楊 揚(yáng)，徐 緋，張?jiān)狼?，莫建軍，陶彥輝

（1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院結(jié)構(gòu)工程系，陜西 西安 710072；2.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621900）

繞地軌道上運(yùn)行的眾多航天器在通訊中繼、定位導(dǎo)航、科學(xué)研究、國(guó)家安全等領(lǐng)域扮演著極其重要的角色，然而，這些航天器在發(fā)射和運(yùn)行過程中，由于各種原因所產(chǎn)生的大量空間碎片正在嚴(yán)重威脅著人類航天活動(dòng)的安全。空間碎片以超高速運(yùn)動(dòng)撞擊到航天器，會(huì)在航天器表面留下凹坑和傷痕，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。目前，對(duì)于直徑10cm以上的空間碎片，航天器可采取主動(dòng)規(guī)避方式予以防護(hù)；但是，對(duì)于眾多的厘米級(jí)大小及更小的空間碎片，航天器已無法避免與其碰撞，只能通過加強(qiáng)自身防護(hù)能力的被動(dòng)防護(hù)方式來應(yīng)對(duì)，這就對(duì)航天器防護(hù)系統(tǒng)的研究提出了很高的要求［1］。

航天器防護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是防護(hù)材料，面對(duì)復(fù)雜的空間環(huán)境，研究具有高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，開展材料在航天器服役環(huán)境下的力學(xué)特性與使役行為研究變得更加重要。碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（C／SiC）克服了傳統(tǒng)陶瓷材料脆性大和可靠性差的弱點(diǎn)，具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗氧化和低密度等許多優(yōu)點(diǎn)，在飛行器耐超高溫部件設(shè)計(jì)、航空與航天發(fā)動(dòng)機(jī)和熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［2］，但是針對(duì)其抗沖擊能力的研究尚未見報(bào)道。

根據(jù)碳纖維編織形式的不同，C／SiC復(fù)合材料主要分為二維平紋編織C／SiC復(fù)合材料（2D－C／SiC）和三維編織C－SiC復(fù)合材料（3D－C／SiC）。近年來，對(duì)3D－C／SiC的力學(xué)性能［3－6］以及超高速?zèng)_擊下的力學(xué)特性和破壞機(jī)理［7］有一些研究。但是，對(duì)2D－C／SiC的研究并不多見，已有的結(jié)果僅限于對(duì)其宏觀拉壓性能［8］、剪切性能［9］和疲勞性能［10］的研究。

本文中，擬對(duì)2D－C／SiC材料的抗沖擊能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在同等條件下與LY12硬鋁薄板實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

利用金屬箔電爆炸驅(qū)動(dòng)聚酯薄膜飛片產(chǎn)生短脈沖沖擊波的加載技術(shù)（電炮），結(jié)合光纖位移干涉儀、高壓探頭等光電子學(xué)測(cè)試手段，對(duì)2D－C／SiC材料在超高速飛片碰撞作用下的力學(xué)響應(yīng)問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了超高速飛片碰撞下LY12硬鋁和2D－C／SiC材料自由面速度歷程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品和碎片云進(jìn)行了采集。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 加載裝置

2D－C／SiC材料超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)在高性能電炮裝置上進(jìn)行，該電炮裝置主要由儲(chǔ)能電容器、平板傳輸線、能量轉(zhuǎn)換開關(guān)、爆炸橋箔負(fù)載等部件組成。電路原理如圖1（a）所示，主要性能參數(shù)為：電容器電容31.8μF，回路電阻11mΩ，短路回路電感49nH，放電周期7.9μs；核心部件爆炸橋箔板的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，大小為12.5mm×12.5mm×0.05mm；有機(jī)玻璃加速腔尺寸為?10mm×4mm。

圖1 電炮示意圖Fig.1 Sketch of the electrical gun

電炮的基本工作原理是：開關(guān)接通后，儲(chǔ)存在電容器里的能量開始釋放，回路產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)大電流經(jīng)過加載區(qū)時(shí)，搭接在橋箔板的金屬箔由于橫截面積最小，導(dǎo)致線電流密度急劇增大，使橋箔板的金屬箔快速發(fā)生固體→液體→氣體相變，進(jìn)而被兩端的高壓擊穿形成等離子體，等離子體膨脹推動(dòng)置于金屬箔上的聚酯薄膜經(jīng)有機(jī)玻璃加速腔邊界切割形成飛片，飛片在加速腔中加速一定距離后達(dá)到最大速度，最終撞擊靶板［11］。

1.1.2 測(cè)速裝置

實(shí)驗(yàn)中靶板材料的自由面速度利用全光纖位移干涉儀系統(tǒng)（Doppler pins system，DPS）測(cè)量，其基本原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的測(cè)量。發(fā)射器發(fā)出2束單一頻率f0的激光，一束直接到達(dá)接收器，另一束通過光學(xué)探頭垂直照射到待測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射后傳回接收器。此時(shí)，當(dāng)物體相對(duì)探頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射光頻率會(huì)發(fā)生改變，根據(jù)接收器收到的頻率變化可以計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度［12］，其基本原理如圖2所示。

在實(shí)驗(yàn)中，由于2D－C／SiC表面反光效果較差，無法滿足光纖位移干涉儀的測(cè)量條件，因此需要在靶板（包括鋁板）背部自由面粘貼厚度8μm的鋁膜，通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中鋁膜自由面速度可以推出靶材的自由面速度。

圖2 DPS原理圖Fig.2 Schematic diagram of DPS

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

由于加載裝置的要求，實(shí)驗(yàn)中的彈丸選用?10mm×0.1mm的聚酯薄膜（mylar）飛片，質(zhì)量約0.01g，密度1.38～1.4g／cm3，拉伸強(qiáng)度可達(dá)200MPa，彈性模量在4GPa以上，飛片的表面平整度小于25ns。

實(shí)驗(yàn)采用2D－C／SiC材料，厚3mm，密度2.0～2.1g／cm3，制備完成后切割成115mm×115mm的正方形薄板作為實(shí)驗(yàn)靶板，鋁板選用普通的硬鋁LY12材料。

選用厚5mm的聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫板作為采集板，主要用于在靶材后方的固定距離處接受碎片云團(tuán)的轟擊。PMI泡沫塑料是一種輕質(zhì)、閉孔的硬質(zhì)泡沫塑料，具有良好的力學(xué)性能、熱變形溫度和化學(xué)穩(wěn)定性，可使得沖擊產(chǎn)生的碎片較易嵌入其中，便于后續(xù)測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

Mylar飛片超高速撞擊2DC／SiC靶板和LY12硬鋁靶板實(shí)驗(yàn)分為2大類：（1）收集類，飛片超高速撞擊靶板，形成碎片云團(tuán)轟擊PMI采集板；（2）測(cè)速類，利用DPS系統(tǒng)測(cè)量飛片撞擊靶板時(shí)自由面碎片的脫靶速度。PMI采集板距靶材背面70mm，飛片沖擊速度3.4～9.5km／s。受實(shí)驗(yàn)條件限制，收集實(shí)驗(yàn)和測(cè)速實(shí)驗(yàn)不能同時(shí)進(jìn)行。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，表中vp為彈丸速度，Ep為彈丸能量。

表1 超高速碰撞實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table1 Hypervelocity impact experiment parameters

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)階段，利用電炮加載裝置共完成10發(fā)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，其中2D－C／SiC材料6發(fā)，鋁板4發(fā)。在后續(xù)分析階段，主要完成3項(xiàng)工作：（1）測(cè)定靶板在超高速mylar飛片沖擊時(shí)，背部自由面碎片的脫靶速度；（2）在靶板后方固定距離處設(shè)置采集板，接受碎片云團(tuán)轟擊，收集碎片顆粒；（3）觀測(cè)2D－C／SiC靶板在超高速?zèng)_擊下的損傷情況和穿孔形貌。下面依次對(duì)上述3點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行分析說明。

2.1 自由面速度

圖3 靶板自由面速度歷程Fig.3 Velocity histories of the free surface

共完成5發(fā)測(cè)速實(shí)驗(yàn)，其中2D－C／SiC板3發(fā)，鋁板2發(fā)。DPS可以獲得靶板背部所粘貼鋁膜自由面的速度歷程，圖3中給出了沖擊速度5km／s時(shí)2D－C／SiC板和Al板自由面速度歷程曲線，圖中U表示電炮加載時(shí)的充電電壓。從圖中可以看出，當(dāng)靶材受到mylar飛片撞擊后，2D－C／SiC板被穿透，初始應(yīng)力波傳播到靶板背面時(shí)即引起鋁膜損壞，無法測(cè)得反向拉伸波；而對(duì)于Al板，則存在明顯的應(yīng)力波反射現(xiàn)象，進(jìn)而在Al板背面產(chǎn)生層裂片飛出。因此，根據(jù)應(yīng)力波傳播原理和動(dòng)量定理，在利用上述鋁膜自由面的速度歷程曲線計(jì)算靶材背部碎片脫靶速度時(shí)，應(yīng)該將Al板的實(shí)測(cè)速度取2倍處理。

圖4 靶板自由面速度變化曲線Fig.4 Velocity curves of the free surface

圖4中給出了2D－C／SiC靶材和硬鋁LY12自由面速度的比較曲線，從圖中可以看出：（1）隨著沖擊能量的增大，2D－C／SiC靶板自由面碎片速度逐漸升高，但增大趨勢(shì)逐漸減小；（2）在同樣能量的沖擊下，Al板碎片速度大于2D－C／SiC板自由面速度，這說明相與Al相比，2D－C／SiC板背部碎片云團(tuán)整體能量較低。

2.2 碎片云分析

當(dāng)超高速飛片撞擊薄靶板時(shí)，由于靶內(nèi)壓縮波和拉伸波的共同作用，靶板會(huì)出現(xiàn)層裂，形成固體顆粒。當(dāng)碰撞速度足夠高時(shí)，這些碎裂的固體顆粒大部分會(huì)以一定的形態(tài)向前拋出，轟擊靶板正后方70mm處放置的PMI泡沫板，根據(jù)泡沫板上顆粒和成坑的分布可以測(cè)量碎片云分布區(qū)域。由于實(shí)驗(yàn)中采用的mylar膜彈片很薄，并且mylar膜強(qiáng)度、熔點(diǎn)都很低，在撞擊的高壓作用下易發(fā)生相變，極難形成碎片而進(jìn)入碎片云中。因此，不妨假設(shè)碎片云中僅含有靶材碎片，而沒有彈丸碎片。碎片云PMI采集板如圖5所示。

圖5 碎片顆粒采集板Fig.5 Collector plates of the fragments

通過觀察PMI采集板上的顆粒分布情況可以大致推測(cè)碎片云團(tuán)的組分構(gòu)成。在碎片云團(tuán)中心，靶材粉末化效應(yīng)比較嚴(yán)重；隨著碎片云分散角的逐漸增大，靶材粉末化效應(yīng)逐漸減輕，碎片顆粒直徑逐漸增大，顆粒分布從中心向外漸變。

若假設(shè)2D－C／SiC薄板碎片云團(tuán)呈圓錐狀分布，可以通過測(cè)量PMI板上碎片顆粒的分布區(qū)域直徑D確定碎片云團(tuán)在后板上的作用區(qū)域，測(cè)量結(jié)果如表2所示；依據(jù)表中數(shù)據(jù)，為了便于觀察變化規(guī)律，給出碎片云團(tuán)在后板作用區(qū)域直徑隨沖擊速度的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出：隨著沖擊速度的增大，碎片作用區(qū)域直徑逐漸增大，但變大的速度逐漸減小；與Al板相比，2D－C／SiC板碎片作用區(qū)域較大，這說明對(duì)于相同能量的沖擊，2D－C／SiC板的碎片云團(tuán)能量更為分散。另一方面，由2.1節(jié)的分析已經(jīng)知道，在相同能量的沖擊下，2D－C／SiC板較Al板而言，碎片云團(tuán)能量較低。因此綜合而言，對(duì)于相同能量的沖擊，2D－C／SiC板產(chǎn)生的碎片云團(tuán)作用于被防護(hù)的飛行器主殼體單位面積上的能量要遠(yuǎn)小于Al板的碎片云團(tuán)，對(duì)飛行器主殼體的威脅大大減小。

圖6 碎片分布域直徑Fig.6 Diameter of fragment distribution area

表2 碎片云作用域直徑Table2 Diameter of debris cloud scope

2.3 損傷情況分析

為了更加準(zhǔn)確地獲取實(shí)際損傷范圍，對(duì)實(shí)驗(yàn)靶材進(jìn)行了超聲波無損檢測(cè)。采用水浸式ULTRAPAC自動(dòng)超聲掃描檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于孔隙率較高的2D－C／SiC使用頻率為5MHz的探頭。對(duì)不同沖擊速度下每個(gè)靶板的正面與背面分別進(jìn)行了掃描，圖7中給出了5.0km／s沖擊速度下靶板的沖擊圖片和C掃描損傷檢測(cè)結(jié)果。

從圖7可以看出：靶板上有明顯的輻射狀痕跡，這是mylar膜飛片在高速撞擊靶板時(shí)發(fā)生了瞬間相變，產(chǎn)生的高壓氣體快速流動(dòng)所致；超高速?zèng)_擊載荷的作用使得2D－C／SiC材料出現(xiàn)了明顯的碎片剝落，穿孔周圍編織狀碳纖維暴露出來。

圖7 損傷形貌及無損檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Results of damage morphology and non destructive inspection

圖7圖例中的不同顏色表示探頭接收到的回波能量占原始探頭所發(fā)射入射波能量的百分比，即試樣的損傷程度。圖上中心白色區(qū)域表示探頭沒有收到回波信號(hào)，這是超高速?zèng)_擊造成靶材中心穿孔和穿孔周邊的材料剝落造成的；在白色區(qū)域周圍，存在一個(gè)損傷程度逐漸減輕的寬度較小的過渡帶，分層是這一過渡帶區(qū)域內(nèi)主要的損傷形式；遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)出現(xiàn)的損傷，除了超聲檢測(cè)過程中噪聲的影響，靶材內(nèi)部的大量孔隙以及纖維編織造成的表面粗糙度較大是造成這一現(xiàn)象的主要原因。與文獻(xiàn)［13］的低速落錘沖擊研究結(jié)果類似，在超高速?zèng)_擊載荷作用下，2D－C／SiC板的損傷一般只會(huì)發(fā)生在以載荷作用點(diǎn)為中心的局部范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

利用電炮加載mylar膜飛片完成了2D－C／SiC復(fù)合材料的超高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：一方面，在超高速?zèng)_擊載荷作用下，隨著沖擊能量的增大，2D－C／SiC材料自由面速度逐漸升高，損傷局部，損傷面積逐漸增大，碎片云團(tuán)作用區(qū)域逐漸變大；另一方面，與鋁板相比，2D－C／SiC材料碎片云團(tuán)整體能量較小，作用區(qū)域較大，能量面密度較低，大大減小對(duì)防護(hù)對(duì)象的破壞，是航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一種比較理想的防護(hù)材料。

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