Brittle materials are important in armor application because they are generally lighter and have higher strength than metal. The ceramics which have high strength are used as an armor structure with the combination of metals and composites to protect a vehicle through design to match a threat. But a ceramic has brittle nature, it is vulnerable to an impact and susceptible to microstructure and flaws. So, it is necessary to strengthen ceramic structure by the exquisite design of microstructure, addition of other materials, and setting of suitable boundary condition.
Ceramics, glasses and other high strength brittle materials which are utilized as an armor structure have the advantage of protecting threat at the initial stage, but their performance is abruptly decreased due to the fragmentation of material when the penetrator has progressed. It is helpful to improve material properties if we understand the shock interaction accurately in material at ballistic impact. Alumina 995 was used to study the effect of heterogeneity when a shock pulse is loaded. The dynamic response of heterogeneity in material through the planar impact experiment and the numerical analysis were studied.
Some experimental methods were described in chapter 3 to observe a shock interaction and fracture behavior. The planar impact method using a gas gun and a velocity interferometer is described in detail. Another method using an exploding bridged wire (EBW) is a simple way to load a short shock impulse to a specimen without massive penetration. A shadow high speed photography was introduced in this study to take a series of photo in real time using an Edge-on Impact (EOI) technique. Some transparent material like glass, fused silica, and quartz etc. were used as specimen to transmit flash light and make shadow image.
The impact experiments and numerical analysis were performed and described in chapter 4. Glass, one of amorphous material in which was applied some artificial heterogeneity was observed to identify the effect of shock wave and fracture under detonation. Simulations for experiments were carried out to compare with the experimental results. It is found that a modification of some known material data is effective to describe the precise fracture behaviors. Of the material data from Johnson-Holmquist model of soda lime glass, the spall strength is more effective parameter to decide the fracture pattern than Hugoniot elastic limit (HEL). The value of spall strength of $\sigma_{spell}$ = 0.07 GPa is the best effective value to match experimental results.
The shock wave propagates similar to the longitudinal sound wave and changes its intensity by the reflection and transmission at the boundaries. It caused the meaningful fracture damage difference in material. The attenuation of shock intensity after it passes through the NBR rubber is higher than that after it transmits the stainless steel plate as an inter-layer. Also, the damage is reduced in the next layered material when the lower acoustic impedance material is used as an inter-layer. So, the effect of acoustic impedance of boundary with various material is observed. It plays an important role to attenuate shock wave, and reduce fracture damage so that is identified to be one of the important parameters in designing an armor structure.
The fracture behavior of crystal structure under the impact by the EBW detonation was studied by using a fused silica and single crystal quartz. Fused silica behaves similar to amorphous glass, but quartz shows crystal axis characteristic in the shock interaction and macrocrack formation. By analyzing the stress intensity factor, the crack growth speed of z-axis at flaw is faster than that of x-axis. Some internally isolated cracks were well developed on the z-cut quartz seed crystal, but few was observed on the x-cut specimen. The energy dissipation rate of each axis was assessed from the equation of state. The transmitted stress in the z-cut quartz displays almost twofold higher than that in z-cut. It is found that the macro crack generated in material shows different angle with the wave propagation direction following impact energy.
In the rear part of chapter 4, BK7 glass block was used to study the effect of the ballistic performance in real situation by the impact of a long-rod penetrator. As a bulk block is used as a target, it shows 3-D material behavior compared with 1-D effect in EOI test. Mono block and inter-layered block were used as specimen, and the correlation of a ballistic performance and physical/mechanical response were analyzed.
Through this study, dynamic behaviors of material within dozens of $\mu s$ were studied according to the condition of internal flaws, boundary condition and layer design. These results will give the valuable information on understanding of dynamic impact, and precious data and concept to improve numerical model development. In addition, it is helpful to design material structure and armor system to improve survivability of the future armored system.
취성재료는 금속재료에 비하여 가볍고 높은 강도로 인하여 장갑재료로 각광을 받고 있다. 고경도의 세라믹을 금속재료와 더불어 선택적으로 각 위협체의 관통메카니즘에 대응하는 설계기법을 적용하여 사용하고 있다. 그러나 세라믹 등 취성재료는 재료의 특성상 기계적인 충격에 매우 취약하고 미세구조, 내부 결함 등의 영향을 받는다. 특히 금속재료에 비해 인장에 비해 매우 취약하므로 다양한 경계조건, 재료 설계 강화를 통하여 강도를 높여주는 것이 필수적이다.
중(重)장갑재료는 사용되는 세라믹, 유리 등은 취성으로 인해 초기에는 방호에 유리하지만 곧 관통자, 충격파 등의 영향으로 파쇄되어 급격하게 성능이 감소되는 특성을 가진다. 따라서 재료에서 충격파와의 상호작용을 이해하는 것은 재료의 기계적 물성을 향상시키기 위한 설계요소를 이해하는데 도움이 된다. 본 연구에서는 일반으로 많이 사용되는 995급 알루미나 재료를 사용하여 재료 내 산재해 있을 가상적인 이질성요소에 대한 충격파의 영향을 관찰하였다. 평편충돌 실험기법과 전산해석을 통하여 재료에 충격이 가하여 졌을 때, 충격파의 거동, 시편의 파괴 거동을 분석하여 이질성의 영향요소를 연구하였다.
제 3장에서는 재료의 충격 및 파괴 거동을 관찰하기 위한 실험기법을 기술하였다. 기체포와 광간섭계를 적용한 평면충돌기법이 상세하게 소개되었으며, 취성재료의 동적파괴 및 충격파의 상호작용을 관찰 분석하기 위한 실험방법을 기술하였다. EBW 데토네이터를 충격도구로 사용하고, 시편의 가장자리 충격 실험 방법(Edge-on Impact; EOI)을 적용한 실험방법은 대규모의 관통과 파괴를 억제하면서 수십 $\mu s$ 이내에 발생하는 충격현상을 잘 구현해 주는 실험방법이다. 시편에 빛을 투과시켜 그림자를 촬영하는 초고속사진 촬영 기법을 활용하였으며 유리, 용융석영, 수정 등의 투명 재료가 시편으로 사용되었다.
4장에서 각 시편의 이질성에 대한 충격거동이 실험과 전산해석으로 비교 분석되었다. 비정질 재료인 소다라임 유리에 인위적인 이질성을 부여하여 각 조건에서 충격파의 영향, 그리고 파쇄 현상을 관찰하였다. 그리고 전산해석을 수행하여 실제 상황과 유사한 결과조건을 도출할 수 있도록 기존에 알려진 모델을 보완하여 향후 적절한 경계조건에서 실험과 유사한 결과를 얻을 수 있는 데이터를 확보하였다. J-H 전산모델에서 필요한 변수 중 유고니어 탄성한계값 (Huginiot Elastic Limit: HEL)의 변화에 비하여 스폴강도(Spall strength)가 전체적인 재료의 파괴 현상에 가장 큰 영향을 주었으며, $\sigma_spell$ = 0.07 GPa 일 때 실험결과와 가장 잘 일치하였다.
재료에서 충격파는 탄성파의 속도와 유사한 속도로 진행하였으며 내부의 임피던스를 달리한 경계면에서 급속하게 반사되거나 투과되어 세기의 변화가 관찰되었으며 이에 따라 재료의 파괴 양상도 의미있게 변화되었다. 유리에 비해 상대적으로 낮은 임피던스를 갖는 NBR고무에서 높은 임피던스를 갖는 SUS 인터레이어에 비해 충격파의 감쇠가 두드러졌으며 이에 따라 이웃 접촉한 재료의 파괴도 상대적으로 감소하였다. 따라서 취성재료의 경계면에서 임피던스는 충격파의 감쇠, 재료의 파괴 거동에 큰 영향을 주는 것이 관찰됨으로 장갑설계의 중요한 변수로 활용 가능한 것으로 확인되었다.
결정구조의 영향에 따른 충격파의 상호작용을 분석하기 위하여 단결정 수정과 용융석영의 파괴거동을 EBW 충격실험으로 분석하였다. 용융석영은 비정질 재료인 유리와 유사한 특성을 보여 주었으나 단결정재료는 결정구조 방향 특성을 충격파의 거동에서도 보여 주었다. 탄성파괴를 고려한 응력확대계수(stress intensity factor)를 분석하였을 때, z축 방향으로 균열의 속도가 x축 방향의 균열속도 보다 빠른 것으로 예측되었고 실험에서 z축에 수평으로 배열된 결정씨앗(seed crystal)에 더욱 빠르게 내부 균열이 성장하였다. 충격파와 수정의 상태 방정식을 고려한 에너지 전파율도 z축 방향으로 x축에 비해 2배 정도 빠른 것으로 나타났으며 이는 실험 후 회수된 내부 거대 균열의 충격파 전파 면과 이루는 각도의 차이에서 확인되었다.
4장 후반부에서는 실 응용관점에서 BK유리블록에 긴관통자를 충격하여 파괴거동과 방탄성능의 변화를 관찰, 분석하였다. 충격에 의한 재료의 일차원적인 거동을 보여주는 EOI 실험기법과 관통자 충격에 의한 3차원적인 거동을 비교 분석하였다. 경계면의 임피던스효과와 단일 블록, 적층된 이중블록의 반응거동이 분석되었고 물리/기계적 거동현상과 방탄성능의 상관관계가 분석되었다.
본 연구를 통하여 매우 짧은 시간에 일어나는 충격에 대한 재료의 거동을 내부 결함, 경계면, 레이어 배열 등의 조건에 따라 분석하였다. 이런 결과는 고속충격에 대한 이해를 증대할 수 있는 소중한 정보를 줄 뿐 아니라, 실 상황에 근접한 전선해석에 유용한 모델을 개발, 보완할 수 있는 데이터를 제공한다. 아울러 고속충격에 대한 방호를 유용하게 할 수 있도록 재료설계, 장갑설계 등에 유용한 정보를 제공할 것으로 사료된다.
