周紅濤(， )

1 前言

整體中空夾層復(fù)合材料，其增強(qiáng)體是一種由纖維連續(xù)織造呈空芯結(jié)構(gòu)的整體中空織物，層與層之間由連續(xù)纖維芯柱相接而成，可以單獨(dú)增強(qiáng)制成空芯連體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)復(fù)合材料，見(jiàn)圖1；也可以在空芯結(jié)構(gòu)中填充某種功能輕體介質(zhì)，制成結(jié)構(gòu)/功能一體化的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料有以下三大優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)面板和芯層一次成型，織造效率高；(2)克服了傳統(tǒng)的夾層材料如蜂窩、泡沫夾層復(fù)合材料易分層、不耐沖擊的弱點(diǎn)；(3)夾芯層空間可以為設(shè)置預(yù)埋件、監(jiān)視探頭、光纖、導(dǎo)線等提供空間，使其在交通、航海、建筑、航空以及管道等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。但是由于該材料的上下面板薄[2、3]，其抵抗低速?zèng)_擊的能力比較弱，在很大程度上限制了其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，研究該材料的抗低速?zèng)_擊性能具有重要的意義。

圖1 整體中空夾層復(fù)合材料

本文利用自制落錘沖擊裝置，對(duì)整體中空夾層復(fù)合材料進(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)，研究該材料受外物沖擊的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，估算和測(cè)量沖擊載荷變化過(guò)程和結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)，從該材料的抗沖擊性能與芯材高度關(guān)系入手，對(duì)比分析不同芯材高度的沖擊性能。利用加速度傳感器記錄了落錘沖擊板過(guò)程中加速度隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)數(shù)學(xué)處理得到了沖擊載荷、沖擊點(diǎn)位移和沖擊過(guò)程中能量吸收隨時(shí)間的變化曲線。

2 試驗(yàn)件的制備及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了4 mm、6 mm、8 mm三種不同芯材高度的整體中空復(fù)合材料，對(duì)比分析了在沖擊能量為8 J時(shí)，三種芯材高度的整體中空復(fù)合材料動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，研究整體中空夾層復(fù)合材料抗沖擊性能隨芯材高度的變化規(guī)律。

2.2 試驗(yàn)件的制備

預(yù)制件：芯層厚度為4 mm、6 mm、8 mm，織物參數(shù)為：經(jīng)密為15 ends/cm(其中地經(jīng)10ends/cm，絨經(jīng)5 ends/cm)，緯密為8 ends/cm。

樹(shù)脂體系：樹(shù)脂是WSR618環(huán)氧樹(shù)脂(藍(lán)星化工新材料股份有限公司無(wú)錫樹(shù)脂廠)，聚酰胺651#(鎮(zhèn)江丹寶樹(shù)脂有限公司生產(chǎn))，稀釋劑是660(501)活性稀釋劑。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)工藝調(diào)整[4]，最終確定的樹(shù)脂配方如表1所示：

表1 樹(shù)脂配方

成型工藝：采用手糊成型，制備落錘沖擊試樣標(biāo)準(zhǔn)件，并裁剪成100 mm×100 mm的試樣件，誤差為±1 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 載荷-時(shí)間曲線和吸收能量-時(shí)間曲線

沖擊過(guò)程中，經(jīng)緯向損傷剖面圖及載荷-時(shí)間曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2 芯材高度為8 mm受8 J能量沖擊損傷截面圖

圖3 芯材高度為4 mm 6 mm 8 mm的整體中空夾層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊響應(yīng)

由圖3中載荷-時(shí)間曲線可以看出，三種不同芯材高度的該材料受沖擊時(shí)，最大沖擊載荷隨著芯材高度的增加略微降低，而載荷-時(shí)間曲線的變化趨勢(shì)基本一致，即沖擊載荷在達(dá)到最大值之前迅速上升，而后迅速下降，接著載荷震蕩上升后下降到零。結(jié)合芯材高度為8 mm的試件損傷圖2發(fā)現(xiàn)，這是由于該材料本身的雙層面板結(jié)構(gòu)造成的，在沖擊載荷達(dá)到峰值前，沖擊點(diǎn)處發(fā)生彈性變形，沖擊載荷迅速上升；在沖擊載荷達(dá)到峰值時(shí)，上面板被撕裂造成沖擊載荷急劇下降，此時(shí)沖擊頭下方的樹(shù)脂被壓碎，上面板呈現(xiàn)明顯的損傷裂紋；隨后，沖擊頭穿透上面板，壓碎沖擊頭正下方的“8”字形芯材后，抵達(dá)下面板，由于“8”字形芯材和下面板對(duì)沖擊頭的阻力使得沖擊載荷出現(xiàn)再次上升，隨后發(fā)生卸載，沖擊載荷趨近于0。

綜合分析圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，三種不同芯材高度的該材料受8J的能量沖擊后，試件的上面板均被落錘沖擊頭沖破，并伴隨有部分玻璃纖維芯材被破壞，樣品的下面板有可見(jiàn)的不同程度的白斑。對(duì)比4 mm、6 mm和8 mm的損傷形貌發(fā)現(xiàn)，隨著芯材高度的增加，上面板的損傷情況變得更加明顯，而下面板出現(xiàn)的白斑變得越來(lái)越不明顯。這主要是由于“8”字形芯材的形態(tài)不同，當(dāng)芯材高度較小時(shí)，即芯材高度為4 mm時(shí)，“8”字形芯材結(jié)構(gòu)中“8”字形的兩個(gè)空隙在成型過(guò)程中填滿樹(shù)脂而貼合得比較緊密，使“8”字形芯材成為柱狀，見(jiàn)圖5(a)，當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)，柱狀芯材彈性形變量小，柱狀芯材與上面板形成類(lèi)似工字梁結(jié)構(gòu)，所以，最大沖擊載荷大，且上面板裂紋沿經(jīng)向擴(kuò)展，沖擊載荷通過(guò)芯柱傳遞到下面板，造成下面板明顯的損傷。隨著芯材高度的增加，“8”字形芯材結(jié)構(gòu)“8”的空隙逐漸分開(kāi)，當(dāng)芯材高度為8 mm時(shí)，“8”字形芯材由四根彎曲細(xì)桿組成。當(dāng)受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，四根彎曲桿組成的“8”字形芯材變形量大，在面板與“8”字形芯材結(jié)合處先發(fā)生破壞，接著是上面板被沖破，而后“8”字形芯材斷裂破壞，致使最大沖擊載荷也隨著芯材高度的增加而略微降低且到達(dá)最大載荷的時(shí)間延遲，見(jiàn)圖6。

圖4 整體中空夾層復(fù)合材料承受沖擊載荷時(shí)上下面板破壞形式

圖5 芯材高度為4 mm 8 mm的整體中空夾層復(fù)合材料截面圖

圖6 不同芯材高度的整體中空夾層復(fù)合材料受沖擊時(shí)達(dá)到最大載荷時(shí)的時(shí)間

3.2 初始損傷能、裂紋擴(kuò)展能及韌性指數(shù)

復(fù)合材料在沖擊試驗(yàn)中，可以得到典型的加載歷程，如圖7所示。其中載荷-時(shí)間曲線下包絡(luò)的面積可以求得材料的沖擊斷裂能。根據(jù)沖擊斷裂能和沖擊強(qiáng)度來(lái)判斷材料抗沖擊性能的好壞[6-7]。

圖7 沖擊實(shí)驗(yàn)中典型的加載歷程

把載荷曲線分為兩部分，即裂紋引發(fā)區(qū)(Initiation phase)和裂紋擴(kuò)展區(qū)(Propagation phase)，把相應(yīng)包絡(luò)面積稱為斷裂引發(fā)能和裂紋擴(kuò)展能。在斷裂引發(fā)區(qū)，隨著沖擊載荷增加，材料的彈性應(yīng)變能增加。在載荷達(dá)到極限沖擊載荷以前，試樣沒(méi)有明顯破壞，但微觀上可能發(fā)生基體開(kāi)裂及纖維——基體局部脫粘等。當(dāng)載荷達(dá)到材料中微裂紋擴(kuò)展多需的臨界值(也就是載荷-時(shí)間曲線的峰值時(shí))，試樣失效。在沖擊試驗(yàn)的能量-時(shí)間曲線上記錄的總沖擊能是斷裂引發(fā)能Ei和裂紋擴(kuò)展能Ep之和。如公式(1)所示

Et=?Fdt=Ei+Ep

(1)

式中：Et是總沖擊能；

Ei為斷裂引發(fā)能；

Ep為裂紋擴(kuò)展能。

高強(qiáng)度脆性材料起始能量大而擴(kuò)展能量小，低強(qiáng)度韌性材料起始能量小而擴(kuò)展能量大。這兩種可能有共同的總沖擊能Et，所以只了解總沖擊能Et是不夠的，還要考慮韌性指數(shù)DI，即裂紋擴(kuò)展能Ep與斷裂引發(fā)能Ei的比值。對(duì)于完全脆性材料，其DI值為零。DI值越大，表示材料的韌性越好。其公式(2)所示：

(2)

三種不同芯材高度的斷裂引發(fā)能Ei、裂紋擴(kuò)展能Ep如圖8所示。芯材高度為4 mm的板材具有最高的斷裂引發(fā)能和最低的裂紋擴(kuò)展能，而芯材高度為8 mm的該板材具有最低的裂紋引發(fā)能和最高的裂紋擴(kuò)展能，即斷裂引發(fā)能隨芯材高度的增加而下，裂紋擴(kuò)展能隨芯材高度的增加而上升，這主要是由“8”字形芯材隨著高度的增加由柱狀變?yōu)樗母鶑澢鷹U，它有效地阻止了沖擊損傷的擴(kuò)展。

圖8 不同芯材高度的整體中空夾層復(fù)合材料的初始損傷能和損傷擴(kuò)展能

4 結(jié)論

沖擊損傷的整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間短，但是信息量豐富。要精確采集到整體中空夾層復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)的整個(gè)過(guò)程，對(duì)采集裝置的硬件和軟件都有較高的要求。通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn)：

(1)隨著芯材高度的增加，整體中空夾層復(fù)合材料承受的最大沖擊載荷略微下降，上表面易損傷即沖擊損傷閥值則相應(yīng)地減小。

(2)增加芯材的高度，使該材料的初始損傷更容易。然而，整體中空夾層復(fù)合材料的韌性指數(shù)卻隨著芯材高度的增加有增加的趨勢(shì)。

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，合理設(shè)計(jì)整體中空夾層復(fù)合材料的高度使材料達(dá)到最佳狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)材料結(jié)構(gòu)的性能。

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