贴膜玻璃抗冲击实验分析

任 鹏,王利民,2,何 敏,张东焕

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院,山东 淄博 2550492.青岛理工大学理学院,山东 青岛 266033)

脆性材料在冲击条件下的力学响应和破坏行为十分复杂,是冲击动力学领域十分活跃的研究方向之一.与延性材料相比,脆性材料以其特有的性质在国防等领域得到应用.如玻璃、陶瓷及其复合材料,具有压缩强度高,密度低,耐高温等特点.一般情况下,脆性材料主要通过破碎裂纹来吸收能量[1].在冲击条件下研究该材料的力学行为和破坏机制具有重要的意义.进入21世纪以后,力学工作者在对玻璃制品的冲击实验数据的分析过程中,得到了玻璃材料特有的脆性变形和破坏特征.例如,徐松林,唐治平等通过对不同冲击角度K9玻璃的冲击破坏实验进行分析计算,得到了剪压联合冲击下失效波的作用机理,并分析了撞击面的动摩擦因数和相对滑移速度[2].姚国文,刘占芳对玻璃材料在高速冲击状态下的破坏波进行了分析,并对破坏波在玻璃材料中的传播机制、动态特征以及破坏层的性质进行了研究[3-4].童树庭,朱雷波等对夹层玻璃进行了实验分析,得出了夹层玻璃中PVB层和夹层玻璃的组合方式对玻璃抗冲击能力的影响[5-6],但对于通过对玻璃制品的加固而提高其抗冲击能力方面的研究尚处于起步阶段.本文利用薄膜的加固作用,以冲击实验数据为基础,分析了贴膜玻璃面板在冲击下的破坏特性,得到一些数据,为该方面问题进一步研究提供参考.

1 实验

1.1 实验设备

实验所用冲击装置如图1所示,通过移动滑动梁可以改变圆锤的落差及重力势能.由高速摄影仪可以拍摄到圆锤下落过程中通过某一个固定参考点的速度,从而得到圆锤在冲击玻璃的过程中的能量损失.实验用高速摄影仪的型号是TSHRCS,基本内存1GB,最高拍摄速度为16000幅/s.该系统主要由摄像头(CCD)、主机、监视器、无线遥控触发器和多通道数据采集器(MCDL)构成,由专用电缆与计算机连接,可以将所拍摄的数字照片直接存贮到计算机中.实验过程中调节摄影仪的镜头,使其处于和水平面平行的位置,镜头到地面的垂直高度即为拍摄到的圆锤下落点高度.

图1 实验装置示意图

1.2 实验制备和冲击实验

实验采用的玻璃是山东金晶玻璃厂生产的普通3.7mm厚平板玻璃原片.根据玻璃的用途不同,所贴的薄膜也不同.它们对玻璃的防护能力也各不相同.本实验用的薄膜分为两种,一种是普通窗膜,另一种是汽车玻璃保护膜.为使薄膜与玻璃粘合牢固需将玻璃表面处理干净,玻璃在粘贴薄膜过程先用洗涤剂清洗,再用丙酮擦拭,最后用清水冲洗干净,放在架子上干燥,最后进行贴膜.

根据冲击实验仪器对试件的要求,将试件的大小统一确定为长=716 mm,宽=520 mm.试件分为三组,第一组不贴膜,第二组粘贴普通窗膜,第三组粘贴汽车玻璃保护膜,其中普通窗膜的粘贴是通过其表面自带胶直接与经过清理的玻璃进行粘贴来达到的.汽车玻璃保护膜是通过在已清洗干净的玻璃表面喷洒少量清水,使薄膜表面自带胶与水作用粘贴到玻璃上.其中第一组试件制作7块,第二组试件制作8块,第三组试件制作6块.

1.3 实验

玻璃制品的强度能力测试,传统上由美国标准Underw riters Laboratories的测试方法 UL972规定[7].而贴膜玻璃的强度能力测试目前还没有统一的标准.本实验主要是研究玻璃与薄膜组合后玻璃抗冲击能力的改变,为该方面进一步的研究提供参考依据.实验前先调节圆锤的高度,使圆锤的重心到地面的垂直高度为一定值,并进行无玻璃试件下的圆锤无障碍自由落体测试,得到自由状态时圆锤通过参考点的速度,进而得到圆锤在没有能量损失时通过参考点的动能,这组测试的具体数据列入表1中.然后依次对预制的三组试件进行冲击实验,各组试件的详细数据分别列入表2、表3和表4中.

表1 圆锤无障碍空气中自由落体实验数据

表2 未贴膜玻璃试件的冲击实验数据

表3 粘贴普通窗膜的玻璃试件冲击实验数据

表4 粘贴汽车保护膜玻璃试件的冲击实验数据

2 实验结果讨论

2.1 未贴膜玻璃试件

未粘贴薄膜的玻璃原片试件的冲击耗能如表2所示.由表2可见,随着玻璃试件的安放位置发生了偏转,即冲击角度发生了变化,玻璃的冲击耗能也发生了一定的变化.总体而言,试件水平放置时的平均冲击耗能要大于相应试件倾斜15°放置时的平均冲击耗能.其中,水平状态时的第二个试件和第三个试件均与倾斜15°状态时的第二个试件的冲击耗能值相同.

2.2 贴膜玻璃试件

将实验所得数据根据不同类型试件在两种不同位置条件下的冲击耗能关系绘制成图2,由图2可见,粘贴了普通窗膜的玻璃试件,其平均冲击耗能要小于粘贴了汽车玻璃保护膜试件的平均冲击耗能.这是由于汽车玻璃保护膜的聚酯(PET)安全层具有较高的强度,同时在受到外来冲击的情况下,它能够产生较大的韧性变形,进行有效的缓冲,从而更多的消耗了冲击能量[6].而普通窗膜本身并不含聚酯层,同时普通窗膜的韧性较差,在受到冲击载荷时,不能产生较大的变形,因此消耗的冲击能量较少.

当试件处于倾斜15°的状态时,两种不同贴膜试件的平均冲击耗能对比趋势与试件处于水平状态时平均冲击耗能对比趋势基本相同.这说明,在对试件的安放位置进行小角度改变,粘贴普通窗膜试件和粘贴汽车玻璃保护膜试件的冲击性能关系基本相似.其中,由表3可见,试件水平放置时粘贴了普通薄膜的四个试件的冲击耗能和试件倾斜15°放置时粘贴普通窗膜的四个试件的冲击耗能相同.这说明,粘贴了普通窗膜的试件的冲击角度在进行了小角度改变时,对其整体冲击性能的影响是不大的.由表4也可以得到类似的结论.

从图2中可以明显的看到,当试件分别处于水平状态和倾斜15°状态时,未贴膜的玻璃原片,粘贴普通窗膜试件和粘贴汽车玻璃保护膜试件的单位平均冲击耗能分别为11.83 J/m-2,20.05 J/m-2,28.24 J/m-2,和11.42 J/m-2,20.05 J/m-2,27.95 J/m-2,粘贴普通薄膜试件的单位冲击耗能在两种不同冲击角度比玻璃原片的冲击耗能分别增加了69.5%和75.6%,而粘贴汽车玻璃保护膜试件的单位冲击耗能在两种不同冲击角度比玻璃原片的冲击耗能分别增加了138.7%和144.7%.显然粘贴了薄膜的玻璃试件的冲击耗能要大于玻璃原片的冲击耗能,这显现出贴膜对增强玻璃的抗冲击能力的影响.

图2 不同类型试件在两种不同位置条件下的冲击耗能

2.3 试件破坏形貌

试件在冲击过后会发生明显的损坏,当试件水平放置时,未贴膜的玻璃原片、粘贴了普通窗膜的试件和粘贴了汽车玻璃保护膜的试件的破坏形貌是有差别的,图3所示.未贴膜的玻璃原片破坏形貌如图3a,其总体成较规则的圆孔,圆孔直径分布在25 cm到30 cm之间,圆孔周边有3到5条近似均匀分布,呈辐射状的主裂缝,较少的微小裂纹,圆孔中的玻璃碎屑受冲击作用飞溅,试件呈明显的脆性破坏.粘贴普通窗膜的试件破坏形貌如图3b所示,其总体破坏现象和未贴膜的玻璃原片的破坏形貌相似,但在圆孔周围分布着一些短小的裂纹,并且在冲击的过程中,试件冲击圆孔中的玻璃碎屑基本未飞溅,而是形成较均匀的扇形粘贴在了被破坏的薄膜上,但薄膜出现了较大程度上的撕裂,致使破碎的玻璃虽未飞溅,但碎片却会随撕裂的薄膜进行较大的移动.这说明普通窗膜虽然能够起到防止破碎玻璃飞溅的作用,但作用有限.粘贴了汽车玻璃保护膜的试件在冲击之后的破坏形貌如图3c,试件受冲击部分形成两个直径范围分别为27cm到35cm和21cm到27cm的近似同心圆,这两个同心圆中的碎屑同时形成较均匀的扇形粘贴在了被破坏的薄膜上,而且在大圆的周边近似均匀分布15到20条呈辐射状的主裂缝,主裂缝附近布满短小裂纹,玻璃破碎均匀.薄膜基本没有出现被撕裂的现象,说明汽车玻璃保护膜不但能够增强玻璃的抗冲击能力,而且防止碎片飞溅的作用很明显.

图3 试件破坏形貌

3 结论

通过对贴膜玻璃的冲击实验比较,得出了以下的结论:

(1)贴膜能够有效的提高玻璃的抗冲击能力,试件在水平放置和倾斜15°放置时粘贴普通薄膜试件的单位冲击耗能比玻璃原片的冲击耗能分别增加了69.5%和75.6%,而粘贴汽车玻璃保护膜试件的单位冲击耗能比玻璃原片的冲击耗能分别增加了138.7%和144.7%.

(2)贴膜能够有效避免玻璃受冲击后玻璃碎片的飞溅,其中普通窗膜虽能防止玻璃碎片的飞溅但作用有限,而汽车玻璃安全膜的防飞溅能力非常明显.

(3)当贴膜玻璃的冲击角度发生小范围变化时,对其抗冲击能力影响不大.

[1]方维凤,余晓青.冲击载荷作用下平板玻璃穿孔机理[J].振动与冲击,2007,26(1):42-44.

[2]徐松林,唐治平,谢卿,等.压剪联合冲击下K9玻璃中的失效波[J].爆炸与冲击,2005,25(5):385-392.

[3]姚国文,刘占芳.高速冲击条件下玻璃材料的破坏分析[J].重庆大学学报,2001,24(5):67-69.

[4]刘占芳,姚国文,詹先义.高速冲击条件下玻璃中破坏波的损伤累计模拟[J].应用数学和力学,2001,22(9):983-987.

[5]童树庭,朱雷波,丁峰,等.实验室内热压成型夹层玻璃冲击强度分析[J].建筑材料学报,2004,7(4):468-471.

[6]童树庭,朱锦杰,朱雷波.高强度系列夹层玻璃的研制[J].玻璃与搪瓷,2006,34(2):37-40.

[7]ANSI/UL972-1996,Standard for Burglary Resisting Glazing M aterial[S].