基于3D-DIC技術(shù)的老化UHMWPE無緯布準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能研究

羅小豪，李國成，張曉宇，王哲，張佳瑤，王鐸

基于3D-DIC技術(shù)的老化UHMWPE無緯布準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能研究

羅小豪，李國成，張曉宇，王哲，張佳瑤，王鐸*

（杭州智元研究院有限公司，杭州 310024）

通過研究老化后的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）無緯布力學(xué)特性，了解防彈衣在自然環(huán)境下的抗老化性能，為防彈裝備使用和存儲(chǔ)提供科學(xué)指導(dǎo)。采用三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（3D-DIC）和萬能材料試驗(yàn)機(jī)開展了其準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能測試。十年自然老化后的UHMWPE無緯布應(yīng)力應(yīng)變曲線仍呈近似線性特征，但平均拉伸模量僅為18.0 GPa。結(jié)合試驗(yàn)過程中的全場應(yīng)變變化過程，分析了UHMWPE無緯布試件的變形特性，發(fā)現(xiàn)拉伸過程中應(yīng)變?cè)诜治鰠^(qū)域內(nèi)的分布較均勻。十年自然老化后的UHMWPE無緯布軟質(zhì)防彈衣平均拉伸模量明顯降低，防彈性能無法滿足使用要求。

超高分子量聚乙烯；拉伸；應(yīng)力應(yīng)變；3D-DIC

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有密度低、比強(qiáng)度高、能量吸收性能好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)超高分子量聚乙烯無緯布的結(jié)構(gòu)特性相較于其他復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更高的抗彈性能。因此，UHMWPE無緯布被廣泛用于防彈衣的制作，是目前世界上最為先進(jìn)的防彈衣材料[1-3]。防彈衣由于其本身應(yīng)用場景的原因往往會(huì)面臨長期儲(chǔ)存的問題，而長期儲(chǔ)存后防彈衣的防彈性能直接關(guān)系到防彈衣能否繼續(xù)使用。因此，防彈復(fù)合材料的老化問題一直被廣泛關(guān)注，UHMWPE防彈材料的防護(hù)性能的核心影響因素包括壓縮、剪切、拉伸、分層和彎曲性能[4-5]，因此，在對(duì)老化UHMWPE 防彈材料的防彈性能影響研究過程中，其壓縮、剪切、拉伸、分層和彎曲性能是首要關(guān)注點(diǎn)。Kartikeya等[6]提出了一種新的UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了一種用于拉伸試驗(yàn)的夾具，并通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)獲得了UHMWPE纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。Manikandan等[7]研究了短劍麻纖維增強(qiáng)聚苯乙烯復(fù)合材料的吸水性能和老化對(duì)其力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明老化使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率都有所降低，這進(jìn)一步說明，老化會(huì)對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的材料力學(xué)性能產(chǎn)生多方面的削弱。Cheng等[8-10]開展了UHMWPE纖維和樹脂對(duì)其復(fù)合材料防彈性能影響以及纖維和樹脂老化機(jī)理研究，結(jié)果表明UHMWPE復(fù)合材料的老化不僅僅是纖維或者樹脂基體的單方面老化造成的，纖維與基體的力學(xué)耦合特性也會(huì)隨著纖維與基體的老化而產(chǎn)生嚴(yán)重的降低，這為UHMWPE復(fù)合防彈材料老化研究提供了一定的指導(dǎo)。黃獻(xiàn)聰?shù)萚11]通過傅里葉變換紅外光譜儀等測試方法研究了超高分子量聚乙烯纖維及其復(fù)合材料的熱氧老化機(jī)理，全面分析了老化溫度等因素對(duì)UHMWPE纖維及其復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和熱性能、界面性能、力學(xué)強(qiáng)度和防彈性能的影響，結(jié)果表明，老化后的UHMWPE纖維材料力學(xué)性能顯著下降。孫非等[12]通過對(duì)UHMWPE復(fù)合防彈層進(jìn)行溫度、濕度、紫外線等人工加速老化處理，然后進(jìn)行打靶測試，得到不同老化情況下的復(fù)合防彈層防護(hù)性能變化情況，并采用線性回歸方程進(jìn)行防護(hù)性能的預(yù)測，為老化UHMWPE復(fù)合防彈層的防護(hù)性能評(píng)估提供了較為有力的支撐。孟國龍[13]參考ASTM超高分子量聚乙烯加速老化標(biāo)準(zhǔn)對(duì)UHMWPE及其復(fù)合材料進(jìn)行了不同時(shí)間的加速老化試驗(yàn)，通過對(duì)老化后試樣的材料形態(tài)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)老化會(huì)使超高分子量聚乙烯試樣表面出現(xiàn)裂紋。通過對(duì)不同老化超高分子量聚乙烯試樣的力學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)隨著老化時(shí)間的增加，超高分子量聚乙烯試樣的硬度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

目前纖維增強(qiáng)復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)測量應(yīng)變大多采用應(yīng)變片或引伸計(jì)，只能測量某一位置或給定標(biāo)距的應(yīng)變信息，無法獲得試件變形過程中的全場應(yīng)變信息。數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法是一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的現(xiàn)代光測力學(xué)手段，通過跟蹤試件變形前后表面散斑的位置變化來計(jì)算試件表面各點(diǎn)的位移與應(yīng)變信息，與傳統(tǒng)的電阻式應(yīng)變測量法相比具有非接觸、全場測量等優(yōu)越性[14]。彭奕涵等[15]針對(duì)DIC測試設(shè)備應(yīng)用于拉伸試驗(yàn)的可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，結(jié)果表明DIC測試方法比應(yīng)變儀具有更為廣泛的實(shí)用性、數(shù)據(jù)采集更為全面、測試精度更高。目前暫未有報(bào)道采用3D-DIC測試方法對(duì)自然老化后的UHMWPE無緯布力學(xué)性能進(jìn)行研究，無法全面獲得自然老化后的UHMWPE無緯布力學(xué)性能參數(shù)。本文采用3D-DIC技術(shù)對(duì)一組自然老化十年后的UHMWPE無緯布進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得拉伸過程中試件表面全場應(yīng)變信息，計(jì)算得到材料的彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)，并分析材料的破壞特征，有助于為防彈裝備使用和存儲(chǔ)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 基于3D-DIC的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

1.1 3D-DIC原理

3D-DIC方法[16-17]是一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的現(xiàn)代光測力學(xué)手段，其測試原理如圖1所示。首先通過左右兩相機(jī)的標(biāo)定來構(gòu)建空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后3D-DIC測試系統(tǒng)通過相機(jī)拍攝被測物體變形前后的散斑圖，并將這些散斑圖以灰度值的矩陣形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，此時(shí)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)都是一個(gè)具有灰度值的數(shù)據(jù)點(diǎn)。最后在3D-DIC后處理軟件中，系統(tǒng)對(duì)變形前后2張數(shù)字圖像中相同的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇合適的算法進(jìn)行相關(guān)性匹配計(jì)算，得出待測點(diǎn)的位移和變形情況。

圖1 DIC技術(shù)基本原理

1.2 試驗(yàn)方案

測試系統(tǒng)組成如圖2所示。為了方便相機(jī)的拍攝，將UHMWPE無緯布拉伸試件面向相機(jī)夾持在萬能試驗(yàn)機(jī)夾頭上，UHMWPE無緯布拉伸試件距離相機(jī)大約1 m。2臺(tái)相機(jī)分別放在UHMWPE無緯布拉伸試件兩側(cè)（夾角約為20°），拍攝試件表面散斑區(qū)域的變形過程。2臺(tái)相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)為10 ms，相機(jī)拍攝方式設(shè)為等時(shí)間間隔，每隔1秒拍攝1張照片。為保證在拍攝過程中圖片的清晰，采用一個(gè)直流LED強(qiáng)光源射向試件表面，以保證充足的照明。

UHMWPE無緯布拉伸力學(xué)測試在萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)（CMT6503）上進(jìn)行，在試件加載過程中，利用3D-DIC方法對(duì)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了保證DIC測試系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中得出較為精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在3D-DIC測試系統(tǒng)的架設(shè)過程中，注意以下4個(gè)事項(xiàng)：保證兩相機(jī)的光軸相交于同一點(diǎn)；兩相機(jī)的夾角至少為15°，至多為60°；保證試件約占畫幅3/4以上；確保試件的離面運(yùn)動(dòng)在相機(jī)景深范圍以內(nèi)。測試系統(tǒng)的搭建如圖3所示。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

圖3 測試系統(tǒng)搭建圖

1.3 試樣制備

本文取某經(jīng)過十年自然老化后的軟質(zhì)防彈衣上的單層UHMWPE無緯布為測試對(duì)象（厚度為0.1 mm），測量其老化后的拉伸力學(xué)性能（圖4）。由于UHMWPE無緯布厚度較薄，因此本文使用剪刀剪出所需的試件。UHMWPE無緯布的拉伸試件尺寸如圖4所示。

由于UHMWPE無緯布的抗拉強(qiáng)度極高，單層UHMWPE無緯布的厚度僅有0.1 mm，在萬能試驗(yàn)機(jī)上裝夾難度較大，因此在試件兩端分別黏接長度為40 mm的硬質(zhì)塑料加強(qiáng)片。另外，使用3D-DIC技術(shù)進(jìn)行試件全場應(yīng)變測量，需要在拉伸試件的中間區(qū)域添加人工散斑，但UHMWPE無緯布表面光滑，使用常規(guī)噴漆法制作的散斑容易在試件拉伸的過程中脫落。因此，本文采用水轉(zhuǎn)印紙的方法將預(yù)先計(jì)算設(shè)計(jì)好的人工散斑附著在拉伸試件的表面，保證了試驗(yàn)過程中人工散斑附著的可靠性。帶有人工散斑的拉伸試件如圖5所示。

1.4 試驗(yàn)過程

首先進(jìn)行3D-DIC系統(tǒng)的標(biāo)定，選擇大小為拍攝畫幅80%左右的標(biāo)定板，在盡量靠近UHMWPE無緯布拉伸試件的位置做大幅度的3個(gè)自由度平動(dòng)和3個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。確保在標(biāo)定過程中，標(biāo)定板上的所有點(diǎn)都在相機(jī)視場之內(nèi)。拍攝40組以上的圖像后在DIC分析軟件中進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算，為后續(xù)試件表面變形運(yùn)動(dòng)分析奠定基礎(chǔ)（圖6）。

萬能試驗(yàn)機(jī)的加載速率為5 mm/min，采樣頻率為150 Hz，3D-DIC測試系統(tǒng)采集圖像頻率為1 Hz。通過萬能試驗(yàn)機(jī)記錄載荷-時(shí)間數(shù)據(jù)，3D-DIC系統(tǒng)記錄的全場位移、應(yīng)變信息。同時(shí)對(duì)3D-DIC系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定，使其與萬能試驗(yàn)機(jī)時(shí)間完全對(duì)應(yīng)。本文一共進(jìn)行4組試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中隨著拉力的增加，試件從夾持部位脫出，4組試驗(yàn)中試件均未被拉斷，可能是基體老化導(dǎo)致對(duì)纖維的黏接力下降導(dǎo)致的。

圖4 老化后單層UHMWPE無緯布及其拉伸試件

圖5 帶有人工散斑的拉伸試件

圖6 三維坐標(biāo)計(jì)算界面

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在3D-DIC分析軟件中建立標(biāo)距為50 mm的虛擬引伸計(jì)，獲得材料在拉伸過程中的應(yīng)變信息。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，從圖7中可以看到4組試驗(yàn)的結(jié)果具有很好的一致性。試件在破壞前應(yīng)力應(yīng)變曲線基本保持為直線，這說明老化后的UHMWPE無緯布在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷作用下表現(xiàn)出線性特征。在0.01的應(yīng)變下，老化后UHMWPE無緯布試件的平均應(yīng)力為207.8 MPa；在0.02的應(yīng)變下，老化后UHMWPE無緯布試件的平均應(yīng)力為356.7 MPa。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可得，老化后的UHMWPE無緯布試件平均彈性模量為18.0 GPa，這說明自然老化十年后的UHMWPE無緯布拉伸性能出現(xiàn)了明顯下降。因此，UHMWPE無緯布在儲(chǔ)存過程中要保證良好的儲(chǔ)存條件，并確定科學(xué)的使用年限，避免使用中出現(xiàn)老化失效而危及穿戴人員生命。由于老化導(dǎo)致基體對(duì)纖維的黏接力下降，試驗(yàn)過程中試件極易從夾頭中滑脫，在兩端粘貼加強(qiáng)片后還是不能將試件拉斷，因此本文未能測出試件的拉伸強(qiáng)度等信息。在未來對(duì)老化后UHMWPE無緯布拉伸性能研究的過程中應(yīng)注意解決試件的裝夾問題，保證試件在拉伸過程中不會(huì)脫落，以便測出試件的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等材料性能參數(shù)。

圖7 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 全場應(yīng)變

第3組試驗(yàn)中老化UHMWPE無緯布試件在不同拉伸載荷下表面Mises應(yīng)變分布情況如圖8所示。由圖8可得，在整個(gè)分析區(qū)域中應(yīng)變分布較為均勻。拉力為100 N時(shí)，試件上的平均應(yīng)變?yōu)?.009，200 N時(shí)平均應(yīng)變?yōu)?.023，比100 N時(shí)增大了2.6倍，300 N時(shí)平均應(yīng)變?yōu)?.036，比200 N時(shí)增大了1.6倍。試件表面Mises應(yīng)變分布沒有突變區(qū)域，說明在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過程中，UHMWPE無緯布試件中部（標(biāo)距區(qū)域）不存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，試件受力較為均勻。但是在試件邊緣仍然有一些變形不均勻區(qū)域，這些區(qū)域的應(yīng)變值誤差較大。這是因?yàn)檫@些區(qū)域在試件制作和人工散斑添加的過程中產(chǎn)生了一些毛刺。3D-DIC軟件散斑質(zhì)量評(píng)估也表明在試件邊緣一些區(qū)域散斑質(zhì)量相對(duì)較低，因此造成試件邊緣的應(yīng)變誤差較大。因此數(shù)據(jù)提取和處理中，應(yīng)該盡量靠近試件中部區(qū)域。

2.3 泊松比

在3D-DIC后處理軟件中提取試件中部區(qū)域沿著拉伸方向2個(gè)點(diǎn)和垂直拉伸方向2個(gè)點(diǎn)的平均應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線（圖9）。隨著載荷的增大，沿著拉伸方向的應(yīng)變呈線性增長的趨勢(shì)，增加較為迅速。由于泊松效應(yīng)，垂直拉伸方向的纖維和基體產(chǎn)生了微小的收縮。在拉伸過程中，沿著拉伸方向的纖維束承受主要的拉伸力并伸長，垂直拉伸方向纖維在基體的帶動(dòng)下相應(yīng)的發(fā)生一定程度的收縮。

通過沿著拉伸方向和垂直拉伸方向的平均應(yīng)變曲線可得到泊松比隨拉力變化的曲線（圖9）。從圖9中可以看出，泊松比隨拉力的增大先逐漸減小后增加。當(dāng)載荷為50 N時(shí)，垂直拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?0.04%，沿著拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?.4%，此時(shí)泊松比為0.10；當(dāng)載荷為148 N時(shí)，垂直拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?0.08%，沿著拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?.3%，此時(shí)泊松比最小，僅為0.062；當(dāng)載荷為260 N時(shí)，垂直拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?0.3%，沿著拉伸方向的應(yīng)變?yōu)?.3%，此時(shí)泊松比增大到0.13。

圖8 第3組試驗(yàn)中老化UHMWPE無緯布試件在不同拉伸載荷下表面應(yīng)變場分布

圖9 第3組試驗(yàn)中老化UHMWPE無緯布試件表面的應(yīng)變及泊松比變化歷程

3 結(jié)語

本文采用萬能試驗(yàn)機(jī)配合3D-DIC技術(shù)，測試了老化后的UHMWPE無緯布在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下的力學(xué)特性。主要結(jié)論如下：

1）老化后的UHMWPE無緯布試件在拉伸載荷作用下，應(yīng)力應(yīng)變曲線仍呈近似線性，平均拉伸模量為18.0 GPa。

2）3D-DIC分析得出的不同載荷下的全場應(yīng)變?cè)茍D表明，老化后的UHMWPE無緯布在分析區(qū)域內(nèi)應(yīng)變分布較為均勻，隨著載荷增大無緯布試件應(yīng)變逐漸增大，且增大的趨勢(shì)在逐漸減小。

3）獲得了老化后的UHMWPE無緯布沿拉伸方向和垂直拉伸方向的應(yīng)變隨載荷變化曲線，進(jìn)而得到了材料在拉伸過程中泊松比隨載荷的變化情況。泊松比隨載荷的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。泊松比從最大值0.137開始逐漸減小，當(dāng)載荷為148 N時(shí)減小到最小值0.062；當(dāng)載荷增大到260 N時(shí)，泊松比增大到0.13。

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Tensile Properties of Aged Unidirectional UHMWPE Sheets Based on 3D-DIC Technology

LUO Xiaohao, LI Guocheng, ZHANG Xiaoyu, WANG Zhe, ZHANG Jiayao, WANG Duo*

(Hangzhou Zhiyuan Research Institute, Hangzhou 310024, China)

The work aims to study the mechanical properties of aged unidirectional UHMWPE sheets, and learn the aging resistance of body armors in natural environment and provide scientific guidance for the use and storage of bullet-resisting equipment. The quasi-static tensile mechanical properties of UHMWPE were tested by 3D-DIC and a universal material testing machine. The experimental results showed that the stress-strain curve of unidirectional UHMWPE sheets after ten years of natural aging was still approximately linear, but the average tensile modulus was only 18.0 GPa. The deformation characteristics of unidirectional UHMWPE sheets specimens were analyzed based on the whole field strain variation process in the test process. It was found that the strain distribution in the analysis area was uniform during the tensile process. After ten years of natural aging, the average tensile modulus of unidirectional UHMWPE sheet soft body armor is obviously reduced, and the bullet-resisting performance cannot meet the requirements of use.

UHMWPE; tensile; stress and strain; 3D-DIC

TB33

A

1001-3563(2024)07-0254-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.031

2023-11-24

通信作者