（纺织工程专业论文）uhmwpe乙烯基酯三维机织复合材料动态压缩性能研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、首次对用超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 纤维制作的三维( 正交三向、经纬双 向增强2 5 d ) 机织复合材料进行室温条件下动态压缩性能实验研究，得到 不同应变率下材料的应力一应变关系和吸能特性，分析了纤维束交织结构对 三维机织复合材料动态压缩性能的影响； 二、对u h m l j l p e 乙烯基酯三维机织复合材料压缩后的试样进行光学显微镜观测分 析，研究了其在不同应变率下的破坏模式； 三、基于分离式霍普金森压杆动态测试系统，计算了u h m w p e 乙烯基酯三维机织 复合材料的动态吸能特性，分析吸能机理。 摘要 为了表征超高分子量聚乙烯( u h m w p e ) 乙烯基酯三维机织复合材料的吸 能特性和抗冲击性能，基于分离式霍普金森压杆动态测试系统，研究了材料在承 受横向( 厚度方向) 高速冲击载荷时的动态力学性能、破坏模式以及吸能特性和 机理。 首先，安装调试分离式霍普金森压杆动态测试系统，提取有效信号进行数据 处理和分析，计算应力应变关系及吸能；然后，设计并制作了u h m w p e 乙烯 基酯三维( 正交三向、经纬双向增强2 5 d ) 机织复合材料，利用超声波无损检 测技术给出试样的无缺陷评价；接下来，在应变率范围为1 0 2 1 0 3 s 。j 下，实验测 试了u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料和经纬双向增强2 5 d 机织复合 材料厚度方向上的动态压缩力学行为，包括动态应力应变关系和吸能特性，与 准静态下的压缩性能进行对比分析材料的应变率效应；最终，通过试样冲击破坏 形貌研究了材料的动态压缩破坏模式和吸能机理。 实验结果表明：u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料的应力应变关 系对应变率是敏感的，并表现出明显的应变率强化效应，屈服应力和弹性模量随 着应变率的增加而增加；在纤维体积含量相同的情况下，在一定范围内减细z 向 纤维束可以增强正交三向机织复合材料横向压缩性能；在横向准静态压缩和动态 压缩下，正交三向机织复合材料的主要破坏模式是剪切断裂；z 向纤维束可以阻 止分层并促进能量吸收；工f 交三向机织复合材料吸收的能量随着应变率的增加而 增加，并且随着应变率的增加z 向纤维束较粗的试样比z 向纤维束细的吸能多。 u h m w p e 乙烯基酯经纬双向增强2 5 d 机织复合材料的应力一应变关系对应变 率是敏感的，并表现出明显的应变率强化效应，应力应变曲线呈现“双线性” 效应，屈服应力和屈服应力下的应变随着应变率的增加而增加；破坏模式主要是 纤维与树脂的分离和纤维束之间的剪切断裂，破坏开始发生于接结经纱屈曲的应 力集中区；主要的吸能机理是材料本身的弹性吸能、纤维和树脂的分离以及产生 相对位移的摩擦吸能和纤维束的剪切断裂吸能。 关键字：超高分子量聚乙烯乙烯基酯三维机织复合材料，动态压缩，应变率效 应，分离式霍普金森压杆，破坏模式，吸能机理 a bs t r a c t t oc h a r a c t e r i z et h ee n e r g ya b s o r p t i o na n dh i g hv e l o c i t yi m p a c tr e s i s t a n c eo f u l t r a - h i g h m o l e c u l a r w e i g h tp o l y e t h y l e n e ( u h m w p e ) v i n y l e s t e r3 dw o v e n c o m p o s i t e s ，t h ed y n a m i cc o m p r e s s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f a i l u r em o d e sa n d e n e r g ya b s o r p t i o no ft h ec o m p o s i t e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t s a r ec a r d e do u to nt h es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rt e s ts y s t e m f i r s t l y , t h es p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a rd y n a m i ct e s ts y s t e mi si n s t a l l e da n d d e b u g o nt h eb a s i so ft h ee x t r a c to fe f f e c t i v es i g n a lo fs t r e s sw a v e ，d a t ap r o c e s s i n g a n da n a l y s i s ，t h es t r e s s s t r a i nc u r v e sa n da b s o r p t i o ne n e r g ya r ec a l c u l a t e d t h e n ，t h e s a m p l e sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dw i t ht h eu h m w p ef i b e r3 d ( 3 d o r t h o g o n a la n d w a r p & w e f tr e i n f o r c e d2 5 d ) w o v e np e r f o r mc u r i n gw i t hv i n y le s t e rr e s i nb yr e s i n t r a n s f e rm o l d i n gp r o c e s s t h ei n t e r n a l d a m a g e so fs a m p l e sa r ee v a l u a t e du s i n g u l t r a s o n i cw a v en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e t h es a m p l e sa r es u b j e c t e dt o d y n a m i cc o m p r e s s i v el o a d i n gt h r o u g ht h et h i c k n e s sd i r e c t i o n u s i n g t h e s p l i t h o p k i n s o np r e s s u r eb a ra tt h es t r a i nr a t er a n g ef r o m10 2t o10 3 s t h es t r e s s s t r a i n c u r v e su n d e rt h ed y n a m i cc o m p r e s s i v ea r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fq u a s i - s t a t i c c o m p r e s s i v ew i t ht h es a m ef i b e rv o l u m ef r a c t i o n f i n a l l y , t h ec o m p r e s s i v ef a i l u r e m o d ea n dt h ee n e r g ya b s o r p t i o na tt h ed i f f e r e n ts t r a i nr a t ea r ea n a l y z e dt h r o u g h o b s e r v i n gt h ed a m a g e ds p e c i m e n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h es t r e s s s t r a i nc u r v e so ft h eu h m w p e v i n y le s t e r3 do r t h o g o n a lw o v e nc o m p o s i t e sa r er a t es e n s i t i v et ot h es t r a i nr a t ea n d a l s oh a v es i g n i f i c a n ts t r a i nr a t es t r e n g t h e n i n ge f f e c t ，t h ey i e l ds t r e s sa n dm o d u l u s i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t r a i nr a t e s r e d u c i n gt h ef i n e n e s so fz r e i n f o r c e m e n t f i b e rt o we n h a n c et h ez d i r e c t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f3 do r t h o g o n a lw o v e n c o m p o s i t e sw i t ht h es a m ef i b e rv o l u m ef r a c t i o n t h ep r e d o m i n a n tm o d eo ff a i l u r ef o r q u a s i - s t a t i ca sw e l la sh i g hs t r a i nr a t ec o m p r e s s e di nz d i r e c t i o ni ss h e a rf r a c t u r e t h e z r e i n f o r c e m e n tf i b e r sp r e v e n t i n gd e l a m i n a t i o nf a c i l i t a t eh i g h e re n e r g ya b s o r p t i o n b e h a v i o r t h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so ft h e u h m w p e v i n y le s t e rw a r p & w e f t r e i n f o r c e d2 5 dw o v e nc o m p o s i t e sa r er a t es e n s i t i v et ot h es t r a i nr a t ea n da l s oh a v e s i g n i f i c a n ts t r a i n r a t es t r e n g t h e n i n ge f f e c t t h ey i e l ds t r e s sa n dm o d u l u so ft h e c o m p o s i t e s i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h es t r a i n r a t e s a d d i t i o n a l l y , t h e p r e d o m i n a n tf a i l u r em o d eo ft h ec o m p o s i t e su n d e rd y n a m i cc o m p r e s s i v ei ss h e a r f r a c t u r ew h i c hb e g i n sf r o mt h eb e n do ft h eb i n d e rw a r p ，a n ds h e a rf r a c t u r ea l o n gt h e d i r e c t i o no ft h eb i n d e rw a r p t h es p e c i f i cp r o p e r t yo ft h ec o m p o n e n tm a t e r i a l s ，t h e s e p a r a t i o nb e t w e e nf i b e ra n dr e s i na n dt h es h e a rf r a c t u r eo ff i b e rb u n d l ec o n s t i t u t e m a j o re n e r g ya b s o r p t i o no ft h ec o m p o s i t e s k e y w o r d s ：u h m w p e v i n y le s t e r3 dw o v e nc o m p o s i t e s ，d y n a m i cc o m p r e s s i v e ， s t r a i nr a t e e f f e c t ，s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) ，f a i l u r em o d e ，e n e r g y a b s o r p t i o nm e c h a n i s m 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 三维机织复合材料的应用1 1 3 纺织复合材料动态力学性能研究现状3 1 3 1 纤维及树脂基体动态力学性能研究现状3 1 3 2 层合纺织复合材料动态力学性能研究现状4 1 3 3 三维整体纺织复合材料动态力学性能研究现状5 1 4 课题研究背景和意义6 1 5 课题主要内容7 第二章分离式霍普金森压杆( s h p b ) 实验技术9 2 1 中应变率测试技术9 2 2s h p b 实验技术1 0 2 2 1 s h p b 的发展状况1 0 2 2 2 s h p b 实验原理1 l 2 2 3s h p b 动态压缩实验操作步骤1 2 2 3 信号采集、分析系统1 2 2 3 1 电阻应变计的选择和粘贴1 3 2 3 2 电桥电路和c s 一1 d 超动态电阻应变仪：1 4 2 3 3t s t 3 4 0 6 动态测试分析仪1 5 2 4 数据处理程序1 7 2 4 1电压与应变的换算1 7 2 4 2 动态数据处理1 7 2 4 3 动态吸能1 9 2 5 准静态压缩实验2 0 第三章三维机织复合材料设计与制备2 1 3 1 三维机织增强材料设计与制备2 1 3 1 1 正交三向机织增强材料设计与制备2 1 3 1 2 经纬双向增强2 5 d 机织预制件设计与制备2 3 3 2 三维机织复合材料复合成型工艺2 3 3 2 1 模具及树脂2 3 3 2 2 复合固化工艺及流程2 4 3 3 超声无损检测2 5 3 3 1 超声无损检测测试原理2 5 3 3 2 扫描方式2 6 3 3 3 测试结果2 6 3 4 动态压缩试样尺寸设计2 7 3 5 机加工优选方案及实验用标准件的制作2 8 第四章u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料动态压缩性能2 9 4 1 典型波形图分析2 9 4 2u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料的应力应变关系3 1 4 3u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料压缩破坏模式3 6 4 4u h m w p e 乙烯基酯正交三向机织复合材料能量吸收4 0 第五章u h m w p e 乙烯基酯经纬双向增强2 5 d 机织复合材料动态压缩性能4 1 5 1u h m w p e 乙烯基酯经纬双向增强2 5 d 机织复合材料应力应变关系4 1 5 2u h m l j l r p e 乙烯基酯经纬双向增强2 5 d 机织复合材料破坏模式4 4 5 3u h m w p e 乙烯基酯经纬双向增强2 5 d 机织复合材料能量吸收4 6 第六章结论4 7 参考文献4 9 攻读硕士期间学术成果5 5 致谢5 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 纺织复合材料具有高比强度、高比刚度、材料力学性能可设计性等优点，是 轻质高效结构设计的最理想材料，与金属相比可以实现结构减重达2 0 - - - 3 0 。 纺织复合材料结构有利于整体设计与整体制造技术的应用，一方面可以减少结构 零部件的数量，提高结构的效率和可靠性，另一方面可以采用低成本整体制造工 艺，降低制造成本n 1 。鉴于纺织复合材料潜在的优势，美、欧等世界发达国家和 地区十分重视纺织复合材料技术的研究，并已把纺织复合材料广泛的应用在航空、 航天、舰船、汽车、机械、土木建筑、能源、体育休闲和医疗器具等领域。 随着纺织复合材料在航空、航天、国防和民用方面的使用，在爆炸和冲击等 高能量密度条件下材料及其结构的瞬态动力学研究日益显得重要和迫切。如卫星 及载人航天器的返回着陆、弹体对装甲的侵彻和贯穿、工程结构的抗冲击或抗爆 炸等方面的研究中都会首先遇到这类问题心。5 1 。研究纺织复合材料的动态力学响 应和破坏机理不仅可以为优化设计和制备先进复合材料提供理论和实验依据，而 且也为数值模拟应力波在纺织复合材料中的传播提供动态本构关系。 1 2 三维机织复合材料的应用 为了克服二维层合板冲击损伤阻抗低、层间性能弱等弱点，2 0 世纪6 0 年代 末以来，发展了多种具有三维结构的纤维增强材料( 加入了z 向增强纤维) ，例 如三维编织，三维机织，三维针织，三维缝合和三维z 向销钉等。 三维机织是通过对传统的二维机织工艺的改进，制造出包含面内纤维和厚度 方向纤维的三维机织增强材料。三维机织可以近净尺寸成型异型制件；可以实现 任何高性能纤维或混入基体等纤维的织造；可以在很大范围内设计厚度方向性能； 与二维铺层复合材料相比，除了抗分层和冲击损伤容限的优势之外；还可以变化 厚度方向纤维种类，实现真证的功能梯度材料；通过合理设计纱线在x 、y 、z 三个方向的分布比例、纱线粗细、纱线的位置以及层数等实现复合材料性能的最 优化设计。三维机织工艺的巨大灵活性表明其可以为航天、航海、市政基础设施 第一章绪论 和医药工业提供各式各样的复合材料构件，如图1 - 1 所示【们，可以看出，许多外 形复杂的结构件都可以用三维机织工艺一次成型，比如法兰盘、涡轮转子、梁、 柱等。制造这些部件都证明了三维机织复合材料部件比二维层合板更快更廉价， 尤其是对于外形复杂的结构，同时，三维机织复合材料部件具有更好的分层阻抗 和冲击损伤阻抗。 图l _ 1 三维机织预制件 在航天方面，三维机织复合材料h 型连接件应用于b e e c h5 t a r s h i p 飞机上【7 j ， 用于连接机翼蜂窝壁板，在降低制造成本的同时改善了连接头的应力传递，减小 了剥离应力。三维机织夹层复合材料被用于制造速度为8 马赫( 约2 6 0 0 米秒) 的超音速喷气冲压发动机的原型机【8 】，其中的基础材料由碳纤维和碳化硅纤维采 用三维机织工艺制造增强材料的陶瓷基复合材料，这种材料主要用于冲压发动机 的燃烧室，使用三维机织复合材料的关键好处是：整个燃烧室可以用三维机织工 艺一次制造成型，相对于传统工艺，这样可以大大减少连接问题和泄漏问题。 除了航天方面的应用，三维机织复合材料还用于运动器械( 如攀登用的护具 和头盔) 、警用和军用防弹衣【9 j 等。 第一章绪论 1 3 纺织复合材料动态力学性能研究现状 动态力学响应是指在结构上加载短历时的载荷，结构在短暂时间尺度( 毫秒、 微秒甚至纳秒量级) 上发生运动参量的显著变化，产生冲击下的应变率效应。应 变率，即应变变化速率，是指单位时间内产生的应变，量纲为s 一。自1 9 4 9 年， k o l s k y 1 0 发明分离式霍普金森压杆( s h p b ) 以来，已被普遍认为是测试材料和 结构在高应变率下力学响应的一种行之有效的实验手段，它采用应变片测得弹性 气、压杆中的加载脉冲和输出杆中的透射脉冲，推算得到夹在这两根杆中试样材料的 动态本构关系，避开了冲击作用下直接测量试样中应力和应变的困难。s h p b 实 验技术可以获得材料在1 0 2 - 1 0 4 s 1 应变率范围内的应力一应变曲线。 1 3 1 纤维及树脂基体动态力学性能研究现状 国内外很多学者研究了用作增强原料的高性能纤维动态力学性能。陈思颖】 等研究了碳纤维、无碱e 玻璃纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维的动态拉伸性 能，超高分子量聚乙烯纤维的动态强度较之于准静态时略有升高，其余各种纤维 在冲击加载下的强度值与准静态相比基本一致，弹性模量随着应变率的增加而增 大，并从高分子物理及两种无机纤维的内部微观结构特征对纤维的力学性能与加 载速率的关系进行了初步的物理解释。周元鑫【1 2 】等对t 3 0 0 和m 4 0 j 两种碳纤维 实施了应变率范围为0 0 0 1 - 1 3 0 0 s 1 静态、动态拉伸实验，实验结果表明，两种 纤维束的弹性模量、拉伸强度以及失稳应变在上述应变率范围内均未发生明显变 化，所以认为t 3 0 0 碳纤维束和m 4 0 j 碳纤维束是与应变率无关的材料。汪掣1 3 】 对玻璃纤维、芳纶和聚乙烯醇纤维的应变率相关性和能量吸收能力进行冲击拉伸 实验研究，结果表明：除聚乙烯醇纤维束的初始模量外，三种纤维束的力学性能 均具有应变率相关性，其中聚乙烯醇和玻璃纤维的应变率敏感性较芳纶强烈，芳 纶的能量吸收能力高于聚乙烯醇并且明显优于玻璃纤维。董立吲1 4 】和h a r d i n g j l j 也研究了碳纤维在高应变率下的力学性能，结果表明碳纤维在拉伸性质上是 与应变率无关材料。 从工程的可靠性设计方面看，复合材料构件应在基体的安全范围内使用，若 基体的应变远小于纤维的应变，则复合材料的许用强度和韧性将大为降低。为此， 中国科学技术大学的一些研究人员研究了环氧树脂在动态拉伸和压缩下的力学 性能：夏源吲1 6 1 等采用摆锤式单杆冲击拉伸实验装置研究了应变率1 0 2 s 1 范围内 环氧树脂( 6 3 4 4 环氧、5 9 4 。环氧固化剂及邻本二甲酸二丁脂等配制) 的拉伸本构 关系，实验表明环氧树脂是与应变率相关材料，静态时呈现静态脆性的性质，而 3 第一章绪论 在1 0 卜s1 范围内呈现动态韧性；唐志平【l7 j 采用s h p b 研究了环氧树脂( e - 5 1 环氧、 m o c a 固化剂等配制) 在高应变率i 0 2 - 1 0 3 s 1 条件下的动态压缩力学行为，实验结 果表明该材料对应变率敏感。浙江工业大学的熊谢1 8 】等研究了乙烯基酯树脂浇 铸体在准静态和高应变率下的压缩特征，考察了试样的压缩失稳和破坏的形貌， 结果表明：在准静态加载下，材料呈韧性破坏，失稳应力、失稳应变能密度均随 应变率的提高而提高，失稳应变随应变率的提高而降低，在高应变率下材料呈脆 性破坏，失稳应力、失稳应变能密度、失稳应变随应变率的提高而提高，材料发 生“强迫高弹形变”。 1 3 2 层合纺织复合材料动态力学性能研究现状 王正浩 1 9 】等对两种铺层方式( ( 4 5 1 4 5 ) 4 1 。和( ( 0 4 5 9 0 一4 5 一4 5 ) 2 。) 的 t 3 0 0 e p o x y 层合板进行准静态和动态的拉伸实验，获得了不同应变率下的应力 应变曲线，研究结果表明：t 3 0 0 e p o x y 层合复合材料是应变率敏感的，层合板 的铺层方向对其应变率效应有着显著的影响，随着应变率的增加，材料的强度及 弹性模量有较大程度的提高，但是破坏应变有所降低。 袁秦鲁【2 0 】等研究了碳布叠层碳复合材料在应变率5 0 0 、15 0 0 s 以时的动态压 缩性能，研究结果表明，碳布叠层碳复合材料在动态压缩载荷下压缩强度有较 为明显的应变率效应，其压缩强度的动态增加函数可以用c o w p e r - s y m o n d s 幂函 数的形式来表示。 蒋邦海【2 l 】等研究了碳纤维平纹机织布增强树脂基复合材料的动态压缩力学 性能，分别测试了试样的三个主方向( 垂直于碳布方向、碳布经向、碳布纬向) 的动态压缩力学性能，实验结果表明：垂直于碳布方向的力学性能及其与应变率 的相关性主要由树脂基体所控制，碳布经向和纬向的力学性能主要由碳纤维所控 制，并且和纤维初始微屈曲相关。 曹茂盛【2 2 】等研究了以铺层顺序为 4 5 0 4 5 0 4 5 9 0 0 。的新型碳纤维 增强改性环氧树脂复合材料在高速冲击载荷下的层合板厚度方向和平面纵向的 动态压缩性能，实验结果表明：在高应变率条件下，层合板厚度方向的动态压缩 强度及失效应变明显大于平面内加载方向；基体开裂、分层及剪切断裂是复合材 料在动态压缩条件下的主要损伤及断裂模式。 0 c h o l ar 0 1 2 3 】等对 0 9 0 碳环氧铺层复合材料进行了应变率范围为 1 0 。4 - 1 0 3 s 1 静态、动态压缩实验，实验结果表明，碳环氧铺层复合材料的弹性模 量、断裂强度以及失效模式均与应变率相关，即该材料是与应变率相关材料，低 速冲击时的失效模式是扭结和剪切失效，高速冲击时的失效模式是试样完全分解。 4 第一章绪论 h a l li w 【2 4 j 等对石墨环氧层合复合材料进行初步实验，实验分别从纵向和 横向加载，比较了其强度、模量和应力应变曲线，证明了失效形式随着纤维结构、 取向度、纤维基体界面的不同而有着显著的不同。 h o s u rm v 2 5 1 等研究了1 7 层碳环氧机织复合材料在不同应变率下的压缩响 应，增强织物是未缝合的平纹和缎纹机织物以及缝合的平纹和缎纹机织物，实验 结果表明，无论是缝合的还是未缝合的机织复合材料在动态载荷下都比在静态载 荷下有更高的最大应力和模量，并且最大应力和压缩模量随着应变率的增加而增 加；由于试样在静态载荷作用下有更长的时问传递载荷，使静态载荷下试样的应 变比动态下的高出2 3 倍；因为缎纹织物纱线有更小的屈曲波，所以在经向加载 时，缎纹机织试样比平纹机织试样有更高的强度和模量；未缝合试样的失效模式 一般是开裂和分层，缝合试样的失效模式一般是剪切破坏。h o u rm v 【2 6 】等还对 3 7 层缎纹碳环氧机织层合复合材料在面内不同的角度进行动态压缩实验，实验 表明，缎纹碳环氧层合复合材料是与应变率相关材料；材料的铺层结构影响其 动态压缩性能，随着载荷加载方向在偏轴角0 。一4 5 。内移动，材料的动态力学 性能呈现非线性的增加，刚度和强度随着应变率的增加而增加到某个固定值后开 始下降。 s u b h a s hg h a t u 2 7 1 等研究了芳纶环氧二维编织复合材料的单轴压缩力学性 能，在静态载荷作用下，材料呈现非线弹性性质，随着载荷的增加，基体破坏区 域的轴纱和编织纱被拉长导致非弹性变形，在高应变率载荷作用下，屈服强度增 加了6 0 ，二维编织层合复合材料在厚度方向上呈现剪切断裂形式的非均匀变形。 1 3 3 三维整体纺织复合材料动态力学性能研究现状 谭柱华【2 8 】利用s h p b 对碳环氧三维四向编织复合材料进行动态压缩实验， 得到了应变率9 0 0 - 1 5 0 0 s 1 下的应力应变曲线，结果表明：该材料的压缩强度和 模量具有一定的应变率强化效应，表现出明显的脆性。 周洲2 9 】对玻璃纤维乙烯基酯正交三向机织复合材料进行高应变率下面外、 面内方向的压缩实验，结果表明：玻璃纤维乙烯基酯三维正交机织复合材料是 应变率敏感材料，三维正交结构使复合材料体现出各向异性，面外的最大应力， 失效应变比面内大，面内的压缩模量大于面外。 k u ow e n s h y o n g d o 】等对碳环氧三维机织复合材料进行横向剪切实验，实验 结果表明，失效模式主要是剪切破坏，基体开裂导致剪切刚度下降是失效的主要 原因。 s u nb a o z h o n g 3 1j 等对e 一玻璃纤维聚乙烯脂三维角联锁机织复合材料、e 一 5 第一章绪论 玻璃环氧多轴向多层经编复合材料进行准静态和动态压缩实验，实验结果表明， 两种材料均是与应变率相关材料。s u nb a o z h o n g 3 2 】等还对e 一玻璃环氧四步法三 维编织复合材料在不同应变率下的拉伸行为进行研究，结果表明，该材料是与应 变率相关材料。 c a l l u sp j 【3 3 】等对玻璃纤维增强聚酯三维机织( 三向正交、角联锁) 复合 材料在拉伸载荷作用下的力学性能和失效模式进行了研究，研究结果表明，纤维 体积含量相同的情况下，三维机织复合材料在拉伸载荷作用下的力学性能和失效 机理是相同的；在低应变率下，裂纹主要在纤维束和捆绑纱之间的富树脂区内产 生，不影响材料的拉伸性能；在高应变率下，由于伸直纤维束的非弹性和大量卷 曲的面内纤维束周围的裂纹使得材料的弹性模量减低了2 0 3 0 ，且破坏发生在 局部区域。 g ub o h o n g 3 4 】等对e 一玻璃环氧三维矩形编织复合材料在动态压缩载荷作用 下的失效机理进行研究，研究表明，面外压缩的主要失效机理是剪切失效，面内 压缩的失效机理主要是基体的开裂。 t a n gg u o y i 3 5 】等对碳环氧三维编织复合材料的动态损伤和断裂机理进行研 究，结果表明，编织复合材料的损伤主要是纤维束卷曲区域附近的纤维束表面开 裂和纤维束内部分层；失效机理主要是纤维剥离和树脂基体分层和裂纹的传播。 y u n s o n gl u o 3 6 】等研究了三维正交混杂机织复合材料的横向冲击行为和能量 吸收性能，实验结果表明：这种材料的能量吸收是应变率敏感的，破坏模式是试 样冲击面的压缩和冲击背面的拉伸破坏，主要的破坏模式是基体的裂纹，纤维断 裂和纤维拔出，并且三维正交混杂机织复合材料的经纬向的破坏模式是相同的， 没有分层现象出现。 a y o uh a o ，7 】等采用改进的s h p b 对三维正交机织复合材料t 型梁进行横向冲 击实验，并在三维正交机织复合材料单胞模型的基础上采用有限元进行动态数值 分析，实验结果和模拟结果吻合较好。 l i h u al v 3 8 】等对三维正交机织复合材料进行横向冲击损伤和能量吸收的实 验分析和有限元数值模拟，并对载荷一位移曲线，冲击变形和损伤进行对比，结 果表明，实验和数值模拟的结果吻合较好。 1 4 课题研究背景和意义 三维机织复合材料中z 向纤维束的加入，改善了传统层合复合材料厚度方向 力学性能低的弱点，充分利用三维机织技术的可设计性，结合复合材料液态成型 技术( 模压法或树脂传递模塑法) 可以整体成型结构一功能一体化的净尺寸复杂 6 第一章绪论 复合材料构件，进而，实现以重量效益替代金属或以承载结构变形整体性的优势 替代层合复合材料【3 9 】。三维机织复合材料可以实现异型制件的近净尺寸成型、 不需要后续加工，保证了纤维束增强骨架的连续性和整体性，同时，由于 u h m w p e 纤维的低密度、高模量、高韧性，以及乙烯基酯树脂密度低、抗冲击 和耐开裂性能好的特点【4 0 】，u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料具有较高的吸 能特性，适合应用于航空航天、武器装备和个人防护等抗冲击领域。 当u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料在航空、航天、国防和民用等领域 使用时，经常会遇到如弹道冲击、冲击波、爆炸冲击等动态载荷的作用，这种载 荷以短历时为其特征，以毫秒( m s ) 、微秒( i t s ) 甚至纳秒( n s ) 量级计的短暂时间 尺度上发生运动参量的显著变化，这就必定同时意味着高加载率或高应变率，这 时就必须考虑材料及其结构的惯性效应和应变率效应。惯性效应决定了不能用传 统的固体静力学理论来分析材料及其结构对于冲击载荷的响应，而需要采用应力 波理论；应变率效应则要求在研究材料及其结构的力学响应时必须考虑应变率的 影响 4 1 4 2 】。并且，由于u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料的抗冲击性能和能 量吸收性能优越，用作抗冲击的材料时，其横向抗压性能是很重要的指标， u h m w p e 纤维增强材料的织造及其复合材料的机加工都有一定的困难，关于 u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料的动态压缩力学性能的研究还没有文献 报道。本课题采用s h p b 对u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料进行动态压缩 力学性能的研究，研究其厚度方向上动态压缩下的失效模式，并初步分析其动态 吸能特性，为u h m w p e 乙烯基酯三维机织复合材料动载荷下应用提供基础数据， 基于实验的分析结果可直接用于复合材料动态力学性能的优化设计。 1 5 课题主要内容 在国内外大量研究工作的基础上，课题的研究重点是：一、u h m w p e 乙烯基 酯三维机织复合材料进行室温条件下动态力学性能实验研究；二、对u h m l 】i p e 乙 烯基酯三维机织复合材料在动态下的破坏模式进行研究；三、分析u h m w p e 乙烯 基酯三维机织复合材料的吸能特性及机理。 具体内容如下； ( 1 )设计并制作u h m w p e 乙烯基酯三维机织( 正交三向、经纬双向增强 2 5 d ) 复合材料，优选机加工方案制备试样； ( 2 ) 安装调试分离式霍普金森压杆动态测试系统，分析有效信号、修正并 获取实验数据； ( 3 ) 对u h m w p e 乙烯基酯三维机织( 正交三向、经纬双向增强2 5 d ) 复合 7 第一章绪论 ( 4 ) ( 5 ) 材料进行了应变率范围为1 0 1 0 3 s 叫的压缩实验研究，处理分析实 验数据，得到不同应变率下材料的应力一应变关系和吸能特性，分析 纤维束交织结构对三维机织复合材料动态压缩力学性能的影响； 对u h m l | p e 乙烯基酯三维机织复合材料压缩后的试样进行光学显微 镜观测分析，研究不同应变率下的破坏模式； 基于分离式霍普金森压杆动态测试系统，计算了u h m w p e 乙烯基酯三 维机织复合材料的动态吸能特性，分析吸能机理。 8 第二章分离式霍普金森压杆( s h p b ) 实验技术 第二章分离式霍普金森压杆( s h p b ) 实验技术 2 1中应变率测试技术 由于材料服役环境的复杂性，材料变形的应变率范围很广( 1 0 - 9 _ 1 0 7 s j ) ，因 此对工程设计人员来说在结构设计时必须掌握在各种应变率范围内的力学特性。 这就要求研究人员通过实验提供不同应变率下的材料性能数据。通常，当应变率 在1 0 - i 1 0 0 s 。1 的范围时，一般不考虑材料的惯性效应，只是要求加载过程快速而 平稳，尽量避免惯性引起的振荡。一般采用落重试验机或凸轮塑性计【4 3 1 。 图2 - 1 落重试验机示意图图2 - 2 凸轮塑性计示意图 图2 1 是落重试验机的工作原理，压缩试样放置在试验机的砧座上，压头连 接在上部可以上下移动的活塞上，利用液体压力使活塞保持升起状态。减小液体 压力时，活塞将被释放，带动压头向下加速运动并对试样加载，使其产生压缩变 形。 图2 。2 是凸轮塑性计的工作原理，试样一端放置在一根弹性杆上，另一端与 调整垫板相接触，当凸轮以一定速度旋转时，凸轮随动器被推入凸轮与调整垫板 之间，由于凸轮的曲率半径是渐变的，凸轮转动将逐渐压紧随动器，从而对试样 加载，通过合理设计凸轮的外轮廓可实现对试样的常应变率加载，而应变率则可 以通过凸轮的转速来调整，其应变率范围可以从0 1 s d 到1 0 0 s 。 q 第二章分离式霍普金森压杆( s h p b ) 实验技术 由于落重试验机和凸轮塑性计所能测量的材料的应变率范围较窄，并且属于 中低应交率范围( 0 1 s t 到l o o s d ) 。并且落重试验机无法测量试样的应变率；凸 轮塑性计只能通过凸轮曲率半径的变化才可以计算出试样的应变，这就使得试样 的应变的变化需要变化凸轮曲率才行，限制了凸轮塑性计的使用。因此在测量材 料在高应变率下的力学性能时使用最广泛的就是分离式霍普金森压杆( s p l i t h o p k i n s o np r e s s u r eb a b 简称s h p b ) 。这是由于 s h p b 可以采用一维应力波理论 来进行分析试样的动态力学性能，试样的尺寸小，可以按均匀体来处理数据， 不考虑材料的惯性效应； s h p b 应变率范围宽( 1 0 2 s 1 到1 0 4 s 。1 ) ，且结构简单便 于推广。 2 2s h p b 实验技术 2 2 1s h p b 的发展状况 在航空、航天、汽车、运输、包装及其它军事和民用领域中，工程材料可能 遇到如爆炸、高速碰撞这样的冲击加载情况。了解材料在冲击加载条件下的力学 响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计【4 4 j 。此外，数值模拟已在 工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材 料在各种应变率下( 尤其是在动态应变率下) 的精确应力一应变曲线基础上的本 构模型【4 5 1 。所以，获得一套材料在高应变率下的应力一应变曲线则成为首要任 务。尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是，与准静态实验相比，进行有 效并准确的高应变率下的动态实验依然是一个很大的挑战4 6 j 。因此，为得到有 效并准确的材料的应变率相关的应力一应变曲线，研制高效的、精确的高应变率 实验装置是非常重要的。 自1 9 4 9 年，k o l s k y 发明分离式霍普金森压杆( s h p b ) 以来，它己被普遍认 为是测试材料高应变率效应行之有效的实验工具。为了获得有效的、精确的实验 数据，关于霍普金森压杆技术有效性的讨论过去主要集中试样的尺寸效应，波在 杆中的二维弥散修正，实验过程中试样是否处于应力均匀状态以及试样是否以恒 应变率变形等问题上，1 9 6 3 年，d a v i e s 和h u n t e r 4 7 】讨论了试样的惯性效应， 并提出了试样最佳尺寸比；1 9 7 7 年，l i n d h o l m 【4 8 】建立了小直径的s h p b 系统以 获得更高应变率；1 9 8 0 年，g o t h a m1 4 州等发展了直接撞击h o p k i n s o n 杆。2 0 0 0 年后，在s h p b 上主要开展的研究有：压杆图谱集、高应变率实验技术、高温实验 技术、数值模拟平台、试样最佳尺寸分析、恒应变率实验技术、界面动力特征等， 并推广s h p b 的应用，开展了有效地研究，使s h p b 可以测试的材料的范围也越来 】0 第二章分离式霍普金森压杆( s h p b ) 实验技术 越广泛，例如金属【5 0 1 、陶型5 1 1 、岩石【5 2 1 、混凝土 5 3 1 、复合材料酬、聚合物酬和 泡沫材料【5 6 】等。 2 2 2 s h p b 实验原理 k o l s k y 发明的s h p b 实验系统，作为研究材料动态力学性能的主要实验装置 之一，采用应变片测得弹性压杆中的加载脉冲和输出杆中的透射脉冲，推算得到 夹在这两根杆中试样材料的动态本构关系，避开了冲击作用下直接测量试样中应 力和应变的困难。典型的s h p b 装置的实物图和测试原理示意图如图2 3 、2 4 所示，其中子弹( s t r i k e rb a r ) 、输入杆( i n c i d e n tb a r ) 、和输出杆( t r a n s m i t t e r b a r ) 均要求在弹性状态下且具有相同的直径和材质，即杆的弹性模量e ，波速 c o 和波阻抗p o c o 均相同( p o 为弹性杆的密度) 。实验时，试样夹在输入杆和输出杆 之间，压缩气炮驱动撞击杆以速度v 撞击输入杆，产生入射脉冲载荷；试样在该 入射脉冲的加载作用下高速变形，与此同时向输入杆传播反射脉冲和向输出杆传 播透射脉冲，脉冲信息由贴在压杆上的电阻应变仪一超动态应变仪一瞬态波形存储 器等组成的系统进行测量和记录，子弹速度由平行聚光光源一光电管一放大电路一 时间间隔仪等组成的测速系统测量。 图2 3 分离式霍普金森压杆( s h p b ) 装置照片 s h p b 实验技术建立在两个基本假定基础上：杆中一维应力波假定；试 样中的应力、应变沿其长度均匀分布假定。根据实验中压杆是弹性的和两个基本 的假定，可以由压杆上测