一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料的制作方法

1.本发明涉及空间碎片防护技术领域，尤其涉及一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料。


背景技术：

2.为提高航天器在恶劣空间碎片环境中的生存能力，美国nasa、欧空局和日本等基于超高速撞击防护机理开发了大量先进防护材料，包括kevla、nextel、 beta布、蜂窝铝、泡沫金属等，并基于各种先进材料研制了多种高性能防护结构，包括单防护屏增强型防护结构、多层冲击防护结构、填充式whipple防护结构等，通过以上高性能防护结构的应用，国外对空间站及高价值卫星做了有效防护。防护结构的防护性能很大程度上取决于防护材料的力学特性，且先进防护材料工艺复杂、制备困难。面对航天器空间碎片防护工程需求日趋强烈的现状，国内开展了多种高性能防护材料的研制工作，申请号为201710316128.2的专利提出了一种具有动能高效耗散特性的波阻抗梯度材料，申请号为201418004111.0和201418004115.9的专利发明了一种爆炸反应防护机理的含能活性材料防护结构，虽然取得了不错的防护效果，但防护能力与国外水平及我国航天器空间碎片防护工程需求存在很大差距。
3.工程应用实践中，追求轻质高抗撞击性能的先进防护材料是航天器空间碎片防护研究的永恒主题。将冲击起爆和波阻抗梯度能量耗散两种防护理念结合，通过优化匹配设计，充分利用两种防护理念的优点，形成一种新型含能波阻抗梯度材料，对实现我国高性能防护材料的国产化，大幅提高我国空间碎片防护能力具有重要工程意义和军事价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料，所述含能波阻抗梯度材料在惰性金属组分材料的基础上，添加含能活性材料层作为组份材料，所述含能活性材料由两种或两种以上的非炸药材料混合而成。
7.优选地，所述含能活性材料在准静态或静态载荷下表现为惰性，在弹丸高速撞击时又能发生冲击起爆反应释放大量能量。
8.优选地，所述含能活性材料释放的产物多为气态，对后板没有侵彻能力，单位质量的含能活性材料冲击反应时释放的能量达到最大时对应的组分质量分数之比为最优配比。
9.优选地，所述含能波阻抗梯度材料整体面密度明确基础上，基于波阻抗分布规律选择恰当的惰性金属、含能活性材料作为组分材料，并确定组分材料分布顺序。
10.优选地，针对组分材料建立超高速撞击仿真计算模型，给定表面材料一个初始厚度，其他组分厚度由小到大变化，进行穷尽组合。
11.优选地，根据含能活性材料的冲击起爆特性限定每层组分材料面密度的大小。
12.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
13.1、本技术通过波阻抗梯度匹配设计、冲击起爆阈值调节，将惰性金属材料与含能活性材料按照一定规律结合，使得新型复合材料在超高速撞击下既存在波阻抗梯度，也存在冲击起爆反应，两种作用共同促进弹丸的破碎、分散，从而实现防护能力的进一步提升，综合了波阻抗梯度与冲击起爆反应两种防护机理的新型高性能空间碎片防护材料，相同质量下具有更高的防护能力，可直应用于载人航天器及高价值卫星的空间碎片防护设计，确保我国在轨航天器长寿命、高可靠运行。
附图说明
14.图1示出了根据本发明实施例提供的一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料波阻抗梯度分布原则示意图；
15.图2示出了根据本发明实施例提供的含能波阻抗梯度材料仿真设计流程框图；
16.图3示出了根据本发明实施例提供的含能波阻抗梯度材料材料优化设计方案示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
18.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
19.一种用于空间碎片超高速撞击防护的含能波阻抗梯度材料，含能波阻抗梯度材料在惰性金属组分材料的基础上，添加含能活性材料层作为组份材料，含能活性材料由两种或两种以上的非炸药材料混合而成，例如铝热剂、金属聚合物或混合物、金属间化合物和复合材料等。
20.含能活性材料在准静态或静态载荷下表现为惰性，在弹丸高速撞击时又能发生冲击起爆反应释放大量能量，促进弹丸破碎分散动能的同时，高温、高压、高速运动的爆轰产物也会对弹丸产生反向冲量；
21.含能活性材料释放的产物多为气态，对后板没有侵彻能力，从而进一步减小弹丸碎片的轴向动能，降低对后墙的损伤能力，考虑到空间碎片防护应用背景，希望单位质量的含能活性材料冲击反应时释放的能量达到最大时对应的组分质量分数之比为最优配比；
22.含能波阻抗梯度材料整体面密度明确基础上，基于波阻抗分布规律选择恰当的惰性金属、含能活性材料作为组分材料，并确定组分材料分布顺序；
23.针对组分材料建立超高速撞击仿真计算模型，给定表面材料一个初始厚度，其他组分厚度由小到大变化，进行穷尽组合，穷尽组合的条件是保持含能波阻抗梯度材料面密度不变。由于含能波阻抗梯度材料由多层具有不同波阻抗特性的组分材料组成，导致每层组分材料面密度受到限制，不能太大。含能活性材料的冲击起爆特性是其发挥防护效能的根本，这就决定了如果材料太薄，在背表面稀疏波的作用下，其冲击释能作用不能充分发
挥，所以含能波阻抗梯度材料设计中需要尽可能保证含能活性材料的厚度；根据含能活性材料的冲击起爆特性限定每层组分材料面密度的大小；
24.波阻抗梯度材料相对于普通均质材料的最大优势就是可以实现对弹丸与防护屏超高速撞击冲击作用过程的有针对性的调节，优化弹丸与防护屏的冲击波作用过程。在相同面密度条件下，应尽可能的提高弹丸超高速撞击防护屏入射面材料的波阻抗值，以提高弹丸与防护屏作用的初始撞击压力，提高冲击压力对弹丸和防护屏材料的破碎能力；与此同时，应在高波阻抗值材料的后部依次排列较低波阻抗值材料，从而实现延长冲击压力作用时间，延缓冲击压力卸载过程的目的，从而使得冲击波对弹丸材料和防护屏材料的作用过程最大化，达到面密度不变的同时提高防护屏材料的防护性能的目的。传统波阻抗梯度材料主要由惰性金属材料组成，选材包括适用于航天器空间碎片防护结构的钛合金、铝合金、镁合金等。
25.具体的，设计一种面密度与1.5mm铝合金等效的含能波阻抗梯度材料，面密度为0.417g/cm2。依据图1所示波阻抗梯度分布原则，应尽可能选用高波阻抗材料以提高弹丸与弹丸撞击瞬间的初始压力，提高弹丸破碎程度，综合考虑空间环境适应性，选择钛合金作为前表面材料。后表面材料波阻抗需要小于钛合金，选用氟聚合物基含能活性材料ptfe/al，密度为2.2g/cm3，零氧配比下材料冲击反应释放的能量达到最大，此时ptfe与al的质量分数分别为73.5％和26.5％。考虑到波阻抗的尽可能连续变化，选用铝合金为中间层。
26.仿真设计流程如图2所示，首先给定钛合金一个厚度，让铝合金厚度由小到大变化，在每一个变化中，ptfe/al进行穷尽组合，使得在计算能力许可下，各种材料厚度组合都被包含。穷尽组合的条件是保持含能波阻抗梯度材料面密度不变，始终等效于1.0mm厚的铝合金，每层材料的最小厚度为0.1mm。
27.表1含能波阻抗梯度材料设计方法
[0028][0029]
根据以上设计方法，对等效1.5mm厚度铝合金的含能波阻抗梯度材料中各组成材料的厚度进行了仿真计算。数值仿真结果表明，含能波阻抗梯度材料构型为 0.3ti-0.2al-1.1ptfe/al的防护结构能够抵御撞击速度为7km/s，弹丸直径为5.0 mm的铝合金弹丸的正撞击。因此可以得知，等效1.5mm铝合金面密度的含能活性波阻抗梯度材料由0.3mm厚度的钛合金、0.2mm厚度的铝合金和1.1mm厚度的ptfe/al构成，如图3所示。
[0030]
本技术通过波阻抗梯度匹配设计、冲击起爆阈值调节，将惰性金属材料与含能活性材料按照一定规律结合，使得新型复合材料在超高速撞击下既存在波阻抗梯度，也存在
冲击起爆反应，两种作用共同促进弹丸的破碎、分散，从而实现防护能力的进一步提升，综合了波阻抗梯度与冲击起爆反应两种防护机理的新型高性能空间碎片防护材料，相同质量下具有更高的防护能力，可直应用于载人航天器及高价值卫星的空间碎片防护设计，确保我国在轨航天器长寿命、高可靠运行。
[0031]
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。