鋁基復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為背景，設計并制備了2D-fibers/5A06和TiB2/2024復合材料及其復合結構。利用二級輕氣炮、分離式霍普金森壓桿(SHPB)、光學顯微鏡(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)地研究了復合材料薄靶在2.5km/s速度下，粒子直徑為0.8~2.0mm撞擊時的抗高速撞擊能力、靶板宏觀損傷特征及其微觀組織演變規(guī)律，并提出了復合結構材料的設計思路。

2、
　　在高速撞擊作用下，2D-fibers/5A06復合材料薄靶的宏觀損傷由粒子侵徹穿深和背面崩落構成。(2D-Tif)/5A06復合材料靶板破壞以侵徹穿深為主，背面產生了帶裂紋的鼓包或發(fā)生略微崩落；(2D-M40f)/5A06復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，復合材料界面的TiAl擴散層形成TiAl非

3、晶層及非晶－微晶－多晶－β-Ti的過渡帶。高強韌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復合材料在高速粒子撞擊作用下在M40纖維內部形成了大量裂紋，其片層狀結構受到損傷。因 M40纖維和基體合金二者之間的變形失配和低的層間結合強度，在壓縮波和反射拉伸波的作用下，復合材料表現(xiàn)出分層損傷和崩落破壞。兩種復合材料的基體合金在高速粒子撞擊下被嚴重擠壓變形，形成高密度的位錯

4、以及非晶和微晶。在遠離彈坑部位，基體合金變形減小，缺陷以微裂紋和微孔洞為主。
　　TiB2/2024復合材料薄靶的主要損傷特征為背面崩落。隨著增強相含量的增加，TiB2/2024復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?。煌瑫r也導致了復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(應變率：1×103~2×103s-1)，TiB2/2024復合材料的

5、流變應力隨著應變率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在高應變率壓縮過程中，復合材料剪切面上形成絕熱剪切帶，表現(xiàn)為熔融鋁相變帶，其形成機理與塑性變形局域化有關。鋁基復合材料中絕熱剪切帶的演變規(guī)律為：隨著增強相含量和應變率敏感性增加，逐漸由形變帶向相變帶轉變。TiB2/2024復合材料表現(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。隨著應變率的增加，復合材料逐漸由脆性斷裂失穩(wěn)破壞發(fā)展為流變應力軟化誘發(fā)的動態(tài)失穩(wěn)破壞。
　　復合材

6、料的抗撞擊能力與纖維的強塑性相關，同時還與增強相的連續(xù)性相關。高強韌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評價不同破壞特征的復合材料的抗高速撞擊能力，在2.5km/s條件下，幾種復合材料的抗高速撞擊能力高低順序為：(2D-Tif)/5A06、TiB2/2024、5A06、(2D-M40f)/5A06。本文提出了復合結構的設計思路，即高低阻抗材料層疊排