碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料3.0～6.5 km/s超高速撞擊成坑特性研究*

周智炫，王馬法，李俊玲，馬兆俠

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽(yáng) 621000）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）由于具有密度小、高比強(qiáng)度和比模量、良好的高溫力學(xué)和熱物理性能、非常好的尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在航天器上被廣泛使用，例如航天飛機(jī)艙門、衛(wèi)星本體和天線結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星光學(xué)器件的精密支撐構(gòu)件等。隨著空間環(huán)境的惡化，空間碎片對(duì)航天器的撞擊概率逐漸增大，CFRP 在空間碎片高速、超高速撞擊下的損傷特性也越來(lái)越引起關(guān)注。

Humes采用鋁球、玻璃球、尼龍球/柱彈丸模擬空間碎片對(duì)國(guó)際空間站上使用的增強(qiáng)碳碳復(fù)合材料（reinforced carbon-carbon, RCC）開展了超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了RCC 在超高速撞擊下的損傷情況。Christiansen 等也利用鋁、玻璃、尼龍彈丸開展了對(duì)未覆蓋抗氧化層的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合桁架和SiC 覆蓋的RCC 的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了兩類靶板在超高速撞擊下的典型損傷模式和損傷參量，并建立了預(yù)測(cè)RCC 部分侵徹、完全侵徹、背部層裂等損傷模式的公式。Tennyson 等、 Lamontagne 等針對(duì)航天器上使用的復(fù)合材料開展了100 多次超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，得到了復(fù)合材料在超高速撞擊下較為全面的損傷模式，并以此建立了UTIAS 數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，Lambert 等、Numata 等、Xie 等也開展了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究。然而，由于CFRP 的各向異性，以及碳纖維類型、加工方式等對(duì)材料力學(xué)性能影響較大，且在上述研究中CFRP 厚度大都較?。ㄐ∮? mm），獲取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還不能完全揭示CFRP 的超高速撞擊成坑特性。

本文中，利用二級(jí)輕氣炮開展直徑為1.00～3.05 mm 的鋁球以3.0～6.5 km/s 超高速撞擊CFRP 中厚板的實(shí)驗(yàn)，以獲得碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的成坑形貌和尺寸，揭示典型CFRP 在超高速撞擊下的成坑規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及整體實(shí)驗(yàn)布局如圖1 所示，利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射彈丸，撞擊靶板；利用三站激光測(cè)速裝置獲取彈丸速度，并利用八序列激光陰影成像儀獲取彈丸飛行姿態(tài)和撞靶過(guò)程；采用電子顯微鏡觀測(cè)回收靶板的成坑、損傷特性。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig. 1 Experimental facility

彈丸材料為AL2A12，球形，直徑為1.00、2.00 和3.05 mm，撞擊速度為3.0～6.5 km/s。實(shí)驗(yàn)靶板材料為T300/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，單向內(nèi)編織層合板。靶板材料密度為（1.500±0.015）g/cm，拉伸強(qiáng)度不低于746 MPa，拉伸彈性模量不低于50.5 GPa，壓縮強(qiáng)度不低于337.5 MPa，壓縮彈性模量不低于33.2 GPa，尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。靶板上下表面采用夾具（鋁合金板，中間鏤空）固定，其后間隔40 mm 放置一塊尺寸為200 mm×200 mm×2.5 mm 的驗(yàn)證板，靶板整體裝置如圖2 所示。共開展7 次正撞擊實(shí)驗(yàn)，各次實(shí)驗(yàn)的具體狀態(tài)及測(cè)試得到的速度見表1。

圖2 靶板裝置Fig. 2 Target configuration with a sample inside

表 1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions

2 結(jié)果與分析

2.1 靶板損傷特征

圖3 為7 次實(shí)驗(yàn)中碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在超高速撞擊下的典型損傷特征，如前板成坑、表面分層、剝落、背部纖維布分層等?？梢钥闯?，在超高速撞擊下復(fù)合材料靶板的損傷特征、成坑形貌與金屬材料有較大差異。將靶材的損傷區(qū)域分為周邊材料的損傷區(qū)和中心的成坑區(qū)，如圖4 所示。周邊材料損傷區(qū)的損傷形貌極不規(guī)則，在撞擊點(diǎn)附近基體和纖維布呈現(xiàn)出分層、斷裂、起翹等特征，纖維出現(xiàn)拉絲、斷裂。成坑區(qū)形狀并非金屬靶板的半球形：成坑上層近似成方形；底部由于基體材料脫落，坑壁粗糙、凹凸不平，近似球冠。

圖3 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的超高速撞擊損傷特征Fig. 3 Damage features of carbon fiber/epoxy composite under hypervelocity impact

圖4 成坑區(qū)和損傷區(qū)劃分Fig. 4 Definitions of crater area and damage area

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results

2.2 無(wú)量綱成坑深度

在文獻(xiàn)[4-5]中，Christiansen 等提出的預(yù)測(cè)RCC 在超高速斜撞擊下發(fā)生部分侵徹的侵深經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖5 與Christiansen 實(shí)驗(yàn)[4-5]相比較的成坑深度Fig. 5 Crater depths in comparison with Christiansen experimental data[4-5]

2.3 無(wú)量綱坑徑系數(shù)

超高速碰撞開坑過(guò)程中，無(wú)量綱坑徑系數(shù)/同樣受靶材強(qiáng)度，彈靶材料密度ρ、ρ的影響，符合公式：

當(dāng)彈靶材料固定時(shí)，坑徑系數(shù)/僅與撞擊速度相關(guān)，與坑深類似，坑徑與撞擊速度應(yīng)符合2/3 次冪關(guān)系。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如圖6 所示的曲線，形式為：

圖6 坑徑系數(shù)擬合曲線Fig. 6 Fitting curve of the crater-diameter coefficient

因偏差較大，實(shí)驗(yàn)A01 數(shù)據(jù)在圖6 中被剔除。原因可能有兩方面：(1)該次實(shí)驗(yàn)靶材表面分層起翹但未斷裂，遮蔽了部分成坑區(qū)域；(2)該次實(shí)驗(yàn)中彈丸動(dòng)能較小，成坑尺寸也小，從而導(dǎo)致測(cè)量成坑面積時(shí)誤差過(guò)大。

2.4 表面損傷面積等效直徑

由于碳纖維復(fù)合材料是在多層碳纖維布上壓制或沉積而成，各纖維層、纖維與基質(zhì)之間的空隙、裂縫成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在超高速撞擊下極易發(fā)生裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致層裂，在宏觀上表現(xiàn)出纖維布分層、基質(zhì)碎裂等損傷特征。上述材料特性在靶材損傷特征上體現(xiàn)為相同撞擊條件下靶材表面損傷面積可能會(huì)遠(yuǎn)超金屬材料，因而分析復(fù)合材料的表面損傷面積變化規(guī)律十分有必要。

分析發(fā)現(xiàn)，本文中復(fù)合材料的表面損傷面積等效直徑與彈丸撞擊能量呈冪函數(shù)關(guān)系（擬合曲線見圖7）：

圖7 表面損傷面積等效直徑與彈丸撞擊能的關(guān)系Fig. 7 Equivalent crater diameters of surface-damage area varyied with the impact energy of projectiles

圖7 中剔除了實(shí)驗(yàn)A07 數(shù)據(jù)，原因在于實(shí)驗(yàn)A07 彈丸撞擊能量較大，靶材表面既有分層也有剝落，形態(tài)極不規(guī)則，測(cè)量表面損傷面積時(shí)誤差較大。

利用本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Christiansen 等的正撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看到，Christiansen 等的實(shí)驗(yàn)損傷面積在本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合曲線之下，即靶材表面損傷面積較小。其原因是：Christiansen 等的實(shí)驗(yàn)靶材表面覆蓋了SiC 層，在超高速撞擊過(guò)程中RCC 表面的SiC 層約束了彈丸對(duì)內(nèi)部碳纖維復(fù)合材料的損傷。

2.5 坑形系數(shù)

坑形系數(shù)/是表征超高速撞擊坑的另一個(gè)重要參量。通常將半球坑作為金屬靶超高速碰撞的典型特征，即/趨近于0.5。然而，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的超高速撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（見圖8），/并沒有表現(xiàn)出與金屬靶材相一致的規(guī)律性，尤其是在撞擊速度超過(guò)5.0 km/s 之后，/散布范圍較大，這有可能是由于碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的各向異性所導(dǎo)致。

圖8 坑形系數(shù)p/Dh 隨vi 的變化Fig. 8 Variation of p/Dh with vi

張慶明等認(rèn)為，在彈靶材料不一致時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示坑形與之相差較大，因而采用“各向均勻膨脹說(shuō)”比“半球說(shuō)”更符合實(shí)際情況，其形式可簡(jiǎn)單表達(dá)為：

式中：為彈丸直徑，、分別為彈丸和靶板的強(qiáng)度，(ρ/ρ,/)為無(wú)量綱系數(shù)。根據(jù)的值可以判斷坑的形狀：當(dāng)=0 時(shí)，為半球坑；當(dāng)＜0 時(shí)，坑偏深；當(dāng)＞0 時(shí)，坑偏淺。

利用式(7)處理本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可以看出，在3.0～6.5 km/s 范圍內(nèi)，除了實(shí)驗(yàn)A01 數(shù)據(jù)外，其他實(shí)驗(yàn)條件下均為/＜2/，即＜0，說(shuō)明坑形偏深。

圖9 2p/dp 和Dh/dp 隨vi 的變化Fig. 9 Variations of 2p/dp and Dh/dp with vi

3 結(jié) 束 語(yǔ)

開展了鋁球在3.0～6.5 km/s 速度下對(duì)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了復(fù)合材料在超高速撞擊下的成坑、分層、剝落等典型損傷特征，并與NASA 的復(fù)合材料超高速撞擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了CFRP 在超高速撞擊下的成坑規(guī)律。結(jié)果表明：碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的無(wú)量綱成坑深度/和無(wú)量綱坑徑系數(shù)/均與撞擊速度呈2/3 次冪關(guān)系；表面損傷面積等效直徑與彈丸撞擊能量呈冪函數(shù)關(guān)系；坑深度大于坑半徑。后續(xù)將進(jìn)一步深入研究彈丸材料、靶板材料、尺寸、纖維編織方式等對(duì)CFRP 超高速撞擊成坑的影響。