（工程力学专业论文）抗冲击复合材料抗弹性能试验与表征技术研究.pdf

摘要 本文在广泛文献调研的基础上，对树脂基纤维增强复合材料动态力学性能和抗弹性能相 关领域研究的研究现状进行了综述。 本文对基于分离h o p k i n s o n 杆的树脂基纤维增强复合材料和纤维束高应变率( 1 0 s ) 下 进行了冲击拉伸实验研究。通过自由膨胀环实验，得到了一些芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤 维等树脂基纤维增强复合材料在超高应变率下的冲击拉伸试验数据，在实验中应用了简便 的应变片电测技术，并优化了装药和试样环的计。 本文对芳纶和e 玻璃纤维织物和单向布o 9 0 。铺层的热同基和热塑基复合材料层板的 动态力学性能进行了表征。表征结果说明复合材料在冲击剪切过程中吸t 趺的能量比具有高强 度大变形的冲击拉伸吸能要低。动态断裂吸收能密度u ，能同时反映断裂强度和变形的影响， 因此是复合材利动态力学性能的一个综合表征参量。 采用钢质和钨台金球形、柱状碎片模拟弹对芳纶和e 玻璃纤维增强的不同厚度和基体的 复合材料板进行射击试验，抗弹试验显示，在贯穿和弹道极限速度条件下，不论是热同基还 是热塑基的玻纤增强复合丰才料，其抗弹能力随着冲击速度的增加而增强。热同基芳纶增强复 合材料的抗弹性能和玻纤的类似，而热塑基芳纶增强复合材料的抗弹比吸能随着冲击速度的 增大几乎没有变化。对本文中的所有试验板，抗弹比吸能剥板厚的变化基本不敏感。对复合 材料弹道性能起关键影响的不但有应变率效应，而且还有复台材料的界面效应。 本文在对复合材料抗弹性能和高应变率下力! 学性能分析的基础上，建立了与动态性 能相关的热固基复合材料半经验侵彻破坏模型，计算结果和实验有较好的一致| 生。 最后，对全文进行了总结和展望。 a b s t r a c t t h ec u r r e n ts t a t e - o f - t h e - a r to fi n t e r r e l a t i n gr e s e a r c ha r e a so fb a l l i s t i c p r o p e r t i e sr e s i nm a t r i x f i b e r r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s a n df i b e r c e r a m i ci n t e r m i x c o m p o s i t e m a t e r i a l p l a t e i s c o m p r e h e n s i b l yr e v i e w e db a s e du p o nav a s ta m o u n to fs c i e n t i f i cl i t e r a t u r e t i r eh i g hs t r a i nr a t ef 1 0 4l s ) i m p a c tt e n s i l ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nf oj 1r e s i nm a t r i xf i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e w a sc o n d u c t e db ye x p l o d i n gf r e e l ye x p a n d i n ge x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ei nw h i c hs p e c i a lt h i nr i n g s a m p l e s a r e a d o p t e d s o m et e n t a t i v e i m p a c tt e n s i l et e s t i n g d a t ao fs o l n er e s i nm a t r i x c o m p o s i t e ，s u c ha sk e v l a r ，g l a s sa n dc a r b o nf i b e r sr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s ，w e r eo b t a i n e db yf r e e l y e x p a n d i n gr i n ge x p e r i m e n ti nw h i c hs h a p i n go fe x p l o s i v ec y l i n d e ra n dd e s i g no fs a m p l er i n g s w e r eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r , t h ed y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o u r ( i n c l u d i n gt e n s i l e ，i m p a c ts h e a ra n dc o m p r e s s i o n ) o ft h e r m o s e ta n dt h e r m o p l a s t i c l a m i n a t e s ，l a m i n a t e db y0 9 0f a b r i co fk e v l a rf i b e ra n deg l a s s f i b e r ，i sc h a r a c t e r i z e d t h er e s u l to fc h a r a c t e r i z a t i o ni n d i c a t et h ee n e r g yc o m p o s i t e sa b s o r b e db y i m p a c ts h e a rp r o c e s si sl e s st h a nt h a tb yd y n a m i ci m p a c tt e n s i l ew i t hh i g hs t r e n g t ha n dl a r g e d e f o r m a t i o nt h ed y n a m i cf r a c t u r ea b s o r b e de n e r g yd e n s i t yu co fc o m p o s i t e s ，w h i c hr e f l e c tt h e e f f e c to ff r a c t u r es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o na ts a m et i m e ，i sas y n t h e s i sc h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r o fc o m p o s i t ed y n a m i cm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e f r a g m e n ts i m u l a t i n gp r o j e c t i l e s ( i n c l u d es t e e lb a l l ，t u n g s t e na l l o yb a l le t c ) w e r ef i r e di n t ok e v l a r f i b e ra n deg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t et a r g e tp l a t e sc o n t a i n i n gv a r i o u st h i c k n e s sa n dr e s i n m a t r i x t h eb a l l i s t i cl e s td e m o n s t r a t e st h ec a p a c i t yo fa n t i p e n e t r a t i o no fg l a s sf i b e rr e i n f o r c e d c o m p o s i t ep l a t e s ( g f r p ) u n d e rp i e r c i n ga n dl i m i tv e l o c i t y ，n o to n l yt h e r m o s e tr e s i nm a t r i xb u t t h e r m o p l a s t i c ，i sr i s i n gw i t hi m p a c tv e l o c i t yi n c r e a s i n g t h eb a l l i s t i cb e h a v i o ro fk e v l a rf i b e r r e i n f o r c e dt h e r m o s e tr e s i nm a t r i xc o m p o s i t ei ss a m ea st h a to fg f r p , w h i l et h es p e c i f i ca b s o r b e d e n e r g y ( e 。) o fk e v l a rf i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o p l a s t i cc o m p o s i t ep l a t eh a r d l yv a r yw i t hi m p a c t v e l o c i t yi n c r e a s i n gt h eb a l l i s t i cb e h a v i o re si sb l u n tt ot h i c k n e s sc h a n g e p a p e nt h ek e yi n f l u e n c eo nc o m p o s i t e sb a l l i s t i cb e h a v i o rn o to n l yh a v e i n t e r f a c ee f f e c to f c o m p o s i t e s t oa l lt h et e s tp l a t ei nt h i s s t a i nr a t ee f f e c f b u ta l s o o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fc o m p o s i t eb a l l i s t i cb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea th i g hs t a i n r a t e ，c r e a t ep e n e t r a t i o nf r a c t u r eh a l fe m p i r i c a lm o d e to ft h e r m o s e tc o m p o s i t ea s s o c i a t i n gw i t h c o m p o s i t ed y n a m i cp r o p e r t i e s f h en u m e r i c a lr e s u l t si si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t s t h ef i n a lp a r ti sas u m m a r yo ft h ep a p e ra n dt h ep r o s p e c to ff u t u r ew o r k 致谢 感谢导师胡时胜教授列本文工作的关心和指教，胡教授在百忙之中对本文进 行了详细的审阅，提出许多宝贵的意见和修改建议，作者表示由衷的感谢。感训 曲英章研究员对本文工作给予的多方指导和热情帮助。导师的指导使作者受益非 浅，从中得到许多启发。在此作者谨向他们表示衷心的感谢。 作者尤其感谢冯家臣工程师、刘原栋工程师、高英莉高工在本文的试验和研 究工作中的给予的大力支持和帮助，在此向他们表示衷心的感谢。作者还要感蝴 李树虎： 程师、李峰高工、郑威高工等同仁和田杰博士对本文工作的帮助。 作者感谢郑会保研究员对本文工作的关心和支持。 最后，作者感谢妻子张文女二 和家人。他们的理解和支持使作者能全身心地 柑入到所从事的研究工作，在此向他们表示深深的谢意。 第一章绪论 纤维增强树脂基复合材料( 以下简称复合材料) 作为一种高比强度，高韧性， 低密度，优异的成型性，高的抗弹、抗冲击性能的结构、功能材料，已在军事工 业、航空航天、舰船和民用等领域受到高度重视，并得以广泛的研究应用。特别 在军事领域已成为装甲防护和弹箭结构的重要材判之一。目前，国外对树脂基复 台材料的研究不断深入，其应用领域电在不断扩大。国内，在复合材料的研究领 域，特别是新型复合材料作为重要的抗弹防护材料的研究方面起步较晚。作为装 甲防护材料，抗弹性能对材料研究和装甲防护材料的选择、研制和设计都是极其 重要的参数，对复合材料抗弹性能的研究，以及与抗弹性能相关的复合材料性能 的研究应贯穿于材料研究的始终。复合材料作为多相，多界面，非均质各向异性 的粘弹高强材料，作为与其抗弹防护性能极其相关的力学行为，又与复合材料的 加载速率密切相关。由于存在应变率效应，复合材料的动态力学响应不同于其静 力学响应，而复合材料应用的许多地方，例如航空和军工中被用来做成飞机防撞 击结构件、弹带弹托、肪弹装甲材料、武器部件等，这些使用条件无不是处在高 压、高速冲击之下。所以，研究复合材料的动态力学性能，分析其动态响应，是 指导复合材料抗冲击设计和应用的一个十分重要的课题。 国内外对于金属材料的抗弹性能表征及抗弹机理己进行了多年的研究， 形成了比较成熟的技术。而对于抗冲击复合材料的抗弹性能表征与评价技术 及抗弹机理的研究，研究起步晚，且研究难度大，抗弹性能表征与评价技术 比较薄弱，不够完备和成熟，抗弹机理不清楚，许多研究具有特定性，并不 代表通用的情况。 在过去的三十多年中，由于受航空复合材料需求的牵引，纤维复合材料 作为结构材料受低速碰撞冲击的响应得到了广泛的研究，这些研究的重点是 复合材料冲击损伤的性质、损伤累积的后果和冲击损伤的建模等。九十年代 前后，随着适合用作抗弹复合材料的高性能纤维和树脂基体的不断涌现，抗 冲击复合材料已成为装甲防护的重要捌料之一，并在国内外武器型号上得以 应用，对抗弹复合材料受高速冲击时的动态力学性能表征、抗弹性能评定和 弹道极限预测，抗弹性能影响因素、抗弹机理及抗贯穿实验和数值模拟等抗 弹性能表征与评价技术的研究在近十多年材料和力学期刊、国际弹道会议、 国际高级材料和加工及复合材料会议报道不断增多“1 1 。 纤维增强复合材料自身组成和结构的复杂性，要通过材料的本购关系，准确 定量研究复合材料的高应变率下的动态特性在目前条件下还较困难。抗冲击复合 材料的抗弹性能是由纤维、基体、结构、工艺、界面性能、应力波效应等多种因 素决定的。设想建立一个模型，用组分材料的力学性能来定量地预报复台材料的 动态力学性能和抗弹性能同样是非常困难的。因此，建立针对复合材料的动态性 能试验技术，完成不同复合材料的各动态特性表征，以获得抗弹复合材料抗冲击 分析研究所需的动态参量，研究抗弹性能、结构效应、抗弹机理、破坏吸能模式 和动态参量等之间的关系，提出综合表征参量，以准确评价材料的抗弹性能好坏， 是目前复合材料抗弹性能研究的基本有效的方法之一。 下面就本文有关领域的相关研究状况作一综述。 1 2 复合材料动态力学性能的试验与研究 高速率加载条件下对材料性能产生的重要影响很早就受到人们的关注。自从 k o l s k y l 9 4 9 年”1 将单式压杆改进成分离式h o p k i n s o n 压杆后，人们利用这一冲击 式高应变率试验装置及其改进型对材料在高应变率下的力学行为进行了大量的 研究”1 ”。对纤维增强树脂基复合材料在高应变率下的力学性能试验研究相对其 他材料较晚。从8 0 年代人们才开始对这方面感兴趣，并对h o p k i n s o n 压杆作了 些改造，蚍适应纤维增强聚合物基复合材料高应变率下的冲击剪切和拉伸的研 究需要“。复合材料高应变率下力学性能研究方面的报道相对较少，工作主要集 中在单向增强的碳纤和玻纤复合材料的冲击压缩试验“7 1 ，在复合材料的高应变 率拉伸方面h a r d i n g ，j 及其合作者在单向增强的c f r p 和玻纤环氧复合材料上 做了较多的工作“0 1 “。s h p b 冲击剪切是获得复合材料高应变率剪切性能的较好 方法，h a r d i n g 对编织增强玻纤环氧复合材料的冲孔试验研究中发现，加载率 对材料剪切性能有非常明显的影响，增强体结构的几何尺寸和试样尺寸对实验结 果也有很大影响。 我国对材料高应变率动态性能的研究开始于七十年代末，起步较晚，高应变 率条件下的材料性能研究是伴随着一维分离式h o p k i n s o n 杆技术的引入而展开 的，8 0 年代在国内中科院力学所率先加工了这套装置“”，随后中国兵器工业第 五三研究所、中国科技大学、北京理工大学等也纷纷建立了h o p k i n s o n 冲击试验 装置，并相继开展了金属材料的高应变率性能及变形破坏特性的研究。”和一系 列试验技术研究“”“”。对非金属材料高应变率下性能的研究起步更晚，测试研究 对象主要集中在纤维束，聚合物。“、工程塑料。”1 等材料的冲击性能的研究方面。 对抗弹复合材料的动态陛能的全面试验与表征更未进行。 由于复合材料的各向异性，抗拉压性能差异较大，特别在抗冲击研究中复合 材料高应变率下的拉伸性能作为一个重要参数受到了广泛的重视。日本的 k k a w a t a 等人”及英国的j h a r d i n g 等人”“就分别对玻璃纤维和碳纤维织物 等复合材料进行了冲击拉伸试验研究，还有其他一些学者也对复合材料进行过拉 伸试验。由于试验技术的原因，复合材料的动态拉伸试验研究一直滞后于其动态 压缩试验。人们对复合材料进行动态拉伸试验研究使用的拉伸装簧也是各式各样 例如有旋转盘冲击拉伸式装置。、套筒冲击杆一杆式拉伸装置。”i ”1 、块杆式冲击 拉伸装置州以及h o p k in s o n 杆改进型冲击拉伸装置”1 等。虽然有些拉伸装置 对杆件精度要求相列低些，但大多数装置总体设计比较复杂，加工技术要求较严 格，试验控制难度大且运行成本高，而分离式h o p k i n s o n 杆改进的拉伸装置类相 对结构简洁，试验方便，建造容易，运行成本低，而其难点在于所测波形同干扰 波的分离技术，以及试样的连接和加载技术。对于装甲防护、弹箭技术等所特别 关心的大于1 0 3 s 的超高应变率下复合材料的拉仲特性，分离式h a p k i n s a n 拉伸 技术就难以做到。在国外，爆炸自由膨胀环拉伸技术是超高应变率下试验被较多 采用的方法“”“3 。爆炸自由膨胀环法从六十年代出现以来“，经过学者和研究人 员的多次改进“7 1 ，其测试应变率不断提高，l o sa l o m o s 国家试验室用改进装置 使试验应变率达到1 0 5 s ，许多材料利用爆炸自由膨胀环拉伸技术实现了在超高 应变率下拉伸特性的试验研究。 由于增强纤维和基体在高应变下的不同特性和组元间的复杂相互作用，以及 界面上的附加效应等因素，纤维增强树脂基复合材料高应变率下的本构关系也鲜 有报道。 综合以上国内外研究情况分析，可以看出，由于纤维增强聚合物基复合材料 自身的复杂性，对该类材料高应变下的性能的测试表征还有很多问题需要研究解 决：目前报道的对纤维增强聚合物基复合材料高应变率下性能的表征数据是极分 散的、不系统。 i 3 复合材料的抗弹性能试验与表征 纤维增强复合材料以对侵彻弹体优异的动能吸收特性，无论作为功能材料还 是结构材料，都在装甲战车和人体防护应用中受到关注 4 9 - 5 1 1 。树脂基纤维增强复 材料作为独立防护单元或复合防护结构，一个显著的功效就是抗小口径弹、抗碎 片模拟弹中的动能吸收特性，在这方面的研究得到了人们较大的关注。 c h a n g h y u nl e e 等人m 1 用1 2 7 m m 柱状碎片模拟弹1 对酚醛树脂基s 一2 和k e v l a r 增强复合材制板侵彻试验，并采用高速摄影可视手段进行了研究，研究显示，玻 纤增强复合材料板被碎片模拟弹冲击时，横向变形量和变形速度大于纵向，在侵 彻中纵向变形速度等于弹体在板中的平均侵彻速度；靶板的能量吸收总量随侵彻 速度呈线性增长：认为冲量和吸能量的改变似乎只与复合板横向和纵向变形特性 有关；p r o s s e r 口钉则通过改变复合材料的层数研究了吸能与冲击速度的关系。z h u g 等”以2 0 0 m s 的子弹速度打击k e v l a r 聚合物层压板，研究认为主要的吸能 机制是纤维的变形、断裂以及集体的局部变形，人为引入的靶板层裂能大大降低 其抗弹极限速度，但对远高于抗弹极限速度的弹道贯穿性能却没有显著影响，弹 头形状对复合板的弹道极限速度有巨大的影响。 加拿大的e 卜lmv a nc o r p 等人“”用不同重量的碎片模拟弹对d y n e e m a 高性 能聚乙烯纤维织物和d y n e e m as k 6 6 纤维增强热塑树脂基复合材料进行抗弹性能 试验，以试验结果为基础得到了d y n e e m a 复合材料弹道极限速度v ；。面密度成幂 函数的关系：s ，jb l e s s 等人”6 1 用1 2 7 m m 碎片模拟弹对s 一2 玻纤增强复合材料 的抗弹试验中得到：s 一2 玻纤增强复合材料的抗弹性能与材料板面密度成线性的 关系，l c l i n 对s p e c t r a1 0 0 0 的纤维研究中也得到了相似的结果5 ”。 由于碎片模拟弹的硬度一般要比试验用的复合材料板的硬度大得多， l a m b e r t 等人“”在研究复合材料的弹道试验中，假定弹体在侵彻过程中保持无质 量损失的刚性体，并忽略了实验靶板在侵彻过程中的质量损失，提出在知道入射 和残余速度的情况下，纤维增强复合材料板的弹道极限速度可由下式得到： vr ：a ( v i ”- v 。) “。，参量a 、p 采用非线性回归拟合得到。在试验的边界条件方面， 还有e d w a r d s 的工作，e d w a r d s 采用7 6 2 m m 穿甲弹在相同速度下分别对3 0 r a m 厚的玻纤增强塑性复合材料完整板、伴随局部层裂的预置弹孔附近区域，以及预 制钻孔的附近区域射击贯穿比较试验，发现，不论在弹孔或钻孔附近的贯穿，弹 体速度降都比完好靶板的贯穿速度降要小许多( 小大约6 0 ) ，而在i 0 0 度温度 处理的完整复合板却对弹体保持了常温下相同的速度降。研究认为，复合材料的 抗弹性能主要是由( 玻纤) 纤维决定的，而不是聚合物基体，对抗弹性能具有关 键影响的是纤维的弯曲和断裂。树脂基纤维增强复合材料的抗弹损伤模式是与冲 击弹速和弹头形状有密切关系的。 试验证明复合材料的界面效应是对抗弹性能影响的重要方面，a r a k e r e “”和 s j b l e s s ”“的抗弹试验研究证明玻璃纤维表面经处理后能改善复合材料的抗弹 性能。树脂体系也是影响复合材料抗弹性能的一个重要因素，同种增强体材料， 热固、热塑的树脂体系会对复合材料抗弹性能产生很大的影响。研究表明“热塑 基复合材料的抗弹性能相当于或大于热固基复合材料，热塑性树脂基复合材料是 抗弹材料的个发展方向。 大量的复合材料抗弹性能研究中，涉及高速贯穿的较少。在相关的抗弹能量 吸收的研究中研究一般以弹道极限速度下的能量吸收特点，面密度、材料种类于 抗弹吸能的关系研究较多。纤维增强材料和聚合物基体材料有许多是应变率敏感 材料，随着弹体冲击速度变化，必将在树脂基纤维增强复合材料板的抗侵彻动能 吸收量上得以体现。针对复合材料的的抗弹特点从大范围贯穿冲击速度的方面考 虑，考虑到材料的动态加载影响，把厚度、重量以及结构因素从复合靶板的抗弹 吸能特性中分离开来，努力做到纯从材料的角度比较评价其抗弹能力，指导材料 研制于设计，这才是本文的工作要点之一。 1 4 复合材料力学性能与抗弹关系 抗冲击复合材料固有的多相结构导致复杂的变形和组分材料失效、破坏的交 互作用，使得它们比单一材料更加复杂，材料的抗弹性能是由纤维、基体、结构、 工艺、界面性能、应力波效应等多种因素决定的。设想建立一个模型，用组分材 料的力学性能来定量地预报复合材料的动态力学性能和抗弹性能是非常困难的， 需研究抗弹性能、结构效应、抗弹机理、破坏吸能模式和动态参量等之间的关系， 提出综合表征参量，以准确评价材料的抗弹性能。 目前，见到的有关复合材料力学性能与抗弹性能相互关系的报道较少， 只见到有关抗弹性能与压缩强度的论述。s j b l e s sa n dh a r t m a n ”等人从玻 纤增强层压复合板的抗弹试验中得到复合材料的弹道极限v s 。与材料横向压缩强 度的平方根成正比的关系：而a r a k e r e “”则认为玻纤复合材料的抗弹性能受压缩 强度的影响不明显，是随拉伸强度的增加而提高；加拿大的a r a k e r ev a s u e l w “4 1 用直径2 0 m m 的破片弹对玻纤增强复合材料抗弹机理进行了研究，认为单位面 密度能量吸收与弹速的关系可以通过靶的密度和有效横向强度来确定。 复合材料大多是应变率敏感性材料，弹体对复合材料的侵彻是在高速加 载中完成的，因此研究复合材料的抗弹性能，特别是高速贯穿特性，仅考虑 材料的常规机械性能是不够的。联系复合材料的贯穿破坏特点，紧密结合复 合材料高应变率下的力学特性揭示其抗弹特性才是e 确的选择。 1 5 本文工作的任务和内霍 本工作主要任务是通过纤维增强复合材料动态力学试验技术的研究，特别是 复合材料的动态拉伸技术的研究，建立复合材料高应变率下力学性能的表征方 法，完成对玻纤和芳纶增强复合材料( 纤维) 高应变率拉伸、冲击剪切和压缩性 能的表征研究；考虑复合材料( 纤维) 动态响应的基础上，对玻纤和芳纶等增强 复合材料从厚度( 结构) 、基体和界面( 工艺) 、弹体冲击入射速度、弹型、角度、 以及材料种类方面进行了较全面实验技术研究和抗弹陛能表征分析；把复合材料 的动态性能同其抗弹贯穿特性和破坏特点相结合，建立复合材料动态性能和抗贯 穿分析模型；通过对抗冲击复合材料的抗弹表征，揭示其抗弹机制，为抗冲击复 合材料抗弹性能试验评价方法的建立奠定基础，为材料的研制提供技术支撑。 第二章对树脂基纤维增强复合材料动态力学性能进行了研究。 第三章对树脂基纤维增强复合材料抗碎片模拟弹性能进行了研究。 第四章对复合材料动态性能与抗弹性能的关系进行了研究。 第五章对全文工作了总结，并对以后的工作进行了展望。 第二章树脂基纤维增强复合材料动态力学性能研究 纤维增强复合材料由于其质轻、高的比强度、比模量、易成型及可设计性和 优良的抗弹性能被广泛的应用于战车装甲防护、人体防护、火炮和弹箭结构上， 几乎所有应用方向都是由经受高速冲击、瞬间变形的的一个响应过程或连续交变 响应过程。所以研究这些材料的抗弹性能、抗冲击性能，就必然要联系、要研究 其高应变下的动态力学行为，以分析材料的抗弹特点，帮助解读复合材料的抗弹 机制。由于复合材料的非均质性、各向异性，层合效应、界面效应等特点，使得 复合材料的高应变率实验研究方面比金属等均质材料困难的多，特别是在加载技 术、试样设计制备、有效信息的获取等方面。 本章重点在一维h o p k i n s o n 杆动态技术的基础上研究训论了复合材料( 纤维 束) 高应变率( 1 0 2 _ 1 0 3 i s ) 拉伸实验技术，探索了爆炸膨胀环技术复合材料超 高应变率( i 0 4 i s ) 拉伸实验技术。并利用一维h o p k i n s o n 杆动态实验技术对纤 维增强复合材料进行了高应变率下的拉伸、冲击剪切、压缩的试验表征研究。 21 复合材料高应变率拉伸实验技术研究 纤维增强复合材料及其结构件在使用过程中承受高速拉伸作用。因此，材料 的动态拉伸参量是反映材料在高应变率下性能重要指标。热塑性树脂基纤维增 强复合材料不同于热固性材料和均制非金属材料，更不同于金属材料那样可 加工成螺纹。纤维的层间粘接力较小，因此，试样难阻加工，且加载非常困 难。不同于静态拉伸试验，可以随意设计加载装置，设法固定拉伸试样两端。 而在一维压杆上作动态拉伸时，为满足一维假定，只能通过特殊夹头和胶粘 剂粘接的方法。 在进行拉伸测试过程中，拉伸加载是一关键技术。为进行纤维增强复合 材料动态拉伸夹载技术研究，经过了多次问接动态拉伸加载技术研究分析及 反复试验，最终确定动态拉伸方案。首先，为了提高试样与拉杆夹头问粘接 强度，防止纤维在拉伸过程抽出，采取在试样内加销片的方法进行粘接。试 验中试样成功拉断，但是出现纤维与销片间粘接不牢，使得试样两端粘接部 分与标距部分同时参与了拉伸变形，致使试样在首次加载时不能被拉断，并 且测的信号也不正确。最后通过特殊制各拉伸试样，利用模压技术专门压制 复合材料拉伸试样。在试样的粘接部分选用界面性能比较好的基体压制，同 时筛选出对材料粘接效果较好的胶粘剂和理想的拉伸夹头结构，基本解决了 加载技术难的问题。经过对信号测试系统的调试。完成了抗冲击树脂基纤维增 强复合材料在高应变率下的拉伸技术。 2 1 1 实验装置 分离反射式h o p k i n s o n 拉杆装置( 简称s h t b ) ，是h o p k i n s o n 压杆的改 进装置，主要由两根h o p k i n s o n 加载杆、试样区承压块或承压环、子弹杆、 发射枪、测速系统及应变信号测试处理系统等组成。拉伸试样与两加载杆要 有良好的连接，在两加载杆中间放入承压块或承压环，使其与两加载杆端面 形成紧密接触。吸收杆与加载杆间预留一定间距。试验装置示意图和原理见 图2 一l 。 试验时，高速子弹杆撞击a 加载杆端部，产生冲击压缩波e 。冲击压 缩波通过承压块传入b 加载杆，计为e 。并在b 加载杆的自由端部经反 射成为拉伸入射波e 后继续向试样方向传播。入射拉伸波部分透过拉伸试 样，在a 加载杆中传播，称为透射拉伸波e 。，部分在试样处向回反射，在b 加载杆中形成反射压缩波e ，此时，承压块失去承压作用，并分离。 薹 _ ， 莛 势! 鋈 、 、萋 萋 - - t 乓 一 + l _ 多萋 一 ， c ； 碧车! f 一_)尊 ：一 ，商p 一-一i i 一 二j _ _ _ 4。800t 2 。【5 呻 a 加载杆 胶层 承压块 试样b 加载杆 a 擅 图2 - 1实验装置示意图和原理( x - t ) 图 8 三一 2 1 2 试验原理 s h t b 动态拉伸试验的基本原理是基于均匀化和平面假定下的一维应力理 论。复合材料动态拉伸试验结果的处理类似于一维s h p b 动态压缩试验数据处理 方法。根据记录获得的有效应变信号e ，、e 。、e ，复合材料试样的动态拉应 力o 。( t ) ，动态拉应变；( t ) 和应变率；：( t ) 由下列公式得到： 2 1 手，( f ) = 三享旦 p j 0 ) 一f ，0 ) 】2 3 l 0 式中，e 、a 。和c 。为加载杆的弹性模量、截面积和弹性波速，l 。a 。为拉伸 试样的标距和截面积。 在金属材料的动态拉伸实验中，拉伸试样和加载杆的连接基本采用螺纹 连接“。复合材料作为种拉伸剪切强度比值很高的各向异性非均质材料， 不可能通过直接螺纹连接的方式实现冲击拉伸加载。为了满足一维应力的原 理要求及避免其他无效信号干扰，在“样杆”连接方面一般尽量避免附加连 接件的使用，所以，国内外纤维增强复合材料板的动态拉伸实验技术难点之一 就是加载技术。我们通过大量试验和分析，采用加载杆端头u ”型开槽( 见图 1 ) ，通过“样杆”界面粘接传递载荷的加载方式是较现实可行的。 2 1 ，3 复合材料试样制备 在s h t b 上复合材料动态拉伸试验的成功与否，拉伸试样的设计是关键因 素之一。首先，要合理处理s h t b 技术要求试样尺寸小，而复合材料试验要求 拉伸试样尺寸与增强几何体尺寸相比应足够大的矛盾。其次，对于纤维增强 复合材料这样的各向异性材料，必须考虑端面效应产生的应力集中问题，即 试样和加载杆接触面的影响。所以，拉伸试样设计，试样与加载杆的连接必 须要考虑以下四方面的问题：加载杆与试样间的应力集中必须减到最小； 在加载杆和试样间尽量避免波阻抗的失配，以减少应力波的反射导致的有 效脉冲载荷的削弱，从而有利于波形分析；拉伸载荷由加载杆最好只通过 个剪切加载区就传到试样上，尽量避免多重途径传递载荷，导致拉伸失败， 0 0 ，fo 竺凡一岛 = | i p 口 占 或者产生太多的干扰杂波影响波形采集和分析。传递剪切载荷的面积应足 够大，否则很可能发生剪切破坏。 基于以上分析，考虑到拉伸透射载荷值等于拉伸试样的最大承载强度， 试样剪切加载区面积的大小，由试样与加载杆“u ”型槽面间的层间粘结抗剪 强度和试验材料的层间强度决定。为了保证试样拉伸破坏，试样的有效拉伸 截面积应与材料的静态拉伸强度相匹配。但决不能为增大剪切加载区面积， 提高加载能力而过分增大试样长度，因为还必须要考虑试样内应力均匀化的 问题。一般情况下，制备试验板材有5 6 个铺层就可基本能代表复合材料的 性能，厚度大约在2 m m 左右。 对准静态拉伸强度适中的热固性树脂基复合材料例如，织物或正交铺层 的e 玻璃纤维、碳纤维等复合材料，试样一般做成板条状( 图2 - 2 a ) ，以包容更 多的承载纤维束。对高拉伸强度类纤维，如s 一2 玻璃纤维、芳纶纤维等的织物或 正交铺层复合材料，试样一般做成哑铃状( 图2 - 2 b ) 。试样标距段内宽度b 的大 小视试验材料及复合板内纤维束的粗细而定，一般在5 l o t r l l l l 左右较合适。为 了提高测试精度，试样内应力充分均匀化，减小试验结果分散，试样标距l 0 应 尽量小些，在本文试验中【，。取1 0m m 。 有机纤维复合材料与高纤维含量复合材料拉伸试样制各相对较难，一般无法 采用机械刀具加工方法，高压水切割应是制样的较好选择。试样的制备必须保证 试验标距段内承载纤维束平行于中心线，且尽量不被损伤。过度角r 应尽量小， 以不产生应力集中即可。 对于柔性基树脂基纤维增强复合材料或弱强度界面复合材料，从压制的复合 板上直接切制的拉伸试样，在该粘接式动态拉伸试验中，冲击载荷的传递效果较 差，容易出现整体或局部层间抽脱、局部拔出等现象，需特殊制样。该类材料试 样的制备一般在剪切加载区部分采用界面浸渍性好的热固性树脂压制，中间试验 标距l 。段为柔性基或弱界面试验材料( 图2 2 ) ，并通过模具保证试验材料段的 工艺条件。对于热固性复合材料，试样的制备方式是直接在层压复合板上切样。 对单向增强层板复合材料，如果从复合板上直接取样，无论是制各成板条状 还是哑铃形，目前都无法很好进行载荷的有效传递，需采用在试样剪切加载区添 加横向增强纤维的特殊制样法。 图2 - 2 实验剧拉仲试样 2 1 4 拉伸实验的相关技术要求 在s h t b 实验装置中，加载杆是最关键的部件，加载杆设计加工的优劣，决 定了拉伸试验的成败。加载杆一般由高屈服强度、高弹性模量的特种合金钢( 铝) 制成，以保证在高速冲击中保持线弹性状态。为了获得准确、状态良好的信号， 加载杆要保证高直线度、同轴度和端面垂直度，表面光滑，且尽量消除热处理造 成的内应力。 承压块的作用是限位和传递压缩载荷。为了防止载荷传递过程中试样压缩损 伤，承压块必须保证有足够的硬度，与加载杆两端面形成良好的接触。承压块可 做成槽型，或两块状。为了防止端面的不完全接触，多重变截面对应力波传播的 影响及实验的可操作性，使用两片状的承压块较好。 加载杆端“u 型槽的尺寸根据试样参数、胶粘剂性能、界面状态及试样应 力均匀化要求等因素综合考虑确定。根据拉伸试样的最大静拉伸强度、胶粘剂剪 切强度，粘接界面的浸渍性，充分考虑冲击拉伸的保险系数，可估算出加载杆端 部的连接槽的长度。 试样和加载杆的粘接也是复合材料拉伸试验中较关键一步。需选用高剪切强 度特种胶粘剂，加大粘接面积：必需对粘接面进行予处理，保证粘结层均匀无气 泡，并采取措施防止槽口压缩开张，增加粘结胶层固化予压力。承压块安放到位 后，试样应呈现一定的预拉力。 图2 3 给出了芳纶复合材料试样被拉断后的状态，图2 4 为部分本工作得 到复合材料动态拉伸试验数据。 s t r a i n ( ) a 正交铺层芳纶复台剌料 图2 3 复合利料试样拉断时状态 s t r a i n ( ) b 玻璃纤维织物复台丰j 料 c 玻璃纤维织物柔性基复台材料 图2 - 4 复合材料动态冲击拉伸性能( 应变率2 5 0 0 s ) 2 1 5 实验分析 对试验中干扰波强度及传播规律的准确分析，是进行应变片正确位置贴片、 避开干扰波的影响，获得有效一维应力波波形的前提。本文以中1 4 5 m m 口径的 s h t b 拉伸试验装置为例，进行实验技术分析。其中，a 加载杆长1 2 0 0 m m ，b 加 载杆长6 0 0 m m ，子弹杆长2 0 0 r a m ；两承压块高1 0 m m ：加载杆端头的“u ”型粘接 槽长7 0 r a m ，宽2 i m m ( 见图2 - i ) 。 由x - t 原理图可以清楚地看到，反射拉伸波在a 加载杆中传播时，在整个a 加载杆的大部分区域内，透射拉伸波e 。要受到l l 4 。伴生干扰波的叠加影响，并 且干扰波自身也相互叠加，实测波形见图2 5 ，2 6 。这些干扰波主要是由加载 杆端部“u 型槽的变截面引起的，1 。干扰波值最大，在冲击自由端反射为压缩 波后形成对透射拉伸波e 。的干扰，2 4 4 ”干扰波在冲击自由端均反射为拉伸干扰 波，形成对透射拉伸波e 的迎头叠加干扰。按照应力波在变截面杆中传播规律 可知，弹性波在变截面杆中的反射和透射的变化可以由下列关系式确定 6 5 】。 n = a 1 a 2 f ：生 1 + 门 l + 门 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中，o 。，o 。，or 分别是入射波以及入射波在变截面处形成的反射波和透 射波强度；a ，a 。为变截面处的截面积；f ，t 分别为反射系数和透射系数。 根据公式( 2 - 4 ) ，( 2 5 ) 及“u ”型槽和加载杆的尺寸参数，不难看出1 - 4 4 干扰波的幅值依次呈递减趋势排列，其中l 。干扰波幅值约为0 0 9 6e 2 4 干扰 波幅值为约0 0 9 5e 。，3 。干扰波幅值约为0 0 0 0 8 8e ，4 4 干扰波幅值则更小。 若子弹杆以速度v = 4 5 m s 冲击a 加载杆，则由式o ，= p 。c 。v 2 ，可知加载 杆中产生的应力波e ，对应的应力幅值。约为9 0 0 m p a 。假如所试验复合材料的 拉伸强度也为9 0 0 m p a ，拉伸标距段l 0 内截面积为2 m m 6 m m ，则各干扰波、入射 拉伸波e 。、透射拉伸波e 的对应应力幅值及干扰波与e 。的应力比值q 计算列 入下表2 1 。 表2 - 1 杆中各应力波对应的应力幅值 浆 入射拉伸波透射拉伸波干扰波干扰波干扰波干扰波 应力幅值 ( m p a ) 9 0 06 58 68 507 800 0 7 2 n|13l30 0 10 0 0 0 1 如果a 加载杆上应变片记录到的透射波e 。、入射波e ，与干扰波相叠加， 就无法准确进行应力波的波形分析和计算。由表2 一l 知，l4 、2 4 干扰波的强度值 均大于透劓波的值，是波形记录必须避开的区域，3 4 干扰波虽然较小，占e 。的 l ，但波形记录也要尽量避免与该区域重合，4 4 干扰波仅是e 。的0 1 o ，基 本可以忽略其影响。结合以上分析，可见，在x - t 图中i 、i i 区段是适合应力波 信号测定分析的区段，i 区段贴片空间相对较小，且透剥波波头较易受干扰影响 ( 图2 5 ) ：最佳贴片区段应是i i 区，在该区段内粘贴应变片可以得到理想的应 力波形( 图2 6 ) 。 啊册 = j j 盯 盯 在x - t 图中还可以看到，反射压缩波c ，在b 加载杆中始终与5 。压缩干扰波 相伴传播，所以，在8 加载杆上任何位置记录到波形都是与干扰波的叠加波，无 法准确对反射波s ，进行分离测定，这就是在反射拉伸s h t b 实验中对采集到的 数据进行计算处理时，只采用入射拉伸波e ，和透射波e 。的原因。若计算中采 用8 。的示值，0 。( t ) 的计算结果将偏小，e 。( t ) 的计算值将偏大。 由x t 图中波的传播规律分析，要得到完整不受干扰的e 。波形，两加载杆 必须要保持合适的长度比例，a 加载杆的长度最好大于1 0 0 0 m m ，这与文献 4 2 大体是一致的。尽管继续增加a 加载杆的长度可以增大应变片有效贴片区，但效 果不是很明显，考虑到精密长杆加工制作的困难，这种方案不可取。可通过保留 a 杆较短的有效长度，调整b 杆的长度来获得理想的信号。一般情况下，a 加载 杆常采用1 0 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 的杆，b 加载杆长应大于4 2 0 r i o n 。 j u 趔 罂 由 迮 - _ 捌 唰 u j u 蚓 粤 心 迎 一 划 嘲 应力城传播时问t ( s ) a 空载时记录到的波形信号 ； 霎耋 翟d 威力波传播时间t ( p s ) b 拉仲试样冲击加i 载时记录到的被形信号 图2 - 5 在i 区贴片测得应力波信号 应力波传播时间t ( p s ) a 空载时记录到的波形信号 jj 亘： 塞篓 羹萼 应力波传播时间t ( “s ) b 拉仲试样冲击加载时记录到的波形信号 阁2 - 6 在i i 区贴片测得鹰力波信号 n u j u u 趔 坚 口 蜓 d ， 应变片的选择和粘贴状态决定着获取信号的质量。首先根据应力波传播规律 的分析，确定出在加载杆上i 区或i i 区的贴片位置，其次，必须选择合适的应变 片。由于透射波和入射波的幅值相差较大，所以透射