N[4]。在光电性质方面, 日本的Sekiguchi等人制备出了ZnO单晶, 并在ZnO晶体的棱柱面观察到了强的紫外发射, 由于ZnO材料在0.4~2.0 μm的波长范围内透明, 因而引发对于ZnO光电子性能方面的研究[2]。在热电性质方面, 1995年, 日本学者Ohtaki对ZnO材料进行了首次研究, 其Seebeck系数︱aRM︱可达约250 μV/K, 热电性能具有正的温度系数, 且其熔点高达1 975 ℃[5-6], 由此开始了其热电性质的深入研究。
实现ZnO基材料在高温热电器件方面的大规模应用要求其具有较高的电导率。其电导率σ与其制备方法、组分和微观组织结构密切相关, 但根本上决定于它的电子结构。研究表明, 置换是优化材料载流子性能、改善能带结构, 从而提高热电材料体系电性能的有效途经。置换通过调节载流子浓度、迁移率、有效质量和电子结构可改善材料的电输运性能。研究表明, 纯ZnO材料的电导率在1 073 K仅为9.5 Ω-1·m-1, Fe置换ZnO基材料的电导率高于纯ZnO材料电导率3个数量级, 因此其功率因子可达到0.17 mW·m-1·K-2, 是纯ZnO材料的7倍; Ti置换ZnO基材料的功率因子在1 073 K可达0.76 mW·m-1·K[7]; A1置换ZnO基氧化物块体热电材料的无量纲热电ZT值在975 ℃可达0.65, 表明置换的ZnO基氧化物热电材料具有极高的应用潜力[6]。通常情况下, ZnO由于锌填隙和氧空位等本征缺陷的存在, 而使氧化锌在自然条件下表现为n型半导体。所以n型掺杂较容易实现。目前, 对于ZnO基热电氧化物实验方面的研究集中在优化制备工艺、置换以表征其电热输运参数的改变方面; 对于ZnO基氧化物理论方面的研究集中在p型或者n型置换系材料体系结构拓扑、杂质能带引入、带隙变化及光学性能方面[2, 5-7], 而对于同价置换方面的研究尚未见报道; 同时, 对于同价态置换的ZnO材料体系晶格结构、电子结构和电性能的理论研究报道较少。前期我们系统研究了ZnO和n型置换ZnO基氧化物的电子结构[8-9]。Mg与Zn具有相同的最外层电子构型, Mg置换能够代表同价态元素置换对ZnO基氧化物的影响。本研究采用密度泛函理论计算方法, 详细研究同价Mg置换ZnO基氧化物的电子结构, 在此基础上系统分析置换氧化物的载流子输运参数和电性能。
2. 模型与计算方法
2.1 模型
纤锌矿结构ZnO在常温常压下呈六角对称晶格结构, 属于六方晶系6mm点群, 空间群P63mc, 其晶格结构是由2个Zn、O六方密排子晶格套构而成的复式晶格, Zn与O各自组成一个六方密堆积结构的子格子, 他们具有各自的对称性和周期性。每个Zn原子与4个O原子按四面体排布, 同样, 每个O原子和最近邻的4个Zn原子也构成一个四面体结构。其晶格参数a=b=0.324 9 nm, c=0.522 9 nm, α=β=90°, γ=120°。如图 1所示, 本研究分别采用含有4个原子的晶胞模型Zn2O2和含有16个原子的晶胞模型MgZn7O8进行相关的计算模拟。
图 1 计算采用的ZnO晶胞结构模型Figure 1. ZnO cell structure model used in the calculation(a) ZnO (b) MgZn7O82.2 计算方法
计算工作在Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP, Cerius2, Molecular Simulation, Inc.)模块[10-11]上进行, 该软件模块使用量子力学程序, 包含量子力学和分子动力学。它是一个基于密度泛函理论方法的从头算量子力学程序, 特点是适合于计算具有周期性结构的材料, 并且能实际有效地分析周期性系统, 广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料的研究, 可研究晶体材料(半导体、陶瓷等)的性质。本研究在对ZnO材料计算的过程中, 波函数基于密度泛函理论基础上的平面波函数展开, 电子之间的交换关联作用采用广义梯度进行近似(GGA-RPBE), 价电子与原子核的相互作用采用Vanderbilt赝势描述。在晶格最低能量计算过程中, 原子的位移收敛精度设置为0.000 1 nm, 价电子平面波函数基矢截断能量设置为340 eV, 收敛精度为0.01 meV/atom。各赝原子核外价电子分别取为Zn(3d104s2)、Mg(2p63s2)、O(2s22p4)。在电子结构计算过程中, 采用Monkhorst-Pack网格对布里渊区进行k点的采样, 其k点网格为5×5×4, 收敛精度为0.01 meV/atom。第一布里渊区内电子结构计算结果中高对称点分别取为G(0.000, 0.000, 0.000), F (0.000, 0.500, 0.000), Q(0.000, 0.500, 0.500), Z(0.000, 0.000, 0.500)。
3. 结果与讨论
3.1 晶格结构
通过对晶格结构进行最低能量的计算, 得到了体系最稳定状态的晶格结构参数, 表 1中给出了计算所得到的未置换的ZnO和Mg置换的ZnO基氧化物的晶格参数。从表 1中可以看出, Mg置换的ZnO基氧化物晶格的a、b、c轴均有所减小, 这是由化合物中Zn的半径和置换元素Mg的半径不同及各元素之间的相互作用所导致的。元素置换通过改善材料微区结构来改变其晶格结构, 材料的晶格结构决定其电子结构和电性能, 可以预测, Mg置换的ZnO基氧化物晶格结构的变化将引起电子结构的变化, 从而引起体系电性能的改变。
表 1 未置换ZnO和Mg置换ZnO基氧化物的晶格参数Table 1. Lattice parameters for the un-doped ZnO and Mg doped ZnOCompound a/(nm) b/(nm) c/(nm) ZnO 0.650 94 0.650 94 0.524 92 Mg doped ZnO 0.649 73 0.649 73 0.522 82 3.2 电子结构与电性能
计算得到的ZnO和Mg置换的ZnO能带结构如图 2(a)和图 2(b)所示, 图中用虚线画出费米能级EF的位置, 其它能级以费米能级作为参照标准取相对值。由图 2可以看出, 体系导带能量的最低点和价带能量的最高点均位于倒易空间的原点(G(0.000, 0.000, 0.000)点)处, 经计算得到其带隙ΔE(G)分别为1.0和1.2 eV, 为直接带隙。需要指出的是, 在密度泛函理论中, 计算得到的带隙值与实验测量值相比都偏小(主要是在计算过程中采用了赝势法), 但是对费米能级附近能带上相对电子状态的分析是合理的[10-11]。与纯ZnO的能带结构结果相比可以看出[8], Mg置换的ZnO基氧化物的带隙变宽, 这表明同价Mg置换使ZnO体系有从半导体向绝缘体转变的倾向, 由以下分析可知, 这是由电负性低的Mg置换后体系的离子化倾向引起的。
载流子的有效质量
是材料电性能的一个重要参数, 它的值影响载流子的运动、复合、散射和交换能量等过程, 进而影响材料的电输运性能。理论上, 载流子的有效质量
与材料的能带结构有关, 是一个与方向有关的张量, 为了分析简便, 在近似分析的条件下可以化为能带结构的简单函数[12]
m∗e∝1d2E/dk2 (1) 根据(1)式, 由计算得到的Mg置换ZnO的能带结构可以看出, 在整个布里渊区内, Mg置换的ZnO费米能级附近的价带和导带中的载流子的有效质量均大于未置换的ZnO。
图 3给出了计算得到的ZnO和Mg置换ZnO的总态密度结果。从图 3中可以看出, 两个体系价电子在-17.0、-6.0、-4.5 eV和6.0、8.0 eV能量附近形成主要能带, 且这些能级之间具有很强的相互作用, 这些能量附近的电子分布态密度较大。Mg掺杂ZnO体系在-40.0 eV能量附近产生新的能带, 这是由置换Mg原子的s、p价电子形成的能带。为了分析费米能级附近能带的形成, 图 4给出了费米能级附近5 eV能量范围内的电子分布态密度。由图 4分析费米能级附近的电子状态密度构成可以发现, 费米能级以下的能量区域的能级主要由体系的p、d电子贡献形成, 而在费米能级以上的能量区域的能级主要由体系的s、p电子贡献形成。这表明载流子的输运过程主要由体系的p、d电子形成的能带上的电子跃迁至s、p电子形成的能带上的能级完成, 即由低能量的p电子能级上的载流子跃迁到高能量的s电子能级。
图 3 计算所得ZnO和Mg置换ZnO的总态密度Figure 3. Calculated total density of states(a) ZnO (b) MgZn7O8为了深入分析体系费米能级附近的电子能级及其形成, 图 5给出了费米能级附近5 eV能量附近的电子分态密度。在费米能级以下的能量区域给出了p、d电子分态密度, 在费米能级以上的能量区域给出了s、p电子分态密度。由图 5可以看出, Mg p、Zn p、Zn d、O p电子主要贡献了费米能级以下能量附近的电子状态能级; Mg s、Mg p、Zn s、Zn p、O s、O p电子主要贡献了费米能级以上能量附近的电子状态能级。Zn p、Zn d、Op电子在-0.8 eV能量附近具有强相互作用, 表明这些电子形成的能级上的载流子在输运过程中的重要作用; Mg p、Zn s、Zn p、O s、O p电子在2.5 eV的能量附近具有强相互作用, 也表明这些电子形成的能级上的载流子在输运过程中的重要作用; 而Mg s电子能级离费米能级最近, 表明其能级上在载流子迁移过程中的重要作用。可以推测, Zn p、Zn d、O p电子形成的能级上的载流子在外场作用下首先迁移至Mg s电子能级, 完成电输运过程。
根据固体材料电子学理论, 由材料的能带结构可以得出其载流子浓度nc。Mg置换的ZnO费米能级EF附近的载流子浓度nc可以由下式计算得到
nc=∫E2E1n(E)dE (2) 式中:n(E)为费米能级EF附近的态密度, E1、E2为能级[13]。由图 3(b)总态密度可知, Mg置换的ZnO费米能级EF附近的的态密度高于未置换的ZnO体系[8], 因此Mg置换的ZnO费米能级EF附近的载流子浓度nc高于未置换的ZnO体系。
表 2给出了计算得到的ZnO和Mg置换的ZnO各原子组成的电子各状态在体系中的电荷分布。由表 2中数据可以看出, Zn原子在体系中主要失去s态电子, 即4s2电子, O原子在体系中主要失去p态电子, 即2p4电子。通过对比可以看出, 同未置换体系相比, Zn原子s、p态有失去电子能力的趋势, 而d态失去电子能力减弱, 而Mg原子主要在s态失去电子。这表明Mg置换的ZnO基氧化物的结合方式有离子化的倾向。结合上述对分态密度的分析可知, 同未置换的ZnO体系相比, Mg置换的ZnO的导电机构由Zn p态、O p电子在价带与导带的跃迁转变为Zn p、Zn d、O p电子形成的能级上的载流子, 在外场作用下首先迁移至Mg s电子能级。
表 2 Mg置换ZnO的原子组成电子电荷分布Table 2. Charge populations for elements of Mg doped ZnOElement s p d Total charge O 1.85 4.99 0.00 -0.84e Zn 0.47 0.71 9.98 0.84e Element s p d Total charge O 1.85/1.88 5.01/5.10/5.11 0.00 -0.85e/0.86e/0.98e/0.99e Mg 0.37 5.73 0.00 1.90e Zn 0.47/0.49/0.50 0.69/0.77/0.78 9.97e 0.76e/0.78e/0.84e 半导体材料的电导率σ在理论上决定于载流子的浓度nc和迁移率μ[14], 即有下式
σ∝nceμ (3) 而载流子迁移率μ可以表示为
μ∝em∗τ(kBT)SFη (4) 式中:τ为载流子弛豫时间, S为载流子散射因子, Fη为复杂费米积分函数表达式[15]。Mg置换增大ZnO费米能级附近载流子的有效质量; 另一方面, 一般来说元素置换增加载流子弛豫时间τ和载流子散射因子S。如果在低置换量范围内视Fη为常量, Mg置换ZnO的载流子迁移率μ有望得到提高。由上面分析可知, 由于费米能级附近大量增加的载流子浓度, Mg置换的ZnO的电导率将高于未置换的ZnO体系, 表明同价Mg元素置换有利于ZnO材料体系电导率的提高。
4. 结论
采用密度泛函理论第一性原理计算方法, 研究了Mg同价态置换ZnO基氧化物的晶格结构和电子结构, 在此基础上系统分析了其载流子输运参数和电学性能。计算结果表明, Mg置换的ZnO的晶格参数减小, 仍为直接带隙材料, 带隙较未置换的ZnO变宽, 达1.2 eV。置换体系的费米能级附近的态密度大大提高, 其能级主要由Mg s态、Mg p态、Zn p态和O p态电子形成, 其中p态电子对价带态能带能级贡献最大, 且Mg s态、Zn p态和O p态电子之间具有更强的相互作用。Mg置换的ZnO氧化物有离子化合物的倾向, 导电机构由Zn p态、O p电子在价带与导带的跃迁转变为Mg s态、Zn p态和O p态电子在价带与导带的跃迁, 表明Mg s态电子在导电过程中的关键作用。载流子输运参数和电学性能分析结果表明, Mg置换的ZnO氧化物费米能级EF附近的载流子浓度增加, 有效质量增大, 具有更高的电导率。
-
图 1 模型示意(1.聚能战斗部；2.第1层ERA；3.第2层ERA；4.靶板)
Figure 1. Schematic of model (1.Shaped charge warhead; 2.First layer of ERA; 3.Second layer of ERA; 4.Target)
图 6 各方案不同时刻飞板的飞行形态
Figure 6. Pattern diagram of flying-plate for each scheme at different times
图 8 不同时刻各方案射流前导速度曲线
Figure 8. Variation of jet velocity fordifferent schemes at different times
图 9 不同时刻各方案逃逸射流形态
Figure 9. State of escaped jet for different schemes at different times
表 1 B炸药材料模型及状态方程参数
Table 1. Parameters of material model and equation of state of explosive B
ρ/(g·cm-3) pCJ/GPa D/(m·s-1) AJWL/GPa BJWL/GPa RJWL1 RJWL2 E0 1.717 29.5 7 980 524.2 7.678 4.2 1.1 0.085 
下载: 导出CSV
表 2 铜、钢材料模型及状态方程参数
Table 2. Parameters of material model and equation of state of copper and steel
Material ρ/(g·cm-3) G/GPa AJ-C/GPa BJ-C/GPa S1 S2 C/(m·s-1) V0 Copper 8.96 46 0.09 0.92 1.489 0 3 940 1 Steel 7.785 77.5 0.175 0.376 1.49 0 4 570 1
下载: 导出CSV
表 3 夹层炸药的材料模型及状态方程参数
Table 3. Parameters of material model and equation of state of sandwich explosive
ρ/(g·cm-3) G/GPa σY/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 R3 1.712 3.54 0.2 524.2 7.678 778.1 -5.031×10-2 2.223×10-5 R5 R6 cP/(J·kg-1·K-1) cR/(J·kg-1·K-1) GROW2 AR2 ES1 ES2 11.3 1.13 10-3 2.487×10-3 300 1 0.222 0.333
下载: 导出CSV
-
[1] 王凤英.装甲防护技术的发展[J].测试技术学报, 2002, 16(2):144-147. http://www.cqvip.com/QK/98543X/200202/6495303.htmlWANG F Y.The development of amor fence[J].Journal of Test and Measurement Technology, 2002, 16(2):144-147. http://www.cqvip.com/QK/98543X/200202/6495303.html [2] 王凤英, 岳继伟, 王志远, 等.多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用[J].高压物理学报, 2017, 31(5):566-572. doi: 10.11858/gywlxb.2017.05.009WANG F Y, YUE J W, WANG Z Y, et al.Interference effect of multi-layerd reactive armor with a variable angle on shaped charge jet[J].Chinese Journal of High Pressure Physics, 2017, 31(5):566-572. doi: 10.11858/gywlxb.2017.05.009 [3] 叶春辉, 刘天生.影响爆炸反应装甲两飞板运动过程的因素分析[J].科技信息, 2012(28):117. http://mall.cnki.net/magazine/Article/KJXX201228102.htmYE C H, LIU T S.Analysis of factors affecting explosive reactive armor moving process of two flying plates[J].Science and Technology Information, 2012(28):117. http://mall.cnki.net/magazine/Article/KJXX201228102.htm [4] 甄金朋, 刘天生, 张硕, 等.爆炸反应装甲驱动飞板运动的数值模拟[J].火炸药学报, 2010, 33(2):78-81. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hzyxb201002020ZHEN J P, LIU T S, ZHANG S, et al.Numerical simulation of the flyer plate propelled by explosive reactive amor[J].Chinese Journal of Explosive and Propellants, 2010, 33(2):78-81. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hzyxb201002020 [5] 李歌, 王凤英, 刘天生.爆炸反应装甲干扰穿甲弹的试验研究[J].火炸药学报, 2010, 33(2):50-52. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=bgxb201002013&dbname=CJFD&dbcode=CJFQLI G, WANG F Y, LIU T S.Experimental study on explosive reactive amor disturbing penetrators[J].Chinese Journal of Explosive and Propellants, 2010, 33(2):50-52. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=bgxb201002013&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ [6] 黄鹤, 刘炜, 陈建申.爆炸反应装甲含能材料的发展及探索[J].兵工自动化, 2013, 32(1):55-57. doi: 10.7690/bgzdh.2013.01.017HUANG H, LIU W, CHEN J S.Explosive reactive armor of energetic materials development and exploration[J].Ordnance Industry Automation, 2013, 32(1):55-57. doi: 10.7690/bgzdh.2013.01.017 [7] 毛东方, 李向东, 宋柳丽.V型夹层炸药对射流干扰的数值模拟[J].爆炸与冲击, 2008, 28(11):86-91. http://www.cqvip.com/Main/Detail.aspx?id=26640867MAO D F, LI X D, SONG L L.Numerical simulation of disturbance by sandwich explosive on jet[J].Explosion and Shock Waves, 2008, 28(11):86-91. http://www.cqvip.com/Main/Detail.aspx?id=26640867 [8] 刘宏伟, 夏松林, 赵靖.V形反应装甲与射流作用过程分析[J].兵器材料科学与工程, 2011, 34(4):20-22. http://www.cqvip.com/QK/95120X/201104/38832989.htmlLIU H W, XIA S L, ZHAO J.Interaction process between jet and V-shaped double ERA[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2011, 34(4):20-22. http://www.cqvip.com/QK/95120X/201104/38832989.html [9] 吴成, 蒋建伟, 冯顺山, 等.爆炸反应装甲运动规律的数值仿真及研究[J].兵工学报, 2002, 23(1):35-38. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_bgxb200201009.aspxWU C, JIANG J W, FENG S S, et al.A study on the moving features of explosive reactive armor by numerical simulation and experiments[J].Acta Armamentarii, 2002, 23(1):35-38. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_bgxb200201009.aspx [10] PAIK S H, KIM S J, YOO Y H, et al.Protection performance of dual flying oblique plates against a yawed long-rod penetrator[J].International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(8):1413-1422. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2006.06.006 [11] MAYSELESS M.Effectiveness of explosive reactive armor[J].Journal of Applied Mechanics, 2011, 78(5):1-11. http://adsabs.harvard.edu/abs/2011JAM....78e1006M [12] 黄正祥.聚能装药理论与实践[M].北京:北京理工大学出版社, 2014:376-387.HUANG Z X.Theory and practice of shaped charge[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press, 2014:376-387. [13] 武海军, 陈利, 王江波, 等.反应装甲对射流干扰的数值模拟研究[J].北京理工大学学报, 2006, 26(7):565-568, 605. http://industry.wanfangdata.com.cn/yj/Detail/Periodical?id=Periodical_bjlgdxxb200607001WU H J, CHEN L, WANG J B, et al.Numerical simulation on reactive armor disturbing jet[J].Transactions of Beijing Institute of Technology, 2006, 26(7):565-568, 605. http://industry.wanfangdata.com.cn/yj/Detail/Periodical?id=Periodical_bjlgdxxb200607001 [14] 姬龙, 黄正祥, 顾晓辉.双层楔形爆炸反应装甲飞板的运动规律[J].爆炸与冲击, 2013, 33(4):387-393. doi: 10.11883/1001-1455(2013)04-0387-07JI L, HUANG Z X, GU X H.Analysis and experimental study on the explosive field of double-layer explosive reactive armor[J].Explosion and Shock Waves, 2013, 33(4):387-393 doi: 10.11883/1001-1455(2013)04-0387-07 -
下载:
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 7685
- HTML全文浏览量: 3103
- PDF下载量: 270
