人工制备冰雹的力学性能试验研究

张丽芬，葛鑫，刘振侠

西北工业大学 动力与能源学院，西安 710072

冰雹会严重损害飞机的机身结构、发动机、天线等，一旦飞机遭遇冰雹气候，与遭遇其他外来物[1]一样，会导致飞机机械损伤甚至发动机停车等后果，对飞机飞行安全造成严重威胁[2-3]。美国材料试验协会(ASTM)于1994年针对航空飞行器飞行材料冰雹撞击试验提出ASTM F320—1994标准[4]，2010年再次修订为ASTM F320—2010标准[5]。该标准目前不仅用于航空飞行器透明外壳冰雹撞击试验，还用于不同飞行状况下其他附件复合材料冰雹撞击损伤测试符合性验证[6]。

自然界中的冰雹一般由透明与不透明的冰层相间交替组成[7]。对于冰的结构和力学性能，国内外进行了大量研究，并取得了一定成果。在冰的结构方面，研究表明冰具有13种晶体结构和两种非晶结构，冰的结晶结构会根据冻结条件而变化，结晶结构对冰力学性能的影响是显著的，晶体相对较小、排列不规则的冰其性质近似各向同性[8-9]。在冰的力学性能方面，研究表明冰的3个重要特性是压缩强度、拉伸强度和断裂韧性，这些参数随着试验的应变率与温度的变化而变化[10-13]。张永康等[14]对不同温度下的冰柱做了准静态测试及动态测试，表明冰是一种对温度与应变率较为敏感的材料。Kim和Keune[15]进行了极高应变率下的冰弹撞击试验，并绘制了纯冰在不同应变率下的抗压强度图表。Carney等[16]进行了冰柱高速冲击压力传感器的试验，通过试验得到了冰的材料模型参数。任晓辉[17]从冰的基本力学行为研究入手，通过宏观、细观及微观3方面对冰的韧脆转变过程进行了研究。

上述研究只是针对纯冰开展，而ASTM F320—2010标准针对航空飞行器透明外壳冰雹撞击测试提出使用加入12%医用棉纤维的含棉冰雹作为测试冰雹，但ASTM在该标准中没有阐述棉纤维冰雹的力学特性[4-5]。针对该问题，国内外做了一定的研究。Swift[18]设计模具制作了直径为63.5 mm的5种不同棉含量的冰雹，在万能试验机上进行压缩，结果表明含棉量为15.6 g的冰雹比含棉量为8.0、4.0、2.0、0 g的最大加载力更高，并且冰雹失效所需要的能量更多。上海交通大学的徐曼等[19]制作了含棉量为0%、1.2%、1.8%、 2.4%、3.0%、6.0%、12.0%的含棉冰雹及冰柱，在万能试验机上进行不同加载速度的试验，结果表明6.0%含棉冰雹最大加载力比12.0% 的大，个别6.0%含棉冰柱的抗压强度比12.0%的高；同等含棉量的冰雹，随着加载速度提高，最大加载力有提高趋势。黄兴[20]制作了不同含棉量的冰柱，在不同加载速度下对冰柱进行了准静态压缩测试，结果表明提高加载速度可以提高冰柱的抗压强度。上述工作虽然对含棉冰雹开展了一定的研究，但只关注了加载速度及含棉量的影响。而含棉冰雹失效过程及含棉冰雹力学性能的关键影响因素对适航审定更具应用价值，需要进一步研究。因此需要开展针对冰雹失效及力学性能关键影响因素的研究。

结合ASTM F320—2010标准，采用模具法制备直径为25 mm的含棉冰雹。首先，通过高速摄影分析棉纤维冰雹的失效过程；之后，对添加不同类型棉纤维的冰雹力学性能进行分析；最后，对棉纤维含量3%、6%、12%、15%、20%冰雹的力学性能进行分析，对比棉纤维含量为3%、12%、20%冰雹的失效状态图，得到影响含棉冰雹力学性能的关键因素与含棉冰雹中棉纤维与冰的相互作用关系。

1 冰雹制备与试验过程

1.1 冰雹制备

ASTM F320—2010标准为美国材料试验协会针对航空与航天透明外壳撞击测试提出的，对撞击冰雹的尺寸、质量、填充物质量及冷冻温度所做的规定如表1[5]所示。以直径25 mm的人工制备冰雹为代表进行试验研究。表2为制备冰雹的工况，冰雹制备的冷冻温度及时间与ASTM F320—2010标准相同。

表1 ASTM标准冰雹参数[5]Table 1 Parameters of ASTM standard hail[5]

表2 人工制备冰雹工况Table 2 Test conditions of artificial hail

1.1.1 制雹材料及模具

试验所用原材料有蒸馏水和棉纤维。棉纤维一般可分为长绒棉、细绒棉及短绒棉。长绒棉大多产于国外，棉纤维长度在33 mm以上，棉纤维强度较高，一般为4～5 gf/根，弹性较好，断裂长度为33～40 km； 细绒棉是中国主要的棉纤维种类，棉纤维长度为23～33 mm，强度为3.0～4.5 gf/根，断裂长度为20～25 km；短绒棉是被逐渐淘汰的品种，强度弹性在三者中最低，纤维长度为13～22 mm，色泽泛黄[21-22]。上述棉纤维均是未脱脂的，因此表现出一定的疏水性。在试验中除了对比上述3种棉纤维外，还使用了医用脱脂棉，医用脱脂棉“由平均长度不小于10 mm的纤维组成”[23]。医用脱脂棉为亲水棉，其他棉纤维为疏水棉。图1为试验所用棉纤维试样。

试验冰雹样本使用模具法制作，模具采用两种材料加工而成，上半模具由聚碳酸酯(PC)加工制成，下半模具由表面喷涂特氟龙的不锈钢制成。如图2所示：上下两半模具用螺栓连接，上半模具顶部开有注水孔；两半模导热能力不同，不锈钢导热能力比PC好，这样可使由于结冰体积变大而导致多余的水排出，模具排水孔处不会先冻结而使其堵塞，同时，冰雹不会被太过压缩导致应力释放产生裂缝。

图1 棉纤维试样Fig.1 Cotton fiber samples

图2 人工制备冰雹模具Fig.2 Mould of artificial hail

1.1.2 制雹流程

使用高精度天平称量棉纤维的质量。试验采用梅特勒-托利多公司的XPE206DR电子天平(图3)，最小称量值为10 mg，最大称量为220 g，可读性为0.01 mg。

将称好的棉纤维均匀撕开，放入模具中，特别注意的是，使用疏水棉对冰雹填充时，由于棉的疏水性，棉纤维会漂浮在水的上方，因此先使用亲水棉包裹疏水棉，将亲水棉与疏水棉混合放入模具中，然后向模具中注入蒸馏水，将注水后的模具放入水中浸泡5 min，消除模具空腔中的气泡。之后将模具取出，表面擦干放入事先调好温度的恒温箱，冷冻24 h后取出模具，放于常温空气中15～20 min 使冰雹表面与模具脱离，打开模具取出冰雹，选取表面无裂缝且没有明显缺陷的冰雹，冰雹成品如图4所示。

图3 试验用天平Fig.3 Experimental balance

图4 人工制备含棉冰雹Fig.4 Artificial hail containing cotton

1.2 试验流程

试验采用WDW-20微机控制低温万能材料试验机，如图5所示，最大载重20 kN，荷重精度为±0.01%，测量精度在示值的±0.5%以内，位移分辨率0.000 1 mm，试验控速范围0.001～500 mm/min， 可分段控制，最大行程为1 200 mm。冰雹在空气中融化迅速，需要在冷环境下进行试验，因此两压杆之间装设低温箱。

图5 低温万能试验机Fig.5 Low temperature universal testing machine

试验开始前开启低温箱，箱内温度达到-10 ℃ 时将冰雹放入开始试验。根据应变率，设定加载速率，对样品进行匀速加载。应变率ε定义为

(1)

式中：Vhead为试验机机头轴向位移速率；D为冰雹直径。试验应变率为0.16/s。试验机压头下降，对冰雹施加轴向压力。加载至设定位移点，加载自动停止，自动保存数据。

在试验过程中采用高速摄影机记录冰雹破碎的瞬间，当冰雹出现较为明显的大裂缝时认为冰雹失效。摄影机品牌型号为i-SPEED716，帧速率为5 000 帧/s，分辨率为500像素×300像素。

2 试验结果与分析

2.1 冰雹破碎过程分析

以棉纤维含量为0%和12%两种工况为例，分析冰雹的破碎过程。

图6为棉纤维含量为0%时冰雹破碎的高速摄影照片，图7为棉纤维含量为0%时冰雹轴向位移-加载力曲线。从图6中看出冰雹被压缩后，首先出现一条贯穿冰雹的大裂纹，之后冰雹破碎成两半。裂纹出现的瞬间，冰雹加载力达到峰值，随后加载力骤降，冰雹破碎。可以看出，当棉纤维含量为0%(即不含棉纤维)时，人工制备冰雹表现出脆性性质。从图7可以看出，压缩冰雹直至碎裂的过程可分为两个阶段：第1阶段为线弹性阶段A～B，该阶段冰雹处于吸收能量的阶段；第2阶段为破碎阶段B～C，这个阶段冰雹吸收能量达到极限，出现破碎。整体过程表现出与完全脆性球体相似的力学性能。

图6 25 mm棉纤维含量0%人工制备冰雹破碎过程Fig.6 Breaking process of 25 mm artificial hail containing 0% cotton

图7 棉纤维含量0%人工制备冰雹 轴向位移-加载力曲线Fig.7 Axial displacement-loading force curve of artificial hail containing 0% cotton

图8为棉纤维含量12%的冰雹破碎过程，图9 和图10为棉纤维含量12%冰雹位移-加载力曲线和估算的抗压强度。从图8～图10可以看出，含棉冰雹的压缩过程可分为3个阶段：

图8 25 mm棉纤维含量12%人工制备冰雹破碎过程Fig.8 Breaking process of 25 mm artificial hail containing 12% cotton

第1阶段为A～B段(图9)，该阶段压缩曲线斜率较高，是含棉冰雹的线性增长阶段，这个阶段含棉冰雹在较短的位移内加载力快速上升，含棉冰雹无明显变形及裂纹，从图10看出该阶段结束时，即B点位置，估算的抗压强度达到了最大值。

第2阶段为B～E段(图9)，曲线斜率下降，表现出类似材料的屈服现象，抗压强度迅速降低。从高速摄影图(图8)可以看出该阶段在B点冰雹开始出现细小裂纹，随着位移的增长，在C点裂纹逐渐增多，D点处裂纹逐渐发展，直至E点形成从底部到顶部的贯穿纵向裂纹；位移进一步增加，出现很多横向裂纹，横纵向裂纹交织，冰雹表面形成碎裂的冰片，但由于棉纤维的连接作用，冰雹并没有破裂，在位移不断增加的过程中，棉纤维内部的空隙也不断地减小。

最后一个阶段为E～F段，棉纤维的缝隙逐渐被压实，加载力随着位移的增大快速增大。

图9 棉纤维含量12%人工制备冰雹 轴向位移-加载力曲线Fig.9 Displacement-loading force curve of artificial hail containing 12% cotton

图10 估算的25 mm棉纤维含量12% 人工制备冰雹抗压强度Fig.10 Estimated compressive strength of 25 mm artificial hail containing 12% cotton

由以上分析可以看出，不含棉纤维和含棉纤维冰雹的破碎过程是完全不同的。由于棉纤维的连接作用，含棉纤维冰雹破碎时的加载力与不含棉纤维冰雹相比显著上升。

2.2 棉纤维种类对冰雹性能影响

由2.1节知，棉纤维的连接作用在冰雹碎裂过程中起关键作用，但棉纤维本身力学性能是否对冰雹的抗压强度有影响不得而知。因此比较了短绒棉、细绒棉和长绒棉对冰雹性能的影响，结果如图11所示。可以看出3种不同棉纤维制成的冰雹轴向位移-加载力曲线趋势是一致的，从线性增长阶段到屈服阶段，加载力按照长绒棉、细绒棉、短绒棉的顺序依次略有减小。

图11 不同棉纤维人工制备冰雹力学性能Fig.11 Mechanical properties of artificial hail containing different cotton

在对比了加载力的变化后，对冰雹的抗压强度进行了估算。观察含棉冰雹压缩状态，可以看出含棉冰雹与夹板间的接触面积随着轴向位移的增大而增大，接触面积可近似采用式(2)计算：

(2)

式中：S为接触面积；a为冰雹半径；x为轴向位移，则估算的抗压强度可用式(3)表达：

(3)

式中：δc为估算的抗压强度；F为加载力。

从图11(d)估算的最大抗压强度对比也可以看出，长绒棉的略大于细绒棉的，细绒棉的略大于短绒棉的。这是因为短绒棉弹性较差，纤维长度较短，因此短绒棉制备的冰雹强度也较差。上述结果表明，在含棉冰雹中，棉纤维的弹性、强度对棉纤维冰雹的力学性能影响是明显的。

2.3 棉纤维含量对冰雹性能影响

研究不同棉纤维含量对冰雹力学性能的影响时，采用的棉纤维均为医用脱脂棉，共5种不同棉纤维含量(3%、6%、12%、15%、20%)。由图12可以看出，在棉纤维含量为3%～15%时，随着棉纤维含量的增加，冰雹线性增长阶段和屈服阶段的加载力都在不断增大；但当棉纤维含量增加至20%时，其加载力与棉纤维含量15%的差别不大。这是因为人工冰雹强度虽然受棉纤维含量的影响，但同时冰的强度也会影响冰雹的力学性能。图13为棉纤维含量3%、12%、20%的冰雹完全碎裂后的状态。可以看出，附着在棉纤维含量3%冰雹棉纤维上的冰晶数量多，颗粒大；相反地，附着在棉纤维含量20%冰雹棉纤维上的冰晶颗粒很小，且少。因此可以看出，当棉纤维含量不同时，形成的冰的结构和强度也不同。棉纤维含量低时，水占据的体积比较大，因此冰的量比较多，强度较大，碎裂时形成的颗粒也较大；棉纤维含量高时，水占据的体积比较小，冰量小，因此形成的冰比较松散，强度也较低，碎裂时颗粒比较细。可以看出，冰的强度对冰雹力学性能的影响是不能忽略的。由2.1节可知，棉纤维连接作用对冰雹力学性能的影响是显著的。因此，棉纤维含量与附着在棉纤维上冰的含量是影响冰雹力学性能的两个关键因素。当棉纤维含量达到15%时，水所占据的体积已经很小，冰的存在对冰雹力学性能影响已经比较小，因此继续增加棉纤维含量冰雹力学性能变化非常小。

图12 不同棉纤维含量人工制备冰雹的位移-加载力曲线Fig.12 Displacement-loading force curves of artificial hail with different cotton contents

图13 不同棉纤维含量人工制备冰雹的压缩状态对比Fig.13 Comparison of compression states of artificial hail with different cotton contents

2.4 棉纤维的疏水性对冰雹性能的影响

为了保证可比性，保持冰雹的棉纤维含量都为12.0%，分别采用2.3%疏水棉(即细绒棉)和9.7%亲水棉(即医用脱脂棉)、4.0%疏水棉和8.0% 亲水棉、12.0%亲水棉制备冰雹。图14(a)为位移-加载力曲线，图14(b)为抗压强度曲线。可以看出，相同的位移下，加入疏水棉的冰雹加载力明显降低，并且疏水棉越多，加载力越小；同样地，加入疏水棉的冰雹抗压强度也明显降低，疏水棉越多，抗压强度也越低。这是因为水无法直接吸附在疏水棉纤维表面，棉纤维上的冰含量减少；并且疏水棉和水之间的空气不能排出，因此导致含疏水棉的冰雹加载力和抗压强度都下降。

图14 棉纤维疏水性对人工制备 冰雹力学性能的影响Fig.14 Influence of hydrophobicity of cotton fiber on mechanical properties of artificial hail

3 结 论

1) 设计了一种可以快速、便捷、高效地制备冰雹的模具与制雹方法，为适航符合性验证提供了一种选择。

2) 在准静态压缩条件下，含棉冰雹的失效过程可分为3个阶段：线性增长阶段、屈服阶段和破碎阶段。其中，最大抗压强度出现在线性增长阶段的末端。

3) 添加棉纤维对冰雹力学性能的影响是显著的，并且棉纤维弹性、强度越高，冰雹破碎所需要的加载力越大。

4) 棉纤维含量与附着在棉纤维上冰的含量是影响冰雹力学性能的两个关键因素；在棉纤维含量低于15%时，棉纤维含量起关键作用，棉纤维含量上升，冰雹破碎时的加载力上升；在棉纤维含量高于15%后，棉纤维含量继续增加，冰雹破碎时的加载力变化不明显。

5) 亲水棉制成的冰雹破碎时的加载力明显高于疏水棉制成的冰雹。含有疏水棉的冰雹破碎时加载力降低，并且疏水棉纤维含量越高，破碎时加载力降低得越多。

6) 本文试验数据为准静态测量数据，可为适航符合性验证中的定性分析及趋势性判断提供参考。

致 谢

感谢贺梦奇在试验前期付出的努力；感谢王欢在高速摄影中提供的帮助。

[21] 梁志会, 医用脱脂棉长度分析[J]. 标准·检验, 2012(11): 64-65.

LIANG Z H. An analysis of the fiber length for medical cotton[J]. Standard & Inspection, 2012(11): 64-65 (in Chinese).