填充层芳纶纤维及其与玄武岩纤维复合对防护性能的影响

柯发伟,黄洁,文雪忠,宋强,罗庆,柳森

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所,绵阳621000)

1 引言

陶瓷和芳纶纤维布组成的填充层对超高速碎片云具有破碎拦截作用,纤维破碎形成的碎片不会毁伤防护构型的后墙,同时纤维的密度小,因此纤维填充层在航天器上应用较为广泛。常见陶瓷纤维有Nextel、玄武岩、SiC等,常见的芳纶纤维有Kevlar、PBO等。近年来,开展了不同陶瓷纤维材料[1-5]、纤维层位置[3,4]、纤维组装方式[4]等对防护性能影响,以及陶瓷纤维和芳纶纤维破碎、拦截碎片云的机理[4]等研究工作。为了减轻纤维填充层固定、支撑结构的附加重量,还研究了塑料泡沫[4,5]、金属泡沫[6,7]以及铝网和铝蜂窝[8]用于支撑纤维填充层。同时,也提出了一些新概念的防护结构,如填充液体气体的蜂窝结构[9]、N型防护结构[10]。

随着材料技术的发展,芳纶-III纤维拉伸强度、弹性模量和断裂延伸率等性能均优于芳纶-II纤维[11],PBO纤维也具有与芳纶-III纤维相似的性能[12]。玄武岩纤维具有破碎碎片云的优良性能、价格低廉,文中首先通过超高速撞击试验研究美国杜邦公司生产的芳纶-II、国产的芳纶-II、芳纶-III、PBO纤维布分别与玄武岩纤维作为防护结构填充层时的性能差异。陶瓷和芳纶纤维的贴紧程度可提高填充层防护性能[4],混合编制可提高纤维摩擦性能和磨损阻抗[13,14],为了提高填充层的防护性能、减少填充层结构的附件重量,文中提出了玄武岩和芳纶-III纤维布混编、多层玄武岩和芳纶-III纤维布交替放置分别用芳纶线缝纫和胶水粘贴,研究进一步提高两种纤维的贴紧程度对防护性能的影响。研究结果对防护构型中芳纶材料的选择和结构优化提供参考。

2 防护构型设计

防护构型示意图如图1,缓冲屏和后墙均为1mm厚的6061铝合金,靶材每层板的尺寸为200mm 200mm。弹丸为2A12铝球。

设计了四类填充层结构:沿碎片云撞击方向,第一种是多层玄武岩和芳纶纤维布组成;第二种是多层玄武岩和芳纶-III混编纤维布,纤维混编示意图如图2;第三种采用芳纶线缝纫的多层纤维布,如图3所示,芳纶线缝纫沿一个方向,间距约10mm;第四种是采用胶水粘贴的多层纤维布,如图4所示。填充层结构中的各种纤维材料参数见表1,填充层结构见表2。超高速撞击试验结果表明,相同面密度的PBO和芳纶-III纤维布抗冲击性能相当,航天器在轨运行时空间辐射较强,而PBO纤维的抗辐照性能较差,所以选取芳纶-III与玄武岩纤维开展不同的复合方式。纤维布的平整度较差,直接放置的多层纤维布之间贴近程度一致性很难保证,消除该因素防护性能的影响,在部分靶材的纤维填充层和后墙之间增加了文献 [8]中使用的铝蜂窝,厚度为200mm,芯格变长10mm,面密度321.2 g/m2。

图1 防护构型示意图Fig.1 Schematic diagram of protective configuration

3 试验方法与设备

3.1 靶材损伤标准

相同的撞击参数下,填充层破碎、拦截碎片云性能好,则防护构型后墙的损伤程度轻,后墙的损伤等级由重到轻为穿孔、鼓包。后墙都穿孔时,可比较穿孔尺寸,穿孔尺寸相近时再比较验证板的损伤程度;后墙都为鼓包时,可测量鼓包的高度。对于纤维填充层防护构型,在2.6～6.5km/s的速度范围内随着撞击速度的提高防护性能提高[15],这是由于撞击速度提高后弹丸破碎更充分、碎片云分布在更大的范围内。

图3 芳纶线缝纫的多层纤维布Fig.3 Aramid thread stitched multilayer fabric

图4 胶水粘贴的多层纤维布Fig.4 Glue-bonded multilayer fabric

3.2 试验设备

防护结构的超高速撞击试验在中国空气动力研究与发展中心 (简称气动中心)的超高速碰撞靶 (如图5)上完成,碰撞靶配置口径7.6mm发射器,模型最大发射速度7.4km/s。弹丸在压力低于50Pa的靶室内飞行器速度变化可忽略,它的平均速通过光幕测量获得,速度测量的误差小于0.3%。阴影成像仪获得撞击过程图像以及试验后靶材后墙的阴影图[9]。阴影成像具有成像比例一致的特点,通过图像处理获得后墙的鼓包高度。当后墙穿透时,鼓包高度以穿孔边缘光滑曲面测量。后墙鼓包高度的误差小于0.2mm。

图5 气动中心超高速碰撞靶Fig.5 Aerodynamic center hypervelocity impact target

表1 填充层结构中的纤维材料参数Tab.1 Fiber material parameters in filled layer structure

表2 靶材填充层结构Tab.2 Target filling layer structure

4 超高速撞击试验结果与分析

4.1 靶材结构损伤和撞击过程

靶材1-2的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ120mm,纤维穿孔φ80mm,背面纤维穿孔25mm×30mm;后墙未穿透、鼓包高度13.28mm,正面沾有纤维,黑色物质分布范围φ70mm,背面可见多个小鼓包。靶材填充层及后墙损伤照片如图6所示。

靶材2-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ120mm,正面纤维穿孔φ85mm,背面纤维穿孔25mm×25mm;后墙临界穿透,穿孔φ0.5mm,正面黑色物质分布在φ45mm,背面有不明显鼓包。验证板正面黑色物质分布在φ10mm,背面无小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图7所示。

图6 靶材1-2损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.62km/s)Fig.6 Target 1-2 damage image(dP=5.03mm VP=4.62km/s)

靶材3-1的主要损伤情况如下:填充正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ130mm,正面纤维穿孔φ85mm,背面纤维穿孔30mm×25mm;后墙未穿透、鼓包高度12.35mm,正面黑色物质分布在φ50mm,背面有小鼓包。靶材填充层及后墙图像如图8所示。

图7 靶材2-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.76km/s)Fig.7 Target 2-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.76km/s)

图8 靶材3-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.55km/s)Fig.8 Target 3-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.55km/s)

靶材3-2的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ140mm,纤维穿孔φ75mm,背面纤维穿孔35mm×35mm;后墙未穿透、鼓包高度13.39mm,正面黑色物质分布在50mm,背面小鼓包不明显。靶材填充层及后墙损伤图像如图9所示。

靶材3A-1的主要损伤情况如下:填充层正面纤维拉伸损伤φ110mm,正面纤维穿孔φ80mm,背面纤维穿孔60mm×50mm;后墙穿孔3.56mm×3.3mm、φ1mm,正面有纤维、黑色物质分布在φ80mm,背面多个小鼓包;验证板正面可见黑白粉末分布在30mm×30mm,背面可见五个小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图10所示。

图9 靶材3-2损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.74km/s)Fig.9 Target 3-2 damage image(dP=5.03mm VP=4.74km/s)

靶材3B-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ130mm,纤维穿孔φ70mm,背面纤维穿孔60mm×60mm;后墙未穿透、崩落区域0.2mm、鼓包高度18.01mm,正面黑色粉末分布在φ80mm,背面可见多个小鼓包;验证板正面有不明显粉末,背面无小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图11所示。

靶材4-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ150mm,正面纤维穿孔φ70mm,背面纤维穿孔35mm×35mm;后墙未穿透、鼓包高度10.91mm,正面可见小坑,正面黑色物质分布在φ55mm,背面有小鼓包。靶材填充层及后墙损伤图像如图12所示。

靶材5-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ140mm,纤维穿孔φ75mm,背面纤维穿孔25mm×25mm;后墙未穿透、鼓包高度14.13mm,正面黑色物质分布在50mm,背面有小鼓包。靶材填充层及后墙损伤图像如图13所示。

图10 靶材3A-1损伤 (dP=5.03mm VP=4.96km/s)Fig.10 Target 3A-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.96km/s)

靶材6-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ170mm,纤维穿孔φ60mm,背面纤维穿孔φ40mm;后墙穿孔φ2.50mm,正面黑色物质分布范围φ70mm,背面有小鼓包;验证板正面可见小坑,黑、白粉末分布在φ31mm,背面有小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图14所示。

图11 靶材3B-1损伤图像 (dP=5.03mm,VP=4.91km/s)Fig.11 Target 3B-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.91km/s)

靶材6A-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ110mm,纤维穿孔φ65mm,背面纤维穿孔60mm×60mm;后墙穿孔φ1mm、φ0.3mm,正面沾有纤维、黑色粉末分布在φ80mm范围,背面多个小鼓包;验证板正面黑白粉末分布在15mm×20mm,背面无小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图15所示。

靶材6B-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ130mm,纤维穿孔φ60mm,背面纤维穿孔60mm×55mm;后墙穿孔16mm×1.2mm,正面可见纤维黑色粉末分布在φ70mm,背面有多个鼓包。验证板正面黑白粉末分布在25mm×15mm,背面无鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图16所示。

图12 靶材4-1损伤图像 (dP=5.04mm VP=4.83km/s)Fig.12 Target 4-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.83km/s)

图13 靶材5-1损伤图像 (dP=5.04mm VP=4.68km/s)Fig.13 Target 5-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.68km/s)

图14 靶材6-1损伤图像 (dP=5.04mm VP=4.64km/s)Fig.14 Target 6-1 damage image(dP=5.04mm VP=4.64km/s)

靶材7-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ140mm,纤维穿孔φ65mm,背面纤维穿孔45mm×25mm;后墙穿孔φ1.85mm,正面可黑色粉末和纤维丝分布在φ75mm范围,背面可见多个小鼓包;验证板正面沾有黑、白粉末分布在20mm×20mm,可见小坑,背面可见一个小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图17所示。

靶材8-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ130mm、穿孔φ75mm,背面芳纶-III纤维布穿孔40mm×40mm,铝蜂窝芯穿孔φ110mm;后墙穿孔φ2.50mm、鼓包高度11.93mm,正面黑色物质分布范围φ55mm,背面有几个明显的小鼓包。验证板正面白色物质分布在φ24mm,背面有几个明显小鼓包。靶材填充层、后墙和验证板的损伤照片如图18所示。

图15 靶材6A-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.89km/s)Fig.15 Target 6A-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.89km/s)

靶材9-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ170mm、穿孔φ60mm,背面纤维布穿孔φ40mm,铝蜂窝芯穿孔φ100mm;后墙临界穿孔、鼓包高度11.43mm,正面黑色物质分布范围φ60mm,背面有小鼓包。验证板正面白色物质分布在φ10mm,背面有无小鼓包。靶材填充层、后墙和验证板的损伤照片如图19所示。

靶材10-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ120mm,正面纤维穿孔φ75mm,背面纤维穿孔30mm×30mm;后墙未穿透、鼓包高度9.13mm,正面黑色物质分布在φ50mm,背面有不明显鼓包。靶材填充层及后墙损伤图像如图20所示。

图16 靶材6B-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.75km/s)Fig.16 Target 6B-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.75km/s)

靶材11-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ120mm、穿孔φ70mm,背面芳纶-III纤维布穿孔45mm×40mm,铝蜂窝芯穿孔φ110mm;后墙临界穿孔、鼓包高度11.22mm,正面黑色物质分布在φ50mm,背面有不明显小鼓包。验证板正面不明显白色物质分布在φ10mm,背面无小鼓包。靶材填充层、后墙和验证板的损伤照片如图21所示。

靶材12-1的主要损伤情况如下:填充层正面第一层纤维布拉伸损伤范围φ150mm,纤维穿孔φ70mm,背面纤维穿孔40mm×50mm;后墙穿孔0.5mm,正面黑色粉末分布在φ70mm,背面可见小鼓包;验证板正面白色粉末分布在φ15mm,背面无小鼓包。靶材填充层、后墙及验证板损伤图像如图22所示。

图17 靶材7-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.89km/s)Fig.17 Target 7-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.89km/s)

图18 靶材8-1损伤 (dP=5.03mm VP=4.78km/s)Fig.18 Target 8-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.78km/s)

靶材后墙侧面阴影图如图23所示,由后墙的阴影图像处理得到其鼓包高度,靶材后墙损伤参数见表3。

表3 靶材后墙损伤参数Tab.3 Damage parameters of target back wall

续表3

图19 靶材9-1损伤 (dP=5.00mm VP=4.61km/s)Fig.19 Target 9-1 damage image(dP=5.00mm VP=4.61km/s)

弹丸超高速撞击靶材过程的阴影图像如图24～图42,由于纤维填充层反溅形成的碎片云颗粒很小,它们的边界模糊,很难通过数据处理获得其运动速度。

4.2 填充层中芳纶材料对防护性能的影响

图20 靶材10-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.72km/s)Fig.20 Target 10-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.72km/s)

靶材1-2、2-1、4-1、10-1的填充层结构的面密度相当,撞击参数相近,其中,靶材10-1后墙损伤最轻,靶材2-1的损伤最重。靶材3-2、5-1的填充层结构的面密度相当,撞击参数相近,其中前者后墙的鼓包高度最小。由两组对比试验可知,与相同面密度芳纶-II纤维布相比,国产芳纶-III-A纤维具有较好的抗冲击性能,PBO纤维的抗冲击性能与芳纶-III纤维相当。靶材4-1和10-1填充层中芳纶纤维布抗拉强度分别是另外两种靶材填充层中纤维布抗拉强度约1.4倍,纤维填充层对弹丸撞击缓冲屏形成的碎片云进行了有效的拦截、破碎。弹性模型高的纤维布抗冲击性能好,在纤维填充式防护构型可提高填充层破碎、拦截碎片云的性能,进而提高防护构型抗空间碎片撞击的性能。从纤维布的静态测试结果看,面密度相近的PBO纤维布的抗冲击性能较芳纶-III纤维布好,从以上两组对比试验得到的结果有一定差异,可能与纤维布装配时的贴紧程度差异,在靶材8-1和11-1纤维填充层和后墙之间增加的铝蜂窝芯起到支撑纤维的作用,装配时各层纤维布之间的空隙减小,由靶材后墙损伤情况可知试验条件下使用了PBO纤维布的性能略好一些。

4.3 纤维混编对防护性能的影响

图21 靶材11-1损伤 (dP=5.03mm VP=4.74km/s)Fig.21 Target 11-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.74km/s)

靶材3-1、3-2、6-1的填充层面密度相当。靶材6-1中的填充层的混编纤维布带有方向性,6层纤维布交错放置。每层纤维布是一个相对独立的受冲击载体,根据最小拉力破坏准则,冲击强度达到最小断裂强度时纤维发生断裂,若将每层纤维布的抗拉强度叠加,靶材6-1填充层抗拉强度是靶材3-1或3-2填充层的1.1倍。根据此分析假设,靶材6-1的防护性能应该优于靶材3-1和3-2,从试验结果看混编纤维布组成的填充层结构并没有提高破碎、拦截碎片云的作用。出现试验结果的可能原因是:靶材中的填充层各层纤维之间存在空隙,类似于多层冲击防护屏;在开展的试验状态下铝球撞击缓冲屏形成的铝碎片云尺寸在0.5mm量级,芳纶-III-A纤维布、玄武岩纤维布、玄武岩和芳纶-III-A混编纤维布的厚度分别为0.15mm、0.23mm和0.19mm,纤维布的厚度可能影响了铝碎片云与纤维布的作用时间和破碎程度,混编纤维布在开展的试验条件下不利于铝碎片云的破碎、拦截。靶材8-1和9-1的纤维填充层和后墙之间增加的铝蜂窝芯减小各层纤维布之间的空隙,该组对比试验中多层混编纤维布结构整体抗冲击强度高的优势可能得到了体现,所以靶材9-1的后墙损伤程度较靶材8-1的轻。

图22 靶材12-1损伤图像 (dP=5.03mm VP=4.87km/s)Fig.22 Target 12-1 damage image(dP=5.03mm VP=4.87km/s)

4.4 纤维布装配方式对防护性能的影响

靶材3-1、3-2填充层结构相同,靶材的后墙均未穿透,随着弹丸撞击速度的提高,靶材后墙的鼓包高度增大。靶材4-1填充层中有6层芳纶-III-A纤维布,靶材3-2的填充层只有3层芳纶-III-A纤维布,后者填充层的防护性能减弱;另一组类似对比试验,靶材5-1和10-1的损伤情况相同。在填充层结构中增加芳纶纤维布,可提高填充层的防护性能。

图23 靶材后墙侧面阴影图Fig.23 Side shadow image of back wall of target

图24 超高速撞击靶材1-1阴影图像Fig.24 Shadow image of hypervelocity impact target 1-1

图25 超高速撞击靶材2-1阴影图像Fig.25 Shadow image of hypervelocity impact target 2-1

靶材3-2、12-1的填充层材料相同,由三层玄武岩纤维布和三层芳纶-III-A纤维布组成,区别在纤维布的装配方式不同。靶材损伤结果表明,玄武岩纤维布和三层芳纶-III-A交替放置能提高其防护性能,这与文献 [4]得到的结果一致。靶材7-1的填充层中芳纶-III-C与芳纶-III-A的纤维材料相同,前者的纤维丝线密度为200tex,后者的线密度为44tex,三层芳纶-III-A纤维布与一层芳纶-III-C的面密度相当。对比靶材3-2、7-1、12-1的后墙损伤,靶材7-1的填充层的整体防护性能最差,但其耗散碎片云动能的效果明显,其内部机理有待进一步研究。

图26 超高速撞击靶材3-1阴影图像Fig.26 Shadow image of hypervelocity impact target 3-1

图27 超高速撞击靶材3-2阴影图像Fig.27 Shadow image of hypervelocity impact target 3-2

图28 超高速撞击靶材3-A1阴影图像Fig.28 Shadow image of hypervelocity impact target 3-A1

图29 超高速撞击靶材3-B1阴影图像Fig.29 Shadow image of hypervelocity impact target 3-B1

图30 超高速撞击靶材4-1阴影图像Fig.30 Shadow image of hypervelocity impact target 4-1

图31 超高速撞击靶材5-1阴影图像Fig.31 Shadow image of hypervelocity impact target 5-1

图32 超高速撞击靶材5-A1阴影图像Fig.32 Shadow image of hypervelocity impact target 5-A1

图33 超高速撞击靶材5-B1阴影图像Fig.33 Shadow image of hypervelocity impact target 5-B1

图34 超高速撞击靶材6-1阴影图像Fig.34 Shadow image of hypervelocity impact target 6-1

图35 超高速撞击靶材6A-1阴影图像Fig.35 Shadow image of hypervelocity impact target 6A-1

图36 超高速撞击靶材6B-1阴影图像Fig.36 Shadow image of hypervelocity impact target 6B-1

图37 超高速撞击靶材7-1阴影图像Fig.37 Shadow image of hypervelocity impact target 7-1

图38 超高速撞击靶材8-1阴影图像Fig.38 Shadow image of hypervelocity impact target 8-1

图39 超高速撞击靶材9-1阴影图像Fig.39 Shadow image of hypervelocity impact target 9-1

图40 超高速撞击靶材10-1阴影图像Fig.40 Shadow image of hypervelocity impact target 10-1

图41 超高速撞击靶材11-1阴影图像Fig.41 Shadow image of hypervelocity impact target 11-1

图42 超高速撞击靶材12-1阴影图像Fig.42 Shadow image of hypervelocity impact target 12-1

靶材3-2、3A-1和3B-1的填充层纤维布材料和放置顺序均相同,后两种分别采用芳纶线缝纫、胶水粘贴。靶材损伤结果表明:后两种靶材的填充层结构防护性能下降。另一组类似的试验,靶材6-1、6A-1和6B-1的后墙损伤也得到类似的结果。纤维层结构与碎片云的作用是接触、变形、破碎的过程,芳纶纤维的韧性可提高玄武岩纤维与碎片云的作用时间,实现碎片云的充分破碎。芳纶线缝纫、胶水粘贴提高了填充层结构的 “硬度”、形成的反溅碎片云明显,可减少纤维填充层结构的附件重量。纤维变形和拉伸被约束,纤维布的拉伸断裂阻力增加、拉伸损伤造成辐射状条纹区域减小,不利于耗散碎片云动能,随着纤维填充层的硬度及平整性提高,该负面作用越明显。

5 结论与展望

试验结果表明:芳纶-III纤维布拦截碎片云的效果优于相同面面密度的芳纶-II纤维布,芳纶-III纤维布在填充式防护构型中具有应用前景;PBO纤维具有与芳纶-III纤维相似的抗冲击性能、较好的抗阻燃性,其抗辐照性能差制约了其在空间防护构型中的应用。填充层结构中玄武岩和芳纶-III的贴紧程度会影响其防护性能,将玄武岩和芳纶-III混编,以及分别用芳纶线缝纫和胶水粘贴的多层玄武岩和芳纶-III纤维布均可提高不同纤维的贴紧程度和填充层结构的平整性,但贴的太紧时反而不利于纤维填充层结构耗散碎片云动能,造成填充层结构拦截碎片云性能下降。玄武岩和芳纶-III的贴紧程度应适度,有利于其破碎和耗散碎片云,才能保证其防护性能。在研究填充层中的不同纤维布对防护性能的影响时,应采用相同的装配方式保证纤维布的贴紧程度,消除该因素对研究结果的影响。

芳纶纤维的编制方式影响了其拦截碎片耗散其动能的效果,其影响机理及优化设计需进一步研究。为了提高陶瓷纤维和芳纶纤维组成的填充层结构防护性能,应开展纤维填充层结构复合一体化设计。

致谢

试验是在中国空间碎片项目 (编号:KJSP 2016030101)的支持下开展的。李文光、刘晓龙、蒋伟、赵浩龙、丁建文等同志在试验过程中的辛勤付出,在此表示感谢。