整体中空夹层复合材料抗低速冲击性能的实验研究

周红涛(， )

1 前言

整体中空夹层复合材料，其增强体是一种由纤维连续织造呈空芯结构的整体中空织物，层与层之间由连续纤维芯柱相接而成，可以单独增强制成空芯连体结构轻质复合材料，见图1；也可以在空芯结构中填充某种功能轻体介质，制成结构/功能一体化的夹层结构复合材料。这种结构的复合材料有以下三大优点[1]：(1)面板和芯层一次成型，织造效率高；(2)克服了传统的夹层材料如蜂窝、泡沫夹层复合材料易分层、不耐冲击的弱点；(3)夹芯层空间可以为设置预埋件、监视探头、光纤、导线等提供空间，使其在交通、航海、建筑、航空以及管道等领域的应用前景广阔。但是由于该材料的上下面板薄[2、3]，其抵抗低速冲击的能力比较弱，在很大程度上限制了其在各个领域中的应用。因此，研究该材料的抗低速冲击性能具有重要的意义。

图1 整体中空夹层复合材料

本文利用自制落锤冲击装置，对整体中空夹层复合材料进行了低速冲击试验，研究该材料受外物冲击的动力学响应，估算和测量冲击载荷变化过程和结构整体响应，从该材料的抗冲击性能与芯材高度关系入手，对比分析不同芯材高度的冲击性能。利用加速度传感器记录了落锤冲击板过程中加速度随时间的变化曲线，通过数学处理得到了冲击载荷、冲击点位移和冲击过程中能量吸收随时间的变化曲线。

2 试验件的制备及实验方法

2.1 实验方案的设计

本文共设计了4 mm、6 mm、8 mm三种不同芯材高度的整体中空复合材料，对比分析了在冲击能量为8 J时，三种芯材高度的整体中空复合材料动力学响应，研究整体中空夹层复合材料抗冲击性能随芯材高度的变化规律。

2.2 试验件的制备

预制件：芯层厚度为4 mm、6 mm、8 mm，织物参数为：经密为15 ends/cm(其中地经10ends/cm，绒经5 ends/cm)，纬密为8 ends/cm。

树脂体系：树脂是WSR618环氧树脂(蓝星化工新材料股份有限公司无锡树脂厂)，聚酰胺651#(镇江丹宝树脂有限公司生产)，稀释剂是660(501)活性稀释剂。经过实验工艺调整[4]，最终确定的树脂配方如表1所示：

表1 树脂配方

成型工艺：采用手糊成型，制备落锤冲击试样标准件，并裁剪成100 mm×100 mm的试样件，误差为±1 mm。

3 实验结果与讨论

3.1 载荷-时间曲线和吸收能量-时间曲线

冲击过程中，经纬向损伤剖面图及载荷-时间曲线分别如图2、图3所示。

图2 芯材高度为8 mm受8 J能量冲击损伤截面图

图3 芯材高度为4 mm 6 mm 8 mm的整体中空夹层复合材料的低速冲击响应

由图3中载荷-时间曲线可以看出，三种不同芯材高度的该材料受冲击时，最大冲击载荷随着芯材高度的增加略微降低，而载荷-时间曲线的变化趋势基本一致，即冲击载荷在达到最大值之前迅速上升，而后迅速下降，接着载荷震荡上升后下降到零。结合芯材高度为8 mm的试件损伤图2发现，这是由于该材料本身的双层面板结构造成的，在冲击载荷达到峰值前，冲击点处发生弹性变形，冲击载荷迅速上升；在冲击载荷达到峰值时，上面板被撕裂造成冲击载荷急剧下降，此时冲击头下方的树脂被压碎，上面板呈现明显的损伤裂纹；随后，冲击头穿透上面板，压碎冲击头正下方的“8”字形芯材后，抵达下面板，由于“8”字形芯材和下面板对冲击头的阻力使得冲击载荷出现再次上升，随后发生卸载，冲击载荷趋近于0。

综合分析图3和图4发现，三种不同芯材高度的该材料受8J的能量冲击后，试件的上面板均被落锤冲击头冲破，并伴随有部分玻璃纤维芯材被破坏，样品的下面板有可见的不同程度的白斑。对比4 mm、6 mm和8 mm的损伤形貌发现，随着芯材高度的增加，上面板的损伤情况变得更加明显，而下面板出现的白斑变得越来越不明显。这主要是由于“8”字形芯材的形态不同，当芯材高度较小时，即芯材高度为4 mm时，“8”字形芯材结构中“8”字形的两个空隙在成型过程中填满树脂而贴合得比较紧密，使“8”字形芯材成为柱状，见图5(a)，当受到冲击载荷时，柱状芯材弹性形变量小，柱状芯材与上面板形成类似工字梁结构，所以，最大冲击载荷大，且上面板裂纹沿经向扩展，冲击载荷通过芯柱传递到下面板，造成下面板明显的损伤。随着芯材高度的增加，“8”字形芯材结构“8”的空隙逐渐分开，当芯材高度为8 mm时，“8”字形芯材由四根弯曲细杆组成。当受到冲击载荷作用时，四根弯曲杆组成的“8”字形芯材变形量大，在面板与“8”字形芯材结合处先发生破坏，接着是上面板被冲破，而后“8”字形芯材断裂破坏，致使最大冲击载荷也随着芯材高度的增加而略微降低且到达最大载荷的时间延迟，见图6。

图4 整体中空夹层复合材料承受冲击载荷时上下面板破坏形式

图5 芯材高度为4 mm 8 mm的整体中空夹层复合材料截面图

图6 不同芯材高度的整体中空夹层复合材料受冲击时达到最大载荷时的时间

3.2 初始损伤能、裂纹扩展能及韧性指数

复合材料在冲击试验中，可以得到典型的加载历程，如图7所示。其中载荷-时间曲线下包络的面积可以求得材料的冲击断裂能。根据冲击断裂能和冲击强度来判断材料抗冲击性能的好坏[6-7]。

图7 冲击实验中典型的加载历程

把载荷曲线分为两部分，即裂纹引发区(Initiation phase)和裂纹扩展区(Propagation phase)，把相应包络面积称为断裂引发能和裂纹扩展能。在断裂引发区，随着冲击载荷增加，材料的弹性应变能增加。在载荷达到极限冲击载荷以前，试样没有明显破坏，但微观上可能发生基体开裂及纤维——基体局部脱粘等。当载荷达到材料中微裂纹扩展多需的临界值(也就是载荷-时间曲线的峰值时)，试样失效。在冲击试验的能量-时间曲线上记录的总冲击能是断裂引发能Ei和裂纹扩展能Ep之和。如公式(1)所示

Et=ʃFdt=Ei+Ep

(1)

式中：Et是总冲击能；

Ei为断裂引发能；

Ep为裂纹扩展能。

高强度脆性材料起始能量大而扩展能量小，低强度韧性材料起始能量小而扩展能量大。这两种可能有共同的总冲击能Et，所以只了解总冲击能Et是不够的，还要考虑韧性指数DI，即裂纹扩展能Ep与断裂引发能Ei的比值。对于完全脆性材料，其DI值为零。DI值越大，表示材料的韧性越好。其公式(2)所示：

(2)

三种不同芯材高度的断裂引发能Ei、裂纹扩展能Ep如图8所示。芯材高度为4 mm的板材具有最高的断裂引发能和最低的裂纹扩展能，而芯材高度为8 mm的该板材具有最低的裂纹引发能和最高的裂纹扩展能，即断裂引发能随芯材高度的增加而下，裂纹扩展能随芯材高度的增加而上升，这主要是由“8”字形芯材随着高度的增加由柱状变为四根弯曲杆，它有效地阻止了冲击损伤的扩展。

图8 不同芯材高度的整体中空夹层复合材料的初始损伤能和损伤扩展能

4 结论

冲击损伤的整个过程经历的时间短，但是信息量丰富。要精确采集到整体中空夹层复合材料的冲击响应的整个过程，对采集装置的硬件和软件都有较高的要求。通过本文的研究发现：

(1)随着芯材高度的增加，整体中空夹层复合材料承受的最大冲击载荷略微下降，上表面易损伤即冲击损伤阀值则相应地减小。

(2)增加芯材的高度，使该材料的初始损伤更容易。然而，整体中空夹层复合材料的韧性指数却随着芯材高度的增加有增加的趋势。

实际应用中，应根据实际应用要求，合理设计整体中空夹层复合材料的高度使材料达到最佳状态，进而优化整个材料结构的性能。

[1] 周光明,钟志珊,张立泉，等.三维中空复合材料力学性能的实验研究[J]．南京航空航天大学学报,2007，39(1):11—15.

[2] Shyr Tien-Wei, Pan Yu-Hao．Low velocity impact responses of hollow core sandwich laminate and interplay hybrid laminate[J]．Composite Structures，2004，64(2)：189—198．

[3] A．S．Vaidya, U．K． Vaidya, N． Uddin．Impact response of three-dimensional multifunctional sandwich composite [J]. Materials Science and Engineering A，2008，(472)：52—58．

[4] 陈祥宝. 树脂基复合材料制造技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[5] 周红涛.钱坤,曹海建,李鸿顺．铝蒙皮整体中空夹层复合材料低速冲击的实验研究[J]．玻璃钢/复合材料，2009，(5):49—52.

[6] 宋焕成,张佐光编著.混杂纤维复合材料[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989.

[7] 周红涛.整体中空夹层复合材料侧压性能的研究[J].山东纺织科技，2011，52(1)：54—56.