任 鵬,王利民,2,何 敏,張東煥

(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,山東 淄博 2550492.青島理工大學(xué)理學(xué)院,山東 青島 266033)

脆性材料在沖擊條件下的力學(xué)響應(yīng)和破壞行為十分復(fù)雜,是沖擊動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域十分活躍的研究方向之一.與延性材料相比,脆性材料以其特有的性質(zhì)在國防等領(lǐng)域得到應(yīng)用.如玻璃、陶瓷及其復(fù)合材料,具有壓縮強(qiáng)度高,密度低,耐高溫等特點(diǎn).一般情況下,脆性材料主要通過破碎裂紋來吸收能量[1].在沖擊條件下研究該材料的力學(xué)行為和破壞機(jī)制具有重要的意義.進(jìn)入21世紀(jì)以后,力學(xué)工作者在對(duì)玻璃制品的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析過程中,得到了玻璃材料特有的脆性變形和破壞特征.例如,徐松林,唐治平等通過對(duì)不同沖擊角度K9玻璃的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析計(jì)算,得到了剪壓聯(lián)合沖擊下失效波的作用機(jī)理,并分析了撞擊面的動(dòng)摩擦因數(shù)和相對(duì)滑移速度[2].姚國文,劉占芳對(duì)玻璃材料在高速?zèng)_擊狀態(tài)下的破壞波進(jìn)行了分析,并對(duì)破壞波在玻璃材料中的傳播機(jī)制、動(dòng)態(tài)特征以及破壞層的性質(zhì)進(jìn)行了研究[3-4].童樹庭,朱雷波等對(duì)夾層玻璃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,得出了夾層玻璃中PVB層和夾層玻璃的組合方式對(duì)玻璃抗沖擊能力的影響[5-6],但對(duì)于通過對(duì)玻璃制品的加固而提高其抗沖擊能力方面的研究尚處于起步階段.本文利用薄膜的加固作用,以沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析了貼膜玻璃面板在沖擊下的破壞特性,得到一些數(shù)據(jù),為該方面問題進(jìn)一步研究提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用沖擊裝置如圖1所示,通過移動(dòng)滑動(dòng)梁可以改變圓錘的落差及重力勢(shì)能.由高速攝影儀可以拍攝到圓錘下落過程中通過某一個(gè)固定參考點(diǎn)的速度,從而得到圓錘在沖擊玻璃的過程中的能量損失.實(shí)驗(yàn)用高速攝影儀的型號(hào)是TSHRCS,基本內(nèi)存1GB,最高拍攝速度為16000幅/s.該系統(tǒng)主要由攝像頭(CCD)、主機(jī)、監(jiān)視器、無線遙控觸發(fā)器和多通道數(shù)據(jù)采集器(MCDL)構(gòu)成,由專用電纜與計(jì)算機(jī)連接,可以將所拍攝的數(shù)字照片直接存貯到計(jì)算機(jī)中.實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)攝影儀的鏡頭,使其處于和水平面平行的位置,鏡頭到地面的垂直高度即為拍攝到的圓錘下落點(diǎn)高度.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)制備和沖擊實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的玻璃是山東金晶玻璃廠生產(chǎn)的普通3.7mm厚平板玻璃原片.根據(jù)玻璃的用途不同,所貼的薄膜也不同.它們對(duì)玻璃的防護(hù)能力也各不相同.本實(shí)驗(yàn)用的薄膜分為兩種,一種是普通窗膜,另一種是汽車玻璃保護(hù)膜.為使薄膜與玻璃粘合牢固需將玻璃表面處理干凈,玻璃在粘貼薄膜過程先用洗滌劑清洗,再用丙酮擦拭,最后用清水沖洗干凈,放在架子上干燥,最后進(jìn)行貼膜.

根據(jù)沖擊實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)試件的要求,將試件的大小統(tǒng)一確定為長=716 mm,寬=520 mm.試件分為三組,第一組不貼膜,第二組粘貼普通窗膜,第三組粘貼汽車玻璃保護(hù)膜,其中普通窗膜的粘貼是通過其表面自帶膠直接與經(jīng)過清理的玻璃進(jìn)行粘貼來達(dá)到的.汽車玻璃保護(hù)膜是通過在已清洗干凈的玻璃表面噴灑少量清水,使薄膜表面自帶膠與水作用粘貼到玻璃上.其中第一組試件制作7塊,第二組試件制作8塊,第三組試件制作6塊.

1.3 實(shí)驗(yàn)

玻璃制品的強(qiáng)度能力測(cè)試,傳統(tǒng)上由美國標(biāo)準(zhǔn)Underw riters Laboratories的測(cè)試方法 UL972規(guī)定[7].而貼膜玻璃的強(qiáng)度能力測(cè)試目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).本實(shí)驗(yàn)主要是研究玻璃與薄膜組合后玻璃抗沖擊能力的改變,為該方面進(jìn)一步的研究提供參考依據(jù).實(shí)驗(yàn)前先調(diào)節(jié)圓錘的高度,使圓錘的重心到地面的垂直高度為一定值,并進(jìn)行無玻璃試件下的圓錘無障礙自由落體測(cè)試,得到自由狀態(tài)時(shí)圓錘通過參考點(diǎn)的速度,進(jìn)而得到圓錘在沒有能量損失時(shí)通過參考點(diǎn)的動(dòng)能,這組測(cè)試的具體數(shù)據(jù)列入表1中.然后依次對(duì)預(yù)制的三組試件進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn),各組試件的詳細(xì)數(shù)據(jù)分別列入表2、表3和表4中.

表1 圓錘無障礙空氣中自由落體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 未貼膜玻璃試件的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 粘貼普通窗膜的玻璃試件沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 粘貼汽車保護(hù)膜玻璃試件的沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 未貼膜玻璃試件

未粘貼薄膜的玻璃原片試件的沖擊耗能如表2所示.由表2可見,隨著玻璃試件的安放位置發(fā)生了偏轉(zhuǎn),即沖擊角度發(fā)生了變化,玻璃的沖擊耗能也發(fā)生了一定的變化.總體而言,試件水平放置時(shí)的平均沖擊耗能要大于相應(yīng)試件傾斜15°放置時(shí)的平均沖擊耗能.其中,水平狀態(tài)時(shí)的第二個(gè)試件和第三個(gè)試件均與傾斜15°狀態(tài)時(shí)的第二個(gè)試件的沖擊耗能值相同.

2.2 貼膜玻璃試件

將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)根據(jù)不同類型試件在兩種不同位置條件下的沖擊耗能關(guān)系繪制成圖2,由圖2可見,粘貼了普通窗膜的玻璃試件,其平均沖擊耗能要小于粘貼了汽車玻璃保護(hù)膜試件的平均沖擊耗能.這是由于汽車玻璃保護(hù)膜的聚酯(PET)安全層具有較高的強(qiáng)度,同時(shí)在受到外來沖擊的情況下,它能夠產(chǎn)生較大的韌性變形,進(jìn)行有效的緩沖,從而更多的消耗了沖擊能量[6].而普通窗膜本身并不含聚酯層,同時(shí)普通窗膜的韌性較差,在受到?jīng)_擊載荷時(shí),不能產(chǎn)生較大的變形,因此消耗的沖擊能量較少.

當(dāng)試件處于傾斜15°的狀態(tài)時(shí),兩種不同貼膜試件的平均沖擊耗能對(duì)比趨勢(shì)與試件處于水平狀態(tài)時(shí)平均沖擊耗能對(duì)比趨勢(shì)基本相同.這說明,在對(duì)試件的安放位置進(jìn)行小角度改變,粘貼普通窗膜試件和粘貼汽車玻璃保護(hù)膜試件的沖擊性能關(guān)系基本相似.其中,由表3可見,試件水平放置時(shí)粘貼了普通薄膜的四個(gè)試件的沖擊耗能和試件傾斜15°放置時(shí)粘貼普通窗膜的四個(gè)試件的沖擊耗能相同.這說明,粘貼了普通窗膜的試件的沖擊角度在進(jìn)行了小角度改變時(shí),對(duì)其整體沖擊性能的影響是不大的.由表4也可以得到類似的結(jié)論.

從圖2中可以明顯的看到,當(dāng)試件分別處于水平狀態(tài)和傾斜15°狀態(tài)時(shí),未貼膜的玻璃原片,粘貼普通窗膜試件和粘貼汽車玻璃保護(hù)膜試件的單位平均沖擊耗能分別為11.83 J/m-2,20.05 J/m-2,28.24 J/m-2,和11.42 J/m-2,20.05 J/m-2,27.95 J/m-2,粘貼普通薄膜試件的單位沖擊耗能在兩種不同沖擊角度比玻璃原片的沖擊耗能分別增加了69.5%和75.6%,而粘貼汽車玻璃保護(hù)膜試件的單位沖擊耗能在兩種不同沖擊角度比玻璃原片的沖擊耗能分別增加了138.7%和144.7%.顯然粘貼了薄膜的玻璃試件的沖擊耗能要大于玻璃原片的沖擊耗能,這顯現(xiàn)出貼膜對(duì)增強(qiáng)玻璃的抗沖擊能力的影響.

圖2 不同類型試件在兩種不同位置條件下的沖擊耗能

2.3 試件破壞形貌

試件在沖擊過后會(huì)發(fā)生明顯的損壞,當(dāng)試件水平放置時(shí),未貼膜的玻璃原片、粘貼了普通窗膜的試件和粘貼了汽車玻璃保護(hù)膜的試件的破壞形貌是有差別的,圖3所示.未貼膜的玻璃原片破壞形貌如圖3a,其總體成較規(guī)則的圓孔,圓孔直徑分布在25 cm到30 cm之間,圓孔周邊有3到5條近似均勻分布,呈輻射狀的主裂縫,較少的微小裂紋,圓孔中的玻璃碎屑受沖擊作用飛濺,試件呈明顯的脆性破壞.粘貼普通窗膜的試件破壞形貌如圖3b所示,其總體破壞現(xiàn)象和未貼膜的玻璃原片的破壞形貌相似,但在圓孔周圍分布著一些短小的裂紋,并且在沖擊的過程中,試件沖擊圓孔中的玻璃碎屑基本未飛濺,而是形成較均勻的扇形粘貼在了被破壞的薄膜上,但薄膜出現(xiàn)了較大程度上的撕裂,致使破碎的玻璃雖未飛濺,但碎片卻會(huì)隨撕裂的薄膜進(jìn)行較大的移動(dòng).這說明普通窗膜雖然能夠起到防止破碎玻璃飛濺的作用,但作用有限.粘貼了汽車玻璃保護(hù)膜的試件在沖擊之后的破壞形貌如圖3c,試件受沖擊部分形成兩個(gè)直徑范圍分別為27cm到35cm和21cm到27cm的近似同心圓,這兩個(gè)同心圓中的碎屑同時(shí)形成較均勻的扇形粘貼在了被破壞的薄膜上,而且在大圓的周邊近似均勻分布15到20條呈輻射狀的主裂縫,主裂縫附近布滿短小裂紋,玻璃破碎均勻.薄膜基本沒有出現(xiàn)被撕裂的現(xiàn)象,說明汽車玻璃保護(hù)膜不但能夠增強(qiáng)玻璃的抗沖擊能力,而且防止碎片飛濺的作用很明顯.

圖3 試件破壞形貌

3 結(jié)論

通過對(duì)貼膜玻璃的沖擊實(shí)驗(yàn)比較,得出了以下的結(jié)論:

(1)貼膜能夠有效的提高玻璃的抗沖擊能力,試件在水平放置和傾斜15°放置時(shí)粘貼普通薄膜試件的單位沖擊耗能比玻璃原片的沖擊耗能分別增加了69.5%和75.6%,而粘貼汽車玻璃保護(hù)膜試件的單位沖擊耗能比玻璃原片的沖擊耗能分別增加了138.7%和144.7%.

(2)貼膜能夠有效避免玻璃受沖擊后玻璃碎片的飛濺,其中普通窗膜雖能防止玻璃碎片的飛濺但作用有限,而汽車玻璃安全膜的防飛濺能力非常明顯.

(3)當(dāng)貼膜玻璃的沖擊角度發(fā)生小范圍變化時(shí),對(duì)其抗沖擊能力影響不大.

[1]方維鳳,余曉青.沖擊載荷作用下平板玻璃穿孔機(jī)理[J].振動(dòng)與沖擊,2007,26(1):42-44.

[2]徐松林,唐治平,謝卿,等.壓剪聯(lián)合沖擊下K9玻璃中的失效波[J].爆炸與沖擊,2005,25(5):385-392.

[3]姚國文,劉占芳.高速?zèng)_擊條件下玻璃材料的破壞分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2001,24(5):67-69.

[4]劉占芳,姚國文,詹先義.高速?zèng)_擊條件下玻璃中破壞波的損傷累計(jì)模擬[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué),2001,22(9):983-987.

[5]童樹庭,朱雷波,丁峰,等.實(shí)驗(yàn)室內(nèi)熱壓成型夾層玻璃沖擊強(qiáng)度分析[J].建筑材料學(xué)報(bào),2004,7(4):468-471.

[6]童樹庭,朱錦杰,朱雷波.高強(qiáng)度系列夾層玻璃的研制[J].玻璃與搪瓷,2006,34(2):37-40.

[7]ANSI/UL972-1996,Standard for Burglary Resisting Glazing M aterial[S].