纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

苗常青 徐铧东 靳广焓 孙甜甜 祖振南

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纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

    作者简介: 苗常青(1972-),男,博士,教授,主要从事柔性复合材料与充气结构研究. E-mail:miaocqhit@163.com;
  • 中图分类号: O347; V423

Experimental Study of Hypervelocity Impact Characteristics for Fiber Fabric Materials

  • CLC number: O347; V423

  • 摘要: 与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。
  • 图 1  玄武岩纤维编织材料防护屏

    Figure 1.  Scheme of basalt fabric shield

    图 2  多屏防护结构示意

    Figure 2.  Schematic of multilayer structure shields

    图 3  多屏防护结构装配图

    Figure 3.  Assembly drawing of multilayer structure shields

    图 4  实验1撞击实验结果

    Figure 4.  Experiment results of Shot 1

    图 5  实验2撞击实验结果

    Figure 5.  Experiment results of Shot 2

    图 6  实验3撞击实验结果

    Figure 6.  Experiment results of Shot 3

    图 7  实验4撞击实验结果

    Figure 7.  Experimental results of Shot 4

    图 8  铝板多屏防护结构撞击实验结果

    Figure 8.  Experimental results of Al multilayer structure shields

    表 1  玄武岩和芳纶纤维材料力学性能参数

    Table 1.  Material properties of basalt and aramid fibers

    Material Modulus/GPa Strength/GPa Elongation rate/% Critical temperature/°C
    Basalt fiber 93.1–110 3.8–4.8 3.1 >1050 (Softening)
    Aramid fiber ≥125 4.5–5.5 2.5–3.5 >530 (Decomposition)
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    表 2  多屏防护结构超高速撞击实验结果对比

    Table 2.  Results of hypervelocity impact tests for multilayer shields

    Exp. No. Structure v/(km·s–1) R/mm n Damage of the 4th shield
    1 BF×3+Al×2 3.80 55 3 Crater×4 (d=0.5–1.0 mm)
    2 AF×3+Al×2 3.83 50 2 No damage
    3 AF×2+BF×2+Al 3.92 51 3 Crater×1 (d=1 mm), bundle fracture×2
    4 BF×2+AF×2+Al 3.84 56 2 No damage
    5 Al×5 3.36 47 3 Small bulge×2
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-15
  • 录用日期:  2018-11-12
  • 网络出版日期:  2019-03-08
  • 刊出日期:  2019-04-01

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

    作者简介:苗常青(1972-),男,博士,教授,主要从事柔性复合材料与充气结构研究. E-mail:miaocqhit@163.com
  • 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001

摘要: 与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。

English Abstract

  • 随着航天发射任务的增加,空间环境日益恶化,空间碎片正严重威胁着航天器的在轨安全运行[1-3]。在航天器舱壁配置空间碎片超高速撞击防护结构,可以有效抵挡毫米级空间碎片的撞击,其防护构型多采用Whipple双屏防护结构或基于Whipple的多屏防护结构[4-6]。研究表明:防护结构的防护效果与防护屏数量及屏间距大小呈正比[7-10],然而随着防护屏数的增多和屏间距的增大,结构发射体积将呈倍数增长,在当前有限的空间运载能力下,现有的防护构型难以构建多屏、大间距的防护结构。为了减小防护结构的发射体积,同时保证良好的防护效果,苗常青等[11-12]提出能够有效克服发射体积限制,并可构建多屏、大间距的柔性充气展开防护结构。充气展开防护结构由多屏柔性防护屏构成,防护屏之间通过充气展开支撑管进行连接,入轨后可充气展开成多屏、大间距的空间碎片防护结构,从而提高防护效果。弹丸与防护屏发生超高速撞击时,撞击区域会产生高温、高压、高应变率现象[13-14],对防护屏材料性能的要求比较严格。防护屏材料不仅需要较好的力学性能,而且在高温下具有良好的物理、化学稳定性。综合考虑充气展开防护结构的柔性以及对防护屏材料的性能要求,高强度、高模量、可柔性折叠的纤维编织材料是该结构防护材料的首选。

    Kevlar、Nextel、Basalt等高性能纤维编织材料,因其质轻并具有良好的力学性能,逐渐被应用到防护结构设计中,并进行了大量超高速撞击实验。Christiansen等[15]通过测试,评估了Nextel和Kevlar纤维编织材料防护屏的穿孔特性,建立了弹道极限方程;Rudolph等[16]研究了不同柔性纤维编织材料对铝弹丸的破碎能力,并与金属网及铝板材料进行对比;管公顺等[17-18]对填充纤维编织材料在不同弹丸材料、不同环境温度下进行了超高速撞击实验研究;其他一些代表性研究可参考苗常青等[19]、哈跃等[20]的研究报道。尽管许多研究者进行了纤维编织材料超高速撞击实验研究,但是并未对不同纤维编织材料构成的多屏防护结构进行撞击实验,也没有探究造成不同纤维编织材料防护性能差异的原因。

    本研究针对充气展开防护结构,设计以玄武岩和芳纶纤维编织材料为防护屏的柔性多屏防护结构,进行空间碎片防护性能实验研究。通过二级轻气炮对不同纤维编织材料构成的多屏防护结构进行铝弹丸超高速撞击实验,并将实验结果与铝板多屏防护结构进行对比,探讨不同材料防护屏的排布顺序对多屏防护结构超高速撞击防护性能的影响,分析不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响。

    • 本研究所采用的防护材料为玄武岩和芳纶纤维平纹编织材料,其纤维性能参数如表1所示。

      Material Modulus/GPa Strength/GPa Elongation rate/% Critical temperature/°C
      Basalt fiber 93.1–110 3.8–4.8 3.1 >1050 (Softening)
      Aramid fiber ≥125 4.5–5.5 2.5–3.5 >530 (Decomposition)

      表 1  玄武岩和芳纶纤维材料力学性能参数

      Table 1.  Material properties of basalt and aramid fibers

      本实验以1 mm厚5A06[21](原LF6,GB/T 3190—1996)铝合金舱壁面密度(2640 g/m2)为基准,通过编织布叠层铺置,使单层防护屏和舱壁具有相近的面密度。试件尺寸均为200 mm×200 mm,单屏的芳纶、玄武岩纤维编织材料防护屏分别由7层面密度约为400 g/m2的平纹编织芳纶纤维布、8层面密度约为350 g/m2的平纹编织玄武岩纤维布组成,如图1所示。

      图  1  玄武岩纤维编织材料防护屏

      Figure 1.  Scheme of basalt fabric shield

      分别用AF(Aramid Fabrics)代表芳纶纤维编织材料防护屏、BF(Basalt Fabrics)代表玄武岩纤维编织材料防护屏、Al代表铝合金防护屏。防护屏间距均为50 mm,5组多屏防护结构排布顺序如图2所示。

      图  2  多屏防护结构示意

      Figure 2.  Schematic of multilayer structure shields

      采用二级轻气炮发射弹丸,弹丸撞击靶板前的速度由激光和电磁测速系统直接测量。将防护屏固定在试件支架上(见图3),然后将支架固定在二级轻气炮的靶舱内部。直径为3.97 mm的球形弹丸选用2017-T4[21](美标2017/A92017)铝合金材料,质量为0.0914 g,撞击速度v为(3.9±0.1) km/s。

      图  3  多屏防护结构装配图

      Figure 3.  Assembly drawing of multilayer structure shields

    • 分别对5组(见图2)多屏防护结构进行超高速撞击实验。撞击损伤实验结果通过第2屏最大损伤半径R、弹丸穿孔屏数n、第4屏损伤程度(如弹坑直径d、纤维束断裂数nf)表征。损伤半径的描述如下:对于纤维编织材料,损伤半径取距穿孔中心最远处纤维束断裂点至穿孔中心的距离;而对于铝合金板,选取距离穿孔直径最远直观可见撞击坑至穿孔中心的距离。将实验工况如弹丸速度及多屏防护结构实验结果的表征情况进行对比,如表2所示。

      Exp. No. Structure v/(km·s–1) R/mm n Damage of the 4th shield
      1 BF×3+Al×2 3.80 55 3 Crater×4 (d=0.5–1.0 mm)
      2 AF×3+Al×2 3.83 50 2 No damage
      3 AF×2+BF×2+Al 3.92 51 3 Crater×1 (d=1 mm), bundle fracture×2
      4 BF×2+AF×2+Al 3.84 56 2 No damage
      5 Al×5 3.36 47 3 Small bulge×2

      表 2  多屏防护结构超高速撞击实验结果对比

      Table 2.  Results of hypervelocity impact tests for multilayer shields

    • 图4是实验1玄武岩纤维编织材料防护结构在弹丸以3.80 km/s的速度撞击后的损伤情况。可见,前3屏已被弹丸穿透,第4屏舱壁有4个明显可见的撞击坑,直径介于0.5~1.0 mm之间;第1屏弹丸穿孔直径约为8 mm,断口形貌不规则;第2屏正面水平(纬纱)穿孔直径为15 mm,竖直(经纱)穿孔直径为13 mm,纤维束断裂区域大致呈不规则圆形,发生纤维束断裂和纤维布翘起,与弹丸碎片接触部位的纤维发生断裂脱落,第2屏损伤形貌由孔口向四周呈放射状,最大损伤半径约为55 mm;第3屏正面水平(纬纱)穿孔直径为8 mm,竖直(经纱)穿孔直径为4 mm,损伤区域呈现30 mm×40 mm的浅层纤维束断裂区,发生了纤维断裂、脱落和穿孔现象,第3屏并没有有效地拦截全部弹丸碎片,以致碎片撞击后板形成细小的点状弹坑。

      图  4  实验1撞击实验结果

      Figure 4.  Experiment results of Shot 1

      图5显示了弹丸撞击速度为3.83 km/s时芳纶纤维编织材料防护结构的损伤形貌。弹丸击穿了前两屏,第3屏表面有一个直径为1 mm、深度2 mm的撞击坑,第4屏铝板完整。第1屏弹丸穿孔直径约为5 mm,小于实验1中第1屏穿孔直径,穿孔形貌较整齐,呈圆形。第2屏正面穿孔直径为11 mm,中心穿孔区纤维束发生断裂,穿孔区域相比于四周靶板区域,撞击中心附近隆起,坡度较缓,中心形状呈截顶圆锥体,如图5(e)所示;在边缘损伤区域内,防护屏表面发生纤维丝断裂,纤维丝出现原纤化现象。第3屏撞击中心区出现一个深度约2 mm的撞击坑,如图5(f)所示,但防护屏未被击穿,在该屏表面发现残留的弹丸碎片,如图5(g)所示。

      图  5  实验2撞击实验结果

      Figure 5.  Experiment results of Shot 2

      在实验1中第2屏和第3屏BF表面纤维束断裂区面积大于实验2中的第2屏和第3屏AF,说明弹丸在击穿BF后明显碎化分解,撞击动能显著分散,对后屏造成了更大的撞击损伤面积;实验1中在防护屏表面没有发现块状弹丸碎片,且第4屏铝板撞击坑非常细小,尺寸均小于1 mm,而在实验2第3屏中发现了1/2纤维束宽度的弹丸碎片,说明玄武岩纤维编织材料能够将弹丸有效破碎成细小的碎片,其对弹丸的破碎效果优于芳纶纤维编织材料。

    • 图6显示了实验3撞击后的损伤形貌。弹丸入射速度为3.92 km/s,弹丸击穿前3屏,其中:第1屏穿孔直径约为5 mm;第2屏穿孔直径约为10 mm;第3屏穿孔直径约为2 mm,表面粘有黄色短纤维丝,损伤区域集中在弹丸入射路径区域,未出现大范围损伤,但仍发生了穿孔现象;第4屏表面有断裂的玄武岩纤维和一个直径1 mm的撞击坑,如图6(d)所示。

      图  6  实验3撞击实验结果

      Figure 6.  Experiment results of Shot 3

      对比实验2和实验3(前两屏均为AF)发现,实验3中弹丸碎片在穿透第2屏AF后仍能穿透第3屏BF,而实验2中第3屏AF未被穿透,说明AF吸收和拦截细小碎片的效果优于BF。

      图7显示了实验4撞击后结果。弹丸撞击速度为3.84 km/s,弹丸击穿前两屏,其中:第1屏穿孔直径约为7 mm;第2屏正面水平(纬纱)穿孔直径为16 mm,竖直(经纱)穿孔直径为14 mm;第3屏发生纤维束断裂,出现一个直径为3 mm的撞击坑;第4屏完整无损。

      图  7  实验4撞击实验结果

      Figure 7.  Experimental results of Shot 4

      弹丸在穿透前两屏BF后破碎成弹丸碎片,使第3屏AF形成一个圆形的损伤区域,并在撞击中心区域出现纤维束断裂现象。对比实验1和实验4(前两屏均为BF)发现,实验4中第3屏AF没有发生穿孔现象,撞击中心有一个半径为2 mm、深度为2 mm的撞击坑,而实验1中第3屏BF出现穿孔现象,再次说明AF具有良好的吸收和拦截细小碎片的效果。

      弹丸与防护屏的超高速撞击是典型的绝热过程,作用时间极短,撞击过程中产生大量热量来不及扩散,在撞击局部产生高温。已有研究[22-24]表明,撞击中心处温升高达3000 ℃。玄武岩纤维具有较高的断裂强度和弹性模量,且耐热性能好,软化温度可达到1050 ℃,化学物理稳定性好,在软化温度以下能够保持稳定的力学性能。如图6(e)所示,撞击断裂后的玄武岩纤维仍呈直杆状,并未发生弯折,且纤维束断裂截面趋于规整,说明玄武岩纤维在与高速碎片发生撞击时易发生脆性断裂,随后形成粉末状或极短的纤维,使弹丸碎片破碎的同时不会产生新的二次碎片。

      由纤维材料的性能参数(见表1)可知:芳纶纤维同样具有高强度、高模量,以及与玄武岩纤维相似的断裂伸长率,这3种性能参数的差异不明显;但两种纤维材料的热学性能差异很大,芳纶纤维具有较低的玻璃化转变温度Tg,并且当温度达到其分解温度530 ℃以上时,纤维失去承载能力。观察图6(f)发现,芳纶纤维在撞击断裂后呈现卷曲状态,推测在力和热载荷的共同作用下,纤维内部链段发生取向行为,取向后的材料呈现各向异性,其冲击强度和断裂伸长率在取向方向上显著增加,并且随着取向度的增大而增加。当作用在纤维轴向的拉伸应力大于轴向强度时,纤维发生韧性拉伸断裂和原纤化现象,芳纶纤维的这种失效模式能够吸收弹丸碎片的动能,同时增强对弹丸碎片的拦截作用。

    • 图8所示,弹丸穿透了多屏铝板防护结构的前3屏,第4屏正面出现表面划痕。从表2可以看出,弹丸撞击铝板多屏防护结构时,其发射速度较其他实验组低,可以预测当弹丸发射速度提高到3.8~4.0 km/s范围时,对第4屏的损伤会进一步加大,铝板多屏防护结构的防护效果低于纤维编织材料多屏防护结构。由实验结果可知:玄武岩纤维编织防护屏对弹丸的破碎效果优于芳纶纤维,而芳纶纤维编织材料防护屏对弹丸碎片的动能吸收和拦截作用较好。综合不同纤维编织材料的防护优势以及空间碎片防护结构的防护机理,即前置防护屏破碎弹丸并分散其撞击动能,后置防护屏拦截碎片并吸收碎片动能,如选取实验4的防护屏构型,即玄武岩纤维编织材料防护屏前置,芳纶纤维编织材料防护屏后置,可以取得较好的防护效果。

      图  8  铝板多屏防护结构撞击实验结果

      Figure 8.  Experimental results of Al multilayer structure shields

    • 纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用在柔性充气展开防护结构中,易于构建多屏、大间距的防护结构,提高空间碎片撞击防护效果。本研究考虑了不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了由不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片冲击的防护性能,得到以下结论:(1)在超高速弹丸撞击防护性能方面,与铝板多屏防护结构相比,纤维编织材料多屏防护结构具有较高的碎片撞击防护效果;(2)对纤维编织材料多屏防护结构而言,前两屏为玄武岩纤维编织材料防护屏,后两屏为芳纶纤维编织材料防护屏时,防护性能更好;(3)多屏防护结构中的前置防护屏采用软化(分解)温度较高的无机纤维编织材料防护屏,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能;(4)芳纶纤维在力和热载荷的共同作用下发生取向行为,多发生韧性断裂和原纤化现象,能够有效拦截弹丸碎片,并吸收碎片动能。受实验条件限制,每组实验只进行了一次,若进一步验证软化温度是纤维编织材料防护性能的重要影响因素,仍需要进行更多的实验工作。

参考文献 (24)

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