含棉纖維冰的抗壓性能試驗

黃　興

(同濟大學 航空航天與力學學院，上海 200092)

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含棉纖維冰的抗壓性能試驗

黃興

(同濟大學 航空航天與力學學院，上海 200092)

利用材料萬能試驗機，對棉纖維質量分數分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進行了應變率為10-3/s～10-1/s的單軸壓縮試驗。得到了一系列的應力應變曲線，研究了應變率和棉纖維質量分數對冰力學性能的影響。試驗結果表明：冰的抗壓強度具有明顯的應變率相關性，添加棉纖維可以提高冰的抗壓強度和韌性。在10-3/s應變率下，棉纖維質量分數超過6%時，冰的抗壓強度隨棉纖維質量分數增大而減??；在10-1/s應變率下，冰的抗壓強度隨棉纖維質量分數的增大而增大。

冰；棉纖維；單軸壓縮試驗；應變率；應力應變

0　引言

航空飛行器在飛行時會遭遇各種惡劣天氣，其中，冰雹粒子的高速沖擊嚴重威脅近地飛行器的安全。飛行器從尚未起飛到對流層、平流層及其他大氣分布層的飛行過程中，都面臨著冰雹沖擊的威脅。近年來，冰雹損傷飛機事件頻發[1-3]。冰雹災害來勢猛、沖擊強度大，以不同的形狀、大小和速度撞擊飛行器，尤其對迎風面積大的風擋處、機頭鼻錐、機翼前緣、發動機進氣口、油箱、雷達整流罩和駕駛艙門等處的破壞最嚴重，甚至會造成災難性事故的發生[1]。研究冰雹沖擊航空飛行器，主要有試驗和數值模擬兩種方法。冰雹高速沖擊試驗可以直接觀察冰雹沖擊過程和靶的失效模式，但是試驗過程復雜、耗時較長，并且成本很高。有限元數值模擬方法能夠在一定程度上再現航天器受冰雹沖擊的損傷場景，通過分析沖擊結果，可以降低試驗成本，但有效的模擬結果需要提供準確的冰雹材料性能參數。

由于天然冰雹結構外形復雜，且獲取困難，試驗過程中，通常采用人工模擬冰雹來代替天然冰雹。不少學者對冰的力學性能進行了研究。文獻[4-5]研究了海冰和淡水冰的力學性能，認為冰是一種應變率相關性材料，低應變率狀態有延性，高應變率狀態呈脆性。文獻[6]進行了水庫冰的單軸壓縮試驗，分析了水庫冰的抗壓強度和應變率、溫度的關系。文獻[7]研究了多晶冰抗壓強度的粒徑效應，發現冰的抗壓強度與粒徑平方根的倒數呈正比例關系，破壞應變隨粒徑的增大呈線性減小。文獻[8]進行了淡水冰的系列單軸抗壓試驗，同樣證實了冰的抗壓強度具有應變率相關性，還發現冰的抗壓強度具有方向性，晶粒生長方向強度較高。文獻[9]在人工冰雹制作標準中提出，可在水中摻入12%(質量分數)的棉纖維，來模擬自然界中冰雹，以獲得與其相似的密度和韌性。目前，關于冰的力學性能的研究主要集中在海冰和淡水冰，尚未有含棉纖維冰力學性能的研究報道。

本文利用材料萬能試驗機對棉纖維質量分數分別為0%、3%、6%、9%和12%的冰試樣進行了單軸壓縮試驗，得到了一系列應力應變曲線，分析了應變率和棉纖維質量分數對冰的力學性能的影響，為航空飛行器冰雹撞擊數值模擬提供冰雹材料參數，并為航空飛行器防雹設計提供依據。

1　試驗方案

1.1試樣制備

冰柱模具上部為圓筒，兩端是蓋子，采用模頭和模身分段設計，容易脫模。圓筒的高度為70 mm，內徑為50 mm。模具材料為聚碳酸脂(polycarbonate，PC)，是一種性能優異的通用工程塑料，具有透明性好、硬度高、耐低溫和耐磨等特點，適用溫度為-40～100 ℃。模具內表面光滑，導熱相對較快，易脫模。使用蒸餾水制作冰柱，把蒸餾水倒入模具(制作含棉冰柱時，先把棉纖維稱量好提前放入模具)，置于深冷冰箱，溫度設置為-2 ℃。因為在凝固點附近結冰，水中會有一個正的溫度梯度，凝固過程采取平面式推進，所以不會有枝狀晶體把氣泡困在中間，能形成比較純凈、均勻的冰柱。等水完全結成冰，把冰柱從模具中取出，兩端面經手工仔細刨削，最后在平臺玻璃板上研磨平整，保證試樣的上下端面平行，且與軸向垂直。試驗前，把冰柱試樣放置在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存24 h，以保持冰試樣溫度的均勻性，自然冰在-15 ℃以下可以進行長期保存與加工，不會引起結晶變化，能夠保持自然冰的力學特性[10]。圖1為制備好的不同質量分數棉纖維冰柱試樣。

圖1　不同質量分數棉纖維冰柱試樣(棉纖維質量分數依次為0%、3%、6%、9%和12%)

1.2試驗步驟

在室溫條件下，利用計算機控制的材料萬能試驗機對冰柱進行勻速加載，試驗機上下壓頭之間的位移由高精度位移傳感器檢測，上壓頭的載荷傳感器用于測量載荷。在試驗前，先把在深冷冰箱(-18 ℃)中儲存過的尼龍墊片放置在上下壓頭，以減少壓頭和試樣的溫差對冰柱強度造成的影響。然后，小心放置冰柱試樣，盡量使傳感器軸線、試驗機中心線和冰柱試樣的幾何軸線重合，以保證加載的均勻性與軸線性。調節上壓頭，使其與冰柱上表面緊密接觸。啟動試驗機，設置試驗參數，調節加載速率，試驗開始。試驗機的上壓頭勻速下降，對冰柱施加軸向壓力，試樣破壞時，試驗自動完成，并自動保存試驗數據，然后進行數據處理。試樣兩端的-18 ℃儲存過的隔熱尼龍墊片，每次試驗都要更換一次。

2　結果和分析

2.1不同質量分數棉纖維冰的應力應變曲線

冰柱單軸壓縮試驗的應變率為10-3/s ～10-1/s，棉纖維質量分數分別為0%、3%、6%、9%和12%。由于純冰試樣(棉纖維質量分數為0%)試驗數據離散性較大，每組應變率進行了不少于5組重復性試驗。棉纖維冰試樣(棉纖維質量分數分別為3%、6%、9%和12%)數據重復性較好，每組應變率進行了不少于3組重復性試驗。選取不同應變率下處于平均水平的試樣的應力應變曲線進行分析。

圖2給出了不同質量分數棉纖維冰在不同應變率下的應力應變曲線。不同質量分數棉纖維冰的應力應變曲線開始呈線性關系，該段體現了冰柱承載線性變形的線彈性階段。隨著應力繼續增大，不同質量分數棉纖維冰的應力應變曲線在不同應變率下的形式不同，含棉纖維冰的應力應變曲線形狀發生明顯變化。

如圖2所示，當應變率為10-3/s時，純冰(棉纖維質量分數為0%)應力會隨著加載的進行而逐漸增大，達到最大應力后，隨著加載的持續，應力逐漸減小，試樣經歷屈服和應變軟化階段，應變進一步增加，應力下降的速度變慢。試樣在加載后，表面呈不規則縱向階梯狀，中部有鼓脹現象。這是由于在準靜態加載過程中，應力逐漸增大到一定值，冰柱內部的微裂紋開始延伸，隨著應力的提高，裂紋逐漸增多，相互擴展和連通，試樣破壞。

隨著加載速率的提高，在10-2/s和10-1/s應變率下，純冰應力會迅速增大到一定值后突然下降，試樣破壞，失去承載能力，表現出脆性性質。冰柱的破壞沒有任何預兆，當達到最大應力后，冰柱突然破壞，縱向劈裂成若干部分，多含有大塊碎塊，整體被破壞，瞬間失去承載能力。10-2/s應變率下的冰柱劈裂速度慢，伴有細微的聲響，裂塊之間仍有黏結。10-1/s應變率下，由于加載速度快，冰柱瞬間崩裂，伴有碎冰塊從冰柱迸出，并伴有較大聲響，碎塊體積相對較小。

圖2　不同質量分數棉纖維冰的應力應變曲線

不同應變率下含棉纖維冰柱的應力應變曲線形式不同。當應變率為10-3/s時，含棉纖維冰柱的應力應變曲線基本呈現出3個階段：第1階段，從開始加載到峰值應力，應力應變關系表現出一個明顯的線彈性階段，應力隨應變的增大呈線性增長關系，達到最大；第2階段，達到屈服應力之后，應力隨著應變的增大而減小，試樣經歷屈服和應變軟化階段；第3階段，棉纖維之間的氣孔孔壁逐漸被壓碎，應變逐漸增大，應力隨應變基本不發生變化或者僅隨應變的增加緩慢增加，在應力應變曲線上表現為比較長的一段屈服平臺，此階段曲線稱為材料在變形過程中的平臺區。在此應變率下，冰柱在加載后無明顯目視可見裂紋，直至加載完畢，冰柱表面都沒有明顯裂紋，沒有明顯的破壞現象，表面有微小碎冰片脫落，只表現為縱向縮短，徑向鼓脹，產生明顯變形，可以一直承載外力。

當應變率為10-2/s時，含棉纖維冰柱應力隨應變的增大而增大，直接進入屈服平臺區。棉纖維質量分數為3%、6%和9%冰柱的屈服強度值相差不大，但平臺值隨著棉纖維質量分數的提高而增大。隨著載荷增大，試樣表面產生細微裂紋，并且逐漸增大，由于棉纖維的黏結作用，阻礙裂紋向冰柱內部擴展，冰柱并沒有完全開裂。冰柱整體性沒有破壞，可以一直承載外力。

當應變率為10-1/s時，在試驗機壓頭快速移動時，含棉纖維冰柱應力會迅速線性增大到一定值后突然下降，試樣失去承載能力，表現出明顯的脆性性質。其中，綿纖維質量分數為3%的冰柱為縱向劈裂破壞，綿纖維質量分數為6%、9%和12%的冰柱沿斜45°方向呈剪切破壞，破碎成若干塊，碎塊之間有棉纖維黏結，破壞后的碎塊內部表面平整，裂紋很少。

2.2不同質量分數棉纖維冰的抗壓強度

棉纖維質量分數對冰的抗壓強度影響很大，表1為含棉纖維冰的抗壓強度隨應變率變化關系。冰柱的單軸壓縮試驗數據的離散性很大，這主要是由冰材料本身的脆性導致的，每個試樣都是由單獨的模具人工制備，很難保證試樣的完全一致性。從表1中可以看出：在準靜態應變率范圍(10-3/s ～10-2/s)內，純冰的抗壓強度隨應變率減小而減小，從2.29 MPa降到1.42 MPa，這與文獻[11]的結果趨勢一致。隨后進入中應變率(10-1/s)時，又增大到2.05 MPa，這與文獻[12]的試驗結果接近。

添加棉纖維可以有效提高冰柱的抗壓強度，含棉纖維冰的抗壓強度隨應變率的增大而增大，表現出明顯的應變率正相關性。當應變率為10-3/s，棉纖維質量分數低于6%時，冰柱的抗壓強度隨棉纖維質量分數提高而增大；棉纖維質量分數高于6%時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質量分數的提高而減小。這主要是因為低應變率下，棉纖維黏性效果明顯，纖維之間并沒有斷裂；棉纖維質量分數過高時，棉纖維的柔性表現的更為明顯。隨著應變率的增大，冰柱發生劈裂破壞或者沿斜45°方向呈剪切破壞，破碎成若干塊，碎塊之間有棉纖維黏結，部分纖維斷裂，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質量分數的提高而增大。但3%棉纖維冰柱的抗壓強度先增大后減小，主要因為其纖維質量分數較低，分布不均，凍結過程中形成的內部氣孔較大，這些局部性的影響隨著應變率的升高而越來越明顯，在中應變率(10-1/s)下，氣孔較大且纖維較少的部分首先迅速崩裂導致冰柱破壞，降低了冰柱的抗壓強度。

表1　含棉纖維冰的抗壓強度隨應變率變化關系　MPa

3　結論

(1)添加棉纖維可以有效提高冰柱的強度和韌性，含棉纖維冰柱也具有正應變率相關性。當應變率為10-3/s，棉纖維質量分數低于6%時，冰柱的抗壓強度隨棉纖維質量分數提高而增大；棉纖維質量分數高于6%時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質量分數提高而減小。應變率為10-1/s時，冰柱的抗壓強度隨著棉纖維質量分數的提高而增大。

(2)應變率為10-3/s含棉纖維冰柱的應力應變曲線形狀發生明顯變化，可以分為線彈性階段、屈服軟化階段和平臺區3個階段。

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[3]一架在空中遭遇冰雹的客機[EB/OL].[2015/8/30].http://www.wokeji.com/tupian/jrtj/201508/t20150201_1534213.shtml.

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中航工業集團公司航空科學基金項目(2014ZD38)

黃興(1990-),男,河南開封人,碩士生,主要研究方向為固體力學.

2016-04-10

1672-6871(2016)06-0001-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.001

O34

A