鋁基復(fù)合材料在高速粒子撞擊作用下的損傷行為.pdf

1、本文以艙外航天服等微型航天器空間碎片防護(hù)為背景，設(shè)計(jì)并制備了2D-fibers/5A06和TiB2/2024復(fù)合材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)。利用二級(jí)輕氣炮、分離式霍普金森壓桿(SHPB)、光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和高分辨電鏡(HREM)等多種手段系統(tǒng)地研究了復(fù)合材料薄靶在2.5km/s速度下，粒子直徑為0.8~2.0mm撞擊時(shí)的抗高速撞擊能力、靶板宏觀損傷特征及其微觀組織演變規(guī)律，并提出了復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)思路。

2、
　　在高速撞擊作用下，2D-fibers/5A06復(fù)合材料薄靶的宏觀損傷由粒子侵徹穿深和背面崩落構(gòu)成。(2D-Tif)/5A06復(fù)合材料靶板破壞以侵徹穿深為主，背面產(chǎn)生了帶裂紋的鼓包或發(fā)生略微崩落；(2D-M40f)/5A06復(fù)合材料以背面崩落損傷為主，且隨著粒子直徑的增加崩落損傷區(qū)的直徑不斷增大。
　　(2D-Tif)/5A06復(fù)合材料在絕熱溫升影響作用下彈坑區(qū)域組織發(fā)生了相變，復(fù)合材料界面的TiAl擴(kuò)散層形成TiAl非

3、晶層及非晶－微晶－多晶－β-Ti的過(guò)渡帶。高強(qiáng)韌Ti纖維的加入起到了承載和吸能作用，有效減緩了基體合金的變形，抑制了絕熱剪切帶的形成。(2D-M40f)/5A06復(fù)合材料在高速粒子撞擊作用下在M40纖維內(nèi)部形成了大量裂紋，其片層狀結(jié)構(gòu)受到損傷。因 M40纖維和基體合金二者之間的變形失配和低的層間結(jié)合強(qiáng)度，在壓縮波和反射拉伸波的作用下，復(fù)合材料表現(xiàn)出分層損傷和崩落破壞。兩種復(fù)合材料的基體合金在高速粒子撞擊下被嚴(yán)重?cái)D壓變形，形成高密度的位錯(cuò)

4、以及非晶和微晶。在遠(yuǎn)離彈坑部位，基體合金變形減小，缺陷以微裂紋和微孔洞為主。
　　TiB2/2024復(fù)合材料薄靶的主要損傷特征為背面崩落。隨著增強(qiáng)相含量的增加，TiB2/2024復(fù)合材料抗粒子侵徹穿深能力提高，使得靶板正面坑寬和坑深尺寸不斷減??；同時(shí)也導(dǎo)致了復(fù)合材料抗崩落能力的下降，使得背面崩落損傷區(qū)直徑不斷增加。
　　在分離式Hopkinson壓桿壓縮時(shí)(應(yīng)變率：1×103~2×103s-1)，TiB2/2024復(fù)合材料的

5、流變應(yīng)力隨著應(yīng)變率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在高應(yīng)變率壓縮過(guò)程中，復(fù)合材料剪切面上形成絕熱剪切帶，表現(xiàn)為熔融鋁相變帶，其形成機(jī)理與塑性變形局域化有關(guān)。鋁基復(fù)合材料中絕熱剪切帶的演變規(guī)律為：隨著增強(qiáng)相含量和應(yīng)變率敏感性增加，逐漸由形變帶向相變帶轉(zhuǎn)變。TiB2/2024復(fù)合材料表現(xiàn)出混合斷裂特征，包括顆粒的斷裂和鋁合金基體軟化/熔化。隨著應(yīng)變率的增加，復(fù)合材料逐漸由脆性斷裂失穩(wěn)破壞發(fā)展為流變應(yīng)力軟化誘發(fā)的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)破壞。
　　復(fù)合材

6、料的抗撞擊能力與纖維的強(qiáng)塑性相關(guān)，同時(shí)還與增強(qiáng)相的連續(xù)性相關(guān)。高強(qiáng)韌Ti纖維的加入有助于提高基體合金的抗撞擊能力，而高模量M40纖維的加入?yún)s降低了基體合金的抗撞擊能力。本文提出采用平均吸能性能來(lái)評(píng)價(jià)不同破壞特征的復(fù)合材料的抗高速撞擊能力，在2.5km/s條件下，幾種復(fù)合材料的抗高速撞擊能力高低順序?yàn)椋?2D-Tif)/5A06、TiB2/2024、5A06、(2D-M40f)/5A06。本文提出了復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，即高低阻抗材料層疊排