不同金屬鍍層單晶硅靶板的沖擊受力特性

代鋒琪,劉雙杰,郝永平,,劉鳳麗

(1.沈陽理工大學裝備工程學院,遼寧 沈陽 110159;2.沈陽理工大學機械工程學院,遼寧 沈陽 110159)

0 引言

隨著微機電系統(MEMS)的發展,結構的微型化對國防領域武器裝備,尤其是對彈藥的起爆控制裝置——引信的發展起著巨大的推動作用,為引信的發展提供了更多的空間,使引信能在有限的空間范圍內有更多的空間來容納傳感器以及一些其他部件,引信功能從傳統的機械化朝著智能化、電子化、集成化以及小型化的方向發展。同時近些年的研究成果表明,微機電系統安全與解除隔離裝置具有體積小、重量輕、可靠性高的優點,顯著減小了結構尺寸,為附加功能提供了空間[1]。在設計微機電系統過程中,常使用單晶硅材料作為基底,其優點在于能夠使器件具有小型化和集成化的特點,但在高動態環境下,受限于硅材料強度不足的特性(易碎性),這些器件在阻擋爆炸、抗過載性能時很難保持完整[2-4]。

對于硅基微機電系統(MEMS)安全與解除隔離裝置,引信在起爆環境中無法隔離異常輸出,對人員造成危害。目前國內外對于解決硅基抗沖擊性能的研究并不多。20世紀末期開始,國外學者主要是針對微硅結構作拉伸、彎曲斷裂等基本研究,根據數據分析硅的斷裂機理[5-7]。文獻[8]中就提到拋光梁表面的氧化導致斷裂強度比原始強度提高15%～20%,并指出不同涂層對單晶硅斷裂強度力學性能的影響不同,部分鍍層具有增強效果。隨后,文獻[9]在研究Ti濺射在單晶硅上的斷裂性能中發現,單晶硅的斷裂與其本身的裂紋有極大關聯,對其結構表面進行修復,能夠達到一定的韌性增強效果,與文獻[8]的研究結果類似。國內研究了銀、銅、鎳和聚酰亞胺(PI)薄膜對硅基材料爆炸沖擊性能的影響,得出鍍層金屬對硅基材料具有一定的抑爆抗沖擊效果[10]。

從已有的研究成果來看,鍍層可以對單晶硅表面進行優化,同時鍍層對硅靶板力學性能具有一定的影響。本文結合金屬具有一定沖擊韌性的特點,開展單晶硅在金屬鍍膜后耦合力學性能的理論分析與仿真測試研究,應用LS-DYNA 有限元軟件對不同金屬鍍層的金屬鍍層-單晶硅耦合模型進行數值計算,總結不同金屬對單晶硅材料抗沖擊性能的影響。為硅微結構在高過載態環境下可靠使用提供理論基礎與實驗參照,以滿足單晶硅材料的在武器設計過程中的使用需求。

1 理論分析

沖擊載荷對靶板受力影響涉及撞擊體速度和靶板厚度等多個物理量參數,通過設定撞擊體對復合靶板垂直沖擊,保證相同的碰撞速度。同時為保證具有相同的靶板厚度,對單晶硅靶板進行相同厚度的鍍層處理,以單晶硅鍍層(下文稱Si鍍層)作對照組,金屬鍍層作實驗組。圖1所示的模型簡圖,未對撞擊體進行剛性設置,以便模擬真實情形。由于撞擊體在垂直沖擊復合靶板時受力變形,靶板內受沖擊波、正應力、剪切應力、彎曲應力,對照組靶板的破壞形式大致為錐形,如圖1(b),實驗組靶板受力發生流動變形,如圖1(c)。

圖1 撞擊體沖擊靶板簡圖Fig.1 Schematic diagram of impactor impacting the target plate

1.1 撞擊體的動力學計算

撞擊體在沖擊靶板時,主要分為塑性變形區與剛性未變形區,剛性區受力為σpA0,運動方程為[11]

(1)

假設材料不可壓縮,由體積不變,質量相等:

(2)

假設塑性變形區內的速度呈線性分布,變形區的動量:

(3)

式中:Dp為變形處最大直徑。

1.2 對照組靶板受力計算

由于單晶硅為脆性材料,破壞效應與陶瓷類似,參考陶瓷在沖擊力作用下的破壞形式,不會發生類似金屬材料一樣的擠壓變形,而是產生如圖1(b)所示的錐形面[12]。根據Wilkins[13]的結論,破碎單晶硅的強度Yc為

(4)

式中:u0為撞擊體的初始速度,即u0=u|t=0。

(5)

1.3 實驗組硅靶板的受力計算

假設在沖擊金屬鍍層時,金屬層受力屈服變形,底部硅板不發生受力變形,發生屈服變形做功由Woodward R L[14]結論變形可得

(6)

式中:hj為金屬鍍層屈服厚度,hj=b,δ為變形位移,Yj為金屬動態屈服應力。

金屬在變形時受到的外力做功為

(7)

通過理論分析實驗組與對照組靶板受力可知,作用在單晶硅靶板上的應力值大小與鍍層材料的動態屈服應力相關。下面結合仿真計算結果,進一步分析金屬鍍層是否影響單晶硅靶板受力。

2 有限元模型

單晶硅板是脆性材質,在受到較大沖擊力時不會發生較大的塑性變形,直接產生破裂損壞。本動態響應目的是觀察鍍膜后單晶硅板應力情況,采取ALE (arbitrary Lagrange-Euler)算法進行建模,基于LS-DYNA建立了金屬-單晶硅復合模型,模型見圖2。模型采用圓形靶板設計,對于邊界進行非反射邊界定義,消除反射應力波對模型計算產生的干擾。撞擊體與靶板、金屬鍍層與靶板之間均采用面面侵蝕接觸算法計算(*CONTACT-ERODING-SURFACE-TO-SURFACE)[15],金屬鍍層網格與單晶硅板網格采用共節點處理,預達到布爾運算粘接效果[8]。

圖2 金屬-硅基復合模型Fig. 2 Metal-silicon matrix composite model

采用Johnson-Cook[16]材料模型對撞擊體與金屬鍍層進行材料屬性定義,使用Gruneisen狀態方程描述特性,材料部分參數見表1。選用Johnson-Holmquist-Ceramics(JH-2)作為單晶硅材料的材料模型[17],因為該模型適合描述高應變率條件下硬脆材料的本構關系,條件模擬非彈性結構如陶瓷、玻璃等,能夠計算發生在這個區域的剪切、開裂情況。

表1 材料參數[18]Tab.1 Material parameters

JH-2模型計算脆性物質損傷程度中,等效應力σ*計算為

(8)

單晶硅無損傷時強度計算為

(9)

受壓力表示為

P=K1μ+K2μ2+K3μ3+ΔP,

(10)

式中:K1,K2,K3為常數,μ為壓力系數。

3 仿真結果及驗證

硅微結構對沖擊加速度引起的彎曲應力有較強的抵抗作用,不太可能因超過屈服強度而直接斷裂,而是撞擊其他部件或襯底時產生的較大接觸應力而破壞[19],因此在仿真計算過程中將撞擊硅微結構襯底的動態過程轉換成受沖擊作用。由于硅基安解裝置在引信中起到隔離異常輸出的作用,因此選擇93式60 mm迫擊炮發射參數作為參考量進行仿真計算,由于該式迫擊炮出膛口速度約300 m/s,膛內加速度作用時長略大于0.01 s,因此,設定撞擊體沿z軸以100,200,300 m/s三種速度垂直沖擊復合靶板,沖擊時長0.02 s,檢驗復合靶板在不同沖擊環境中應力變化。

復合靶板在受到沖擊載荷的作用下,撞擊體受力變形所以會使靶板中心產生較大的應力,形狀近似圓形。在沖擊過程中,鍍層面最先受力,鍍層材料的性質直接影響單晶硅靶板的受力情況。如對照組Si鍍層靶板受力見圖3,由于Si材料的斷裂強度高、不易發生變形,受沖擊的Si鍍層將壓力直接傳遞給靶板,因此靶板表面出現較大面積的應力集中現象。

圖3 Si鍍層靶板側面應力云圖Fig.3 Stress nephogram of Si-coated silicon target plate

Ag鍍層靶板受力見圖4,應力分布較為均勻,與對照組相比靶板面上存在較小區域應力集中現象,但靶板應力分布的深度較深。

圖4 Ag鍍層硅靶板應力云圖Fig.4 Stress nephogram of Ag-coated silicon target plate

Al鍍層靶板受力見圖5,圖5(c)存在不連續分布的應力集中現象,顏色深度淺于對照組。同時,應力分布隨沖擊速度增加逐漸加深。

圖5 Al鍍層硅靶板應力云圖Fig.5 Stress nephogram of Al-coated silicon target plate

Cu鍍層靶板受力見圖6,圖中靶板在300 m/s速度的沖擊作用下,靶板存在多處小區域應力集中現象,分布在靶板內部與靶板表面。

圖6 Cu鍍層硅靶板應力云圖Fig.6 Stress nephogram of Cu-coated silicon target plate

Ni鍍層靶板受力見圖7,Ni鍍層靶板在300 m/s沖擊速度作用下,應力分布同Cu鍍層靶板類似,但該鍍層靶板內部無應力集中現象出現。

圖7 Ni鍍層硅靶板應力云圖Fig.7 Stress nephogram of Ni-coated silicon target plate

Ti鍍層靶板受力見圖8,圖中Ti鍍層靶板在3種沖擊速度下均未出現較大區域的應力集中現象,應力分布狀態同Ag鍍層靶板類似。

圖8 Ti鍍層硅靶板應力云圖Fig.8 Stress nephogram of Ti-coated silicon target plate

W鍍層靶板受力見圖9,W鍍層靶板在3種沖擊下靶板內部出現小區域應力集中,分布在靶板表面及下方,同時與Ag,Ti鍍層相似,3種情況下均具有較深的應力分布。

圖9 W鍍層硅靶板應力云圖Fig.9 Stress nephogram of W-coated silicon target plate

圖10為在不同速度的沖擊環境下,各鍍層靶板上呈現的動態應力值變化。由圖10(a)可知,在100 m/s速度沖擊下,對照組Si鍍層靶板應力峰值最大、出現最早,與實驗組相比,其應力曲線變化較快。其中,Ag鍍層靶板應力峰值出現最晚,Al鍍層靶板應力峰值最小。由圖10(b)可知,在200 m/s速度沖擊下,實驗組中應力峰值最大的為Cu鍍層靶板,但與對照組Si鍍層相比仍小于其應力值,同時,實驗組峰值均遲于對照組峰值,Ag鍍層靶板應力峰值出現最晚。由圖10(c)可知,在300 m/s速度沖擊下,實驗組中不同金屬鍍層靶板應力變化近似,應力峰值大小相近,均小于對照組Si鍍層。

圖10 靶板應力動態響應Fig.10 Dynamic response of target plate stress

圖10表明單晶硅靶板表面鍍金屬層可以有效地吸收沖擊能量,同時最大應力與鍍膜材料性能有關,在同樣大小的沖擊波下,不同金屬對能量的吸收也不同。

撞擊體以不同速度沖擊靶板,模擬的最大應力值與理論計算得到的最大應力值如表2所示。表中鍍層靶板模擬值與理論值的誤差量在28%以內,說明模擬值與理論值趨勢基本吻合,其中該誤差量較大的原因可能在于理論計算過程中忽略了摩擦力做功、仿真模擬過程中網格劃分不夠精細等因素[20]。對不同沖擊條件下的最大應力值分析比較可以發現,對照組Si鍍層靶板在3種情況下應力值均最大;同時,在100 m/s的沖擊速度下,Al鍍層靶板應力值最小,200 m/s的沖擊速度下,W鍍層靶板應力值最小,300 m/s的沖擊速度下,Al鍍層靶板應力值最小。

表2 不同速度沖擊下靶板最大應力模擬值與理論值Tab.2 Maximum stress of target plate under impact at different velocities Simulation value and theoretical value

撞擊體在沖擊復合靶板的過程中,靶板的背面應力會受到沖擊后產生的應力波和殘余應力的影響,如圖3—圖9的效果。這些應力波和殘余應力會從撞擊位置開始向靶板內部和外部傳播,導致靶板的變形和應力集中。因此,對比復合靶板3種環境下靶板背面應力動態響應同樣能夠說明復合靶板的抗沖擊性能。

通過分析不同沖擊速度下靶板背面應力動態圖(圖11)和靶板背面最大應力值(表3)可知,在100 m/s的速度沖擊下,對照組Si鍍層靶板背面動態應力峰值最大,Ti鍍層應力峰值最小。與對照組Si鍍層相比,實驗組中Cu,Ag,W鍍層展現出了較好的延遲沖擊力傳遞的效果,如圖11(a)所示。

表3 不同速度沖擊下靶板背面最大應力值對比Tab.3 Comparison of the maximum stress values on the back of the target plate under impact at different speeds

圖11 靶板背面應力動態響應Fig.11 Dynamic response of stress on the back of the target plate

在200 m/s的速度沖擊下,實驗組中Ag鍍層靶板背面的應力峰值最小、出現最晚,展現了較好的延遲沖擊力傳遞的效果,在此條件下,對照組Si鍍層靶板背面動態應力峰值仍最大,如圖11(b)所示。

在300 m/s的速度沖擊下,Si鍍層靶板背面動態應力峰值仍為最大,Ag鍍層展現了與圖11(b)中相同的抗沖擊效果,Al,Cu,Ni,Ti金屬鍍層靶板背面動態應力變化曲線基本一致,如圖11(c)所示。

4 結論

本文分析討論了鍍層對單晶硅靶板受力情況的影響,在Si鍍層靶板做為對照組的前提下,對不同的金屬鍍層進行有限元仿真模擬,確定了6種不同性質的金屬對單晶硅靶板正、背部沖擊受力的影響。結果表明:

1) 金屬鍍層能夠減小出現在單晶硅靶板上應力集中區域的面積,其中在100,200,300 m/s速度沖擊下Al鍍層、Ni鍍層、Ti鍍層分別表現出比其他金屬鍍層更好的效果。

2) 金屬鍍層能夠影響作用在單晶硅靶板正、背部沖擊力的大小,延遲應力峰值出現的時間,其中在100 m/s速度沖擊下Cu鍍層、Ti鍍層分別對靶板正、背面的影響效果更好,Ag鍍層在200,300 m/s速度沖擊下均具有較好的效果。