玻璃纖維增強鋁合金層板低速沖擊力學特性及低溫影響研究

陳 勇，龐寶君，鄭 偉，劉 源

（哈爾濱工業大學 空間碎片高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080）

纖維金屬層板（Fiber Reinforced Metal Laminates，FMLs）是一種由金屬與纖維／樹脂復合材料采用膠接技術交替層壓制成的超混雜復合材料，廣泛用于航空結構件［1］。由于航空飛行器服役過程中可能處于－50℃～80℃ 的溫度條件下［3］，并且 FMLs中的樹脂基復合材料受溫度影響較大，有必要研究溫度對FMLs抗沖擊力學特性的影響。

國內外學者［4－8］對FMLs沖擊力學特性進行了較多研究，但結合溫度條件進行FMLs沖擊力學特性的研究較少。Atas［7］對玻璃纖維增強鋁合金層板進行了系列低速沖擊試驗，發現鋁合金的塑性變形、剪切失效和復合材料的纖維斷裂以及層間分層損傷是沖擊載荷條件下層板的主要能量吸收機制。Yaghoubi等［9］采用落錘沖擊試驗設備對不同鋪設方式的 GLARE 5（3／2）纖維金屬層板進行了沖擊試驗，結果表明沖擊后層板主要損傷模式為沖擊位置附近成坑、鋁合金與復合材料鋪層分層、鋁合金鋪層斷裂以及復合材料損傷。韓小平等［10］研究了玻璃布－環氧層板 （GFRP）在0℃、－30℃低溫環境下的沖擊拉伸力學性能，結果表明與室溫相比，GFRP材料在低溫環境下拉伸強度有所提高。Badawy［11］對 －10℃、20℃、50℃ 和 80℃ 溫度下暴露1 h和3 h后的玻璃纖維聚酯疊層復合材料（GFRP）進行缺口沖擊試驗，結果表明 GFRP復合材料沖擊強度隨暴露溫度的升高而下降。Rolfes等［12］對超混雜復合材料結構熱力學響應的數值計算方法進行了研究，討論了真實熱力學邊界條件的數值模擬。Rans等［13］建立數值模型預測溫度對FMLs中金屬層裂紋和界面脫膠擴展的影響，發現采用該數值模型可以較好地預測室溫和高溫下FMLs的裂紋擴展，但不能較好預測其低溫條件下的裂紋擴展。Costa等［14］研究了熱循環作用對 FML力學性能的影響，結果表明熱循環對FML微觀結構和力學性能的影響不大。Botelho等［15］通過靜態拉伸、壓縮試驗研究了濕熱環境對FML力學性能的影響，結果表明經過濕熱環境處理后，玻璃纖維復合材料拉伸強度、壓縮強度和玻璃纖維增強環氧樹脂的拉伸彈性模量均有所降低。

目前研究主要針對FMLs常溫下的抗沖擊力學特性，以及溫度對FMLs組分材料之一的復合材料的力學性能的影響。本文采用2A12鋁合金板和單向S2－glass／epoxy預浸料制成 FMLs，通過落錘低速沖擊試驗設備研究其抗低速沖擊力學特性。并采用較高沖擊能量對－25℃和0℃低溫處理1 h后的FMLs進行沖擊試驗，與未低溫處理結果對比，研究低溫處理對FMLs抗沖擊力學特性的影響。

1 實驗材料及方法

將兩層2A12鋁合金板（哈爾濱東輕鋁合金有限公司提供，厚0．5 mm）與四層單向 S2－glass／epoxy預浸料（北京航材昌盛科技有限公司提供，厚0．15 mm）按圖1所示制成FMLs。先將金屬板裁剪成100 mm×100 mm的正方形方板，經過處理后和S2－glass／epoxy預浸料按圖1方式鋪設，其中鋁合金鋪層與其相鄰復合材料之間采用厚度60μm的聚丙烯薄膜充當黏結層，然后整體放入熱壓罐中從室溫加熱到120℃，保溫4 h，再冷卻至室溫固化成型，固化壓力0．6 MPa。最終制成的FMLs為100 mm×100 mm×1．6 mm的方板。采用液氮和酒精混合溶液對FMLs進行低溫處理，通過調節液氮與酒精溶液的體積分數控制溫度，分別為0℃和－25℃。將FMLs浸沒于溶液中，采用溫度計測量層板表面溫度，保持穩定溫度1 h后取出，進行落錘低速沖擊試驗。

圖1 FMLs鋪層示意圖Fig．1 Schematic presentation of FMLs

采用Instron Dynatup 9250 HV壓力輔助落錘沖擊試驗設備進行沖擊試驗。沖頭頂端為直徑8 mm的半球，沖擊質量為4．31 kg。試驗靶板固定在直徑76 mm窗口的上下夾板中間，夾板采用氣動固支，見圖2所示。沖擊壓頭連接壓力傳感器，測量沖擊過程中壓頭的載荷時程曲線。通過壓力求得加速度時程曲線，對加速度時程曲線積分得到速度時程曲線，對速度積分得到位移時程曲線，對載荷－位移曲線積分得到沖擊能量曲線。具體如式（1）～（3）所示。所有數據均由配套數據采集系統記錄并保存。

其中：M為沖擊質量；a、v、u、F和W分別為加速度、速度、位移、沖擊載荷和沖擊能量。首先在室溫下（25℃）依次采用5．11 J、10．34 J、15．36 J和 20．54 J沖擊能量對未低溫處理的FMLs進行單次沖擊試驗，然后采用20．54 J沖擊能量分別對低溫（0℃和 －25℃）處理后的FMLs進行沖擊試驗。

圖2 Instron Dynatup 9250 HV落錘低速沖擊試驗設備Fig．2 Instron Dynatup 9250 HV impact test setup，（a）Drop tower and impactor，and（b）Clamped specimen

2 結果與討論

2．1 損傷機理

FMLs沖擊試驗結束后，檢查其正面（沖擊面）和背面損傷。未低溫處理的FMLs損傷情況如圖3所示。5．11 J沖擊能量下，FMLs發生正面鋁合金層成坑、背面鋁合金層鼓包變形損傷。10．34 J沖擊能量下，FMLs正面鋁合金層依然以成坑變形為主，背面鋁合金層則發生臨界單向裂紋。15．36 J沖擊能量下，FMLs正面鋁合金層除了發生成坑變形，還產生環向裂紋；背面鋁合金單向裂紋比10．34 J沖擊能量下更加明顯。20．54 J沖擊能量下，FMLs發生穿透，正面鋁合金層形成直徑約10 mm的圓孔，并且可見中間復合材料鋪層發生纖維斷裂損傷；背面鋁合金層則發生單向裂紋及花瓣開裂損傷，并可見纖維脆斷及鋁合金／復合材料鋪層的界面脫膠損傷。由于鋁合金作用，FMLs具有較好的塑性變形能力，當能量低于FMLs臨界斷裂能時，FMLs主要以塑性變形吸收沖擊能量。然后，隨著沖擊能量的提高，金屬層開始發生斷裂，同時中間復合材料鋪層發生纖維、基體拉伸與壓縮損傷，并且由于塑性變形過大導致鋁合金／復合材料鋪層界面發生脫膠損傷。最后，當沖擊能量達到FMLs臨界穿透能時，FMLs中間復合材料鋪層發生纖維拉伸斷裂，由于復合材料纖維斷裂呈現脆性特征，纖維脆斷后FMLs承載能力急劇下降，導致FMLs擊穿并且背面鋁合金發生花瓣開裂。由圖3還可看出，隨著沖擊能量的提高，FMLs發生成坑和斷裂損傷區域的面積也逐漸增大。

圖3 未低溫處理的FMLs低速沖擊能量損傷模式Fig．3 Failure patterns of FMLs without cooling by low velocity impact

圖4 低溫處理后FMLs在20．54 J沖擊能量下損傷模式Fig．4 Failure patterns of FMLs after cooling by low velocity impact

鑒于20．54 J沖擊能量下，未低溫處理的FMLs完全穿透，于是采用20．54 J沖擊能量分別對－25℃和0℃處理后的FMLs進行沖擊試驗，FMLs損傷結果見圖4。20．54 J沖擊能量下，－25℃ 處理后的 FMLs尚未穿透，其正面發生成坑，并且正面鋁合金層已經發生斷裂，背面鋁合金層則發生鼓包變形并產生單向裂紋。0℃處理后的FMLs發生穿透，正面鋁合金層產生圓孔，并可見明顯的纖維斷裂損傷，背面鋁合金層發生撕裂，同時中間復合材料鋪層的纖維斷裂損傷更加明顯。20．54 J沖擊能量下，0℃ 處理后的 FMLs與未處理的FMLs損傷模式相似，均發生穿透，但－25℃ 處理后的FMLs尚未穿透?？梢?，－25℃低溫處理后，FMLs穿透能提高，可以抵抗更高的沖擊能量。這主要由于在0℃～－25℃溫度范圍內，鋁合金力學特性受溫度影響不大，但環氧樹脂基體力學特性受溫度影響比較明顯。結合玻璃纖維的脆性特征，低溫處理后導致S2－glass／epoxy復合材料鋪層強度有所提高。

將FMLs正面（沖擊面）鋁合金層與其黏結的復合材料鋪層剖開，分析FMLs中間的復合材料鋪層損傷與界面脫膠損傷，結果見圖5所示。20．54 J沖擊能量下，－25°C、0°C和25°C FML中的復合材料鋪層在與沖擊壓頭接觸位置發生了明顯的凹陷變形和纖維斷裂損傷，并可發現鋁合金／復合材料鋪層界面發生明顯脫膠損傷。發生脫膠損傷的面積遠大于纖維斷裂損傷面積，而且纖維損傷區域與脫膠損傷區域均具有明顯對稱性。另外，溫度越高，脫膠損傷面積越小。這說明低溫條件雖然提高FMLs抗沖擊性能，但會降低FMLs中鋁合金／復合材料鋪層界面的黏結效果。

2．2 能量吸收

采用能量回彈系數 （ERC）反映FMLs材料的抗沖擊性能。能量回彈系數（ERC）定義如下［8］：

其中：Vi為沖擊壓頭初始速度，Vr為沖擊壓頭回彈速度。ERC＝1表明靶板發生完全彈性變形，沖擊能量完全反彈；ERC＝0表明靶板完全穿透，沖擊能量經過壓頭全部轉移至靶板。式 （1）也可采用吸收能量（Ea）和沖擊能量 （Ei）表示：

圖5 20．54 J沖擊能量下 FMLs中復合材料鋪層損傷Fig．5 Damage in the composite layer in the FMLs under 20．54 Jimpact energy

表1 FMLs低速沖擊試驗結果Tab．1 Low velocity impact results of FMLs

FMLs落錘低速沖擊試驗結果見表1。未低溫處理時，隨著沖擊能量的提高，ERC逐漸下降；相比5．11 J沖擊能量，10．34 J、15．36 J和20．54 J沖擊能量下 ERC分別下降了28%、68% 和100%。與未低溫處理的FMLs一樣，0℃處理后的FMLs在20．54 J沖擊能量下ERC＝0，－25℃ 處理后的FMLs的ERC大于0（尚未穿透），這說明 －25℃ 處理后的FMLs能量回彈效果明顯優于0℃和未低溫處理的FMLs。

圖6和圖7分別為未低溫處理的FMLs不同沖擊能量下的能量和中心位移時程曲線。5．11 J、10．34 J、15．36 J沖擊能量下，能量時程曲線可分為三個階段。第一階段，能量隨著時間的增大逐漸升高至峰值，FMLs位移也逐漸增大（圖7），沖擊能量由壓頭開始傳遞給FMLs。并且能量到達峰值的時刻均在4．5 ms左右，此時FMLs中心位移也達最大。第二階段，中心位移逐漸下降，導致能量也逐漸下降。這一階段沖擊壓頭開始回彈，但與FMLs一直處于接觸狀態，故沖擊載荷大于0。最后階段，FMLs與沖擊壓頭脫離接觸，載荷卸載至0，能量保持穩定，該穩定值為FMLs整個沖擊過程中吸收的能量值。20．54 J沖擊能量下，FMLs完全穿透，壓頭動能完全傳遞給FMLs，能量時程曲線呈現逐漸上升趨勢。圖8為20．54 J沖擊能量下不同溫度的FMLs能量時程曲線。從這也可明顯看到未低溫處理和0℃處理后的FMLs能量曲線均呈現穿透特征，即隨著沖擊沖擊反應時間的增加呈現逐漸上升趨勢，－25℃處理后FMLs能量曲線則先上升后下降最后保持穩定，這也表明沖擊壓頭發生明顯反彈，FMLs未擊穿。

圖6 未低溫處理的FMLs不同沖擊能量下能量時程曲線Fig．6 Energy histories of FMLs without cooling under different impact energies

圖7 未低溫處理的FMLs不同沖擊能量下中心位移時程曲線Fig．7 Displacement histories of FMLs without cooling under different impact energies

圖8 20．54 J沖擊能量下不同處理溫度的FMLs能量時程曲線Fig．8 Energy histories of FMLs under 20．54 J impact energy after exposure to different temperatures

2．3 沖擊載荷、位移響應

對于未低溫處理的FMLs，當沖擊能量小于穿透能時，峰值沖擊載荷隨著沖擊能量的提高而增加，與5．11 J相比，10．34 J和15．36 J沖擊能量下峰值沖擊載荷分別提高了38% 和49% （表1）；當沖擊能量達到其穿透能后，峰值沖擊載荷幾乎不變，沖擊能量從15．36 J增加至20．54 J時，峰值沖擊載荷僅下降了2%。并且，峰值位移隨著沖擊能量的提高而增大，與5．11 J相比，10．34 J、15．36 J和20．54 J沖擊能量下峰值位移分別提高了36%、70%和185%（表1）。低溫處理后，相同沖擊能量（20．54 J）下，處理溫度越低，峰值沖擊載荷越高，峰值位移則越?。ū?）。0℃處理后的峰值沖擊載荷比未低溫處理結果提高了7%，－25℃ 處理后峰值載荷則比未低溫處理結果提高了19%。－25℃和0℃處理后的峰值位移比未低溫處理結果分別減少了10%和33%。這說明低溫處理溫度越低，FMLs抵抗變形能力越強，峰值沖擊載荷越高。

圖9為未低溫處理FMLs不同沖擊能量下的沖擊載荷－位移曲線。5．11 J沖擊能量下，由于FMLs以塑性變形為主，未發生斷裂損傷，沖擊載荷－位移曲線為光滑曲線。10．34 J、15．36 J和 20．54 J沖擊能量下，FMLs發生了金屬層拉伸剪切損傷及復合材料損傷，導致沖擊載荷－位移曲線在峰值載荷附近出現明顯振蕩。圖10為20．54 J沖擊能量下不同溫度處理后的FMLs沖擊載荷－位移曲線?？梢姕囟仍降?，FMLs峰值沖擊載荷越高。

圖9 未低溫處理的FMLs沖擊載荷－位移曲線Fig．9 Curves of impact load versus displacement for FMLs without cooling

圖10 20．54 J沖擊能量下不同處理溫度FMLs沖擊載荷－位移曲線Fig．10 Curves of impact load versus displacement for FMLs after exposure to different temperatures

3 結 論

采用不同沖擊能量對未低溫處理的FMLs進行了落錘低速沖擊試驗，并采用較高沖擊能量對低溫處理后的FMLs進行了低速沖擊試驗，主要結論如下：

（1）未低溫處理的FMLs在低速沖擊條件下，正面鋁合金鋪層主要發生成坑、環向裂紋以及穿孔等損傷，背面鋁合金層主要發生鼓包、單向裂紋和花瓣開裂等損傷模式，并且損傷面積隨著沖擊能量的提高而增大。

（2）未低溫處理的FMLs在低速沖擊條件下，沖擊能量低于其臨界穿透能時，峰值沖擊載荷隨著沖擊能量的提高而增大，當沖擊能量達到臨界穿透能后，峰值沖擊載荷基本保持穩定。隨著沖擊能量的提高，FMLs峰值位移逐漸增大，能量回彈系數則逐漸下降。

（3）低溫處理可提高FMLs抗沖擊性能，但會降低FMLs中鋁合金／復合材料鋪層界面的黏結效果。本文溫度范圍內，處理溫度越低，FMLs峰值沖擊載荷越高，峰值位移則越小，能量回彈效果越好，FMLs中復合材料和鋁合金鋪層發生脫膠損傷的面積則越大。

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