王文帥，王鵬飛，田 杰，徐松林

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室, 安徽 合肥 230026；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程與材料科學(xué)實驗中心, 安徽 合肥 230027）

近年來，具有納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管（carbon nanotube, CNT）薄膜因其比表面積大、比強度高等特性而備受關(guān)注[1-5]。CNT 薄膜在力學(xué)特性、導(dǎo)電性和儲能特性方面均有優(yōu)異的表現(xiàn)，因而在工程防護以及電子器件開發(fā)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。CNT 可以用來制造人工肌肉[6]、防彈衣[7-8]、抗碎片航天器屏蔽板[9]等。當(dāng)前，眾多科研工作者致力于研究CNT 薄膜在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的力學(xué)和電學(xué)性能，一般集中在CNT 的類型和微觀結(jié)構(gòu)上[10-12]。Sakurai 等[13]研究了由毫米級長度的單壁CNT 組成的CNT 薄膜的力學(xué)強度，發(fā)現(xiàn)纖維長度為1 500 μm 的 CNT 膜強度（45 MPa）是纖維長度為350 μm 的CNT 膜強度（19 MPa）的兩倍以上。Ma 等[14]觀察到，在單軸拉伸載荷下，CNT 之間的角度變化與CNT 彎曲時伸長率的變化導(dǎo)致CNT 薄膜的泊松比發(fā)生由負向正的轉(zhuǎn)變。

當(dāng)結(jié)構(gòu)材料很薄時，材料的表面特性對其力學(xué)性能的影響是不可忽略的。Wang 等[15-16]通過對鋁合金薄板表面進行酸腐蝕和涂層等處理，分析穿透結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加壓頭與薄板結(jié)構(gòu)之間的摩擦系數(shù)有助于吸收沖擊能量。常晉源等[17]基于高精度力傳感器搭建了纖維單絲在橫向沖擊過程中的信號測量裝置，并利用該裝置結(jié)合掃描電鏡對比研究了尼龍纖維和CNT 纖維的橫向沖擊特性。Dong 等[18]以60 nm 厚的非晶合金薄膜為研究對象，通過微彈道高速沖擊實驗平臺研究了非晶合金納米薄膜的沖擊防護性能和耗能機制。Tang 等[19]開發(fā)出一種針對沖擊載荷具有自主調(diào)控能力的柔性智能抗沖擊材料。目前，對凱夫拉纖維及其復(fù)合材料[20-23]的研究很多，但對CNT 薄膜的沖擊力學(xué)性能，尤其是薄膜在微細觀下的動態(tài)沖擊性能測試以及表面特性對其力學(xué)性能影響的研究還比較欠缺[24-25]。

利用CNT 陣列可紡絲成細觀尺度上具備高強度以及大應(yīng)變的纖維[26-27]，有望與傳統(tǒng)的凱夫拉纖維和碳纖維一樣，制備成纖維增強復(fù)合材料進行工程防護應(yīng)用[28]。同時，還可利用CNT 陣列制備二維薄膜狀結(jié)構(gòu)[29]，這種CNT 薄膜的拉伸強度與失效應(yīng)變可與傳統(tǒng)的纖維類材料相媲美[30]，在航空工業(yè)和安全防護等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景[31-32]。Xiao 等[10]通過微型彈道沖擊實驗和粗粒化分子動力學(xué)模擬研究了CNT 交聯(lián)對薄膜抗沖擊性能的影響。Zhang 等[33]從實驗和理論兩方面研究了CNT 薄膜的摩擦性能，指出CNT 薄膜可以作為一種優(yōu)良的固體潤滑劑，其在干燥狀態(tài)下與金剛石接觸滑動時的摩擦系數(shù)約為0.01。胡東梅等[34]以連續(xù)CNT 薄膜與超高分子量聚乙烯為原料，設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的靶片，探討了子彈沖擊對靶片的凹陷深度、V50值以及破壞形貌特征的影響，研究結(jié)果表明CNT 薄膜具有優(yōu)異的能量吸收特性。然而，新型CNT 薄膜尚處在設(shè)計研究與推廣應(yīng)用的初始階段，CNT 薄膜的抗沖擊性能相關(guān)報道較少，且對不同層數(shù)CNT 薄膜的橫向沖擊特性以及層與層之間相互作用機理的研究比較欠缺。

基于此，本研究設(shè)計了不同加載速度下CNT 薄膜的力學(xué)實驗，探討其抵抗橫向沖擊過程的能量耗散特性，測試CNT 薄膜在準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)沖擊加載條件下的橫向力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，研究中間層界面狀態(tài)對CNT 薄膜抗侵徹力學(xué)性能的影響，結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析探討CNT 薄膜的變形特性與能量吸收機理。

1 實驗方法

CNT 薄膜由蘇州捷迪納米科技有限公司通過化學(xué)氣相沉積法制備，薄膜厚度約為10 μm。如圖1(a)所示，將CNT 薄膜切成正方形試樣進行動態(tài)沖擊實驗和準(zhǔn)靜態(tài)侵徹實驗，兩種試樣均加持在中心帶有 ?12 mm 圓孔的夾具之間。利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM）將CNT 薄膜進行放大200 倍表征。圖1(b)顯示了CNT 薄膜試樣表面微觀形貌。從圖1(b)可以看出：CNT 薄膜結(jié)構(gòu)較為平整密實，但在更精細的微觀尺度下呈現(xiàn)相對粗糙的形態(tài)，結(jié)構(gòu)表面有很多交錯的條紋，主要是由制備CNT 薄膜時通過噴射酒精來密實而導(dǎo)致的微褶皺。

圖1 CNT 薄膜試樣(a)及其表面微觀形貌(b)Fig. 1 CNT thin film sample (a) and its surface microscopic morphology (b)

通過萬能材料試驗機對CNT 薄膜進行準(zhǔn)靜態(tài)侵徹實驗。如圖2(a)所示，將薄膜夾在兩個中心圓孔直徑為12 mm 的鋼夾具之間，將 ?1 mm 的半球形鋼壓頭壓入薄膜中心，壓頭速度為10-5～10-3m/s。采用4 種方式處理雙層CNT 薄膜表面：(1) 干接觸，即未經(jīng)處理的CNT 薄膜自由接觸；(2) 水接觸，即雙層CNT 薄膜的中間層界面被水潤濕；(3) 油接觸，采用潤滑油涂抹在雙層CNT 薄膜的中間層界面；(4) 真空脂接觸，采用道康寧公司的高真空潤滑脂（high vacuum grease，HVG）涂抹在雙層CNT 薄膜的中間層界面。每種試樣均重復(fù)3 次以上實驗。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)壓入實驗(a)和彈道測試實驗(b)布局Fig. 2 Layouts of quasi-static injection test (a) and ballistic test (b)

如圖2(b)所示，為了探討高速沖擊下CNT 薄膜的吸能特性，利用實驗室自制的小型沖擊裝置進行薄膜的高速沖擊穿透實驗。為了便于比較，將干接觸和中間界面分別涂有水、潤滑油和HVG 的CNT 薄膜進行5～70 m/s 的沖擊加載。通過高壓氣體加速 ?1 mm 鋼球沖擊薄膜中心。采用高速攝像機（FASTCAM SA5）實時記錄鋼球穿透薄膜前、后的速度。

2 數(shù)值模擬

結(jié)合Abaqus 有限元分析軟件，進一步研究鋼球沖擊下薄膜的變形過程，模擬模型的尺寸與實驗相同。如圖3(a)所示，將球狀鋼珠定義為直徑1 mm 的彈性體，薄膜為直徑12 mm 的圓形區(qū)域，薄膜厚度為10 μm。為了更準(zhǔn)確地模擬薄膜的破壞過程，在薄膜與鋼球接觸的中心區(qū)域劃分了更小的網(wǎng)格。每個薄膜由2 700 個單元（S4R）組成，彈丸由896 個單元（C3D8R）組成。撞擊中心區(qū)域的邊長為3 mm，由900 個單元（S4R）組成，如圖3(b)所示。利用罰函數(shù)形式設(shè)置其接觸屬性，并設(shè)所有接觸對之間的摩擦系數(shù)為0.3。薄膜的四周均為固支狀態(tài)。薄膜密度為1 700 kg/m3。表1 中，E1、E2、E3為薄膜的拉伸彈性模量，μ12、μ13、μ23為泊松比，G12、G13、G23為薄膜的剪切模量。鋼球密度為7 800 kg/m3，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。

表1 CNT 薄膜材料的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of CNT materials

圖3 鋼球沖擊薄膜有限元模型：(a) 1 mm 直徑鋼球模型；(b) 12 mm 直徑CNT 薄膜模型正面Fig. 3 Finite element model of a steel ball impacting the thin film: (a) 1 mm diameter steel ball model; (b) front side of a 12 mm diameter carbon nanotube film model

設(shè)置了Abaqus 中的Hashin 失效準(zhǔn)則[35]，對應(yīng)的材料模型為Lamina。二維Hashin 失效準(zhǔn)則共分為縱向拉伸、縱向壓縮、橫向拉伸和橫向壓縮4 種失效。通過這些失效準(zhǔn)則判定損傷的起始，但還缺乏損傷起始以后的剛度退化。與損傷起始相關(guān)的6 種強度分別為縱向拉伸強度、縱向壓縮強度、橫向拉伸強度、橫向壓縮強度、縱向剪切強度和橫向剪切強度。定義損傷演化參數(shù)，輸入4 種失效模式對應(yīng)的斷裂能：縱向拉伸斷裂能、縱向壓縮斷裂能、橫向拉伸斷裂能、橫向壓縮斷裂能。表2 和表3中使用Hashin 失效準(zhǔn)則對薄膜破壞失效參數(shù)進行設(shè)定。

表2 CNT 薄膜材料的工程彈性常數(shù)Table 2 Engineering elastic parameters of CNT materials

表3 CNT 薄膜材料的損傷演化力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of damage evolution of CNT materials

3 靜態(tài)力學(xué)性能

3.1 單雙層CNT 薄膜

在2.7×10-4m/s 的準(zhǔn)靜態(tài)加載速率下，單、雙層CNT 薄膜被 ?1 mm 半球形壓頭壓入的載荷-位移曲線如圖4 所示。可以看出，CNT 薄膜的準(zhǔn)靜態(tài)穿刺過程是一個逐漸發(fā)展的過程：初始時，CNT 薄膜表面較松弛；位移達到0.3 mm 時，薄膜表面開始張緊；當(dāng)位移增至1.6 mm 時，載荷達到峰值1.22 N，膜表面接觸半球形壓頭的邊緣出現(xiàn)裂紋，而后裂紋沿壓頭邊緣迅速擴展；位移達到2.2 mm 時，薄膜出現(xiàn)可以使壓頭完全通過的空洞裂紋，壓頭穿透CNT 薄膜。

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)加載下單、雙層CNT 薄膜的載荷-位移曲線及相應(yīng)的侵徹變形過程Fig. 4 Load-displacement curves and corresponding penetration deformation process of single- and double-layer CNT film under quasi-static loading

3.2 中間層的影響

圖5、圖6 顯示了不同中間層狀態(tài)的雙層CNT 薄膜被 ?1 mm 半球壓頭準(zhǔn)靜態(tài)壓入下的載荷-位移曲線以及載荷峰值及吸能特性，加載速率為2.7×10-4m/s?？梢园l(fā)現(xiàn)，在準(zhǔn)靜態(tài)壓入實驗中，添加水、潤滑油和HVG 之后，雙層CNT 薄膜的載荷峰值和吸收能量都有一定程度的減小。其中，加入水對雙層CNT 薄膜吸能效果減弱的作用最明顯，其次是潤滑油和HVG。這也驗證了前面關(guān)于雙層CNT 薄膜的吸能效果與CNT 薄膜間摩擦力因素相關(guān)的考慮。中間層加入不同流體物質(zhì)均可以不同程度地減小雙層CNT 薄膜間的摩擦力，從而造成薄膜的承載能力減弱。添加液體后，由于水的表面張力較大，滴到CNT 薄膜表面會凝聚成水珠狀，而潤滑油則會攤開成薄層。潤滑油的潤滑效果比水更好，靜態(tài)下薄膜間的界面摩擦對薄膜吸能產(chǎn)生較大影響。甚至可能水和油在CNT 薄膜表面的凝聚狀態(tài)也對吸能有一定的影響，在雙層CNT 薄膜中間添加液體的實驗中，水減弱雙層CNT 薄膜的吸能效果最為明顯。

圖5 不同添加物影響下雙層CNT 薄膜的載荷-位移曲線Fig. 5 Load-displacement curves of double-layer CNT film with different types of additives

圖6 不同界面對雙層CNT 薄膜準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性質(zhì)的影響：(a)載荷峰值，(b)吸能特性Fig. 6 Effect of different interfaces on the quasi-static mechanical properties of the double-layer CNT film:(a) peak load and (b) energy absorption characteristics

4 動態(tài)力學(xué)性能

4.1 鋼球的沖擊速度衰減性能

圖7 為不同初始速度（v0）下 ?1 mm 鋼球沖擊單、雙層CNT 薄膜的速度衰減情況，其中負值表示鋼球撞擊CNT 薄膜后反彈的速度。結(jié)果顯示，在 ?1 mm 鋼球的沖擊下，單層CNT 薄膜在初始速度為25 m/s 左右時被穿透，雙層CNT 薄膜在初始速度為40 m/s 左右時被穿透。隨著初始速度的增大，鋼球穿透CNT 薄膜后的殘余速度（v1）也逐漸增大，且初始沖擊速度與殘余速度數(shù)據(jù)構(gòu)成的坐標(biāo)點逐漸向v1=v0直線靠近。實驗結(jié)果表明，對于未穿透CNT 薄膜的反彈區(qū)，隨著初始沖擊速度的增大，反彈速度略有波動，但變化幅度不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)鋼球的初速度較小時，CNT 薄膜被撞擊后的塑性變形較小，吸收的能量也較?。划?dāng)鋼球的初速度較大時，CNT 薄膜被撞擊后的塑形變形較大，吸收的能量也較大，最終造成未穿透的鋼球反彈速度相近。

圖7 沖擊單層CNT 薄膜(a)和雙層CNT 薄膜(b)后鋼球速度的衰減Fig. 7 Velocity attenuation of steel ball after impact of single-layer CNT film (a) and double-layer CNT film (b)

在侵徹薄膜過程中，鋼球的初始動能E0被部分耗散后，以一定速度穿透薄膜，假設(shè)vc為臨界穿透速度，vc對應(yīng)子彈剛好穿透薄膜后動能耗盡的臨界速度，該速度的鋼球動能即為薄膜吸收的能量。設(shè)鋼球質(zhì)量為m，根據(jù)能量守恒，穿透CNT 薄膜的鋼球滿足

利用式(2)對穿透區(qū)的數(shù)據(jù)點進行擬合：單層CNT 薄膜中，vc=24.8 m/s，與實驗結(jié)果（25 m/s）接近；雙層CNT 薄膜中，vc=47.9 m/s，與實驗結(jié)果（40 m/s）有一定差距。產(chǎn)生上述差異的原因可能是鋼球直徑（1 mm）較小，在穿透雙層CNT 薄膜過程中容易受到干擾，更大的膜阻力、更復(fù)雜的雙層薄膜破壞以及空氣阻力使部分穿透鋼球改變了飛行方向，變成斜上或斜下飛行，使得穿透區(qū)子彈速度波動較大，導(dǎo)致擬合結(jié)果較差。

同時還發(fā)現(xiàn)，在較低速度的鋼球沖擊下，單層和雙層CNT 薄膜的抗沖擊性能都有一個平臺狀反彈區(qū)，高速下接近45°直線的穿透區(qū)；穿透雙層薄膜的臨界速度（40 m/s）比單層（25 m/s）大，且臨界速度下穿透雙層薄膜的鋼球動能要比單層時的兩倍略大，這主要受雙層CNT 薄膜間摩擦力的影響；同一初速度下，雙層CNT 薄膜的穿透速度要比單層薄膜低很多，這是由于雙層CNT 薄膜有更強的吸能能力，可以反彈具有更高初速度的鋼球，吸收更多的能量，使穿透鋼球的殘余速度更低。

4.2 沖擊吸能特性

圖8 展示了鋼球沖擊單、雙層CNT 薄膜后薄膜的吸能大小隨鋼球初速度的變化情況。根據(jù)鋼球沖擊前的初動能與沖擊后終態(tài)動能的差值得到薄膜的吸能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)反彈區(qū)數(shù)據(jù)點的分布接近呈拋物線。隨著鋼球初速度的增大，到達穿透區(qū)時，薄膜的吸能也繼續(xù)增大，這是由于鋼球速度越大，薄膜的變形越大，吸能也越大；但隨著鋼球初速度繼續(xù)增大，鋼球速度增大到一定程度后，薄膜未達到最大變形時就因應(yīng)力集中而失效，吸能效果變差。

圖8 鋼球沖擊單層(a)和雙層(b) CNT 薄膜時的吸能特性Fig. 8 Energy absorption characteristics of the steel ball impacting the single-layer CNT film (a) and double-layer CNT film (b)

對于沖擊CNT 薄膜后反彈的鋼球，初始動能E0被部分耗散后以一定速度發(fā)生反彈。假設(shè)Ea為鋼球剛好黏附在薄膜上時被薄膜吸收的能量，由實驗結(jié)果可以看出，隨著初速度的增大，反彈速度變化幅度并不大，故Ea接近一個定值。設(shè)Ep為鋼球反彈被薄膜吸收的能量，那么對于沖擊CNT 薄膜后反彈的鋼球，根據(jù)能量守恒

則有

對反彈區(qū)的數(shù)據(jù)點進行拋物線公式擬合，擬合效果較好。鋼球質(zhì)量m的擬合結(jié)果為4.083×10-6kg，與鋼球的實際質(zhì)量4.080×10-6kg 非常接近，擬合參數(shù)R2分別為0.981 和0.997，從側(cè)面說明了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。在反彈區(qū)，當(dāng)初速度相對較小時，CNT 薄膜的吸能較少；初速度較大時，CNT 薄膜的吸能較多。未穿透CNT 薄膜的鋼球反彈速度相近，而該吸能量對應(yīng) ?1 mm 鋼球?qū)NT 薄膜的黏附動能。

同時還對比了單、雙層CNT 薄膜的吸能和比吸能隨鋼球初速度的變化情況。薄膜的吸能與對應(yīng)鋼球的初動能的比為比吸能

單、雙層CNT 薄膜的吸能對比如圖9 所示。單層薄膜與雙層薄膜反彈區(qū)的吸能數(shù)據(jù)幾乎重合，推測鋼球沖擊單、雙層薄膜時，雖然雙層薄膜與單層薄膜的變形程度不同，但均達到了相似的吸能效果。相同初速度的鋼球沖擊單層薄膜時，薄膜被撞擊后的塑形變形較大。該速度的鋼球沖擊雙層薄膜時，每層薄膜被撞擊后的塑性變形較小，但兩層薄膜的吸能之和與單層薄膜的吸能相當(dāng)，最終使得單、雙層薄膜反彈區(qū)域的吸能數(shù)據(jù)幾乎重合。從比吸能數(shù)據(jù)可以看出，對于沖擊CNT 薄膜后反彈的鋼球，薄膜吸收了鋼球的大部分動能，比吸能較大。鋼球到達穿透區(qū)時，隨著鋼球的初速度增大到一定程度，在薄膜還無法充分吸收鋼球動能時，較高的鋼球速度造成了更大的集中應(yīng)力，使得CNT 薄膜較早出現(xiàn)裂紋而失效，故比吸能逐漸降低。

圖9 鋼球沖擊單、雙層CNT 薄膜的吸能(a)和比吸能(b)對比Fig. 9 Comparison of energy absorption (a) and specific energy absorption (b) between single- and double-layer CNT films impacted by steel balls

如圖10 所示，由于 ?1 mm 鋼球穿透雙層CNT 薄膜需要的氣壓較大，實驗所用的減壓閥無法滿足條件，因此為了便于實驗，使用 ?1.8 mm 的鋼球進行雙層CNT 薄膜沖擊實驗，與不添加任何介質(zhì)的純雙層CNT 薄膜對比發(fā)現(xiàn)，中間添加少量水、HVG 和潤滑油的雙層CNT 薄膜沖擊實驗與準(zhǔn)靜態(tài)穿刺實驗結(jié)果相反。水、HVG 和潤滑油都能在不同程度上提升CNT 薄膜的沖擊吸能能力。水和潤滑油等添加到雙層CNT 薄膜中間可以形成一個保護層，當(dāng)鋼球沖擊CNT 薄膜時，可以將鋼球施加的應(yīng)力分散到較大的CNT 薄膜面積上，相當(dāng)于擴大了CNT 薄膜的受力面積，減小了應(yīng)力集中，從而提升了CNT 薄膜的抗沖擊性能。

圖10 不同中間界面對雙層CNT 薄膜沖擊吸能性能的影響Fig. 10 Effect of different additives on the impact energy absorption properties of double-layer CNT films

利用FESEM 觀察穿透后CNT 薄膜試樣的微觀表面形貌，如圖11 所示。可以發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)靜態(tài)下CNT 薄膜被破壞的孔洞邊緣與沖擊破壞孔相比更薄，拉伸變形更明顯。這是受應(yīng)變率的影響，準(zhǔn)靜態(tài)下有更長時間將拉伸作用傳遞到膜的其他區(qū)域，使得被拉伸的區(qū)域更大；而在沖擊加載作用下，由于應(yīng)變率更高、作用時間更短，CNT 薄膜的應(yīng)力集中更明顯，導(dǎo)致沖擊下的拉伸區(qū)域較小。HVG 呈凝膠狀，且含有一些硅顆粒，在CNT 薄膜表面會有殘留，從圖11(e)可以看出，HVG 與CNT 薄膜相互作用，使薄膜的硬度增大，延展性和柔韌性降低。然而，水并不會殘留在CNT 薄膜表面，實驗結(jié)果也表明，加水的界面并沒有顯著改變CNT 薄膜的力學(xué)性質(zhì)。

圖11 穿透后CNT 薄膜試樣表面的微觀形貌：(a)單層CNT 薄膜沖擊穿孔形態(tài)（16 m/s）；(b)單層CNT 薄膜準(zhǔn)靜態(tài)穿孔形態(tài)（2.67×10-4 m/s）；(c)雙層CNT 薄膜沖擊穿孔形態(tài)（水，33 m/s）；(d)雙層CNT 薄膜準(zhǔn)靜態(tài)穿孔形態(tài)（水，2.67×10-4 m/s）；(e)雙層CNT 薄膜沖擊穿孔形態(tài)（HVG，35 m/s）；(f)雙層CNT 薄膜準(zhǔn)靜態(tài)穿孔形態(tài)（HVG，2.67×10-4 m/s）Fig. 11 Microscopic morphology of the penetrated CNT film samples surface: (a) impact perforation morphology of singlelayer CNT film (16m/s); (b) quasi-static perforated morphology of single-layer CNT film (2.67×10-4m/s);(c) impact perforation morphology of double-layer CNT film(water, 33 m/s); (d) quasi-static perforated morphology of double-layer CNT film (water, 2.67×10-4 m/s); (e) impact perforation morphology of double-layer CNT film (HVG,35 m/s); (f) quasi-static perforated morphology of double-layer CNT film (HVG, 2.67×10-4 m/s)

4.3 動態(tài)數(shù)值分析

在鋼球初速度分別為30.0、32.5 和35.0 m/s的薄膜穿透過程中，鋼球的初速度-殘余速度關(guān)系的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比如圖12(a)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，初速度在29～36 m/s 范圍內(nèi)時，鋼球侵徹CNT薄膜的速度衰減模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。圖12(b)顯示了鋼球分別為30.0、32.5 和35.0 m/s的初速度穿透薄膜過程中的速度衰減過程?？梢钥闯觯@3 種速度的衰減過程基本均在0.10 ms 內(nèi)完成，而且鋼球的初速度越大，速度衰減越快。鋼球以35.0 m/s 的初速度發(fā)射時，0.04 ms時鋼球衰減到終速度18.0 m/s 附近；鋼球以32.5 和30.0 m/s的初速度發(fā)射時，衰減到終速度分別需要0.06和0.10 ms。該情況與現(xiàn)實經(jīng)驗相符，鋼球的初速度越大，薄膜被沖擊時發(fā)生變形越快，應(yīng)力集中越明顯，破壞得越快。

圖12 鋼球侵徹速度的衰減情況： (a)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比，(b)速度衰減過程的模擬結(jié)果Fig. 12 Dynamic shock penetration velocity decay of steel balls: (a) comparison between simulation results and experimental results; (b) simulation results of the velocity loss process

如圖13 和圖14 所示，應(yīng)用動態(tài)模擬，對鋼球分別施加預(yù)定義10 和35 m/s 的速度場，得到?jīng)_擊過程中反彈與穿透薄膜的實時應(yīng)力云圖和破壞形貌，從而對實驗結(jié)果給予了有力的補充。鋼球沖擊破膜會帶出少量薄膜脫落也與實驗一致。

圖13 10 m/s 速度沖擊時薄膜的侵徹模擬結(jié)果： (a)背面， (b)側(cè)面Fig. 13 Simulation results of film penetration at 10 m/s impact velocity: (a) back view, (b) side view

圖14 35 m/s 速度沖擊時薄膜的侵徹模擬結(jié)果：(a)背面，(b)側(cè)面Fig. 14 Simulation results of film penetration at 35 m/s impact velocity: (a) back view, (b) side view

從應(yīng)力分布云圖可以看出，鋼球沖擊薄膜的過程中，開始階段中心接觸區(qū)域先出現(xiàn)應(yīng)力集中，在彈頭的沖擊下，產(chǎn)生橫波并從中心向側(cè)面?zhèn)鞑?，從而形成圓錐體，然后塑性波逐漸向四周傳播。在低速鋼球沖擊下，薄膜未達到應(yīng)力極限破壞，隨著鋼球動能衰減為零，薄膜的應(yīng)力逐漸卸載，同時

薄膜的回彈把部分彈性勢能傳遞給鋼球變成動能，加速鋼球反彈。在鋼球的高速沖擊下，薄膜應(yīng)力集中區(qū)域最先達到應(yīng)力極限發(fā)生破壞，薄膜出現(xiàn)裂紋，裂紋迅速擴展形成穿孔，薄膜的應(yīng)力快速卸載。

5 結(jié) 論

通過萬能材料試驗機和小型沖擊裝置，設(shè)計了對CNT 薄膜在不同沖擊速度下的力學(xué)實驗，探討了其抵抗沖擊穿透和能量耗散的特性，比較了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)沖擊加載實驗條件下CNT 薄膜的橫向力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，研究了中間層界面狀態(tài)對CNT 薄膜抗侵徹力學(xué)性能的影響。結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析探討了CNT 薄膜的變形特性與能量吸收機理，得到如下結(jié)論。

(1) 獲得了CNT 薄膜抵抗沖擊穿透和能量耗散的特性。對于直徑為1 mm 的鋼球，單層CNT 薄膜的穿透速度為25 m/s 左右，最大吸能對應(yīng)的速度為30 m/s 左右；雙層CNT 薄膜的穿透速度為40 m/s 左右，最大吸能對應(yīng)的速度為60 m/s 左右。

(2) 發(fā)現(xiàn)了CNT 薄膜在準(zhǔn)靜態(tài)穿孔與沖擊穿孔情況下的區(qū)別，準(zhǔn)靜態(tài)下的破壞孔洞邊緣比沖擊破壞孔更薄，拉伸變形更明顯。

(3) 證實了中間界面改性可以提升雙層CNT 薄膜抗沖擊力學(xué)性能和吸能效果，在雙層CNT 薄膜中間加入水、油或HVG 等介質(zhì)可以提升雙層CNT 薄膜抗沖擊穿透力學(xué)性能。