不同金屬鍍層單晶硅靶板的沖擊受力特性

代鋒琪,劉雙杰,郝永平,,劉鳳麗

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159;2.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159)

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)的微型化對(duì)國(guó)防領(lǐng)域武器裝備,尤其是對(duì)彈藥的起爆控制裝置——引信的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用,為引信的發(fā)展提供了更多的空間,使引信能在有限的空間范圍內(nèi)有更多的空間來(lái)容納傳感器以及一些其他部件,引信功能從傳統(tǒng)的機(jī)械化朝著智能化、電子化、集成化以及小型化的方向發(fā)展。同時(shí)近些年的研究成果表明,微機(jī)電系統(tǒng)安全與解除隔離裝置具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),顯著減小了結(jié)構(gòu)尺寸,為附加功能提供了空間[1]。在設(shè)計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)過(guò)程中,常使用單晶硅材料作為基底,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠使器件具有小型化和集成化的特點(diǎn),但在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,受限于硅材料強(qiáng)度不足的特性(易碎性),這些器件在阻擋爆炸、抗過(guò)載性能時(shí)很難保持完整[2-4]。

對(duì)于硅基微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)安全與解除隔離裝置,引信在起爆環(huán)境中無(wú)法隔離異常輸出,對(duì)人員造成危害。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于解決硅基抗沖擊性能的研究并不多。20世紀(jì)末期開始,國(guó)外學(xué)者主要是針對(duì)微硅結(jié)構(gòu)作拉伸、彎曲斷裂等基本研究,根據(jù)數(shù)據(jù)分析硅的斷裂機(jī)理[5-7]。文獻(xiàn)[8]中就提到拋光梁表面的氧化導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度比原始強(qiáng)度提高15%～20%,并指出不同涂層對(duì)單晶硅斷裂強(qiáng)度力學(xué)性能的影響不同,部分鍍層具有增強(qiáng)效果。隨后,文獻(xiàn)[9]在研究Ti濺射在單晶硅上的斷裂性能中發(fā)現(xiàn),單晶硅的斷裂與其本身的裂紋有極大關(guān)聯(lián),對(duì)其結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行修復(fù),能夠達(dá)到一定的韌性增強(qiáng)效果,與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果類似。國(guó)內(nèi)研究了銀、銅、鎳和聚酰亞胺(PI)薄膜對(duì)硅基材料爆炸沖擊性能的影響,得出鍍層金屬對(duì)硅基材料具有一定的抑爆抗沖擊效果[10]。

從已有的研究成果來(lái)看,鍍層可以對(duì)單晶硅表面進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)鍍層對(duì)硅靶板力學(xué)性能具有一定的影響。本文結(jié)合金屬具有一定沖擊韌性的特點(diǎn),開展單晶硅在金屬鍍膜后耦合力學(xué)性能的理論分析與仿真測(cè)試研究,應(yīng)用LS-DYNA 有限元軟件對(duì)不同金屬鍍層的金屬鍍層-單晶硅耦合模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,總結(jié)不同金屬對(duì)單晶硅材料抗沖擊性能的影響。為硅微結(jié)構(gòu)在高過(guò)載態(tài)環(huán)境下可靠使用提供理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)參照,以滿足單晶硅材料的在武器設(shè)計(jì)過(guò)程中的使用需求。

1 理論分析

沖擊載荷對(duì)靶板受力影響涉及撞擊體速度和靶板厚度等多個(gè)物理量參數(shù),通過(guò)設(shè)定撞擊體對(duì)復(fù)合靶板垂直沖擊,保證相同的碰撞速度。同時(shí)為保證具有相同的靶板厚度,對(duì)單晶硅靶板進(jìn)行相同厚度的鍍層處理,以單晶硅鍍層(下文稱Si鍍層)作對(duì)照組,金屬鍍層作實(shí)驗(yàn)組。圖1所示的模型簡(jiǎn)圖,未對(duì)撞擊體進(jìn)行剛性設(shè)置,以便模擬真實(shí)情形。由于撞擊體在垂直沖擊復(fù)合靶板時(shí)受力變形,靶板內(nèi)受沖擊波、正應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力,對(duì)照組靶板的破壞形式大致為錐形,如圖1(b),實(shí)驗(yàn)組靶板受力發(fā)生流動(dòng)變形,如圖1(c)。

圖1 撞擊體沖擊靶板簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of impactor impacting the target plate

1.1 撞擊體的動(dòng)力學(xué)計(jì)算

撞擊體在沖擊靶板時(shí),主要分為塑性變形區(qū)與剛性未變形區(qū),剛性區(qū)受力為σpA0,運(yùn)動(dòng)方程為[11]

(1)

假設(shè)材料不可壓縮,由體積不變,質(zhì)量相等:

(2)

假設(shè)塑性變形區(qū)內(nèi)的速度呈線性分布,變形區(qū)的動(dòng)量:

(3)

式中:Dp為變形處最大直徑。

1.2 對(duì)照組靶板受力計(jì)算

由于單晶硅為脆性材料,破壞效應(yīng)與陶瓷類似,參考陶瓷在沖擊力作用下的破壞形式,不會(huì)發(fā)生類似金屬材料一樣的擠壓變形,而是產(chǎn)生如圖1(b)所示的錐形面[12]。根據(jù)Wilkins[13]的結(jié)論,破碎單晶硅的強(qiáng)度Yc為

(4)

式中:u0為撞擊體的初始速度,即u0=u|t=0。

(5)

1.3 實(shí)驗(yàn)組硅靶板的受力計(jì)算

假設(shè)在沖擊金屬鍍層時(shí),金屬層受力屈服變形,底部硅板不發(fā)生受力變形,發(fā)生屈服變形做功由Woodward R L[14]結(jié)論變形可得

(6)

式中:hj為金屬鍍層屈服厚度,hj=b,δ為變形位移,Yj為金屬動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。

金屬在變形時(shí)受到的外力做功為

(7)

通過(guò)理論分析實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組靶板受力可知,作用在單晶硅靶板上的應(yīng)力值大小與鍍層材料的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力相關(guān)。下面結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果,進(jìn)一步分析金屬鍍層是否影響單晶硅靶板受力。

2 有限元模型

單晶硅板是脆性材質(zhì),在受到較大沖擊力時(shí)不會(huì)發(fā)生較大的塑性變形,直接產(chǎn)生破裂損壞。本動(dòng)態(tài)響應(yīng)目的是觀察鍍膜后單晶硅板應(yīng)力情況,采取ALE (arbitrary Lagrange-Euler)算法進(jìn)行建模,基于LS-DYNA建立了金屬-單晶硅復(fù)合模型,模型見圖2。模型采用圓形靶板設(shè)計(jì),對(duì)于邊界進(jìn)行非反射邊界定義,消除反射應(yīng)力波對(duì)模型計(jì)算產(chǎn)生的干擾。撞擊體與靶板、金屬鍍層與靶板之間均采用面面侵蝕接觸算法計(jì)算(*CONTACT-ERODING-SURFACE-TO-SURFACE)[15],金屬鍍層網(wǎng)格與單晶硅板網(wǎng)格采用共節(jié)點(diǎn)處理,預(yù)達(dá)到布爾運(yùn)算粘接效果[8]。

圖2 金屬-硅基復(fù)合模型Fig. 2 Metal-silicon matrix composite model

采用Johnson-Cook[16]材料模型對(duì)撞擊體與金屬鍍層進(jìn)行材料屬性定義,使用Gruneisen狀態(tài)方程描述特性,材料部分參數(shù)見表1。選用Johnson-Holmquist-Ceramics(JH-2)作為單晶硅材料的材料模型[17],因?yàn)樵撃Ｐ瓦m合描述高應(yīng)變率條件下硬脆材料的本構(gòu)關(guān)系,條件模擬非彈性結(jié)構(gòu)如陶瓷、玻璃等,能夠計(jì)算發(fā)生在這個(gè)區(qū)域的剪切、開裂情況。

表1 材料參數(shù)[18]Tab.1 Material parameters

JH-2模型計(jì)算脆性物質(zhì)損傷程度中,等效應(yīng)力σ*計(jì)算為

(8)

單晶硅無(wú)損傷時(shí)強(qiáng)度計(jì)算為

(9)

受壓力表示為

P=K1μ+K2μ2+K3μ3+ΔP,

(10)

式中:K1,K2,K3為常數(shù),μ為壓力系數(shù)。

3 仿真結(jié)果及驗(yàn)證

硅微結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊加速度引起的彎曲應(yīng)力有較強(qiáng)的抵抗作用,不太可能因超過(guò)屈服強(qiáng)度而直接斷裂,而是撞擊其他部件或襯底時(shí)產(chǎn)生的較大接觸應(yīng)力而破壞[19],因此在仿真計(jì)算過(guò)程中將撞擊硅微結(jié)構(gòu)襯底的動(dòng)態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)換成受沖擊作用。由于硅基安解裝置在引信中起到隔離異常輸出的作用,因此選擇93式60 mm迫擊炮發(fā)射參數(shù)作為參考量進(jìn)行仿真計(jì)算,由于該式迫擊炮出膛口速度約300 m/s,膛內(nèi)加速度作用時(shí)長(zhǎng)略大于0.01 s,因此,設(shè)定撞擊體沿z軸以100,200,300 m/s三種速度垂直沖擊復(fù)合靶板,沖擊時(shí)長(zhǎng)0.02 s,檢驗(yàn)復(fù)合靶板在不同沖擊環(huán)境中應(yīng)力變化。

復(fù)合靶板在受到?jīng)_擊載荷的作用下,撞擊體受力變形所以會(huì)使靶板中心產(chǎn)生較大的應(yīng)力,形狀近似圓形。在沖擊過(guò)程中,鍍層面最先受力,鍍層材料的性質(zhì)直接影響單晶硅靶板的受力情況。如對(duì)照組Si鍍層靶板受力見圖3,由于Si材料的斷裂強(qiáng)度高、不易發(fā)生變形,受沖擊的Si鍍層將壓力直接傳遞給靶板,因此靶板表面出現(xiàn)較大面積的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖3 Si鍍層靶板側(cè)面應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of Si-coated silicon target plate

Ag鍍層靶板受力見圖4,應(yīng)力分布較為均勻,與對(duì)照組相比靶板面上存在較小區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象,但靶板應(yīng)力分布的深度較深。

圖4 Ag鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of Ag-coated silicon target plate

Al鍍層靶板受力見圖5,圖5(c)存在不連續(xù)分布的應(yīng)力集中現(xiàn)象,顏色深度淺于對(duì)照組。同時(shí),應(yīng)力分布隨沖擊速度增加逐漸加深。

圖5 Al鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of Al-coated silicon target plate

Cu鍍層靶板受力見圖6,圖中靶板在300 m/s速度的沖擊作用下,靶板存在多處小區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象,分布在靶板內(nèi)部與靶板表面。

圖6 Cu鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of Cu-coated silicon target plate

Ni鍍層靶板受力見圖7,Ni鍍層靶板在300 m/s沖擊速度作用下,應(yīng)力分布同Cu鍍層靶板類似,但該鍍層靶板內(nèi)部無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖7 Ni鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of Ni-coated silicon target plate

Ti鍍層靶板受力見圖8,圖中Ti鍍層靶板在3種沖擊速度下均未出現(xiàn)較大區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力分布狀態(tài)同Ag鍍層靶板類似。

圖8 Ti鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of Ti-coated silicon target plate

W鍍層靶板受力見圖9,W鍍層靶板在3種沖擊下靶板內(nèi)部出現(xiàn)小區(qū)域應(yīng)力集中,分布在靶板表面及下方,同時(shí)與Ag,Ti鍍層相似,3種情況下均具有較深的應(yīng)力分布。

圖9 W鍍層硅靶板應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of W-coated silicon target plate

圖10為在不同速度的沖擊環(huán)境下,各鍍層靶板上呈現(xiàn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力值變化。由圖10(a)可知,在100 m/s速度沖擊下,對(duì)照組Si鍍層靶板應(yīng)力峰值最大、出現(xiàn)最早,與實(shí)驗(yàn)組相比,其應(yīng)力曲線變化較快。其中,Ag鍍層靶板應(yīng)力峰值出現(xiàn)最晚,Al鍍層靶板應(yīng)力峰值最小。由圖10(b)可知,在200 m/s速度沖擊下,實(shí)驗(yàn)組中應(yīng)力峰值最大的為Cu鍍層靶板,但與對(duì)照組Si鍍層相比仍小于其應(yīng)力值,同時(shí),實(shí)驗(yàn)組峰值均遲于對(duì)照組峰值,Ag鍍層靶板應(yīng)力峰值出現(xiàn)最晚。由圖10(c)可知,在300 m/s速度沖擊下,實(shí)驗(yàn)組中不同金屬鍍層靶板應(yīng)力變化近似,應(yīng)力峰值大小相近,均小于對(duì)照組Si鍍層。

圖10 靶板應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.10 Dynamic response of target plate stress

圖10表明單晶硅靶板表面鍍金屬層可以有效地吸收沖擊能量,同時(shí)最大應(yīng)力與鍍膜材料性能有關(guān),在同樣大小的沖擊波下,不同金屬對(duì)能量的吸收也不同。

撞擊體以不同速度沖擊靶板,模擬的最大應(yīng)力值與理論計(jì)算得到的最大應(yīng)力值如表2所示。表中鍍層靶板模擬值與理論值的誤差量在28%以內(nèi),說(shuō)明模擬值與理論值趨勢(shì)基本吻合,其中該誤差量較大的原因可能在于理論計(jì)算過(guò)程中忽略了摩擦力做功、仿真模擬過(guò)程中網(wǎng)格劃分不夠精細(xì)等因素[20]。對(duì)不同沖擊條件下的最大應(yīng)力值分析比較可以發(fā)現(xiàn),對(duì)照組Si鍍層靶板在3種情況下應(yīng)力值均最大;同時(shí),在100 m/s的沖擊速度下,Al鍍層靶板應(yīng)力值最小,200 m/s的沖擊速度下,W鍍層靶板應(yīng)力值最小,300 m/s的沖擊速度下,Al鍍層靶板應(yīng)力值最小。

表2 不同速度沖擊下靶板最大應(yīng)力模擬值與理論值Tab.2 Maximum stress of target plate under impact at different velocities Simulation value and theoretical value

撞擊體在沖擊復(fù)合靶板的過(guò)程中,靶板的背面應(yīng)力會(huì)受到?jīng)_擊后產(chǎn)生的應(yīng)力波和殘余應(yīng)力的影響,如圖3—圖9的效果。這些應(yīng)力波和殘余應(yīng)力會(huì)從撞擊位置開始向靶板內(nèi)部和外部傳播,導(dǎo)致靶板的變形和應(yīng)力集中。因此,對(duì)比復(fù)合靶板3種環(huán)境下靶板背面應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)同樣能夠說(shuō)明復(fù)合靶板的抗沖擊性能。

通過(guò)分析不同沖擊速度下靶板背面應(yīng)力動(dòng)態(tài)圖(圖11)和靶板背面最大應(yīng)力值(表3)可知,在100 m/s的速度沖擊下,對(duì)照組Si鍍層靶板背面動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值最大,Ti鍍層應(yīng)力峰值最小。與對(duì)照組Si鍍層相比,實(shí)驗(yàn)組中Cu,Ag,W鍍層展現(xiàn)出了較好的延遲沖擊力傳遞的效果,如圖11(a)所示。

表3 不同速度沖擊下靶板背面最大應(yīng)力值對(duì)比Tab.3 Comparison of the maximum stress values on the back of the target plate under impact at different speeds

圖11 靶板背面應(yīng)力動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.11 Dynamic response of stress on the back of the target plate

在200 m/s的速度沖擊下,實(shí)驗(yàn)組中Ag鍍層靶板背面的應(yīng)力峰值最小、出現(xiàn)最晚,展現(xiàn)了較好的延遲沖擊力傳遞的效果,在此條件下,對(duì)照組Si鍍層靶板背面動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值仍最大,如圖11(b)所示。

在300 m/s的速度沖擊下,Si鍍層靶板背面動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值仍為最大,Ag鍍層展現(xiàn)了與圖11(b)中相同的抗沖擊效果,Al,Cu,Ni,Ti金屬鍍層靶板背面動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化曲線基本一致,如圖11(c)所示。

4 結(jié)論

本文分析討論了鍍層對(duì)單晶硅靶板受力情況的影響,在Si鍍層靶板做為對(duì)照組的前提下,對(duì)不同的金屬鍍層進(jìn)行有限元仿真模擬,確定了6種不同性質(zhì)的金屬對(duì)單晶硅靶板正、背部沖擊受力的影響。結(jié)果表明:

1) 金屬鍍層能夠減小出現(xiàn)在單晶硅靶板上應(yīng)力集中區(qū)域的面積,其中在100,200,300 m/s速度沖擊下Al鍍層、Ni鍍層、Ti鍍層分別表現(xiàn)出比其他金屬鍍層更好的效果。

2) 金屬鍍層能夠影響作用在單晶硅靶板正、背部沖擊力的大小,延遲應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間,其中在100 m/s速度沖擊下Cu鍍層、Ti鍍層分別對(duì)靶板正、背面的影響效果更好,Ag鍍層在200,300 m/s速度沖擊下均具有較好的效果。