碳纖維/環氧樹脂復合材料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

（中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000）

碳纖維增強復合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）由于具有密度小、高比強度和比模量、良好的高溫力學和熱物理性能、非常好的尺寸穩定性等特點，在航天器上被廣泛使用，例如航天飛機艙門、衛星本體和天線結構、衛星光學器件的精密支撐構件等。隨著空間環境的惡化，空間碎片對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越引起關注。

Humes采用鋁球、玻璃球、尼龍球/柱彈丸模擬空間碎片對國際空間站上使用的增強碳碳復合材料（reinforced carbon-carbon, RCC）開展了超高速撞擊實驗，獲得了RCC 在超高速撞擊下的損傷情況。Christiansen 等也利用鋁、玻璃、尼龍彈丸開展了對未覆蓋抗氧化層的碳纖維/環氧樹脂復合桁架和SiC 覆蓋的RCC 的超高速撞擊實驗，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，并建立了預測RCC 部分侵徹、完全侵徹、背部層裂等損傷模式的公式。Tennyson 等、 Lamontagne 等針對航天器上使用的復合材料開展了100 多次超高速撞擊實驗，得到了復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 數據庫。此外，Lambert 等、Numata 等、Xie 等也開展了碳纖維增強復合材料的超高速撞擊實驗研究。然而，由于CFRP 的各向異性，以及碳纖維類型、加工方式等對材料力學性能影響較大，且在上述研究中CFRP 厚度大都較小（小于2 mm），獲取的實驗結果還不能完全揭示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 中厚板的實驗，以獲得碳纖維/環氧復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律。

1 實驗設計

實驗設備及整體實驗布局如圖1 所示，利用二級輕氣炮發射彈丸，撞擊靶板；利用三站激光測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和撞靶過程；采用電子顯微鏡觀測回收靶板的成坑、損傷特性。

圖1 實驗設備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。實驗靶板材料為T300/環氧樹脂復合材料，單向內編織層合板。靶板材料密度為（1.500±0.015）g/cm，拉伸強度不低于746 MPa，拉伸彈性模量不低于50.5 GPa，壓縮強度不低于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 的驗證板，靶板整體裝置如圖2 所示。共開展7 次正撞擊實驗，各次實驗的具體狀態及測試得到的速度見表1。

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

表 1 實驗條件Table 1 Experimental conditions

2 結果與分析

2.1 靶板損傷特征

圖3 為7 次實驗中碳纖維/環氧樹脂復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。可以看出，在超高速撞擊下復合材料靶板的損傷特征、成坑形貌與金屬材料有較大差異。將靶材的損傷區域分為周邊材料的損傷區和中心的成坑區，如圖4 所示。周邊材料損傷區的損傷形貌極不規則，在撞擊點附近基體和纖維布呈現出分層、斷裂、起翹等特征，纖維出現拉絲、斷裂。成坑區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/環氧樹脂復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 成坑區和損傷區劃分Fig. 4 Definitions of crater area and damage area

表2 實驗結果Table 2 Experimental results

2.2 無量綱成坑深度

在文獻[4-5]中，Christiansen 等提出的預測RCC 在超高速斜撞擊下發生部分侵徹的侵深經驗公式為：

圖5 與Christiansen 實驗[4-5]相比較的成坑深度Fig. 5 Crater depths in comparison with Christiansen experimental data[4-5]

2.3 無量綱坑徑系數

超高速碰撞開坑過程中，無量綱坑徑系數/同樣受靶材強度，彈靶材料密度ρ、ρ的影響，符合公式：

當彈靶材料固定時，坑徑系數/僅與撞擊速度相關，與坑深類似，坑徑與撞擊速度應符合2/3 次冪關系。對實驗數據進行擬合，得到如圖6 所示的曲線，形式為：

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

因偏差較大，實驗A01 數據在圖6 中被剔除。原因可能有兩方面：(1)該次實驗靶材表面分層起翹但未斷裂，遮蔽了部分成坑區域；(2)該次實驗中彈丸動能較小，成坑尺寸也小，從而導致測量成坑面積時誤差過大。

2.4 表面損傷面積等效直徑

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

分析發現，本文中復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關系（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系Fig. 7 Equivalent crater diameters of surface-damage area varyied with the impact energy of projectiles

圖7 中剔除了實驗A07 數據，原因在于實驗A07 彈丸撞擊能量較大，靶材表面既有分層也有剝落，形態極不規則，測量表面損傷面積時誤差較大。

利用本文實驗數據與Christiansen 等的正撞擊實驗數據進行對比，結果如圖7 所示。從圖7 可以看到，Christiansen 等的實驗損傷面積在本文實驗結果擬合曲線之下，即靶材表面損傷面積較小。其原因是：Christiansen 等的實驗靶材表面覆蓋了SiC 層，在超高速撞擊過程中RCC 表面的SiC 層約束了彈丸對內部碳纖維復合材料的損傷。

2.5 坑形系數

坑形系數/是表征超高速撞擊坑的另一個重要參量。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/環氧樹脂復合材料的超高速撞擊實驗結果表明（見圖8），/并沒有表現出與金屬靶材相一致的規律性，尤其是在撞擊速度超過5.0 km/s 之后，/散布范圍較大，這有可能是由于碳纖維/環氧樹脂復合材料的各向異性所導致。

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

張慶明等認為，在彈靶材料不一致時，實驗數據顯示坑形與之相差較大，因而采用“各向均勻膨脹說”比“半球說”更符合實際情況，其形式可簡單表達為：

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

利用式(7)處理本文的實驗數據，結果如圖9 所示。從圖9 可以看出，在3.0～6.5 km/s 范圍內，除了實驗A01 數據外，其他實驗條件下均為/＜2/，即＜0，說明坑形偏深。

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 束 語

開展了鋁球在3.0～6.5 km/s 速度下對碳纖維/環氧樹脂復合材料的撞擊實驗，獲得了復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 的復合材料超高速撞擊實驗結果進行了對比，分析了CFRP 在超高速撞擊下的成坑規律。結果表明：碳纖維/環氧樹脂復合材料的無量綱成坑深度/和無量綱坑徑系數/均與撞擊速度呈2/3 次冪關系；表面損傷面積等效直徑與彈丸撞擊能量呈冪函數關系；坑深度大于坑半徑。后續將進一步深入研究彈丸材料、靶板材料、尺寸、纖維編織方式等對CFRP 超高速撞擊成坑的影響。