第一作者管公順男，博士，教授，1969年生

鋁球彈丸高速撞擊表面陶瓷化鋁板防護結(jié)構(gòu)實驗研究

管公順，畢強，張羽

(哈爾濱工業(yè)大學航天學院航天工程系，哈爾濱150080)

摘要：基于陶瓷化鋁板設(shè)計了單層防護屏結(jié)構(gòu)和雙層防護屏結(jié)構(gòu)，利用二級輕氣炮對其進行高速撞擊實驗。用于模擬空間碎片的2017鋁球彈丸直徑分別為3.97 mm和6.35 mm，撞擊速度為1.64～4.96 km/s。分析了鋁板表面陶瓷層對防護結(jié)構(gòu)高速撞擊損傷及防護性能的影響。結(jié)果表明：防護屏表面的陶瓷層可使單層防護屏結(jié)構(gòu)抵御更大速度范圍的粒子撞擊；以表面陶瓷化鋁板為首層防護屏的鋁網(wǎng)填充式防護結(jié)構(gòu)有助于撞擊粒子的首次破碎以及次生碎片的撞擊動能吸收。

關(guān)鍵詞：高速撞擊；陶瓷化鋁板；損傷；失效

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11172083)；微小型航天器技術(shù)國防重點學科實驗室開放基金資助(HIT.KLOF.MST.2012008)

收稿日期：2014-02-28修改稿收到日期：2014-08-19

中圖分類號:V423.41文獻標志碼：A

Experimental investigation on aluminum bumper with ceramic surface coating impacted by an aluminum sphere

GUANGong-shun,BIQiang,ZHANGYu(Department of Astronautics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Abstract:The ceramic coating shields with single bumper and dual-wall bumper were designed taking advantage of the improvement on Al-Whipple shield. A series of high-velocity impact tests were practiced with a two-stage light gas gun facility. The diameters of projectiles used to simulate the space debris were 3.97mm and 6.35mm respectively. The impact velocities of Al-sphere were varied between 1.64km/s and 4.96km/s. The effects of ceramic coating on the damage and protection performance of shield were analyzed. The results indicate that the ceramic coating on the surface of bumper broadens the impact velocity spectrum, so that the single-wall bumper shield can withstand higher velocity impact. The Al-mesh stuffed shield with the ceramic coating surface used as a first layer of bumper can help the primary fragment of projectile and the subsequent absorption of kinetic energy of debris cloud.

Key words:high-velocity impact; ceramic coating; damage; failure

空間碎片嚴重地威脅著在軌航天器的安全運行，有關(guān)空間碎片撞擊航天器的損傷與防護問題已引起國內(nèi)外相關(guān)學者的廣泛關(guān)注[1-4]。航天器用于抵御空間碎片撞擊的防護結(jié)構(gòu)形式主要包括：Whipple結(jié)構(gòu)[5]、填充式結(jié)構(gòu)[6]和多沖擊結(jié)構(gòu)[7]。防護結(jié)構(gòu)對航天器主體艙壁的保護主要取決于首層防護屏對碎片的初次撞擊破碎程度以及填充層對次生碎片云的擴散與吸收效果[8]。因此，防護屏的材料特性對提高防護結(jié)構(gòu)抵御空間碎片高速撞擊的能力至關(guān)重要[9]。陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等特點，當其作為撞擊防護材料時，可使撞擊彈體充分破碎，降低彈體的侵徹能力，該材料已被廣泛應(yīng)用于軍事工程領(lǐng)域[10-11]。然而，陶瓷材料存在脆性大、加工性差等問題，從而限制了陶瓷材料在更廣范圍內(nèi)的使用。

目前，利用等離子體微弧氧化在鋁板表面生成陶瓷層的技術(shù)已趨于成熟[12-13]，因此，有必要進一步研究以表面陶瓷化鋁板為防護屏的防護結(jié)構(gòu)在高速粒子撞擊下的損傷與防護特性。本文以陶瓷化鋁板單層防護屏結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并結(jié)合金屬網(wǎng)對高速撞擊彈丸的破碎特性[14]設(shè)計了陶瓷化鋁板/鋁網(wǎng)雙層防護屏結(jié)構(gòu)。利用二級輕氣炮發(fā)射鋁球彈丸，對其進行高速撞擊實驗，得到了陶瓷化鋁板單層防護屏結(jié)構(gòu)及陶瓷化鋁板/鋁網(wǎng)雙層防護屏結(jié)構(gòu)的高速撞擊損傷模式，分析了陶瓷層對防護結(jié)構(gòu)高速撞擊防護性能的影響。

1高速撞擊實驗

本文選用厚度為1 mm的2A12鋁板和表面陶瓷化的2A12鋁板，以及3種規(guī)格的5052鋁網(wǎng)作為防護屏材料。鋁合金材料力學性能參數(shù)見表1，其中，ρ為材料密度、E為彈性模量、G為剪切模量、μ為泊松比、σb為拉伸強度。陶瓷化鋁板表面的Al2O3陶瓷層通過等離子體微弧氧化技術(shù)生成。不同于陶瓷板與鋁板的簡單疊加組合，陶瓷層與鋁板之間無需粘接劑，且陶瓷層厚度較薄，通常在50 μm～150 μm之間，在提高鋁板表面硬度、增強破碎彈丸能力的同時，不會增加較大的質(zhì)量。本文選用表面陶瓷化鋁板的每側(cè)陶瓷層厚度約為100 μm，表面陶瓷層硬度約為1 000 HV，單側(cè)陶瓷化鋁板和雙側(cè)陶瓷化鋁板的面密度分別為0.272 g/cm2和0.28 g/cm2，與厚度為1 mm的2A12鋁板面密度的相對偏差分別為-2.16%和0.72%。同時，分別選用3種規(guī)格的鋁網(wǎng)組成與厚度為1 mm的2A12鋁板面密度相近的鋁網(wǎng)層，面密度最大相對偏差為5.03%，鋁網(wǎng)參數(shù)見表2，其中，n為鋁網(wǎng)目數(shù)，即25.4 mm長度上的網(wǎng)格數(shù)，d為網(wǎng)絲直徑，S為絲間距，ρa為單層鋁網(wǎng)面密度。

表1　鋁合金材料力學參數(shù) [15]

表2　鋁網(wǎng)參數(shù)

本文實驗采用單層防護屏和雙層防護屏兩種防護結(jié)構(gòu)。在單層防護屏結(jié)構(gòu)中，分別以面密度相近的鋁板、雙側(cè)陶瓷化鋁板和單側(cè)陶瓷化鋁板作為防護屏(見圖1)。在雙層防護屏結(jié)構(gòu)中，分別以面密度相近的鋁板、雙側(cè)陶瓷化鋁板和鋁網(wǎng)層中的兩者組合成防護屏(見圖2)。兩種防護結(jié)構(gòu)的5A06后板厚度均為3 mm，首層防護板與后板的總間隔均為100 mm，雙層防護屏結(jié)構(gòu)中兩層防護板的間距為50 mm。

圖1　實驗中采用的單層防護屏結(jié)構(gòu) Fig.1 Single-wall bumper shield configurations in the test

圖2　實驗中采用的雙層防護屏結(jié)構(gòu) Fig.2 Double-wall bumper shield configurations in the test

實驗采用二級輕氣炮加速鋁球彈丸，輕氣炮一級驅(qū)動氣體為氮氣，充氣壓力為7～12 MPa，二級驅(qū)動氣體為氫氣，充氣壓力為0.1～0.12 MPa。選用2017鋁球彈丸模擬空間碎片，直徑分別為3.97 mm和6.35 mm，彈丸撞擊速度為1.64～4.96 km/s，彈丸垂直撞擊靶板。速度測量采用磁感應(yīng)方法，精度高于2%，靶艙內(nèi)壓力小于200Pa。本文分別進行了18次單層防護屏結(jié)構(gòu)和10次雙層防護屏結(jié)構(gòu)的高速撞擊實驗，利用數(shù)碼相機采集后板損傷參數(shù)(見圖3和圖4)。

圖3　單層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊后板損傷 Fig.3 The impact damage results of single-wall bumper shields

圖4　 雙層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊后板損傷 Fig.4 The impact damage results of double-wall bumper shields

在單層防護屏結(jié)構(gòu)實驗中，當撞擊速度較低時，鋁板或表面陶瓷化鋁板防護屏在彈丸撞擊作用下發(fā)生較大塑性變形，陶瓷化鋁板穿孔邊緣表面陶瓷層發(fā)生剝落，后板的破壞表現(xiàn)為撞擊中心穿孔或較大的彈坑。隨著撞擊速度的增加，防護屏穿孔處塑性變形量減小，撞擊造成的彈丸破碎更均勻，次生碎片尺寸更小，后板的破壞表現(xiàn)為非擊穿情況下的局部后表面材料剝落或鼓包(見圖3)。在雙層防護屏結(jié)構(gòu)實驗中，由于填充層的二次破碎作用，次生碎片云中的粒子尺寸進一步減小，后板的破壞表現(xiàn)為整體塑性后凸，乃至撕裂失效(見圖4)。

表3　單層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果

表4　雙層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊損傷結(jié)果

表3和表4分別給出了鋁球彈丸高速撞擊單層防護屏結(jié)構(gòu)和雙層防護屏結(jié)構(gòu)的實驗參數(shù)及損傷數(shù)據(jù)，其中ρs、dp、v、Db、Dr、D1、D2、D99、Dd、dc和Hb分別為防護屏面密度、彈丸直徑、撞擊速度、首層防護。屏穿孔直徑、后板等效面積穿孔圓直徑、后板撞擊面上坑徑大于1mm的彈坑分布區(qū)直徑、后板撞擊面上坑徑大于2mm的彈坑分布區(qū)直徑、后板撞擊面上彈坑最大散布區(qū)直徑、后板撞擊面變形區(qū)直徑、后板撞擊面上小彈坑最大深度和后板背面最大塑性變形高度。在表3和表4中，實驗編號含義如下：字母及后面緊隨的第一個數(shù)字代表防護結(jié)構(gòu)類型(見圖1和圖2)，之后的數(shù)字代表實驗序號。另外，表4中“-”后的數(shù)字代表鋁網(wǎng)編號(見表2)。

2分析與討論

圖5(a)給出了鋁板與雙側(cè)陶瓷化鋁板撞擊穿孔直徑Db隨鋁球撞擊速度的變化規(guī)律。可以看出，對于兩種防護屏，隨著撞擊速度的增加，Db均逐漸增大，且在相同撞擊條件下，雙側(cè)陶瓷化鋁板的撞擊穿孔直徑均大于鋁板的穿孔直徑。這說明，在撞擊速度影響防護屏穿孔尺寸的同時，防護屏表面的陶瓷層對防護屏的撞擊穿孔尺寸也產(chǎn)生了一定影響。其主要原因為：隨著撞擊速度的增加，穿孔行為由剪切沖塞效應(yīng)逐漸變?yōu)闆_擊波效應(yīng)，且當防護屏表面存在硬度更高的陶瓷層時，鋁球彈丸與陶瓷層撞擊所產(chǎn)生的沖擊強度更大，因此，在鋁球擊穿陶瓷化鋁板的過程中會形成更大的穿孔。由于本文只進行了兩次單側(cè)陶瓷化鋁板單層防護屏結(jié)構(gòu)的撞擊實驗，因此，未得到其撞擊穿孔直徑隨撞擊速度的變化曲線，但從表3中的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在相同撞擊條件下，單側(cè)陶瓷化鋁板撞擊穿孔直徑與雙側(cè)陶瓷化鋁板的情況相近。

圖5　單層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊損傷規(guī)律 Fig.5 The impact damage law of single-wall bumper shield

圖5(b)～圖5(d)分別給出了單層防護屏結(jié)構(gòu)受到鋁球彈丸高速撞擊時，后板撞擊面上D99、D2和D1隨撞擊速度的變化情況。可以看出，對于兩種防護屏，隨著撞擊速度的增加，后板撞擊面上不同坑徑撞擊坑分布范圍均呈擴大趨勢，且在相同撞擊條件下，雙側(cè)陶瓷化鋁板防護屏的后板撞擊面上不同坑徑撞擊坑分布范圍均大于鋁板防護屏的相應(yīng)坑徑撞擊坑分布范圍。同時發(fā)現(xiàn)，當防護屏為雙側(cè)陶瓷化鋁板時，后板撞擊面上D1和D2隨撞擊速度變化的分散性更加顯著。這說明，鋁球彈丸擊穿雙側(cè)陶瓷化鋁板所產(chǎn)生的次生碎片對后板的影響范圍增大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因為：鋁球彈丸高速撞擊雙側(cè)陶瓷化鋁板時，鋁球與陶瓷化鋁板均發(fā)生破碎，高硬度的陶瓷層使得次生碎片具有更大的噴射角，從而增加了碎片對后板的影響范圍。同時，陶瓷層的破碎使得次生碎片中包含許多陶瓷碎片，高硬度的陶瓷碎片撞擊后板產(chǎn)生更多的相對較大的撞擊坑。由表3的實驗數(shù)據(jù)可以看出，在本實驗條件下，單側(cè)陶瓷化鋁板對鋁球彈丸的破碎情況與雙側(cè)陶瓷化鋁板相近。

圖6　雙層防護屏結(jié)構(gòu)撞擊損傷規(guī)律 Fig.6 The impact damage law of double-wall bumper shield

圖7　不同防護結(jié)構(gòu)的防護性能比較 Fig.7 Protection performance comparison of different shields

圖6(a)和圖6(b)分別給出了雙層防護屏結(jié)構(gòu)受到鋁球彈丸高速撞擊時，在不同防護結(jié)構(gòu)組合情況下，Hb和Dd的變化情況，圖中橫坐標 “1”、“2”、“3”、“4”、“5”分別代表填充層為面密度相同的鋁板、雙側(cè)陶瓷化鋁板、50目鋁網(wǎng)、22目鋁網(wǎng)和14目鋁網(wǎng)的雙層防護屏結(jié)構(gòu)。可以發(fā)現(xiàn)，當首層防護屏為雙側(cè)陶瓷化鋁板時，后板背面最大塑性變形高度和后板撞擊面變形區(qū)直徑與首層防護屏為鋁板時的情況未發(fā)生明顯變化。而當鋁網(wǎng)作為填充層時，無論首層防護屏是鋁板還是雙側(cè)陶瓷化鋁板，后板背面最大塑性變形高度均顯著降低，后板撞擊面上小撞擊坑數(shù)量明顯減小，且后板撞擊面上出現(xiàn)金屬液化后的噴濺痕跡(見圖4)。這說明，鋁網(wǎng)填充防護層對次生粒子的多次沖擊加劇了溫度的升高，使撞擊材料發(fā)生相變，同時降低了次生碎片云團對后板的撞擊速度。

圖7(a)給出了單層防護屏結(jié)構(gòu)受到鋁球彈丸高速撞擊時的后板穿孔失效情況，圖中縱坐標“1”和“2”分別代表防護屏為鋁板和雙側(cè)陶瓷化鋁板的防護結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，對于本文所選用的鋁球彈丸，以鋁板為防護屏的單層防護屏結(jié)構(gòu)發(fā)生穿孔失效的臨界撞擊速度在4.8 km/s附近，而以雙側(cè)陶瓷化鋁板為防護屏的單層防護屏結(jié)構(gòu)發(fā)生穿孔失效的臨界撞擊速度小于3.79 km/s。這說明，以雙側(cè)陶瓷化鋁板代替鋁板作為防護屏可使該單層防護屏結(jié)構(gòu)抵御更大速度范圍的粒子撞擊。其主要原因為：鋁板的表面陶瓷層加劇了撞擊彈丸的碎化程度，擴大了次生碎片對后板的撞擊影響范圍，降低了次生碎片沿撞擊方向的運動速度，因此，撞擊后板的次生碎片動能更低、更分散。

圖7(b)給出了具有不同填充層的雙層防護屏結(jié)構(gòu)受到鋁球彈丸高速撞擊時的后板穿孔失效情況。圖中橫坐標 “1”、“2”、“3”、“4”、“5”分別代表填充層為面密度相同的鋁板、雙側(cè)陶瓷化鋁板、50目鋁網(wǎng)、22目鋁網(wǎng)和14目鋁網(wǎng)的雙層防護屏結(jié)構(gòu)，縱坐標“1”和“2”分別代表首層防護屏為鋁板和雙側(cè)陶瓷化鋁板的防護結(jié)構(gòu)。

可以看出，以鋁板為首層防護屏的雙層防護屏結(jié)構(gòu)均未發(fā)生穿孔失效，而在以雙側(cè)陶瓷化鋁板為首層防護屏的雙層防護屏結(jié)構(gòu)中，有兩種結(jié)構(gòu)發(fā)生了穿孔失效。當雙層防護屏均為雙側(cè)陶瓷化鋁板時，后板穿孔尺寸更大，后板背面最大塑性變形更高，如圖4(c)所示。同時發(fā)現(xiàn)，無論首層防護屏是鋁板還是雙側(cè)陶瓷化鋁板，當鋁網(wǎng)作為填充層時，除22目鋁網(wǎng)時的后板發(fā)生穿孔外，其余鋁網(wǎng)情況下的后板均未失效。其中，雙側(cè)陶瓷化鋁板與50目鋁網(wǎng)組合的雙層防護屏結(jié)構(gòu)的后板損傷最輕。這說明，在本文所選用的鋁球彈丸尺寸及撞擊速度情況下，雙側(cè)陶瓷化鋁板與鋁網(wǎng)填充層的組合有助于提高雙層防護屏結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護性能。但雙側(cè)陶瓷化鋁板與不同編織尺寸鋁網(wǎng)填充層組合結(jié)構(gòu)的高速撞擊防護性能存在較大差異，其主要原因是，次生粒子尺寸與鋁網(wǎng)目數(shù)、鋁網(wǎng)絲徑等鋁網(wǎng)編織參數(shù)的關(guān)系決定了鋁網(wǎng)對次生粒子的破碎效果，鋁網(wǎng)編織參數(shù)的優(yōu)化仍需進一步研究。

3結(jié)論

(1)在相同撞擊條件下，表面陶瓷化鋁板防護屏的撞擊穿孔直徑大于厚度相同的鋁板防護屏的撞擊穿孔直徑。

(2)與鋁板單層防護屏結(jié)構(gòu)相比，雙側(cè)陶瓷化鋁板單層防護屏結(jié)構(gòu)可抵御更大速度范圍的粒子撞擊，且在相同撞擊條件下，后板撞擊坑分布范圍更大。

(3)雙側(cè)陶瓷化鋁板與鋁網(wǎng)填充層的組合結(jié)構(gòu)可提高雙層防護屏結(jié)構(gòu)高速撞擊防護性能，但不同組合存在較大差異，需優(yōu)化次生粒子尺寸與鋁網(wǎng)編織尺寸的關(guān)系。

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