锆基非凝聚喷流成形的非粘结炸药衬套：一种预测模型

为什么金属喷流断裂反而可能是好事

炸药常用于通过将金属锥挤压成高速、针状喷流来打穿装甲或混凝土，形成狭长且深入的孔洞。本研究考察了一种利用特殊锆基“非晶”金属来塑造这些喷流的新方法。与形成单一光滑长枪的情况不同，这种材料倾向于自然碎裂为一股高速碎片喷雾。这种折衷——稍低的贯穿深度但更宽的破孔——对于下一代弹头和防护技术可能很有价值。

不同寻常的炸药金属

传统成形装药使用如铜等延展性金属，它们塌缩成一条长而连贯的喷流，在狭窄通道内深度掘进。工程师们已经发现，当希望破坏更大区域时，“非凝聚”喷流（即迅速分裂成多块的喷流）更为有用，例如用于为第二次装药清出更宽的通道或扰乱复杂结构。现有的大多数非凝聚喷流依赖轻质塑性金属混合物，这些材料的穿透力有限。锆基非晶合金（有时称为块状金属玻璃）将高密度与高强度及化学反应性结合起来，使其成为既有冲击力又能广泛扩散喷流的有希望候选。早期试验显示这些合金会产生离散、颗粒状的喷流，但此前尚无能解释其成因的预测性理论。

对锥体塌缩的建模

作者建立了一个数学模型，聚焦于炸药将衬套金属向内挤压时的微小区域。在接近轴线处，金属流绕过一个小的“停滞核”改道，沿弯曲路径而非直线流动。模型将该区域视为可压缩的圆形流动，并采用针对脆性、玻璃状固体的材料描述（JH‑2 模型）。通过在这一区域求解质量和动量守恒，并将其与衰变锥的其余部分匹配，模型预测了从内到外流线上的压力、密度和流速如何变化。然后将这些预测与一个关键问题联系起来：局部流速在何时达到或超过材料声速——这一条件倾向于使喷流不稳定并将粒子推向侧向而非直接前进。

一个隐含的极限：最大塌缩角

当锥体塌缩时，每一圈材料以特定角度和速度闭合。新模型表明，对于锆基非晶合金存在一个最大塌缩角：超出该值，描述稳态、良好行为流动的方程组就不再有解。从物理上讲，这意味着金属会提前碎裂，弯曲流动区无法保持稳定，并出现强烈的横向（径向）速度。研究者推导出进入该区域的金属的临界入流速度，并展示了它如何依赖几何形状和材料声速。他们还细化了表征流动区尺寸的几何比，使模型的数值预测与详细计算非常接近（相差约半百分点）。

实时观测喷流断裂

为验证他们的理论，团队用 Vit1 非晶合金衬套制造了实际成形装药，并在高能 X 光相机下起爆记录喷流。在起爆后约 30 微秒（应为百万分之一秒级的时间尺度），喷流看起来类似传统喷流：长且近乎连续，仅在尖端出现颗粒拥挤形成的球形增厚。然而到 60 微秒时，喷流前端已张开成喇叭状空腔，材料团块沿半径剥离，清晰表明非凝聚喷流的形成。采用相同材料定律的计算机模拟复现了这些特征——鼓起的尖端、不断扩大的空腔和碎片云——确认模型捕捉到了关键物理过程。

从微小单元到整体喷流行为

由于模型将衬套的每一小块与其在喷流中的最终运动联系起来，作者可以绘出锥体哪些区域产生连贯段、哪些产生松散颗粒。他们发现靠近锥鼻和基部的材料倾向保持连贯，为喷流尖端和后部“块体”供料，而中间区域的材料最有可能变为非凝聚。这一模式与 X 光图像一致：喷流主体最终出现强烈解体，而尾部保持相对完整。重要的是，模型解释了为何即便非晶合金中的碰撞速度仍低于铜的传统声速阈值时也会发生解体：合金的脆性、玻璃样特性与最大塌缩角的存在共同驱动喷流碎裂。

实际意义

对非专业读者而言，关键结论是：金属锥在爆炸载荷下的失效方式——是平滑流动还是粉碎——可以被预测并通过工程设计加以控制。这项工作提供了一个基于物理的工具，设计者可用它来选择衬套形状和材料，以获得深而窄的贯穿或更宽、更具破坏性的开口，同时保持良好的前向冲击力。尤其重要的是，它表明锆基非晶合金天然倾向于可控的喷流破碎，为用单一装药开辟大通道或在内部造成广泛破坏的紧凑装置提供了途径。

引用: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

关键词: 成形装药喷流, 非晶合金, 非凝聚喷流, 金属玻璃衬套, 炸药贯穿