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復(fù)合材料沖擊測試與分析方法討論
發(fā)布時間：2020-01-09 20:50:08 點擊率：
隨著輕量化概念的大范圍普及，越來越多的復(fù)合材料要取代金屬材料，成為主要結(jié)構(gòu)材料。那么，如何了解復(fù)合材料的耐沖擊性能呢?
1、低速沖擊的試驗方法
為了模擬材料在真實情況下所遭受的撞擊行為，研究者們提出了大量的實驗方法。根據(jù)撞擊真實情況的不同，一般將撞擊分為高速沖擊和低速沖擊。
高速沖擊又稱彈道沖擊，由于高速沖擊在航天及軍事領(lǐng)域受到顯著的關(guān)注，人們對于高速沖擊進行了大量的實驗研究。高速沖擊通常采用小質(zhì)量的拋射體在較高速度下撞擊材料，主要利用氣槍發(fā)射彈丸來研究復(fù)合材料高速沖擊行為，如圖1所示：
圖1 氣槍研究高速沖擊行為示意圖
低速沖擊試驗通常模擬大質(zhì)量物體在較低速度下撞擊材料表面，如修理過程中的工具意外掉落，通常使用落錘測試裝置進行實驗?zāi)M。
圖2 落錘測試裝置
研究結(jié)果表明拋射體的形狀、質(zhì)量和速度會對復(fù)合材料的破壞機理產(chǎn)生明顯的影響。例如，科研人員對錘頭形狀與復(fù)合材料沖擊行為的關(guān)系進行了大量研究，總體來說使用的錘頭越尖銳，材料沖擊破壞范圍越局部化，主要失效模式則由分層轉(zhuǎn)變?yōu)榛w破壞和纖維斷裂。
2、環(huán)境因素對低速沖擊性能的影響
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在長期使用過程中要經(jīng)歷復(fù)雜的環(huán)境作用，如高溫、低溫、濕熱、
熱循環(huán)等。研究表明在這些環(huán)境的作用下，復(fù)合材料的力學(xué)性能會產(chǎn)生顯著的變化?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)熱循環(huán)通常使復(fù)合材料的彎曲和橫向拉伸強度降低，并在基體中產(chǎn)生大量的微裂紋。
目前國內(nèi)外的研究者們主要使用環(huán)境預(yù)處理和環(huán)境模擬測試來研究環(huán)境作用的影響。所謂的環(huán)境預(yù)處理，就是將要測試的復(fù)合材料預(yù)先放入某種環(huán)境中進行處理，然后將處理后的材料在室溫狀態(tài)下進行低速沖擊測試。環(huán)境模擬測試就是將復(fù)合材料放入環(huán)境室內(nèi)的同時進行沖擊，通過這種方法來研究在不同服役環(huán)境下的構(gòu)件的沖擊性能。
圖3 環(huán)境室中的材料沖擊示意圖
3、材料性能對低速沖擊性能的影響
纖維被廣泛地作為增強體應(yīng)用于復(fù)合材料的生產(chǎn)中，同時纖維作為載荷的主要承擔者，它的性能更是對復(fù)合材料整體的耐沖擊能力具有很大的影響。在航空航天工業(yè)中使用的纖維主要有碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉纖維。由于碳纖維獨特的脆性，使碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的抗沖擊性能弱于玻璃纖維和凱夫拉纖維。
纖維增強樹脂基復(fù)合材料的基體在復(fù)合材料中起到極其重要的作用，無論是傳遞載荷還是保持纖維的取向或者是維持材料的整體性都離不開樹脂基體。研究結(jié)果表明，雖然熱固性樹脂的力學(xué)性能比熱塑性樹脂優(yōu)異，但由于熱固性樹脂的交聯(lián)網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)使其韌性較差，從而在沖擊載荷作用下更容易發(fā)生失效。
界面在復(fù)合材料中起到將載荷傳遞到纖維的作用，因此界面的性能將影響到復(fù)合材料的整體性能，纖維與基體間界面結(jié)合較差的復(fù)合材料將表現(xiàn)出較低的強度和剛度，而粘接過于牢固則會使材料變脆。
4、低速沖擊性能的分析研究方法
復(fù)合材料在經(jīng)過低速沖擊測試后，為了評價其低速沖擊性能，重建破壞過程，更好地理解低速沖擊下材料的失效機理，人們使用了圖像、計算機模擬、力學(xué)數(shù)據(jù)等多種分析方法。
常用的沖擊測試技術(shù)包括：目視測試、超聲波掃描、聲發(fā)射、X射線探傷等等。低速沖擊后復(fù)合材料表面用目視方法往往觀察不到發(fā)生損傷的現(xiàn)象但材料內(nèi)部卻出現(xiàn)了明顯的分層損傷。
為了有效地降低低速沖擊的實驗成本，縮短實驗時間，在工業(yè)上獲得更加廣泛的應(yīng)用，人們開始使用計算機模擬技術(shù)來預(yù)測材料的性能。研究者們使用有限元技術(shù)利用商業(yè)上較為成熟的軟件(
Abaqus，Ansys,LS-Dyna)等有效地預(yù)測了低速沖擊下復(fù)合材料層板破壞的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律。
圖4 低速沖擊下層合板不同時刻的損傷模擬結(jié)果
5、總結(jié)
雖然人們?yōu)榱四M材料實際服役過程中的低速沖擊現(xiàn)象采用了帶環(huán)境室的落錘模擬設(shè)備并對材料進行了預(yù)處理，但是在實際工作環(huán)境中復(fù)合材料構(gòu)件常常處于非常復(fù)雜的載荷狀態(tài)下，這種復(fù)雜的載荷主要來自于服役狀態(tài)下構(gòu)件承受的工作載荷、飛行過程中氣流的振動、起降過程中的震動、溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。隨著測試技術(shù)的進步，在低速沖擊測試的同時使材料處于某種載荷狀的作用下(拉伸、壓縮、拉-拉或拉-壓動態(tài)載荷)將是未來發(fā)展的方向。
為了更好地觀察材料沖擊損傷失效的過程，特別是裂紋、分層的萌生與擴展，可以在沖擊測試的同時通過加裝高速攝像裝置、動態(tài)C掃描裝置和X射線攝像裝置對材料進行原位動態(tài)觀察。通過壓電傳感器等設(shè)備記錄沖擊過程中材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)變化也是很有意義的。
來自：蒂森新材料
