混雜纖維復合材料層板的抗彈沖擊性能

易 凱 孫建波 楊智勇 楊 堅 賀曄紅

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043）

文 摘 為了考察混雜纖維復合材料層板的抗彈沖擊性能，采用碳纖維織物或玻璃纖維織物與芳綸纖維織物復合材料層共固化的方式，利用熱壓罐成型工藝制備了幾種具有不同面密度及鋪層結構的混雜纖維復合材料層板，并進行抗彈沖擊性能測試、表觀形貌觀察和無損檢測分析。結果表明：純芳綸纖維及混雜纖維復合材料層板的鋼彈沖擊破壞模式相同，均為表層剪切破壞，中間層分層破壞，背層拉伸斷裂破壞；層間混雜順序對復合材料層板的分層缺陷面積有較大影響，當碳纖維層作為背層時，層板的分層缺陷面積為12 863.6 mm2小于玻璃纖維層作為背層時（17 400.5 mm2）；當芳綸層作為背板時，混雜纖維復合材料層板沖擊后分層缺陷面積與純芳綸的相當（14 151.0～14 927.0 mm2）。混雜纖維復合材料對層板的抗彈沖擊性能有較大影響，混雜后復合材料的彈道極限速度（v50）均有一定程度的提高，其中玻璃纖維/芳綸復合材料的v50從純芳綸復合材料層板的193.08 提高至204.33 m/s。將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復合材料層板具有更優異的抗彈沖擊性能，其貫穿比吸能（BPI）均優于純芳綸復合材料層板。

0 引言

芳綸纖維具有高比強度、高比模量以及斷裂伸長率高、沖擊性能優異等特點［1-3］。研究人員利用這些特點，將芳綸纖維應用在航空發動機風扇包容機匣上，不僅能夠有效包容風扇葉片碎片，還可以大大減輕發動機質量［4-5］。為了進一步提高復合材料抗沖擊性能，研究者提出了很多方法，其中最有代表性的就是混雜法［6］。研究者發現，混雜纖維增強樹脂基復合材料，通過纖維的合理混雜，利用纖維性能的差異匹配復合材料沖擊過程中的特點，可以進一步提高復合材料的抗彈沖擊性能［6-9］。

本文采用層間混雜的方式，在芳綸纖維增強樹脂基復合材料層板的沖擊著彈面和背面分別設置了玻璃纖維增強樹脂基復合材料層及碳纖維增強樹脂基復合材料層，采用鋪層熱壓罐固化的成型方式制備混雜纖維復合材料層板。通過彈道槍發射平頭圓柱型鋼彈來沖擊混雜纖維復合材料層板，對沖擊破壞后的層板表觀形貌進行觀察，對比分析不同混雜纖維、混雜順序對抗彈性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料

F-8H3/602 芳綸纖維織物/環氧樹脂預浸料，自制。預浸料的含膠質量分數為（48±3）%，纖維面密度為（88±5）g/m2。

T800-6K/602 碳纖維織物/環氧樹脂預浸料，自制。預浸料的含膠質量分數為（44±3）%，纖維面密度為（210±10）g/m2。

SW280F-90a/602 玻璃纖維織物/環氧樹脂預浸料，自制。預浸料的含膠質量分數為（32±3）%，纖維面密度為（280±20）g/m2。

1.2 混雜纖維復合材料層合板的制備

采用自動下料機裁剪預浸料，以確保纖維方向的準確性。碳纖維及玻璃纖維與芳綸混雜復合材料層板鋪層按照碳纖維或玻璃纖維預浸料［（0/90）］n，再鋪疊［（0/90）］m芳綸預浸料的方式鋪疊，純芳綸復合材料層板按照［（0/90）］n+m鋪層，混雜纖維復合材料層板及純芳綸復合材料層板的厚度為6.8 mm。固化時，將復合材料層板沖擊著彈面設置為貼模具面，以保證固化后層板的貼模面具有平整的表面。采用熱壓罐固化工藝制備了具有不同面積質量的混雜纖維復合材料層合板。固化后對層板進行無損檢測，并按照177.8 mm×177.8 mm 的尺寸加工混雜纖維復合材料抗彈沖擊性能測試層板。

1.3 抗彈性能測試

用槍為25 mm 口徑彈道炮，用彈為Φ20 mm 的北約柱狀楔形破片模擬彈，彈速在480 ～520 m/s。參照GB/T 32493—2016 測試。采用紅外光幕測速靶系統，用金屬框將樣品固定在靶架上，按預標定著彈點垂直靶面入射。抗彈沖擊測試完成后，對層板再次進行無損檢測。

2 結果與分析

2.1 層板彈丸沖擊破壞形貌及破壞模式

抗彈沖擊試驗過程中，復合材料層板全部被鋼彈擊穿，其破壞形貌如圖1～圖5所示。由圖可知，對于面板為碳纖維和玻璃纖維的復合材料層板來說，表層的纖維斷口均很齊整，表層的破壞形式為剪切破壞。對于芳綸面板的復合材料層板，其著彈面兩個方向存在著一定的纖維毛絲，而另外兩個方向纖維斷口較齊整，如圖1、圖2及圖4著彈面圖，這主要是由鋼彈的平頭彈頭在兩個方向上存在斜角引起的，其表層破壞模式仍然為剪切破壞。圖1～圖5背面及側面看出，沖擊破壞后的層板在彈孔周圍存在較大面積的形變，鋼彈的沖擊引起復合材料層板的層間分層破壞，因此復合材料中間層的破壞模式主要為分層破壞；對于背板的破壞形貌，芳綸、玻璃纖維均出現大量的纖維的斷裂破壞，這主要是鋼彈穿透層板后期，纖維在沖擊作用下拉伸斷裂破壞所引起的，背板層的破壞模式主要為拉伸斷裂破壞。

圖1 純芳綸復合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.1 Damage morphology of pure aramid laminates

圖2 芳綸/碳纖維混雜復合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.2 Damage morphology of aramid/carbon hybrid laminates

圖3 碳纖維/芳綸混雜復合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.3 Damage morphology of carbon/aramid hybrid laminates

圖4 芳綸/玻璃纖維混雜復合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.4 Damage morphology of aramid/glass hybrid laminates

圖5 玻璃纖維/芳綸混雜復合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.5 Damage morphology of glass/aramid hybrid laminates

抗彈沖擊測試前后的試板無損檢測結果表明：測試前層板均無缺陷，測試后的缺陷面積見表1。可看出缺陷形式主要為纖維斷裂及層間的分層缺陷。

表1 混雜纖維復合材料層板的抗彈性能測試后無損檢測結果Tab.1 The results of non-destructive testing of BPI of hybrid composite laminates

對于芳綸/碳纖維復合材料層板，著彈面為芳綸層，背板為碳纖維層，由于碳纖維層的模量較高及較小的變形特性，沖擊破壞過程中，碳纖維層對沖擊后破壞分層缺陷的擴展具有一定限制作用，因此整體分層缺陷的面積低于純芳綸復合材料層板。當碳纖維層為著彈面時，鋼彈穿透碳纖維層后，沖擊破壞分層缺陷在芳綸層進一步擴展，由于缺少了碳纖維層對芳綸層缺陷擴展的限制作用，因此缺陷面積與純芳綸復合材料層板相當甚至更高。

對于芳綸/玻璃纖維復合材料層板，由于玻璃纖維的拉伸斷裂伸長率高于芳綸纖維，因此當芳綸層為著彈面、玻璃纖維層為背板時，玻璃纖維層在沖擊破壞過程中會持續的受拉伸載荷作用而發生拉伸斷裂破壞，并通過持續變形和分層缺陷擴展等方式吸收沖擊能量，因此分層缺陷面積相對于純芳綸復合材料層板更高。

對于碳纖維/芳綸及玻璃纖維/芳綸復合材料層板，由于分層缺陷主要發生在芳綸復合材料層，破壞模式相同，因此缺陷面積與純芳綸復合材料層板相當。

2.2 層板抗彈沖擊性能

抗彈沖擊試驗過程中，通過測量可獲得鋼彈通過復合材料層板前的初速度（v0）以及穿透復合材料層板后的末速度（v1）。復合材料層板的總吸收能量Ea可按照公式（1）計算獲得。

彈道極限速度v50是評價靶板防彈性能的通用指標，它是指各彈體彈速接近且50%彈體擊穿靶板時全部彈速的平均值。采用近似方法計算彈道極限速度v50，如公式（2）所示。

彈道性能指數（BPI）是評價復合材料抗彈性能結構效率的技術指標，可利用公式（3）計算復合材料層板的彈道性能指數。

式中，Aw是復合材料層板的單位面積質量。

純芳綸及混雜纖維復合材料層板的抗彈性能測試結果如表2所示。由表2可知，混雜纖維復合材料對復合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響。

表2 混雜纖維復合材料層板的抗彈性能測試結果Tab.2 Comparison of impact resistance of hybrid composite laminates

混雜纖維復合材料提高了復合材料層板的v50，碳纖維/芳綸與純芳綸復合材料層板的v50基本相當，而玻璃纖維/芳綸比純芳綸復合材料層板的v50更高。

碳纖維/芳綸復合材料層板及玻璃纖維/芳綸復合材料層板具有比純芳綸復合材料層板更優異的抗彈性能。碳纖維層和玻璃纖維層為層板的鋼彈沖擊著彈面，主要發生剪切破壞，而碳纖維及玻璃纖維復合材料層板的剪切性能均優于芳綸復合材料層板，因此混雜纖維復合材料層板在沖擊破壞過程中，表層的剪切破壞吸收了更多的沖擊能量，從而使得將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復合材料層板具有更優異的抗彈沖擊性能。當碳纖維層及玻璃纖維層作為背板時，盡管碳纖維復合材料抗拉伸性能優于芳綸復合材料，以及玻璃纖維復合材料的拉伸斷裂伸長率更高，但由于碳纖維層及玻璃纖維層的比例較少，對提高沖擊性能的影響有限，并且碳纖維層及玻璃纖維層的密度比芳綸更大，具有更高的面積質量，因此整體來看，碳纖維層及玻璃纖維層作為背板時的混雜復合材料層板相對于純芳綸復合材料層板的貫穿比吸能BPI更低一些，層間混雜順序對復合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響。

總體來看，將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復合材料層板具有更優異的抗彈沖擊性能。從工程應用及實際需求來看，對于需要綜合考慮結構質量和抗沖擊性能的包容機匣結構來說，碳纖維復合材料具有更高的結構強度、模量，可以作為金屬包容機匣的替代材料，同時，應用芳綸復合材料結合碳纖維復合材料形成混雜纖維復合材料結構，在進一步優化混雜結構的基礎上，可以提高復合材料包容機匣整體的抗高速沖擊性能。這對保證包容性能同時降低包容機匣質量，提高航空發動機的整體性能具有重要意義。

3 結論

（1）純芳綸及混雜纖維復合材料層板的鋼彈沖擊破壞模式相同，均為表層剪切破壞，中間層分層破壞，背板層拉伸斷裂破壞。

（2）層間混雜順序對復合材料層板的分層缺陷面積有較大影響，當碳纖維層作為背板層時，由于碳纖維復合材料更高的強度、模量，可以對芳綸層起到分層缺陷擴展的限制作用，降低分層缺陷面積；而當玻璃纖維層作為背板層時，由于玻璃纖維復合材料具有相當甚至更高的拉伸斷裂伸長率，因此沖擊引起的分層缺陷會進一步擴展，使得缺陷面積更大；當芳綸層作為背板時，混雜纖維復合材料層板沖擊后分層缺陷面積與純芳綸復合材料相當。

（3）混雜纖維復合材料對復合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響，混雜后復合材料的v50均有一定程度的提高，其中玻璃纖維/芳綸復合材料的v50從純芳綸復合材料層板的193.08提高至204.33 m/s。

（4）將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復合材料層板具有更優異的抗彈沖擊性能，其BPI均優于純芳綸復合材料層板。