石墨烯增强铝基SiC­复合材料抗侵彻机理试­验与数值仿真

计晨1,李素云1,2

Chinese Journal of Ship Research - - NEWS -

1 100161海军研究­院,北京2 030051中北大学 机电工程学院,山西 太原 SiC摘 要:[目的]旨在研究新型轻质复合­装甲板——石墨烯增强铝基 复合材料装甲靶板的抗­侵彻失效机SiC理。[方法]利用光镜与扫描电镜对­石墨烯增强铝基 复合材料进行微观形貌­观察;结合弹道枪试验,利用AUTODYN有­限元软件建立1/2模型,破片质量为30g ,靶板厚度为43 mm,采用不同的本构模型描­述材料,进行数值模拟仿真计算。[结果]结合弹道枪试验及仿真­计算,得到石墨烯增强铝基S­iC复合材料复合靶板­抗侵彻的过程为:破片侵彻靶板时,靶板表层铝合金受破片­挤压形成环形卷曲破口,破片继续向后挤压过程­中,靶板不断侵蚀破片头部;且破片不断向后冲击剩­余靶板形成变形锥,破片速度足够大时,贯穿靶板形成花瓣型破­口。[结论]结合微观形貌观察及弹­道枪试验,仿真计算结果显示:Johnson-Cook,Cowper-Symonds Johnson-Holmquist 3及 种本构模型中,Johnson-Holmquist SiC本构模型更适合­描述石墨烯增强铝基 复合材料的抗侵彻机理。关键词:石墨烯;复合材料;数值仿真;抗侵彻中图分类号:U668.5 文献标志码:A DOI:10.19693/j.issn.1673-3185. 01147

Test and numerical simulation of anti-penetratio­n mechanism for reinforced aluminum matrix SiC composites

JI Chen1,LI Suyun1,2 1 Naval Research Academy,Beijing 100161,China 2 College of Mechanic and Electric Engineerin­g,North University of China,Taiyuan 030051,China Abstract:[Objectives]In order to study the anti-penetratio­n failure mechanism of new lightweigh­t composite armor plates, a graphene-reinforced aluminum-based SiC composite armor plate is proposed. [Methods] The microstruc­tures of graphene reinforced aluminum matrix SiC composites are observed using light and scanning electron microscopy; combined with a ballistic gun test, a half model is establishe­d using AUTODYN finite element software,with a fragment mass of 30 g and a target plate thickness of 43 mm. Different constituti­ve models are used to describe the materials,and numerical simulation is carried out. [Results] Combining the ballistic gun test and simulation calculatio­ns,the anti-penetratio­n process of the graphene reinforced aluminum-based SiC composite target is as follows: when the fragment penetrates the target plate,the aluminum alloy on the target plate is crushed by the fragment,forming a ring-shaped crimp break. During the backward extrusion process,the target plate is continuous­ly eroded by the head,the fragments continue to impact the remaining target plate deformatio­n cone and the fragment speed is great enough to form a petal-shaped breach through the target plate. [Conclusion­s] Combining microstruc­ture observatio­n and the ballistic gun test,the simulation results show that among the three constituti­ve models of Johnson-Cook, Cowper-Symonds and Johnson-Holmquist,the latter is more suitable for describing the anti-penetratio­n mechanisms of graphene-reinforced aluminum-based SiC composites. Key words:graphene;composites;numerical simulation;anti-penetratio­n - -

0引言

目前,大型反舰导弹是舰船的­主要攻击武器。因机动性能要求,海军舰艇对防护舱壁的­重量有所限制。在轻量化设计的要求下,如何在不增加重量的情­况下提高舰艇抗破片侵­彻的能力,进而提高舰艇的生存能­力,是各国海军研究的重点­目标。由于传统钢/纤维等复合结构的防护­材料存在重量局限性,各国纷纷开展轻量化复­合材料的研究[1]。金属基复合材料具有密­度小、加工难度低等优点,尤其是铝基陶瓷复合材­料,目前被广Graphe­ne)是 21泛应用在各个领域[ 2-3 ]。石墨烯(世纪初的热点新型碳材­料,为由碳原子以特殊排布­方式构成的二维材料[4],具有优异的物理及化2 630 m2/g[5],是制备高性能学等性能,比表面积达 体[6]。金属基复合材料的理想­增强 石墨烯增强金属复合材­料的微观及宏观的强化­机理已经被验证。例如,高鑫[6]研究了氧化石墨烯增强­铝基复合材料的制备及­常温拉伸力学性能;吴文政[7]采用试验与仿真相结合­的方法,研究了铝基材料中添加­的石墨烯体积分数等因­素对石墨烯增强铝基复­合材料力学性能的影响­规律;Rashad等[8]研究了石墨烯纳米片含­量对石墨烯增强铝基纳­米复合材料拉伸和压缩­力学性能及硬度的影响­规律;岳红彦等[9]通过制备石墨烯增强铜­基复合材料,研究了石墨烯对复合材­料的强化机理;李素云等[10] SiC研究了常温下石­墨烯增强铝基 复合材料的力John­son-Cook学性能,并通过试验数据拟合了(JC)[11]及 Cowper-Symonds(CS) 12 ]本构模型参[数。在抗破片侵彻研究方面,国内学者针对钢板、陶瓷等材料进行了大量­研究。例如,沈兆武等[13]、孙宇新等[14]对混凝土和陶瓷等材料­的抗侵彻规律开展了较­系统的试验研究,总结分析了破片的速度­和形状等因素对靶板抗­侵彻性能的影响。张元豪等[15]研究了钢/玻璃/钢组合结构对高速弹丸­的抗侵彻特性。但有关石墨烯增强金属­复合材料作为装甲防护­材料的抗侵彻性能研究­却较少。本文拟通过微观形貌分­析并结合数值仿真方S­iC法,对石墨烯增强铝基 复合材料复合装甲靶板­的抗侵彻性能进行研究。该复合靶板前、后为1.5 mm SiC厚的铝合金板,中间为石墨烯增强铝基­SiC复合材料。石墨烯增强铝基 复合材料的主要成分为­氧化石墨烯(0.5%~3%)和 SiC陶瓷颗粒(35% ~55% Cu ),剩余部分为铝合金,组分包括(0.1%),Mg(4%),S(i 0.4%),T(i 0.15%),Fe(0.4%), Zn(0.25%),Mn(0.4%~1%),Cr(0.05%~0.25%)以 及铝。以上均为质量分数。

1 材料显微形貌分析

SiC为分析石墨烯增­强铝基 复合材料的微观断裂机­制,采用光学显微镜(OM)与扫描电子显微镜(SEM )观察准静态试验与动态­试验的失效试1 SiC件。图 为试验前石墨烯增强铝­基 复合材料的微观形貌图。

1.1 准静态压缩试件形貌观­察

45°角发生了剪在准静态压­缩试验中,试件沿2切破坏,试件纵切剖面特征如图 所示。其中,裂3纹 是由试件内部裂纹衍生­发展形成的,因此,对1 3图中裂纹 与裂纹 进行显微观察。

1 3裂纹 的微观形貌图如图 所示。在微观形貌图中,可以清晰地看出裂纹形­态以及微观特1征。对裂纹 进行观察,发现铝基体的强度与硬­度较低,表现为弹塑性特征,在正应力作用下发生4­所示,SiC了塑性流动。如图 陶瓷颗粒属于脆性材料,在应力的作用下发生了­碎裂,断口齐整。裂SiC纹附近区域的 颗粒发生了明显的断裂­破碎, SiC 3 5即 颗粒细化。对裂纹 进行观察,结果如图SiC所示。由于基体相铝合金与增­强相 颗粒力学性能的差异,两相之间存在较大阻力,在剪切裂纹生成区域,铝基体在应力的作用下­发生了塑性应SiC变,与 颗粒发生界面分离直至­失效。 综上所述,在准静态压缩试验条件­下,铝基体SiC发生塑性­应变,同时 颗粒发生脆性断裂产生­微裂缝,两相之间的界面发生分­离造成两相结合失效。

1.2 动态压缩试件的微观组­织形貌观察

2 800在动态压缩条件­下,对应变率为 , 3 600,4 500 5 200 s和 -1的动态力学试验后的­试件进行纵切,通过光学显微镜,观察和分析材料6)。由图可见,试件底部的微观组织变­化规律(图沿加载方向形成弧形­塑性流动变形带;且随着加载的增加(应变率增大),试件侧面受到稀疏波的­拉伸SiC作用,导致铝基体与 颗粒界面结合力失效,生成很多孔洞;随着应变率增大,大量孔洞扩展并蔓延形­成宏观可见的裂纹,进而发生碎裂崩落。 7 2 800 s-1 SiC图 是应变率为 时材料内部 颗粒碎裂的微观示意图。由图可见,经局部放大后,可SiC以清晰地看到­在冲击载荷作用下导致­的 颗粒8 5 200 s-1碎裂。图 是应变率为 时材料内部压缩形成的­塑性带示意图。在准静态压缩过程中,加载速度慢,铝基体变形缓慢,由于铝基体的流动性

太差,在最大剪切应力作用下,导致包裹在铝基体Si­C内的 颗粒发生失效,失效变形区域较窄。在动态压缩过程中,受载时间较短,应变率较大,铝基体变形剧烈且迅速,导致流动变形区域变宽。

1.3 扫描电子显微镜(SEM)观察分析

为进一步观察微孔洞的­变化,对动态压缩过9 SEM程中的微孔洞进­行观察。图 为 下微孔洞的形态,可见微孔洞边缘开裂蔓­延,在其周围形成明显可见­的微裂纹;随着冲击强度的增大,微裂纹扩展形成宏观裂­纹,最终导致材料失效。 综上所述,在动态压缩过程中,石墨烯增强铝SiC基 复合材料试件发生了剧­烈变形。究其原因,在压缩过程中,SiC颗粒对铝基体的­塑性变形形成了阻碍;同时,受冲击作用影响,SiC颗粒发生 SiC碎裂,在 颗粒边缘与铝基体交界­处由于应力集中导致界­面分离,形成裂纹衍生。

2 数值仿真分析

仿真过程中,本构模型的选择对仿真­计算的结果影响较大。在冲击领域常用的材料­模型有JC CS及 本构模型,二者均适用于弹塑性材­料。Johnson-Holmquis(t JH)本构模型适用于陶瓷等­脆性材料。

2.1 弹道枪试验

首先对本文研究的装甲­板进行弹道枪试验。10弹道枪试验布置图­如图 所示,弹道枪试验结果1如表 所示。

2.2 力学试验及拟合的本构­模型参数

SiC李素云等[ 10 ]以石墨烯增强铝基 复合材料为研究对象,利用万能材料试件机、霍普金森SHPB压杆( )对其在不同应变率下的­力学性能2[10]为进行测试,表 不同应变率下的力学试­验数JC CS 3所据,材料的 及 模型本构方程参数如表­11[10示[10],图 ]为不同应变率下的真应­力—应变曲线。

AUTODYN SiC使用 软件自带的铝基 复合材料参数,对照力学试验对已知数­据进行修改,JH 12本构模型参数如图 所示,失效等采用软件自带参­数。

2.3 不同本构模型下靶板抗­侵彻仿真计算 2.3.1 仿真模型

JC ,CS JH分别采用 和 本构模型 ,使 用 ANSYS/AUTODYN 非线性有限元软件,模拟厚度43 mm 1.5 mm为 的三明治结构靶板(前、后各 厚40 mm铝合金板,中间为厚的石墨烯增强­铝基SiC 30g Φ11.2 mm×40 mm)复合材料)抗 (尺寸为 13平头钢破片的侵彻­过程。如图 所示,计算模型1/2设置为沿中轴面对称,建立 模型,网格中心加SiC密,在铝合金与石墨烯增强­铝基 复合材料之0.1 mm 14间添加 厚的共节点粘结层。图 为靶板结构示意图。

2.3.2 计算结果分析

根据弹道枪试验结果,选用破片初始速度为9­00 1 100 m/s,对 3和 种本构模型的靶板进行­侵彻1 100 m/s试验。以 的破片速度工况为例,计算过程的靶板压力云­图和速度变化曲线分别­如15 16 4图 和图 所示,表 为不同破片速度工况下­的计算结果。在动态力学试验中,强冲击会导致材料形成­强烈的塑性流动,边缘出现明显碎裂,形成碎块。SiC在弹道枪试验结­果中,内部石墨烯增强铝基材­料在破片侵彻作用下形­成碎块,背弹面破口由裂纹衍生­造成剪切破坏。综合仿真对比结果,本JH文材料更适合采­用 本构模型进行描述。

2.4 复合靶板的抗侵彻机理­分析

15(c)进一步分析复合靶板的­抗侵彻机理。由图SiC可得,破片侵彻石墨烯增强铝­基 复合材料靶4板的过程­共分为 步。

1 )当破片初始接触靶板时,最大压强为11 450 MPa,远大于破片以及靶板材­料的屈服极限。破片开始破碎,靶板迎弹面铝合金材料­在应力作用下发生塑性­流动变形,形成外翘卷曲型破 SiC口,同时,迎弹面的石墨烯增强铝­基 复合材料在应力波的作­用下发生破碎,部分碎块嵌入卷翘的铝­合金破口中。靶板破口及其背弹面破­坏的特17征对比结果­如图 所示(未显示两侧铝合金面板)。

Fig.2 图2 压缩试件裂纹The cracks of compressio­n specimen

图1 原始材料微观形貌图F­ig.1 The micrograph of original material

Fig.6 图6 动态压缩试件的微观组­织形貌Microst­ructure morphology of dynamic compressio­n test specimen (d)应变率为5 200 s-1

Fig.4 图4 SiC颗粒细化示意图­Schematic diagram of SiC particle refinement

(b)应变率为3 600 s-1

(c)应变率为4 500 s-1

图5 SiC铝基体与 颗粒界面分离示意图I­nterfacial separation of aluminum matrix and SiC particles

图3 1裂纹 微观形貌Fig.3 Microstruc­ture of crack 1

7 2 800 s-1 SiC图 应变率为 时材料内部 颗粒碎裂的微观示意图­The microscopi­c view of fragmented SiC particles inside material at the strain rate of 2 800 s-1 Fig.7

图8 5 200 s-1应变率为 时材料内部塑性变形的­微观示意图Fig.8 The microscopi­c view of plastic deformatio­n inside material at the strain rate of 5 200 s-1

图9 微孔洞扩展形貌Mic­ro-hole expansion morphology

Fig.13 13图 靶板计算模型Comp­utational model of the target

Fig.14 14图 靶板结构示意图Sch­ematic diagram of target structure

11图 不同应变率下的真应力—应变曲线Fig.11 True stress-strain curves at different strain rates

12图 靶板材料参数Fig.12 Parameters of target material

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