“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的超高速撞擊行為

易 鵬,李 勇,朱德智,羅銘強,聶德鍵

（1.江西理工大學(xué) 材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西贛州 341000；2.華南理工大學(xué)廣東省金屬新材料制備與成形重點實驗室，廣東 廣州 510640；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528061；4.廣東興發(fā)鋁業(yè)（江西）有限公司，江西宜春 360000）

航天材料應(yīng)具備輕質(zhì)和抗高速撞擊性能好，即其受撞擊應(yīng)穿深越小和層裂破壞度越低．綜合材料應(yīng)具備高強、高硬、高塑等力學(xué)能力，這在單一材料中無法實現(xiàn)［1-4］．航空航天領(lǐng)域中的飛行器通常會采用多層結(jié)構(gòu)作為外層防護．管公順等人［5］研究表明，采用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，如“三明治”結(jié)構(gòu)或多層軟/硬結(jié)構(gòu)的組合材料，是實現(xiàn)材料高強高塑性的最有效方法．朱德智等人［6-8］的研究表明，M 40纖維和TiB2顆粒增強鋁基復(fù)合材料的高速粒子侵徹深度最淺，而5A 06鋁的韌性最好且不易發(fā)生崩落．目前，微型航天器針對空間碎片的防護主要采用的是多層網(wǎng)狀防護結(jié)構(gòu)［3，5，9］，并且?guī)в幸欢ㄩg距，整體防護結(jié)構(gòu)的體積較大，發(fā)射成本高．因此，有必要對緊湊型的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的防護性能進行設(shè)計與研究．

設(shè)計了三種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即TiB2/2024+Al復(fù)合材料，2D-M 40f/5A 06+Al復(fù)合材料和2D-M 40f+2D-Tif復(fù)合材料．重點研究“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料薄靶，在速度為2.5 km/s及粒子直徑為0.8～2.0 mm撞擊的條件下的抗高速撞擊能力及靶板宏觀損傷特征，并對不同破壞特征的“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗高速撞擊能力進行評價．

1 實驗材料及方法

1.1 材料設(shè)計與制備

選擇常用于航天材料的Al-Mg合金（5A 06合金）作為基體合金材料．所選用的幾種組成材料，如5A 06，（2D-M 40f）/5A 06復(fù)合材料和（2D-Tif）/5A 06復(fù)合材料、TiB2/2024復(fù)合材料的基礎(chǔ)性能列于表1，其中L表示纖維徑向．

表1 幾種組成材料的基礎(chǔ)性能Table 1 Basic properties of several materials

根據(jù)以上幾種材料各自不同的性能特點，設(shè)計了不同軟/硬材質(zhì)組合的“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即使“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料盡可能的匹配增強相來緩解基體間的沖擊阻抗，或舍棄增強相來減小崩落分層等，以免破壞材料.為了獲得輕量及抗沖擊性能好的復(fù)合材料，將M 40纖維布等具有高阻抗、大的體積分數(shù)的材料作為增強相鋪在高速粒子接觸區(qū)前部，阻止粒子前進.鋁合金基體材料則作為“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的后表面，因其具有高塑韌性的特征，而吸收粒子的動能.設(shè)計的三種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料如圖1所示．從圖1可以看出，合理的不同材料分布組合，可以將各材料的優(yōu)勢性能充分展示.

圖1“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計思路Fig.1 Schematic diagram of the composite structure materials

2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由M 40纖維布增強的5A 06復(fù)合材料與相應(yīng)的基體合金組合構(gòu)成層狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料．M 40纖維布層厚約1.75 mm，5A 06鋁合金層厚約0.25mm，中間無間隔，通過液態(tài)鋁合金浸滲復(fù)合在一起．

2D-M 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由Ti纖維網(wǎng)與M 40纖維布通過疊層設(shè)計組成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料．其中Ti纖維網(wǎng)5層，每層厚度約0.2 mm，M 40纖維布4層，每層厚度約0.25 mm．將Ti纖維網(wǎng)與M 40纖維布交替疊加鋪設(shè)，其中外側(cè)為Ti纖維網(wǎng)層，通過液態(tài)鋁合金浸滲復(fù)合在一起．

TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由TiB2增強相的2024與5A 06合金組成的雙層結(jié)構(gòu)靶板．其中TiB2/2024鋁合金板厚約1.4 mm，作為“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的前部，5A 06鋁合金板厚約0.8 mm，作為“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的后部，二者采用螺栓緊固連接而成整體材料．

1.2 試驗方法

試驗在中國空動研究中心超高所的FD-18A超高速撞擊靶上進行，發(fā)射器為7.6 mm的二級輕氣炮，靶板厚約2 mm，選取2024鋁合金為高速粒子，撞擊速度約2.5 km/s，撞擊角0°．在靶板后置一塊2 mm厚鋁合金板為見證靶，兩塊靶板靶距為100 mm，用鐵框架固定．測試完成后，用線切割機將“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彈坑切開，磨平、拋光，通過OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡（OM）和S-4700掃描電鏡（SEM）對彈坑周圍基體組織進行分析．

2 實驗結(jié)果

2.1 復(fù)合材料的金相組織

圖2為三種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的顯微組織圖．從圖2可以看出：M 40纖維布、Ti纖維網(wǎng)呈較均勻分布，無明顯的層間間隔及鋁基體合金層出現(xiàn)，2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中的金相組織致密、缺陷少，纖維的一個分布狀態(tài)比較均勻；2DM 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，Ti纖維和基體結(jié)合緊密；TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的金相組織致密、無明顯缺陷，顆粒均勻分布并沒有顯著的顆粒偏聚和貧化的區(qū)域，而TiB2顆粒卻有粗大存在且尺寸不均勻．

圖2“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中幾種組成部分的金相照片（a）2D-M 40f/5A 06+Al；（b）2D-M 40f+2D-Tif/5A 06；（c）TiB2/2024+AlFig.2 Microstructures of several aluminum matrix composites

2.2 高速撞擊行為

表2為2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和2D-M 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高速粒子撞擊下的試驗結(jié)果．由表2可知，相比M 40纖維布增強的鋁基復(fù)合材料，2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和2DM 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料顯示出良好的抗高速撞擊性能．本課題組前期工作進行了5A 06，2D-Tif/Al復(fù)合材料及2D-M 40f/Al復(fù)合材料的超高速撞擊行為測試，相關(guān)數(shù)據(jù)見文獻［3］和文獻［4］．所以，在表2中不再重復(fù)給出．

表2 “三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的高速撞擊試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of several sandwich structural composite materials

在高速粒子沖擊下2D-M 40f/5A 06+Al復(fù)合材料的損傷，如圖3所示．從圖3可見，2D-M 40f/5A 06+Al復(fù)合材料無顯著的崩落損傷，靶板正面有明顯突起，靶板后面薄層鋁很好的緩和了鋁彈沖擊力，變成一道緩沖層，表明鋁薄層能夠有效的吸收沖擊后的殘余動能，起到結(jié)構(gòu)防護的作用．

圖3 超高速撞擊后2D-M 40f/5A 06+Al復(fù)合材料靶板損傷（a）正面；（b）后面Fig.3 Damage for the 2D-M 40f/5A 06+Al materials under hypervelocity impacts（a）front surface；（b）back surface

在高速粒子沖擊下2D-M 40f+2D-Tif/5A 06復(fù)合材料的損傷，如圖4所示．從圖4可見：2D-M 40f+2D-Tif/5A 06復(fù)合材料也無顯著的崩落損傷，靶板正面一圈產(chǎn)生突出緣，隨粒徑增大，凸起愈加明顯；靶板背面則產(chǎn)生鼓包的現(xiàn)象，隨粒徑增大，鼓包呈十字型裂紋擴展，且趨勢愈加明顯．表明，Ti纖維網(wǎng)層能夠有效的吸收沖擊后的殘余動能，起到結(jié)構(gòu)防護的作用．

圖4 超高速撞擊后2D-M 40f+2D-Tif/5A 06復(fù)合材料靶板的損傷（a）正面；（b）背面Fig.4 Damage for the 2D-M 40f+2D-Tif/5A 06 materials under hypervelocity impacts（a）front surface；（b）back surface

2.3 彈坑損傷分析

圖5為高速撞擊后2D-M 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彈坑形貌．從圖5可以看出：Ti纖維和M 40纖維布發(fā)生了斷裂，其前部向著彈坑前沿，是因為粒子撞擊后形成球形的壓縮沖擊波，當它在靶材前表面反射形成拉伸沖擊波，這樣就承受了向著外側(cè)的拉伸波影響；而后部向著彈坑后沿，原因則是不管一開始形成的壓縮沖擊波亦或是在靶材后表面反射形成的拉伸沖擊波，它都是向著后表面；坑壁底部，增強相與基體間發(fā)生了微小的剝離.

圖5 超高速撞擊后2D-M 40f+2D-Tif/5A 06復(fù)合材料靶板的損傷（a）0.8 mm粒子；（b）1.0 mm粒子；（c）1.2 mm粒子；（d）圖（b）的放大圖Fig.5 Damage for 2D-M 40f+2D-Tif/5A 06 materials impacted by varied projectile（a）0.8 mm projectile；（b）1.0 mm projectile；（c）1.2 mm projectile；（d）high magnification of（b）

圖6為高速撞擊后TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的宏觀損傷形貌．從圖6可以看出：高速粒子撞擊這種雙層結(jié)構(gòu)的TiB2/2024+Al復(fù)合材料，其靶板背面出現(xiàn)嚴重的崩落層，但因為TiB2/2024這種雙層結(jié)構(gòu)層可以使粒子發(fā)生粉碎現(xiàn)象，從而使高速粒子不能穿孔破壞其后的5A 06鋁合金板；在0.8 mm厚5A 06鋁合金板的正面產(chǎn)生約4 mm直徑的凹坑，在靶材背面嚴重產(chǎn)生了鼓包，只是沒被穿透.結(jié)合本課題前期的研究結(jié)果顯示［3-4］，相比相同厚度的2D-Tif/Al復(fù)合材料、5A 06合金板的單層材料，則TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的防護作用更優(yōu)，所以軟/硬層組合的復(fù)合材料的防護效果相比單層材料存在明顯的優(yōu)勢.TiB2/Al雙層結(jié)構(gòu)層的高強度、高硬度能夠抵擋入射粒子，形變能力強的5A 06鋁合金能夠很大的吸收沖擊能．

圖6 超高速撞擊后TiB 2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的損傷（a），（b）T iB 2/Al復(fù)合材料；（c），（d）5A 06合金板Fig.6 Damage for the T iB 2/2024+Al structure materials under hypervelocity impacts（a），（b）T iB 2/Al composites；（c），（d）Al targets

3 分析與討論

目前使用或研究的多層防護結(jié)構(gòu)，大多采用多層金屬網(wǎng)或多層鋁板及其混雜組合方式，對多層結(jié)構(gòu)（微觀層面）復(fù)合材料單靶的研究較少．采用傳統(tǒng)的臨界彈丸直徑、侵徹深度或是防護系數(shù)等指標來評價單層薄靶（厚度≤2 mm）在高速或超高速彈丸撞擊下的防護性能，均存在一定的局限性．因此，為了評價設(shè)計的幾種不同“軟/硬”材質(zhì)組合的“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料吸能效能，選用單層防護板常用的擊穿前最大吸能評判它的抗撞擊能力［9-12］．擊穿是指高速粒子撞擊單層板整體穿破深度與靶材背板崩落深度共同結(jié)果，即“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在此粒子撞擊下有無“透亮”現(xiàn)象發(fā)生.靶材穿透與未透之間的中間值即為粒子的臨界尺寸.依據(jù)動能的計算方式，也為減小面密度的差別對“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料高速撞擊性能影響，引入?yún)?shù)k（k=AAl/Ac），其為“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料靶板與等厚5A 06合金板的面密度的比值．則復(fù)合材料擊穿前的最大吸能表達式為：

式（1）中ρp為高速粒子密度，v0為粒子速度，d p為臨界粒子直徑，AAl為相同厚度的5A 06鋁合金板面密度，Ac為試驗用“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料靶板的面密度．

將表1數(shù)據(jù)代入式（1），得到設(shè)計的幾種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大吸能，結(jié)果如圖7所示．同時，將文獻［3-4］中的5A 06，2D-Tif/Al復(fù)合材料及2DM 40f/Al復(fù)合材料的超高速撞擊性能數(shù)據(jù)也代入式（1）進行最大吸能計算，其結(jié)果也列入圖7進行比較．

圖7的橫坐標為幾種測試的防護材料，包括5A 06鋁合金、復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)等靶板的面密度，縱坐標為入射彈丸的沖擊功，取未擊穿時的臨界彈丸沖擊功作為該靶板的最大吸能能力．從圖7可以看出，TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸能能力最好，把高強度、高硬度的TiB2/Al結(jié)構(gòu)材料安置在高韌性的靶材前部即可顯示出兩種材料的優(yōu)勢．因此，在將來的開發(fā)抗高速撞擊材料時，在靶材前應(yīng)鋪置高阻抗的金屬絲網(wǎng)、陶瓷等增強相，用以破碎高速彈丸．在靶材后應(yīng)鋪置高塑性的金屬絲網(wǎng)、合金等材料，用來約束靶材背部的拉伸波導(dǎo)致產(chǎn)生層裂和崩落，雖然2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和2DM 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的吸能性能不如TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，但相比2D-M 40f/Al復(fù)合材料，這兩種復(fù)合材料均顯示出優(yōu)異的吸能能力.這對航空航天材料應(yīng)用中要求的質(zhì)量輕、高強度、高比模和良好的抗彈性能，2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢．

圖7 幾種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料材料的吸能性能比較Fig.7 Energy absorption comparison of several composite materials

4 結(jié) 論

（1）提出了“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計原則，即采用高低阻抗材料層疊排布且低阻抗材料置于靶板后部的結(jié)構(gòu)，制備了三種“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料靶板2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和2DM 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料及TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料．

（2）2D-M 40f/5A 06+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，M 40纖維布層對高速粒子撞擊的侵徹損傷和沖擊波效應(yīng)可以有效抑制，鋁薄層鼓包能夠有效的吸收沖擊后的殘余動能，提升了2D-M 40f/5A 06復(fù)合材料的抗高速撞擊的性能.

（3）2D-M 40f+2D-Tif/5A 06結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，高沖擊阻抗的M 40纖維和高強韌性的Ti纖維分層破壞吸能，發(fā)揮出了二者性能各自的優(yōu)勢，防止了2DM 40f/5A 06復(fù)合材料背部崩落損傷．

（4）TiB2/2024+Al結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，高強度、高硬度的TiB2/Al結(jié)構(gòu)材料可以有效阻止粒子侵徹，高塑性的鋁薄層變形可以有效吸收TiB2/Al材料撞擊產(chǎn)生的碎片及殘余能量，提高了其抗高速撞擊的性能，界粒子直徑約為1.8 mm、最大吸能達到35 J，比5A 06合金單板高約20 J．臨界高速粒子直徑約1.8 mm、最大吸能35 J，比5A 06合金約高20 J．