楊永生 陳國(guó)富 張明睿

摘 要 復(fù)合材料對(duì)于各種沖擊具有相當(dāng)?shù)拿舾行?，?dāng)其受到一定的沖擊后在材料內(nèi)部通常會(huì)發(fā)生如基體開(kāi)裂、層間滑脫、基體擠壓破壞、分層和脫層、纖維擠壓變形以及纖維斷裂等損傷，這種損傷對(duì)復(fù)合材料的性能影響很大。本文選用五類(lèi)CFRP層合板試驗(yàn)件，各個(gè)試件的相對(duì)體積孔隙率均不大于0.1%，低于其力學(xué)性能變化的臨界值，可以忽略孔隙率對(duì)本試驗(yàn)的影響，研究了不同沖擊能量對(duì)不同類(lèi)型層合板造成的初始凹坑深度，并對(duì)凹坑在168小時(shí)內(nèi)的回彈進(jìn)行了觀(guān)測(cè)。通過(guò)三維超景深掃描儀對(duì)凹坑的表面形貌進(jìn)行了測(cè)試和分析，采用超聲快速C掃描系統(tǒng)對(duì)凹坑內(nèi)部的形態(tài)進(jìn)行了表征，通過(guò)凹坑深度變化、表面形貌和內(nèi)部形態(tài)研究了不同能量下沖擊損傷的機(jī)理。

關(guān)鍵詞 CFRP；沖擊；損傷表征；機(jī)理分析

ABSTRACT The composite materials show quite sensitivity from each kind of impact forms， the damage forms are divide into matrix cracking， interlayer slipping， matrix extrusion， delamination， fiber extrusion and breakage etc. when they take certain impact which has a significant impact on composite materials performance. In this paper， we choose five different CFRP laminates specimens， each of them has a relative volume void ratio lower than or equal 0.1%，with which we can ignore the mechanical properties change caused by the void ratio. We research the initial depth of the pits impact by different energy， and have a measurement of its resilience in 168 hours. We test and analyse pits surface morphology with 3D super depth of field scanner， and characterize the internal form of the pits. We analyse the mechanism of the different-energy impact damage by the pits depth， surface morphology and internal form.

KEYWORDS CFRP; impact; damage characterization; mechanism analysis

1 引言

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在使用過(guò)程中會(huì)遭受到一些碰撞和沖擊力作用，使得材料的性能降低，造成復(fù)合材料構(gòu)件安全系數(shù)降低，直接影響到構(gòu)件的使用。特別是在其受到低能量沖擊時(shí)，材料的損傷并不明顯，雖然表面幾乎看不出沖擊損傷的存在，但在材料內(nèi)部卻產(chǎn)生了基體開(kāi)裂、分層、纖維斷裂等損傷，這些損傷會(huì)在應(yīng)力作用下快速發(fā)展成嚴(yán)重的破壞行為，甚至出現(xiàn)失效現(xiàn)象。因此，對(duì)低能量沖擊下CFRP的性能研究就變得尤為重要。

2 試驗(yàn)方法

2.1 原材料

制作CFRP層合板試件的主要原材料：美國(guó)Hexcel公司生產(chǎn)的G803碳纖維布和914環(huán)氧樹(shù)脂，其主要性能指標(biāo)如表1和表2所示。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中主要設(shè)備型號(hào)和參數(shù)如表3所示。

2.3 試件制備

采用手糊工藝制作復(fù)合材料層合板試件，試件尺寸為600mm×700mm的典型復(fù)合材料加筋層壓板（整體鋪層：準(zhǔn)正交），加筋以中心對(duì)稱(chēng)，兩根筋條的間距為200mm。試件厚度如表4所示，試件示意如圖1所示。

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）對(duì)所有試件進(jìn)行超聲掃描，測(cè)試其孔隙率，選取相對(duì)體積孔隙率均不大于0.1%的合格試件。

（2）將層合板構(gòu)件簡(jiǎn)支固定在沖擊試驗(yàn)機(jī)上，以5J為初始沖擊能量進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；

（3）以千分表測(cè)試不同時(shí)間點(diǎn)的凹坑深度，以KEYENCE VHX1000超景深三維顯微掃描儀和RapidScan 2/3D便攜式超聲快速掃描儀表征凹坑的表面和內(nèi)部形貌。

2.4.1 孔隙率測(cè)試與表征

復(fù)合材料中孔隙率的測(cè)試與表征可通過(guò)無(wú)損檢測(cè)法和破壞性方法得到，本試驗(yàn)對(duì)CFRP層合板進(jìn)行孔隙率測(cè)試與表征采用超聲A掃描檢測(cè)法。試件測(cè)試點(diǎn)的分布如圖2所示。

2.4.2 低能量沖擊試驗(yàn)方法

參考美國(guó)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D7136-2012《測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料抗落重沖擊損失的試驗(yàn)方法》，對(duì)試件進(jìn)行簡(jiǎn)支梁沖擊。

選擇的沖頭直徑為12.7mm，試驗(yàn)前先將試樣進(jìn)行四邊簡(jiǎn)支并固定在沖擊試驗(yàn)臺(tái)上，沖頭對(duì)準(zhǔn)層合板的中心區(qū)域。以每級(jí)5J的沖擊能量進(jìn)行沖擊，測(cè)量凹坑深度，直至達(dá)到最大沖擊能量值（6.75×板厚）。測(cè)試并記錄不同沖擊能量下的凹坑深度及時(shí)間，同時(shí)繪制出各試驗(yàn)件、不同能量下的凹坑深度-時(shí)間曲線(xiàn)。

2.4.3 沖擊損傷測(cè)試與表征

CFRP層合板試件受到?jīng)_擊后，在材料表面的沖擊點(diǎn)部位會(huì)產(chǎn)生一定深度的凹坑，本試驗(yàn)使用千分表來(lái)測(cè)量這些凹坑的深度。受沖擊后層合板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生的諸如分層、纖維斷裂等破壞損傷現(xiàn)象，本試驗(yàn)采用超景深三維顯微系統(tǒng)（KEYENCE VHX1000）觀(guān)察凹坑的形貌、直徑及深度；采用超聲快速C掃描系統(tǒng)（RapidScan 2/3D便攜式超聲快速掃描儀）觀(guān)測(cè)試驗(yàn)件沖擊后的損傷情況。

針對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的粘彈性特性，試驗(yàn)中需要在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，對(duì)試樣在0h，1h，3h，6h，24h，48h和1周時(shí)測(cè)試沖擊點(diǎn)的凹坑深度，觀(guān)察凹坑的回彈特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 孔隙率

對(duì)CFRP層合板進(jìn)行孔隙率測(cè)試，孔隙的表征采用無(wú)損檢測(cè)方法——超聲A掃描檢測(cè)法。復(fù)合材料層壓板的孔隙率采用相對(duì)體積孔隙率進(jìn)行表征，其計(jì)算公式如公式（1）所示。

本試驗(yàn)中各類(lèi)試件的相對(duì)體積孔隙率測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5可知，計(jì)算結(jié)果顯示試件的相對(duì)體積孔隙率在0.03%～0.09%之間，未達(dá)到導(dǎo)致力學(xué)性能下降的的臨界值（1%），可以忽略其對(duì)本試驗(yàn)中不同類(lèi)型試件沖擊性能的影響。

3.2 沖擊凹坑深度研究

沖頭對(duì)CFRP層合板的沖擊過(guò)程是一個(gè)能量吸收的過(guò)程，參與吸能的作用包括沖剪沖塞、擠壓碎裂、彎曲形變、分層、界面脫粘、滑移摩擦、纖維拔出和拉伸斷裂等。層合板直接承受錐形沖頭沖擊時(shí)，沖頭在接觸層合板的初期，首先剪斷接觸部位的部分基體及纖維；隨著接觸面的增大，沖頭將樹(shù)脂和纖維向周?chē)鷶D壓并排開(kāi)，同時(shí)纖維在巨大的排擠作用下向外卷曲，造成沖擊點(diǎn)周?chē)穆∑?、并引起附近纖維的拔出和樹(shù)脂基體的碎裂。隨著沖頭繼續(xù)下落，其速度下降，層板背面的纖維發(fā)生彎曲拉伸形變，產(chǎn)生局部凸起直至纖維發(fā)生拉伸斷裂，進(jìn)一步吸收沖擊能量，其余纖維在沖塞作用下向周?chē)鷱澗恚瑳_頭克服摩擦作用而完全穿透層板而沖出。

3.2.1 沖擊凹坑深度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

CFRP層合板材料在受到不同能量的沖擊后，在表面產(chǎn)生了不同形態(tài)和不同深度的凹坑，凹坑深度在一定程度上反映了沖擊載荷和沖擊損傷的大小，因此，凹坑深度隨沖擊能量的變化規(guī)律可以做為損傷和沖擊載荷研究的依據(jù)。

在本試驗(yàn)過(guò)程中，5J的沖擊能量對(duì)五種厚度的層合板都沒(méi)有造成明顯的沖擊凹坑，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是從10J開(kāi)始記錄。

由表6和圖3可知，沖擊能量從10J到25J變化時(shí)，凹坑深度都隨測(cè)試時(shí)間的推移而逐漸減小，而隨著能量的增加凹坑的初始深度從0.041mm增加到0.196mm。在沖擊后的六個(gè)小時(shí)內(nèi)，凹坑深度變化很快，而在6h～24h內(nèi)的變化依然較大，在隨后的時(shí)間段內(nèi)則變化較小，到168h時(shí)基本達(dá)到了一個(gè)恒定值。

凹坑深度的變化趨勢(shì)體現(xiàn)了樹(shù)脂基復(fù)合材料良好的粘彈性特點(diǎn)。由于簡(jiǎn)支的支撐作用，層合板不能通過(guò)整體變形的方式吸收能量。在沖擊的初始階段，層合板受到應(yīng)力壓迫后，會(huì)產(chǎn)生一定程度的壓縮作用，這一階段樹(shù)脂更多地體現(xiàn)出彈性的特點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的形變由于滯后效應(yīng)會(huì)在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)大部分得以恢復(fù)，如圖3中能量為15J、20J和25J沖擊凹坑深度前24小時(shí)內(nèi)的變化趨勢(shì)所示；沖擊的后期階段，應(yīng)力迫使分子進(jìn)行重排和取向，而解取向和次級(jí)松弛導(dǎo)致的變形恢復(fù)則相對(duì)較小，會(huì)在一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)體現(xiàn)出來(lái)。隨著沖擊能量的增加，沖擊對(duì)層合板的作用更加復(fù)雜，沖頭對(duì)層合板的作用更多的傳遞到?jīng)_擊點(diǎn)及其鄰近區(qū)域的樹(shù)脂和纖維增強(qiáng)體，致使基體和纖維受到較大的應(yīng)力，導(dǎo)致基體和纖維較大變形甚至斷裂，由此導(dǎo)致不同層間伸縮率的不同，以及能量沿界面的傳遞，致使層合板分層。

如表7和圖4所示，Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊的作用下形成了凹坑，當(dāng)能量從10J增加到35J時(shí)，凹坑的初始深度由0.024mm增加到0.206mm，增加了七八倍；隨時(shí)間推移而變淺，凹坑深度逐漸變淺。這與Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)件的變化規(guī)律是一致的。沖擊能量從10J到35J變化時(shí)，Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件層合板的沖擊凹坑在最初的6個(gè)小時(shí)回彈較多，而6h～24h的18個(gè)小時(shí)內(nèi)凹坑深度的變化相對(duì)減小，24h～168h的六天內(nèi)凹坑的深度變化很小，這與Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)件的凹坑深度變化趨勢(shì)稍有不同，可能是因?yàn)閷雍习宓脑龊裨黾佣漳芰枯^多所造成的。

如表8和圖5所示，Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊的作用下形成了凹坑，凹坑的深度隨時(shí)間推移而變淺，而隨能量的增加而變深，這與前兩類(lèi)試驗(yàn)件的變化規(guī)律是一致的。整體來(lái)講，該類(lèi)試驗(yàn)件由沖擊產(chǎn)生的初始凹坑深度隨時(shí)間的變化較小，在168h內(nèi)的回彈也較小。在能量較低時(shí)，凹坑深度非常小但是恢復(fù)的比例卻非常高，沖擊能量為10J時(shí)，凹坑深度從0.013mm回彈到了0.007mm，接近一半，這說(shuō)明沖擊對(duì)試驗(yàn)件造成的損傷較小，對(duì)表面樹(shù)脂的壓縮作用是形成凹坑的重要原因，很大部分的能量在對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行彈性壓縮的時(shí)候被消耗掉，而這種彈性壓縮在較短時(shí)間內(nèi)又得以恢復(fù)。

如表9和圖6所示，Ⅳ類(lèi)試驗(yàn)件在10J～45J沖擊能量的作用下形成的凹坑由淺變深，在沖擊后6h內(nèi)凹坑的深度較快回彈，而隨后的變化速度則逐漸變慢。在30J以下（含30J）時(shí)，凹坑深度在前48小時(shí)已經(jīng)基本達(dá)到了穩(wěn)定值，而30J以上時(shí)則在48小時(shí)后仍在繼續(xù)變化。這可能是由于沖擊的能量已經(jīng)超過(guò)了該層合板的能承受的臨界能量，造成了構(gòu)件的較大面積的損傷，而由于巨大的沖擊力，沖擊點(diǎn)變形較大，因此分子鏈需要一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行解取向和重排。

如表10和圖7所示，Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件在10J～60J沖擊能量的作用下所出現(xiàn)的凹坑深度隨能量的增加而增加，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，其變化趨勢(shì)基本與Ⅳ類(lèi)相同。相比而言，沖擊能量超過(guò)50J后凹坑深度回彈的速度要比Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)35J沖擊后回彈的要快。

3.2.2 試件厚度對(duì)凹坑深度的影響

通過(guò)凹坑深度的研究可知，沖擊凹坑深度是與沖擊能量直接相關(guān)的，但是能量并不是唯一的影響因素，它還與材料的本身屬性和結(jié)構(gòu)也有著緊密的聯(lián)系。本文在研究不同沖擊能量對(duì)凹坑深度影響的基礎(chǔ)上探究了凹坑深度與試驗(yàn)件厚度的關(guān)系。

（1）初始沖擊凹坑深度與試驗(yàn)件厚度關(guān)系

不同沖擊能量下五類(lèi)試驗(yàn)件的初始沖擊凹坑深度、初始凹坑深度隨沖擊能量變化的曲線(xiàn)分別如表11和圖８所示。

如表11和圖８所示，在沖擊能量為20J和25J時(shí)，試驗(yàn)件的初始凹坑深度隨板材的厚度增加而減小，當(dāng)厚度達(dá)到7.6mm時(shí)初始凹坑深度達(dá)到一個(gè)最小值，而后稍有提高；在15J的沖擊能量下，初始凹坑深度隨著層合板厚度的增加一直減??；10J沖擊能量下的初始凹坑深度則在5.7mm時(shí)達(dá)到一個(gè)最低值。這可能反映出了層合板厚度與抗沖擊性能的一個(gè)最適關(guān)系，即7.6mm厚度的層合構(gòu)件的抗沖擊性能達(dá)到了一個(gè)最佳值，厚度的增加對(duì)于沖擊凹坑深度的影響已經(jīng)非常小，因此這類(lèi)層合板的厚度可能是相同結(jié)構(gòu)的層合板的最優(yōu)厚度。另外，由于Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件的孔隙率較其他幾類(lèi)試驗(yàn)件底，可能一定程度上影響了沖擊能量的對(duì)比，因此Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件所對(duì)應(yīng)的沖擊凹坑的深度相對(duì)偏小。

（2）不同厚度試件初始凹坑深度隨沖擊能量變化

不同沖擊能量下初始沖擊凹坑深度與試驗(yàn)件厚度關(guān)系曲線(xiàn)、試驗(yàn)件初始凹坑深度隨沖擊能量變化曲線(xiàn)如表12和圖９所示。

由表12和圖９可知，對(duì)于不同類(lèi)型的層合板試驗(yàn)件，初始凹坑深度隨沖擊能量的增加而逐漸增加，對(duì)于Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件，其凹坑深度隨沖擊能量的增加而成倍數(shù)關(guān)系增加；Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊能量為15J和20J時(shí)，凹坑的深度變化不大，但隨后迅速提高；Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件在較低沖擊能量時(shí)凹坑的深度變化較小，直到達(dá)到30J時(shí)有一個(gè)較大的增加，隨后在35J～40J時(shí)則相對(duì)增加較少，當(dāng)沖擊能量達(dá)到45J時(shí)，Ⅳ類(lèi)試驗(yàn)件隨著能量增加的速度接近于Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件在較低能量下的變化趨勢(shì)，而Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件則隨能量增加的速度則慢許多。對(duì)于Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件，在沖擊能量增加過(guò)程中，都存在一個(gè)凹坑深度變化較小的能量區(qū)間，這個(gè)區(qū)間類(lèi)似于材料拉伸過(guò)程中的屈服過(guò)程，這可能與此類(lèi)層合板的最大沖擊能量有關(guān)。

3.3 沖擊凹坑形貌表征與分析

Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊能量不大于10J時(shí)，試驗(yàn)件的表面都只出現(xiàn)微小的凹陷痕跡，當(dāng)能量為15J～25J時(shí)，隨沖擊能量增加，凹坑周?chē)霈F(xiàn)裂紋，裂紋數(shù)量增加、尺寸變大。當(dāng)能量增加到25J時(shí)，凹坑底部產(chǎn)生了表面樹(shù)脂脫落，并出現(xiàn)了四條寬度較寬的裂紋，如圖10所示。從這可以看出隨著能量的增加，沖擊對(duì)層合板造成的損傷增加。另外，試驗(yàn)件反面出現(xiàn)明顯的凸起和裂紋，且反面的凸起隨能量的增加而增加，裂紋的長(zhǎng)度也隨之增加。從云圖中可以看出，隨著能量的增加，凹坑的深度逐漸增加，凹坑部位的變形也逐漸增大。

Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊能量不大于20J時(shí)，試驗(yàn)件的表面都只出現(xiàn)微小的凹陷痕跡，當(dāng)能量達(dá)到20J時(shí)凹坑周?chē)霈F(xiàn)裂紋，如圖3-圖11所示。20J 、25J和30J沖擊能量下凹坑周?chē)汲霈F(xiàn)了四條裂紋，相對(duì)而言裂紋寬度和長(zhǎng)度都隨沖擊能量增加而增加。當(dāng)沖擊能量達(dá)到35J時(shí)，凹坑周?chē)怀霈F(xiàn)了三條相對(duì)較小的裂紋，如圖11所示。這可能是由于層合板內(nèi)部吸收了更多的能量。另外，四種沖擊能量下試驗(yàn)件反面都出現(xiàn)明顯的凸起和裂紋，且反面的凸起高度隨能量的增加而增加，裂紋的長(zhǎng)度也隨之增加。

從云圖中可以看出，沖擊能量從25J增加到30J時(shí)，凹坑部位的變形比較小，而當(dāng)能量增加到35J時(shí)，凹坑出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形。通過(guò)對(duì)比可以看出云圖顯示出凹坑的形狀從一個(gè)近似“W”形變成一個(gè)規(guī)整的“W”，反映出一個(gè)明顯的變化趨勢(shì)。由于試驗(yàn)件受到的沖擊能量增加，沖頭對(duì)凹坑底部的應(yīng)力增加，使該部位環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈偏離原來(lái)的位置也隨之增加，造成了分子鏈的重排和取向。受力越大的分子鏈其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量越高，因此當(dāng)外力消失后能量高的分子鏈段將會(huì)有更大的解取向趨勢(shì)，其變形也會(huì)相對(duì)較大，因此凹坑的底部呈現(xiàn)出凸起狀態(tài)。

Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件在沖擊能量不大于30J時(shí)，試驗(yàn)件的表面都只出現(xiàn)微小的凹陷痕跡，當(dāng)能量達(dá)到30J時(shí)凹坑周?chē)霈F(xiàn)裂紋，隨沖擊能量增加，凹坑周?chē)鸭y數(shù)量沒(méi)有變化，但是其尺寸變大；試驗(yàn)件反面出現(xiàn)明顯的凸起且反面的凸起高度隨能量的增加而增加，裂紋的長(zhǎng)度也隨之增加。與前兩類(lèi)試驗(yàn)件不同的是，該類(lèi)試驗(yàn)件反面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，這可能是由于較厚的試驗(yàn)件對(duì)能量較多造成的。從該類(lèi)試驗(yàn)件的凹坑深度的變化趨勢(shì)也可以看出該板材對(duì)能量的吸收較多，兩者的結(jié)論是一致的。從云圖12中可以看出，凹坑的“W”形狀非常明顯，但與Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件相比凹坑深度明顯減小，凹坑中間的凸起部分面積也相應(yīng)的減小。

Ⅳ類(lèi)試驗(yàn)件和Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件的沖擊凹坑特點(diǎn)比較類(lèi)似，沖擊能量不大于40J時(shí)，試驗(yàn)件的表面出現(xiàn)了微小的凹陷痕跡，當(dāng)能量達(dá)到40J時(shí)凹坑周?chē)霈F(xiàn)裂紋，隨沖擊能量增加，凹坑周?chē)鸭y數(shù)量增加、尺寸變大；試驗(yàn)件反面出現(xiàn)明顯的凸起且反面的凸起隨能量的增加而增加，裂紋的長(zhǎng)度也隨之增加，而且該類(lèi)試驗(yàn)件反面沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，如圖13所示。

Ⅳ類(lèi)試驗(yàn)件與Ⅲ類(lèi)的沖擊凹坑特點(diǎn)比較類(lèi)似，沖擊能量達(dá)到55J時(shí)凹坑周?chē)懦霈F(xiàn)了微裂紋，而且云圖中沖擊凹坑也呈現(xiàn)出“W”形如圖14所示。沖擊能量為55J時(shí)，凹坑周?chē)挥袃蓷l比較明顯的裂紋和兩條非常細(xì)小的裂紋，裂紋的寬度和長(zhǎng)度都比較??；沖擊能量達(dá)到60J到65J時(shí)，凹坑周?chē)牧鸭y變成了三條尺寸比較大的裂紋，如圖15所示。

與之前所測(cè)不同的是，經(jīng)65J沖擊后凹坑的底部出現(xiàn)了細(xì)微的裂紋，裂紋的形貌如圖16和圖17所示。凹坑底部的微裂紋平行排列，且長(zhǎng)度和寬度大致相等。由于沖擊對(duì)這種較厚層合板的沖擊凹坑深度較淺，因此沖擊能量的傳遞多集中在沖頭的頂部，沖頭端部對(duì)接觸區(qū)域的巨大應(yīng)力使得表層的基體產(chǎn)生了裂紋。

3.4 沖擊試樣超聲波掃描表征與分析

對(duì)受不同沖擊能量的沖擊試驗(yàn)后的五類(lèi)試件分別進(jìn)行超聲A、B、C掃描測(cè)試，結(jié)果如下：

Ⅰ類(lèi)試件沖擊后的超聲A、B、C掃描測(cè)試結(jié)果：

10J的沖擊能量使試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了細(xì)微的凹痕，在內(nèi)部也出現(xiàn)了微小的形變。形變的部位出現(xiàn)在距離上表面附近，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的樹(shù)脂破裂和纖維斷裂的現(xiàn)象，即在此能量下沖擊造成的損傷以表明樹(shù)脂的壓縮為主。

15J的沖擊造成了試驗(yàn)件沖擊點(diǎn)一定的變形，且變形一直延伸的層合板的內(nèi)部；但從掃描測(cè)試結(jié)果中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂破裂和纖維斷裂的現(xiàn)象，這說(shuō)明在15J的沖擊能量下，沖擊對(duì)試驗(yàn)件的損傷還局限在比較淺層的區(qū)域，而且沒(méi)有造成內(nèi)部較為明顯的損傷。

20J沖擊后試驗(yàn)件表面和內(nèi)部形成了較大的損傷，凹坑的深度明顯比15J沖擊所造成的凹坑深度增加；掃描顯示試驗(yàn)件的表面出現(xiàn)了樹(shù)脂破裂，其內(nèi)部也出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，這說(shuō)明該能量的沖擊對(duì)Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)件造成了一定的損傷，損傷的機(jī)理主要是表面樹(shù)脂破裂和內(nèi)部分層。另外，沖擊還造成了試驗(yàn)件的背面形成了較大面積的突起。

經(jīng)25J沖擊后，試驗(yàn)件的表面出現(xiàn)了樹(shù)脂破裂的現(xiàn)象，這與對(duì)應(yīng)的表面形貌的分析是一致的。沖擊在破壞了表面層之后，又將能量傳遞到內(nèi)層，造成了內(nèi)層的破裂和分層。試驗(yàn)件背面的凸起較為明顯，且突起的面積較大，突起部分的樹(shù)脂和纖維也出現(xiàn)了一定的破裂和斷裂現(xiàn)象。

Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)件經(jīng)25J能量沖擊后的超聲掃描結(jié)果顯示，在該能量沖擊作用下，試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了輕微的凹陷，但是卻在材料的內(nèi)部造成了很多的分層現(xiàn)象，而且還使得背面出現(xiàn)了較大面積的突起，其損傷的機(jī)理主要是內(nèi)部的分層行為。

Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件經(jīng)35J能量沖擊后的超聲掃描測(cè)試結(jié)果顯示，在相同的能量下，Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件的凹坑深度是最小的，因此沖擊對(duì)其產(chǎn)生的損傷也是最小的，沖擊對(duì)試驗(yàn)件的沖擊造成了表面的凹陷很小，卻在內(nèi)部形成大量的分層現(xiàn)象。凹坑在一定時(shí)間內(nèi)的回彈之后，深度變得非常小，而內(nèi)層的分層現(xiàn)象卻無(wú)法消除。因此，Ⅲ類(lèi)試驗(yàn)件經(jīng)35J能量沖擊的損傷機(jī)理是分層。

Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件經(jīng)45J能量沖擊后的超聲掃描測(cè)測(cè)試結(jié)果顯示，Ⅳ類(lèi)試件的凹坑與周?chē)臉?shù)脂已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的分離，也就是說(shuō)沖擊造成了表面樹(shù)脂的破裂，在試驗(yàn)件的內(nèi)部產(chǎn)生了分層現(xiàn)象，試驗(yàn)件的背面產(chǎn)生了較大面積的凸起。而45J的沖擊沒(méi)有對(duì)Ⅴ類(lèi)試驗(yàn)件造成明顯的損傷，這也說(shuō)明了不同厚度層合板對(duì)相同能量沖擊的不同承受能力。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于五類(lèi)層合板，沖擊凹坑的深度都隨著沖擊能量的增加而增加，在沖擊后的12小時(shí)內(nèi)凹坑回彈較快，隨后回彈速率逐漸減慢；凹坑的表面的破壞都伴隨著裂紋和層合板背面的凸起，隨能量的增加，凹坑的深度逐漸增加，裂紋的數(shù)量或尺寸都會(huì)有所增加。在低能量時(shí)，沖擊損傷的機(jī)理主要為表層樹(shù)脂的壓縮和變形，隨著能量的增加，表面樹(shù)脂會(huì)出現(xiàn)破裂，內(nèi)部也會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，當(dāng)能量達(dá)到一定值時(shí)內(nèi)部的樹(shù)脂和纖維也出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象。

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