长纤维增强铝基复合材料的高速弹丸撞击特性研究

论文摘要

本文采用压力浸渗法分别制备了Tif/Al复合材料、Tif/Cf/Al复合材料、Cf/Al复合材料。以直径为0.8mm~2.0mm的铝弹丸,在2.5km/s的速度下撞击轧制过的LF6铝合金板和上述复合材料薄板,试验复合材料的抗高速撞击能力。从击穿材料需要的弹丸临界直径上判断,Tif/Al复合材料的效果最好,铝合金、Tif/Cf/Al复合材料、Cf/Al复合材料的效果依次下降。利用线切割解剖试样,并对剖面进行了抛光和腐蚀。利用光学显微镜和扫描电子显微镜对撞击后的材料的弹坑附近进行了正反面以及剖面的观察,并对弹坑的形貌特征了进行了测量。测量并比较各种材料的弹丸直径与坑深及坑宽关系发现,Cf/Al复合材料、Tif/Cf/Al复合材料、Tif/Al复合材料、LF6铝合金的弹丸直径与坑深比依次减小。弹丸直径与坑宽的比值没有发现规律。铝合金中存在绝热剪切带。复合材料中有分层现象,且Tif/Cf/Al复合材料、Cf/Al复合材料的分层有逐渐加重的趋势。从冲击力学的角度定性地探讨了复合材料在高速撞击下的坑深,结果表明同等大小铝弹丸撞击下Cf/Al复合材料的坑深最浅,Tif/Cf/Al复合材料、Tif/Al复合材料、LF6铝合金的坑深依次增大,这与实验的结果一致。并从理论上给出了影响复合材料坑深的主要影响因素:增强相的冲击阻抗;增强相的体积分数;增强相的排布方式。采用热粘弹塑性模型,并利用分析坑深时得到结果,解释了复合材料的基体中没有发现绝热剪切带的原因。从绝热剪切带形成的力学角度给出了在复合材料中可能出现绝热剪切的区域,并与实验结果做了比较。复合材料在后表面处的崩落受冲击波在自由面上的反射影响极易发生崩落。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间碎片的类型、分布和危害
• 1.3 防护结构与材料的研究进展
• 1.4 地面模拟加速装置
• 1.5 高速撞击的损伤特性描述及材料变形组织的特点
• 1.6 选题的意义及研究内容
• 第2章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验与测试
• 2.2.1 撞击试验
• 2.2.2 表征方法
• 第3章 材料的高速弹丸撞击损伤分析
• 3.1 引言
• 3.2 试验参数及结果
• 3.3 复合材料及铝合金撞击失效后的表观形态分析
• 3.3.1 未击穿材料的失效分析
• 3.3.2 击穿后的材料失效分析
• 3.4 试验材料撞击损伤的微观形貌及失效分析
• 3.4.1 弹坑内微观形貌及视效分析
• 3.4.2 试验材料撞击损伤的微观损伤分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 复合材料高速撞击特性的冲击力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 冲击力学处理办法
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 动力学方程
• 4.3 铝弹丸撞击铝靶时的压强和温升
• 4.4 增强相对碰撞行为的影响
• 4.4.1 冲击波的反射和透射
• 4.4.2 弹性波在复合材料中的传播
• 4.5 增强相对弹丸穿深的影响
• 4.5.1 弹丸与复合材料碰撞时的压强
• 4.5.2 弹丸内压强与粒子速度的关系
• 4.5.3 增强体的加入对撞击持续时间的影响
• 4.5.4 冲击波的衰减对坑深的影响
• 4.6 复合材料中的应变局域化
• 4.7 复合材料中的崩落
• 4.8 本章小结
• 第5章 抗高速撞击铝基复合材料的设计
• 5.1 引言
• 5.2 从研究的结果出发进行复合材料设计
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢