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由于人类的太空活动日益频繁,卫星飞行轨道内的空间碎片越来越多,对航天器构成极大威胁。本文以空间碎片防护为背景设计并制备了防高速撞击复合材料。利用万能试验机、霍普金森压杆、二级轻气炮测试了TC4网和TiB2p两种类型增强体增强的Al基复合材料的静动态压缩性能和抗高速撞击性能,并利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分析手段系统的研究了两类复合材料在静动态压缩后和高速撞击后的宏观、微观损伤特征和组织演变规律。 复合材料的静动态压缩变形行为及性能与变形条件和材料特性有关。TC4网/Al复合材料不同应变率和不同温度的应力-应变曲线表明,该材料表现为正向应变率效应,不受温度和增强体体积分数的影响。55％TiB2p/Al复合材料则表现出不同的应变率效应,在室温下该材料表现为反向应变率效应,即峰值流变应力随着应变率的增加而降低;在100℃时,该材料无应变率效应,即峰值流变应力不随着应变率的增加而改变;当变形温度为250℃、400℃和550℃时,该材料均表现为正向应变率敏感性,即峰值流变应力随着应变率的增加而升高,在高温区,应变率敏感系数随温度增加的幅度明显上升。反向应变率效应与复合材料内部的损伤软化有关。当应变率为1000 s-1～2000 s-1时,即使在550℃,复合材料也具有约600MPa的高温强度。 根据55%TiB2p/Al复合材料在不同温度和不同应变率条件下的应力-应变曲线,在J-C本构方程的基础上引入了随温度变化的应变率效应项和高温下的动态再结晶项得到了55%TiB2p/Al复合材料的本构方程。55%TiB2p/Al复合材料的失效行为与变形条件有关。变形温度≤400℃时,应变率在1000 s-1～2000 s-1范围内,随着应变率的提高,试样首先沿与轴向呈45°方向的斜面破坏,而后沿与轴向呈45°方向的圆锥面上破坏(绝热剪切锥),直至完全破碎;当变形温度为550℃时,发生不同程度的墩粗变形。应变率对55%TiB2p/Al变形后的微观组织有较大的影响,随着应变率的提高,基体中发生动态再结晶的程度减小TiB2颗粒内部的亚结构从无位错(0.001 s-1)到产生较多位错(1 s-1),乃至形成位错亚晶界及沿亚晶界的裂纹(1500 s-1)。 对两类复合材料高速撞击后宏观损伤进行了研究和表征。当两种类型增强体体积分数均为15%(即复合材料的密度均为3.0 g/cm3左右)时,两类复合材料在相同撞击条件下的弹坑深度相当。但是当增强体体积分数均为55%(即复合材料的密度均为3.6 g/cm3左右)时,撞击条件相同的情况下,TiB2p/Al复合材料的弹坑深度均小于TC4网/Al复合材料,初始撞击面上弹坑直径均大于TC4网/Al复合材料的相应值,表现出较好的抗超高速撞击性能。撞击条件相同时,密度相同(即增强体体积分数相同)的复合材料,Al-TiB2p/Al碰撞副的撞击压力高于Al-TC4网/Al碰撞副的撞击压力,撞击温升低于Al-TC4网/Al碰撞副的撞击温升。 复合材料高速撞击后的显微组织观察表明,15%TC4网/Al经速度为3.5km/s、直径为2mm的Al弹丸撞击后,坑口区域的微观损伤主要表现为TC4-Al界面分离,与TC4纤维发生剥离的基体内的裂纹有联通的趋势,坑口附近的部分区域有脱离靶材的趋势。弹坑底部的TC4纤维沿最大剪应力方向发生绝热剪切变形,且 TC4-Al界面反应层均产生沿冲击方向的裂纹。撞击速度增加到7km/s,多处TC4-Al界面处的裂纹或者孔洞相互连通,坑口附近部分区域脱离靶材,反向崩落。多层TC4纤维网都在弹坑底部被严重压缩,彼此间距变短,多根TC4纤维多处发生绝热剪切破坏。55%TiB2/Al复合材料经高速撞击后的典型组织特征是在弹坑底部形成一条裂纹,主要为孔洞和颗粒的破碎。55%TiB2p/Al复合材料经3.5km/s的弹丸撞击后弹坑底部微观组织的透射电镜观察结果表明,TiB2颗粒边缘形成层错,其内部产生较多位错并发生动态回复和动态再结晶; Al基体中发生晶粒碎化,局部形成动态再结晶晶粒,且Al基体中的析出相长大。 15%TC4网/Al复合材料弹坑底部的绝热剪切变形过程如下:首先在TC4纤维中形成绝热剪切带;然后在绝热剪切带内形成微裂纹或微孔洞;这些微裂纹或微孔洞相互连接沿剪切带方向形成宏观裂纹;然后在Al基体内形成绝热剪切带继而形成宏观裂纹;最后,不同方向的剪切带相互连通,造成靶材的破坏从而部分材料反向脱离靶材。离弹坑底部一定距离也会重复上述过程,直到弹丸动能完全耗尽。 15%TC4网/Al复合材料经速度为3.5km/s、直径为2mm的弹丸撞击后弹坑底部 TC4-Al界面发生剥离。能谱和选区电子衍射花样表明靠近 TC4纤维的Ti3Al相在高速冲击后变为非晶态,且裂纹沿着TC4-Ti3Al界面萌生和扩展。而界面处的TiAl3相则变为等轴状晶粒,晶粒尺寸在200nm以下,衍射花样呈现衍射弧,表明界面处TiAl3发生了动态再结晶。 设计制备了四层防护结构,并对其进行了超高速大弹丸的高速撞击。结果表明,第一层材料为2024铝板时,做为舱壁结构的第三层形成穿孔;第一层材料为(TC4网/Al+Al)或(TiB2p+TC4网/Al+Al)时,做为舱壁的第三层未穿透,表现出较好的防护性能。