二维平纹编织CSiC的超高速碰撞实验

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1、第３３卷第２期爆炸与冲击Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２２０１３年３月ＥＸＰＬＯＳＩＯＮＡＮＤＳＨＯＣＫＷＡＶＥＳＭａｒ．，２０１３文章编号：１００１－１４５５（２０１３）０２－０１５６－０７二维平纹编织Ｃ／ＳｉＣ复合材料＊的超高速碰撞实验杨扬１，２，徐绯１，张岳青１，莫建军３，陶彦辉３（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）摘要：利用电炮加载聚酯薄膜飞片分别对二维平纹编织Ｃ／ＳｉＣ复合材料（２Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ）和

2、ＬＹ１２硬铝材料在３．４～９．５ｋｍ／ｓ速度下进行碰撞实验。利用光纤位移干涉仪测定了靶材的自由面速度，并对高速撞击碎片颗粒进行了收集，采用超声波扫描系统无损检测等方法对２Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ材料在超高速冲击载荷作用下的力学响应进行了检测。结果表明，随着冲击能量的增大，２Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ材料板自由面速度逐渐升高，损伤局部且面积逐渐增大，碎片云团作用区域逐渐变大。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，是飞行器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。关键词：爆炸力学；超高速碰撞；电炮；二维平纹编织Ｃ／ＳｉＣ复合材料

3、；碎片云中图分类号：Ｏ３８３国标学科代码：１３０３５文献标志码：Ａ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［１］力的被动防护方式来应对，这就对

4、航天器防护系统的研究提出了很高的要求。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［２］用前景，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／Ｓｉ

5、Ｃ）［３－６］和三维编织Ｃ－ＳｉＣ复合材料（３Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ）。近年来，对３Ｄ－Ｃ／ＳｉＣ的力学性能以及超高速冲击下的力［７］学特性和破坏机理有一些研究。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［８］［９］［１０］压性能、剪切性能和疲劳性能的研究。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、＊收稿日期：２０１１－１２－０１；修回日期：２０１２－０６－０６基金项目：国家

6、自然科学基金重点项目（９０９１６０２７）；爆炸科学与技术国家重点实验室开放基金项目（ＫＦＪＪ１２－１４Ｍ）作者简介：杨扬（１９８６—），男，博士研究生。第２期杨扬等：二维平纹编织Ｃ／ＳｉＣ复合材料的超高速碰撞实验１５７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

7、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．１Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｇｕｎ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

8、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