整體中空夾層復合材料抗低速沖擊性能的實驗研究

周紅濤(， )

1 前言

整體中空夾層復合材料，其增強體是一種由纖維連續織造呈空芯結構的整體中空織物，層與層之間由連續纖維芯柱相接而成，可以單獨增強制成空芯連體結構輕質復合材料，見圖1；也可以在空芯結構中填充某種功能輕體介質，制成結構/功能一體化的夾層結構復合材料。這種結構的復合材料有以下三大優點[1]：(1)面板和芯層一次成型，織造效率高；(2)克服了傳統的夾層材料如蜂窩、泡沫夾層復合材料易分層、不耐沖擊的弱點；(3)夾芯層空間可以為設置預埋件、監視探頭、光纖、導線等提供空間，使其在交通、航海、建筑、航空以及管道等領域的應用前景廣闊。但是由于該材料的上下面板薄[2、3]，其抵抗低速沖擊的能力比較弱，在很大程度上限制了其在各個領域中的應用。因此，研究該材料的抗低速沖擊性能具有重要的意義。

圖1 整體中空夾層復合材料

本文利用自制落錘沖擊裝置，對整體中空夾層復合材料進行了低速沖擊試驗，研究該材料受外物沖擊的動力學響應，估算和測量沖擊載荷變化過程和結構整體響應，從該材料的抗沖擊性能與芯材高度關系入手，對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程中加速度隨時間的變化曲線，通過數學處理得到了沖擊載荷、沖擊點位移和沖擊過程中能量吸收隨時間的變化曲線。

2 試驗件的制備及實驗方法

2.1 實驗方案的設計

本文共設計了4 mm、6 mm、8 mm三種不同芯材高度的整體中空復合材料，對比分析了在沖擊能量為8 J時，三種芯材高度的整體中空復合材料動力學響應，研究整體中空夾層復合材料抗沖擊性能隨芯材高度的變化規律。

2.2 試驗件的制備

預制件：芯層厚度為4 mm、6 mm、8 mm，織物參數為：經密為15 ends/cm(其中地經10ends/cm，絨經5 ends/cm)，緯密為8 ends/cm。

樹脂體系：樹脂是WSR618環氧樹脂(藍星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠)，聚酰胺651#(鎮江丹寶樹脂有限公司生產)，稀釋劑是660(501)活性稀釋劑。經過實驗工藝調整[4]，最終確定的樹脂配方如表1所示：

表1 樹脂配方

成型工藝：采用手糊成型，制備落錘沖擊試樣標準件，并裁剪成100 mm×100 mm的試樣件，誤差為±1 mm。

3 實驗結果與討論

3.1 載荷-時間曲線和吸收能量-時間曲線

沖擊過程中，經緯向損傷剖面圖及載荷-時間曲線分別如圖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的整體中空夾層復合材料的低速沖擊響應

由圖3中載荷-時間曲線可以看出，三種不同芯材高度的該材料受沖擊時，最大沖擊載荷隨著芯材高度的增加略微降低，而載荷-時間曲線的變化趨勢基本一致，即沖擊載荷在達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。結合芯材高度為8 mm的試件損傷圖2發現，這是由于該材料本身的雙層面板結構造成的，在沖擊載荷達到峰值前，沖擊點處發生彈性變形，沖擊載荷迅速上升；在沖擊載荷達到峰值時，上面板被撕裂造成沖擊載荷急劇下降，此時沖擊頭下方的樹脂被壓碎，上面板呈現明顯的損傷裂紋；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，抵達下面板，由于“8”字形芯材和下面板對沖擊頭的阻力使得沖擊載荷出現再次上升，隨后發生卸載，沖擊載荷趨近于0。

綜合分析圖3和圖4發現，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的不同程度的白斑。對比4 mm、6 mm和8 mm的損傷形貌發現，隨著芯材高度的增加，上面板的損傷情況變得更加明顯，而下面板出現的白斑變得越來越不明顯。這主要是由于“8”字形芯材的形態不同，當芯材高度較小時，即芯材高度為4 mm時，“8”字形芯材結構中“8”字形的兩個空隙在成型過程中填滿樹脂而貼合得比較緊密，使“8”字形芯材成為柱狀，見圖5(a)，當受到沖擊載荷時，柱狀芯材彈性形變量小，柱狀芯材與上面板形成類似工字梁結構，所以，最大沖擊載荷大，且上面板裂紋沿經向擴展，沖擊載荷通過芯柱傳遞到下面板，造成下面板明顯的損傷。隨著芯材高度的增加，“8”字形芯材結構“8”的空隙逐漸分開，當芯材高度為8 mm時，“8”字形芯材由四根彎曲細桿組成。當受到沖擊載荷作用時，四根彎曲桿組成的“8”字形芯材變形量大，在面板與“8”字形芯材結合處先發生破壞，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最大載荷的時間延遲，見圖6。

圖4 整體中空夾層復合材料承受沖擊載荷時上下面板破壞形式

圖5 芯材高度為4 mm 8 mm的整體中空夾層復合材料截面圖

圖6 不同芯材高度的整體中空夾層復合材料受沖擊時達到最大載荷時的時間

3.2 初始損傷能、裂紋擴展能及韌性指數

復合材料在沖擊試驗中，可以得到典型的加載歷程，如圖7所示。其中載荷-時間曲線下包絡的面積可以求得材料的沖擊斷裂能。根據沖擊斷裂能和沖擊強度來判斷材料抗沖擊性能的好壞[6-7]。

圖7 沖擊實驗中典型的加載歷程

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

Et=?Fdt=Ei+Ep

(1)

式中：Et是總沖擊能；

Ei為斷裂引發能；

Ep為裂紋擴展能。

高強度脆性材料起始能量大而擴展能量小，低強度韌性材料起始能量小而擴展能量大。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DI，即裂紋擴展能Ep與斷裂引發能Ei的比值。對于完全脆性材料，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能Ei、裂紋擴展能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能和最低的裂紋擴展能，而芯材高度為8 mm的該板材具有最低的裂紋引發能和最高的裂紋擴展能，即斷裂引發能隨芯材高度的增加而下，裂紋擴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為四根彎曲桿，它有效地阻止了沖擊損傷的擴展。

圖8 不同芯材高度的整體中空夾層復合材料的初始損傷能和損傷擴展能

4 結論

沖擊損傷的整個過程經歷的時間短，但是信息量豐富。要精確采集到整體中空夾層復合材料的沖擊響應的整個過程，對采集裝置的硬件和軟件都有較高的要求。通過本文的研究發現：

(1)隨著芯材高度的增加，整體中空夾層復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，整體中空夾層復合材料的韌性指數卻隨著芯材高度的增加有增加的趨勢。

實際應用中，應根據實際應用要求，合理設計整體中空夾層復合材料的高度使材料達到最佳狀態，進而優化整個材料結構的性能。

[1] 周光明,鐘志珊,張立泉，等.三維中空復合材料力學性能的實驗研究[J]．南京航空航天大學學報,2007，39(1):11—15.

[2] Shyr Tien-Wei, Pan Yu-Hao．Low velocity impact responses of hollow core sandwich laminate and interplay hybrid laminate[J]．Composite Structures，2004，64(2)：189—198．

[3] A．S．Vaidya, U．K． Vaidya, N． Uddin．Impact response of three-dimensional multifunctional sandwich composite [J]. Materials Science and Engineering A，2008，(472)：52—58．

[4] 陳祥寶. 樹脂基復合材料制造技術[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[5] 周紅濤.錢坤,曹海建,李鴻順．鋁蒙皮整體中空夾層復合材料低速沖擊的實驗研究[J]．玻璃鋼/復合材料，2009，(5):49—52.

[6] 宋煥成,張佐光編著.混雜纖維復合材料[M].北京:北京航空航天大學出版社,1989.

[7] 周紅濤.整體中空夾層復合材料側壓性能的研究[J].山東紡織科技，2011，52(1)：54—56.