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超高速撞击玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构优化设计

张宝玺  
【摘要】:随着空间科学技术的快速发展,世界各国越来越重视航天器空间碎片的防护问题。大量的高强度纤维被用作填充材料,减轻了航天器的重量,增加了航天器的发射能力。目前应用最广泛的是Nextel和Kevlar纤维。由于我国目前没有能力制造Nextel陶瓷纤维,因此探索出具有类似性质且防护性能优良的填充材料是我们目前的重要任务。最终缩小我国与欧美等发达国家在空间碎片防护领域的差距。 本课题利用哈尔滨工业大学超高速撞击中心的二级轻气炮,比较系统的研究了国产陶瓷纤维玄武岩和芳纶纤维Kevlar作为填充材料的防护效果及其损伤机理。主要研究内容有: 对于玄武岩、涂环氧树脂玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行超高速撞击试验。利用数码相机及数码显微镜观察分析不同速度区纤维布的损伤形态及其机理。得到Kevlar纤维具有很强的拉伸塑性变形率,低速区依靠纤维丝的塑性变形及断裂降低弹丸的速度;高速区(速度为2.97km/s时)纤维丝出现熔化现象,速度继续提高后出现碳化的现象。玄武岩纤维布损伤区域有大量断裂的短小纤维丝,高速区出现纤维丝高温碳化的现象。通过涂环氧树脂增加了玄武岩纤维的正交各向异性和各纤维之间的相互作用力,损伤区域明显小于同速度条件下的玄武岩纤维布。 通过超高速撞击玄武岩、涂环氧树脂玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构实验,得到了填充Whipple防护结构的防护性能。通过比较单层与双层Kevlar纤维布填充防护结构,得到分层可以提高防护结构的防护性能。与美国研究的Nextel/Kevlar纤维布填充防护结构撞击极限曲线进行比较,得出玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构的优良防护性能。通过涂环氧树脂,可以进一步改善防护结构的防护性能。


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