復合材料中高速與低速落錘沖擊對比分析

許燕杰，趙一權

中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300

連續纖維增強樹脂基復合材料以輕質高強、可設計性強等特點，在航天航空、船舶等領域得到廣泛應用，在汽車領域也受到了越來越多的重視。復合材料面外沖擊性能一般通過落錘沖擊方法進行測試，復合材料落錘沖擊標準有ASTM D7136和ISO 18352，兩個標準均通過自由落體實現一定的沖擊速度，這也限制了沖擊速度一般低于10m/s（對應自由落體高度為5.1m）。

目前針對復合材料沖擊損傷研究主要集中在低速沖擊領域。張子龍等[1]總結了國外幾種復合材料沖擊損傷及沖擊后壓縮強度實驗方法，沖頭重量為1～5kg，沖擊速度均屬于低速，并提出了等效的小尺寸試樣沖擊損傷實驗方法。Abrate[2]研究了復合材料在低速沖擊時動力學響應。楊斌等[3]研究了玻璃纖維-碳纖維混雜復合材料在低速沖擊下的性能。文章通過自由落體與碰撞結合的方法實現對復合材料的中高速沖擊，研究中高速沖擊下復合材料的損傷，并與低速高重量落錘沖擊損傷進行對比。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及工裝儀器

（1）實驗材料：碳纖維增強樹脂基復合材料，碳纖維選取T700級國產碳纖維，樹脂選取東華大學ME306中溫環氧樹脂，鋪層方向為[(0°/90°)/(45°/-45°)/(0°/90°)/(45°/-45°)/(0°/90°)]s，成型工藝選取熱壓罐成型法。（2）試樣尺寸：200mm×160mm×2mm。（3）樣品固定夾具：四邊均為帶槽鋼塊，上方螺絲夾持樣品，有效沖擊尺寸為160mm×120mm，支撐樣品離地高度為10mm。（4）超聲C掃儀：廠家為德國PVA公司，型號為AM300。

1.2 實驗過程

（1）方法原理。將低重量落錘置于一定高度，通過重量較大的不銹鋼塊經自由落體后碰撞低重量落錘，使低重量落錘獲得較高速度，落錘在重力作用下繼續下落沖擊復合材料板材，中高速落錘沖擊示意圖如圖1所示。

圖1 中高速落錘沖擊示意圖

（2）實驗參數。①沖擊參數。中高速落錘沖擊通過重量較大的不銹鋼塊碰撞低重量落錘獲得速度后，在重力作用下繼續下落，進而沖擊復合材料板材。沖擊頭直徑為30mm，其他沖擊實驗條件如表1所示。假設碰撞過程中動能和動量守恒，可計算出碰撞后落錘的速度，進而得出落錘沖擊板材的瞬間速度。低速落錘沖擊通過落錘自由落體獲得一定速度沖擊復合材料板材，沖擊頭直徑為30mm，其他沖擊實驗條件如表2所示。②超聲C掃參數。探頭頻率為30MHz，增益為28dB。

表1 中高速落錘沖擊實驗參數

表2 低速落錘沖擊實驗參數

2 結果與討論

2.1 中高速落錘沖擊

選取重量為0.15kg的落錘，沖擊速度分別為10m/s、12.5m/s、16.7m/s、19.4m/s，對復合材料板材進行中高速落錘沖擊，從沖擊后復合材料板材的目視評價可看出，四個沖擊速度下的板材正面均看不出損傷，沖擊速度為16.7m/s的板材背面有約5mm長的輕微纖維損傷，沖擊速度為19.4m/s的板材背面有一條20mm長的縱向裂紋，其他兩個速度下的板材背面均看不出損傷。

通過沖擊后的復合材料板材超聲C掃可看出，沖擊速度為10m/s和12.5m/s時，板材內部無損傷；沖擊速度為16.7m/s和19.4m/s時，板材內部明顯可看出損傷，損傷面積分別為149mm2、239mm2。將損傷面積S與沖擊能量E擬合成曲線，如圖2所示。擬合后模型函數如下：

擬合度R2因子取0.91561，可以看出損傷面積隨沖擊能量呈指數形式增長。超聲C掃可檢測復合材料內部的分層、夾雜、孔隙、纖維斷裂和裂紋等缺陷[4]。受高速低質量落錘沖擊的板材損傷很小，內部可能產生分層、裂紋或纖維斷裂，損傷形狀近似長方形，這是由于當沖擊能量低時，板材長邊方向由于夾持距離較長，剛度較小，承受沖擊力較弱，容易產生分層或裂紋，而短邊方向剛度較大，不易產生分層或裂紋。

2.2 低速落錘沖擊

選取重量為3kg的落錘，沖擊速度分別為2.2m/s、2.8m/s、3.7m/s、4.3m/s，對復合材料板材進行低速落錘沖擊。四個速度歸一化沖擊能量分別為3.8J/mm、5.9J/mm、10.4J/mm、14.1J/mm，與重量為0.15kg的中高速落錘沖擊的歸一化沖擊能量一一對應。

從四個速度下板材損傷目視結果可以看出，沖擊速度為2.2m/s的下板材正面和背面均沒有出現損傷；沖擊速度2.8m/s的下板材正面未發現損傷，背面有兩條近似垂直的不規則裂縫，縱向長度為25mm，橫向長度為7mm；沖擊速度為3.7m/s的下板材正面可以看出表面分層，分層區域尺寸為15mm×15mm，并且產生微小凹坑，深度為0.11mm，背面出現兩條近似垂直的不規則裂縫，縱向長度為30mm，橫向長度為30mm；沖擊速度為4.3m/s的下板材正面可以看出表面分層，分層區域尺寸為25mm×22mm，并且產生凹坑，深度為1.12mm，背面出現兩條近似垂直的不規則裂縫，縱向長度為38mm，橫向長度為35mm。由此可以看出，隨著沖擊能量的增加，縱向裂縫和橫向裂縫的長度呈增加趨勢，并且兩者逐漸趨于接近，因為沖擊能量較大時，試樣的長邊方向（縱向）和短邊方向（橫向）均受較大沖擊力，導致兩個方向裂縫同時擴展。復合材料板材的裂縫方向與纖維絲束方向一致，因為絲束間為富樹脂區，承力相對纖維絲束較弱，所以裂縫容易沿絲束擴展。

通過沖擊后的復合材料板材超聲C掃可看出，四個不同的沖擊速度作用下，復合材料板材損傷面積從小到大依次為176mm2、474mm2、964mm2、1786mm2，將損傷面積S與沖擊能量E擬合成曲線，如圖2所示。擬合后模型函數如下：

圖2 0.15kg和3kg落錘的損傷面積對比圖

擬合度R2因子取0.97984，可見損傷面積隨著沖擊能量增加呈指數增長，并且增長趨勢遠大于0.15kg落錘的中高速沖擊。損傷形狀由低沖擊能量時的近似長方形變為高沖擊能量時的近似正方形，這同樣是試樣不同方向的剛度不一致以及高沖擊能量時不同方向損傷同時擴展造成的。

對比0.15kg中高速落錘沖擊和3kg低速落錘沖擊，3.8J/mm、5.9J/mm、10.4J/mm、14.1J/mm四個沖擊能量下，3kg落錘的損傷面積對比0.15kg落錘分別增加176mm2、474mm2、815mm2、1437mm2，可見落錘重量差相同的情況下，沖擊能量越大，相同沖擊能量下不同重量落錘間的損傷差異越大。

3 結論

復合材料在重量為0.15kg的落錘、沖擊速度為10～19.4m/s的作用下，在高沖擊速度為16.7m/s和19.4m/s時出現較小損傷。高速沖擊時雖然沖擊能量很大，但是由于落錘重量較小，對復合材料板材損傷較小，最高沖擊速度為19.4m/s，相當于時速70km，損傷面積僅為239mm2。在相同沖擊能量下，0.15kg落錘高速沖擊損傷明顯低于3kg落錘低速沖擊損傷，且沖擊能量越大，損傷的差異越大。利用落錘沖擊評價復合材料抗面外沖擊性能時，不能只規定沖擊能量，同時要規定合適重量的落錘，這樣才能正確且客觀地評價復合材料的抗面外沖擊性能。