铝基复合材料在高速粒子撞击作用下的损伤行为

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本文以舱外航天服等微型航天器空间碎片防护为背景,设计并制备了2D-fibers/5A06和TiB2/2024复合材料及其复合结构。利用二级轻气炮、分离式霍普金森压杆(SHPB)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和高分辨电镜(HREM)等多种手段系统地研究了复合材料薄靶在2.5km/s速度下,粒子直径为0.8~2.0mm撞击时的抗高速撞击能力、靶板宏观损伤特征及其微观组织演变规律,并提出了复合结构材料的设计思路。在高速撞击作用下,2D-fibers/5A06复合材料薄靶的宏观损伤由粒子侵彻穿深和背面崩落构成。(2D-Tif)/5A06复合材料靶板破坏以侵彻穿深为主,背面产生了带裂纹的鼓包或发生略微崩落;(2D-M40f)/5A06复合材料以背面崩落损伤为主,且随着粒子直径的增加崩落损伤区的直径不断增大。(2D-Tif)/5A06复合材料在绝热温升影响作用下弹坑区域组织发生了相变,复合材料界面的TiAl扩散层形成TiAl非晶层及非晶-微晶-多晶-β-Ti的过渡带。高强韧Ti纤维的加入起到了承载和吸能作用,有效减缓了基体合金的变形,抑制了绝热剪切带的形成。(2D-M40f)/5A06复合材料在高速粒子撞击作用下在M40纤维内部形成了大量裂纹,其片层状结构受到损伤。因M40纤维和基体合金二者之间的变形失配和低的层间结合强度,在压缩波和反射拉伸波的作用下,复合材料表现出分层损伤和崩落破坏。两种复合材料的基体合金在高速粒子撞击下被严重挤压变形,形成高密度的位错以及非晶和微晶。在远离弹坑部位,基体合金变形减小,缺陷以微裂纹和微孔洞为主。TiB2/2024复合材料薄靶的主要损伤特征为背面崩落。随着增强相含量的增加,TiB2/2024复合材料抗粒子侵彻穿深能力提高,使得靶板正面坑宽和坑深尺寸不断减小;同时也导致了复合材料抗崩落能力的下降,使得背面崩落损伤区直径不断增加。在分离式Hopkinson压杆压缩时(应变率:1×103~2×103s-1),TiB2/2024复合材料的流变应力随着应变率的增加呈现先增大后减小的趋势。在高应变率压缩过程中,复合材料剪切面上形成绝热剪切带,表现为熔融铝相变带,其形成机理与塑性变形局域化有关。铝基复合材料中绝热剪切带的演变规律为:随着增强相含量和应变率敏感性增加,逐渐由形变带向相变带转变。TiB2/2024复合材料表现出混合断裂特征,包括颗粒的断裂和铝合金基体软化/熔化。随着应变率的增加,复合材料逐渐由脆性断裂失稳破坏发展为流变应力软化诱发的动态失稳破坏。复合材料的抗撞击能力与纤维的强塑性相关,同时还与增强相的连续性相关。高强韧Ti纤维的加入有助于提高基体合金的抗撞击能力,而高模量M40纤维的加入却降低了基体合金的抗撞击能力。本文提出采用平均吸能性能来评价不同破坏特征的复合材料的抗高速撞击能力,在2.5km/s条件下,几种复合材料的抗高速撞击能力高低顺序为: (2D-Tif)/5A06、TiB2/2024、5A06、(2D-M40f)/5A06。本文提出了复合结构的设计思路,即高低阻抗材料层叠排布且低阻抗材料置于靶板后部的结构,并进行了初步的实验验证。结果表明几种复合结构的抗高速撞击能力优于相应的复合材料,其防护性能高低顺序依次为(TiB2/2024+Al)结构、((2D-M40f)/5A06+Al)结构、((2D-M40f+2D-Tif)/5A06)结构。
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