二维平纹编织C／SiC复合材料的超高速碰撞实验＊

杨 扬，徐 绯，张岳青，莫建军，陶彦辉

（1.西北工业大学航空学院结构工程系，陕西 西安 710072；2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900）

绕地轨道上运行的众多航天器在通讯中继、定位导航、科学研究、国家安全等领域扮演着极其重要的角色，然而，这些航天器在发射和运行过程中，由于各种原因所产生的大量空间碎片正在严重威胁着人类航天活动的安全。空间碎片以超高速运动撞击到航天器，会在航天器表面留下凹坑和伤痕，甚至会造成灾难性的后果。目前，对于直径10cm以上的空间碎片，航天器可采取主动规避方式予以防护；但是，对于众多的厘米级大小及更小的空间碎片，航天器已无法避免与其碰撞，只能通过加强自身防护能力的被动防护方式来应对，这就对航天器防护系统的研究提出了很高的要求［1］。

航天器防护系统的基础就是防护材料，面对复杂的空间环境，研究具有高比强度的结构材料，开展材料在航天器服役环境下的力学特性与使役行为研究变得更加重要。碳纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（C／SiC）克服了传统陶瓷材料脆性大和可靠性差的弱点，具有高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化和低密度等许多优点，在飞行器耐超高温部件设计、航空与航天发动机和热防护系统等领域具有广阔的应用前景［2］，但是针对其抗冲击能力的研究尚未见报道。

根据碳纤维编织形式的不同，C／SiC复合材料主要分为二维平纹编织C／SiC复合材料（2D－C／SiC）和三维编织C－SiC复合材料（3D－C／SiC）。近年来，对3D－C／SiC的力学性能［3－6］以及超高速冲击下的力学特性和破坏机理［7］有一些研究。但是，对2D－C／SiC的研究并不多见，已有的结果仅限于对其宏观拉压性能［8］、剪切性能［9］和疲劳性能［10］的研究。

本文中，拟对2D－C／SiC材料的抗冲击能力进行实验，并在同等条件下与LY12硬铝薄板实验进行对比分析。

1 实 验

利用金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜飞片产生短脉冲冲击波的加载技术（电炮），结合光纤位移干涉仪、高压探头等光电子学测试手段，对2D－C／SiC材料在超高速飞片碰撞作用下的力学响应问题进行了实验研究，获得了超高速飞片碰撞下LY12硬铝和2D－C／SiC材料自由面速度历程，并对实验样品和碎片云进行了采集。

1.1 实验设备

1.1.1 加载装置

2D－C／SiC材料超高速冲击实验在高性能电炮装置上进行，该电炮装置主要由储能电容器、平板传输线、能量转换开关、爆炸桥箔负载等部件组成。电路原理如图1（a）所示，主要性能参数为：电容器电容31.8μF，回路电阻11mΩ，短路回路电感49nH，放电周期7.9μs；核心部件爆炸桥箔板的结构如图1（b）所示，大小为12.5mm×12.5mm×0.05mm；有机玻璃加速腔尺寸为∅10mm×4mm。

图1 电炮示意图Fig.1 Sketch of the electrical gun

电炮的基本工作原理是：开关接通后，储存在电容器里的能量开始释放，回路产生较大的电流。当大电流经过加载区时，搭接在桥箔板的金属箔由于横截面积最小，导致线电流密度急剧增大，使桥箔板的金属箔快速发生固体→液体→气体相变，进而被两端的高压击穿形成等离子体，等离子体膨胀推动置于金属箔上的聚酯薄膜经有机玻璃加速腔边界切割形成飞片，飞片在加速腔中加速一定距离后达到最大速度，最终撞击靶板［11］。

1.1.2 测速装置

实验中靶板材料的自由面速度利用全光纤位移干涉仪系统（Doppler pins system，DPS）测量，其基本原理是利用光学多普勒效应实现对速度的测量。发射器发出2束单一频率f0的激光，一束直接到达接收器，另一束通过光学探头垂直照射到待测物体表面，经物体反射后传回接收器。此时，当物体相对探头运动时，反射光频率会发生改变，根据接收器收到的频率变化可以计算出物体的运动速度［12］，其基本原理如图2所示。

在实验中，由于2D－C／SiC表面反光效果较差，无法满足光纤位移干涉仪的测量条件，因此需要在靶板（包括铝板）背部自由面粘贴厚度8μm的铝膜，通过测量实验过程中铝膜自由面速度可以推出靶材的自由面速度。

图2 DPS原理图Fig.2 Schematic diagram of DPS

1.2 实验材料

由于加载装置的要求，实验中的弹丸选用∅10mm×0.1mm的聚酯薄膜（mylar）飞片，质量约0.01g，密度1.38～1.4g／cm3，拉伸强度可达200MPa，弹性模量在4GPa以上，飞片的表面平整度小于25ns。

实验采用2D－C／SiC材料，厚3mm，密度2.0～2.1g／cm3，制备完成后切割成115mm×115mm的正方形薄板作为实验靶板，铝板选用普通的硬铝LY12材料。

选用厚5mm的聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫板作为采集板，主要用于在靶材后方的固定距离处接受碎片云团的轰击。PMI泡沫塑料是一种轻质、闭孔的硬质泡沫塑料，具有良好的力学性能、热变形温度和化学稳定性，可使得冲击产生的碎片较易嵌入其中，便于后续测量和数据分析。

1.3 实验计划

Mylar飞片超高速撞击2DC／SiC靶板和LY12硬铝靶板实验分为2大类：（1）收集类，飞片超高速撞击靶板，形成碎片云团轰击PMI采集板；（2）测速类，利用DPS系统测量飞片撞击靶板时自由面碎片的脱靶速度。PMI采集板距靶材背面70mm，飞片冲击速度3.4～9.5km／s。受实验条件限制，收集实验和测速实验不能同时进行。具体实验参数如表1所示，表中vp为弹丸速度，Ep为弹丸能量。

表1 超高速碰撞实验参数Table1 Hypervelocity impact experiment parameters

2 实验结果与分析

实验阶段，利用电炮加载装置共完成10发超高速撞击实验，其中2D－C／SiC材料6发，铝板4发。在后续分析阶段，主要完成3项工作：（1）测定靶板在超高速mylar飞片冲击时，背部自由面碎片的脱靶速度；（2）在靶板后方固定距离处设置采集板，接受碎片云团轰击，收集碎片颗粒；（3）观测2D－C／SiC靶板在超高速冲击下的损伤情况和穿孔形貌。下面依次对上述3点内容进行分析说明。

2.1 自由面速度

图3 靶板自由面速度历程Fig.3 Velocity histories of the free surface

共完成5发测速实验，其中2D－C／SiC板3发，铝板2发。DPS可以获得靶板背部所粘贴铝膜自由面的速度历程，图3中给出了冲击速度5km／s时2D－C／SiC板和Al板自由面速度历程曲线，图中U表示电炮加载时的充电电压。从图中可以看出，当靶材受到mylar飞片撞击后，2D－C／SiC板被穿透，初始应力波传播到靶板背面时即引起铝膜损坏，无法测得反向拉伸波；而对于Al板，则存在明显的应力波反射现象，进而在Al板背面产生层裂片飞出。因此，根据应力波传播原理和动量定理，在利用上述铝膜自由面的速度历程曲线计算靶材背部碎片脱靶速度时，应该将Al板的实测速度取2倍处理。

图4 靶板自由面速度变化曲线Fig.4 Velocity curves of the free surface

图4中给出了2D－C／SiC靶材和硬铝LY12自由面速度的比较曲线，从图中可以看出：（1）随着冲击能量的增大，2D－C／SiC靶板自由面碎片速度逐渐升高，但增大趋势逐渐减小；（2）在同样能量的冲击下，Al板碎片速度大于2D－C／SiC板自由面速度，这说明相与Al相比，2D－C／SiC板背部碎片云团整体能量较低。

2.2 碎片云分析

当超高速飞片撞击薄靶板时，由于靶内压缩波和拉伸波的共同作用，靶板会出现层裂，形成固体颗粒。当碰撞速度足够高时，这些碎裂的固体颗粒大部分会以一定的形态向前抛出，轰击靶板正后方70mm处放置的PMI泡沫板，根据泡沫板上颗粒和成坑的分布可以测量碎片云分布区域。由于实验中采用的mylar膜弹片很薄，并且mylar膜强度、熔点都很低，在撞击的高压作用下易发生相变，极难形成碎片而进入碎片云中。因此，不妨假设碎片云中仅含有靶材碎片，而没有弹丸碎片。碎片云PMI采集板如图5所示。

图5 碎片颗粒采集板Fig.5 Collector plates of the fragments

通过观察PMI采集板上的颗粒分布情况可以大致推测碎片云团的组分构成。在碎片云团中心，靶材粉末化效应比较严重；随着碎片云分散角的逐渐增大，靶材粉末化效应逐渐减轻，碎片颗粒直径逐渐增大，颗粒分布从中心向外渐变。

若假设2D－C／SiC薄板碎片云团呈圆锥状分布，可以通过测量PMI板上碎片颗粒的分布区域直径D确定碎片云团在后板上的作用区域，测量结果如表2所示；依据表中数据，为了便于观察变化规律，给出碎片云团在后板作用区域直径随冲击速度的变化曲线，如图6所示。

由图6可以看出：随着冲击速度的增大，碎片作用区域直径逐渐增大，但变大的速度逐渐减小；与Al板相比，2D－C／SiC板碎片作用区域较大，这说明对于相同能量的冲击，2D－C／SiC板的碎片云团能量更为分散。另一方面，由2.1节的分析已经知道，在相同能量的冲击下，2D－C／SiC板较Al板而言，碎片云团能量较低。因此综合而言，对于相同能量的冲击，2D－C／SiC板产生的碎片云团作用于被防护的飞行器主壳体单位面积上的能量要远小于Al板的碎片云团，对飞行器主壳体的威胁大大减小。

图6 碎片分布域直径Fig.6 Diameter of fragment distribution area

表2 碎片云作用域直径Table2 Diameter of debris cloud scope

2.3 损伤情况分析

为了更加准确地获取实际损伤范围，对实验靶材进行了超声波无损检测。采用水浸式ULTRAPAC自动超声扫描检测系统进行检测，根据经验，对于孔隙率较高的2D－C／SiC使用频率为5MHz的探头。对不同冲击速度下每个靶板的正面与背面分别进行了扫描，图7中给出了5.0km／s冲击速度下靶板的冲击图片和C扫描损伤检测结果。

从图7可以看出：靶板上有明显的辐射状痕迹，这是mylar膜飞片在高速撞击靶板时发生了瞬间相变，产生的高压气体快速流动所致；超高速冲击载荷的作用使得2D－C／SiC材料出现了明显的碎片剥落，穿孔周围编织状碳纤维暴露出来。

图7 损伤形貌及无损检测结果Fig.7 Results of damage morphology and non destructive inspection

图7图例中的不同颜色表示探头接收到的回波能量占原始探头所发射入射波能量的百分比，即试样的损伤程度。图上中心白色区域表示探头没有收到回波信号，这是超高速冲击造成靶材中心穿孔和穿孔周边的材料剥落造成的；在白色区域周围，存在一个损伤程度逐渐减轻的宽度较小的过渡带，分层是这一过渡带区域内主要的损伤形式；远离冲击点出现的损伤，除了超声检测过程中噪声的影响，靶材内部的大量孔隙以及纤维编织造成的表面粗糙度较大是造成这一现象的主要原因。与文献［13］的低速落锤冲击研究结果类似，在超高速冲击载荷作用下，2D－C／SiC板的损伤一般只会发生在以载荷作用点为中心的局部范围内。

3 结 论

利用电炮加载mylar膜飞片完成了2D－C／SiC复合材料的超高速冲击实验。实验结果分析表明：一方面，在超高速冲击载荷作用下，随着冲击能量的增大，2D－C／SiC材料自由面速度逐渐升高，损伤局部，损伤面积逐渐增大，碎片云团作用区域逐渐变大；另一方面，与铝板相比，2D－C／SiC材料碎片云团整体能量较小，作用区域较大，能量面密度较低，大大减小对防护对象的破坏，是航天器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。

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