纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料低速沖擊研究進(jìn)展

董慧民，安學(xué)鋒,2，益小蘇,2，閆 麗,2，蘇正濤，包建文,2

(1 北京航空材料研究院，北京 100095；2 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

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纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料低速沖擊研究進(jìn)展

董慧民1，安學(xué)鋒1,2，益小蘇1,2，閆 麗1,2，蘇正濤1，包建文1,2

(1 北京航空材料研究院，北京 100095；2 中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京 101300)

綜述了連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的低速沖擊響應(yīng)研究進(jìn)展。討論了測試方法及相關(guān)影響參數(shù)，例如沖頭的形狀、沖擊速率對復(fù)合材料沖擊的影響；介紹了沖擊損傷的類型，進(jìn)一步描述了層壓板結(jié)構(gòu)參數(shù)(如層合板厚度，鋪層和縫紉)、復(fù)合材料組分材料性能(如纖維，樹脂和纖維/樹脂界面)以及預(yù)應(yīng)力、環(huán)境條件等的影響；提出了纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料沖擊響應(yīng)研究今后的發(fā)展方向。

復(fù)合材料；纖維增強(qiáng)聚合物；沖擊損傷；動態(tài)沖擊；失效模式

近年來，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于比強(qiáng)度高、比剛度大、可設(shè)計性強(qiáng)、抗疲勞性能好、能量吸收能力高、阻尼性能優(yōu)越，已經(jīng)被廣泛地使用于汽車、航空、航天等領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料在飛機(jī)主承力構(gòu)件上的大量應(yīng)用，復(fù)合材料的損傷容限和耐久性設(shè)計問題越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。

眾所周知，層壓板是復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中最基本的結(jié)構(gòu)元件，如加筋板、加層板等蒙皮類典型構(gòu)件都是在層壓板基礎(chǔ)上制造出來的。傳統(tǒng)的復(fù)合材料層壓板是通過將預(yù)浸料按照一定的鋪層角度進(jìn)行鋪疊，然后在高溫和高壓下固化成型。這種結(jié)構(gòu)中熱固性基體樹脂起著黏結(jié)和傳遞載荷的作用，由于各鋪層之間沒有纖維增強(qiáng)，因而沿厚度方向及鋪層之間的強(qiáng)度比較低，對橫向載荷特別是低速沖擊載荷非常敏感，容易產(chǎn)生層間裂紋，進(jìn)而分層，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)損傷和破壞。通常聚合物基復(fù)合材料的幾何不連續(xù)處，如自由邊、變厚度區(qū)域和孔邊易產(chǎn)生高的層間應(yīng)力以及服役過程中因冰雹、飛機(jī)跑道上飛起的碎石或維修人員不慎跌落的工具及粗暴踩踏等都可能會造成分層損傷；而這類損傷往往表面痕跡很小，目視勉強(qiáng)可檢(BVID)，但是在繼續(xù)使用中，會繼續(xù)擴(kuò)展，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生很大范圍的損傷。復(fù)合材料受低能量沖擊后，對壓縮載荷和層間剪切載荷的阻抗作用都非常弱，特別是含沖擊損傷復(fù)合材料層壓板的靜壓縮剩余強(qiáng)度一般只有未損傷材料的40%左右[2]，同時靜壓縮剩余強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于靜拉伸剩余強(qiáng)度[3,4]?？梢?，沖擊損傷導(dǎo)致層壓板復(fù)合材料的性能得不到充分發(fā)揮，對飛機(jī)的飛行安全造成極大威脅[5]。

復(fù)合材料中常見的損傷包括整體變形、基體塑性變形、基體破碎、分層、纖維拔出及纖維斷裂等。這些損傷模式，特別是層間分層，在復(fù)合材料的裂紋發(fā)展和能量吸收中起到了重要作用。

1 沖擊實(shí)驗描述

通常，金屬材料由于其塑性本質(zhì)而無須重點(diǎn)考慮沖擊損傷的威脅；在加載過程中，金屬材料經(jīng)歷塑性屈服，隨之又發(fā)生應(yīng)變硬化，以恒定的速率發(fā)生較大的應(yīng)變；這個過程會吸收大量能量。但是纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料受到?jīng)_擊時，由于其本征脆性，僅能夠通過彈性變形(而非塑性變形)來吸收能量，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生廣泛的微觀結(jié)構(gòu)損傷，其中包含裸眼可視的沖擊損傷；大多數(shù)復(fù)合材料層合板的層間強(qiáng)度較低，受到?jīng)_擊后產(chǎn)生高的層間應(yīng)力(剪切和拉伸作用)會進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)分層，這會顯著降低結(jié)構(gòu)耐久性。沖擊的損傷模式及損傷程度受到很多參數(shù)的影響[6]，例如沖頭的形狀、質(zhì)量、沖擊速率和纖維基體類型、界面、纖維體積分?jǐn)?shù)、鋪層數(shù)量、鋪層次序、鋪層角度、層壓板的幾何形狀以及邊界條件甚至固定試樣的鎖緊力等。

1.1 沖擊速率

根據(jù)沖擊速率大小，材料的沖擊一般可以分類為低速沖擊(low velocity impact)、中速沖擊(intermediate velocity impact)、高速沖擊(high velocity impact)、超高速沖擊(hyper velocity impact)[7]，如圖1所示。

圖1 層合板的沖擊響應(yīng)類型 (a)高速沖擊； (b)中速沖擊；(c)低速沖擊[10]Fig.1 Impact response type of laminate (a)high velocity impact; (b)intermediate velocity impact;(c)low velocity impact[10]

1)低速沖擊，也被命名為大質(zhì)量沖擊。通常由工具墜落所致。Sjoblom 等[8]和Shivakumar 等[9]定義低速沖擊發(fā)生的速率范圍為1～10m/s，具體值取決于受沖材料的剛度、組分性能和沖頭質(zhì)量、剛度等。低速沖擊中材料結(jié)構(gòu)發(fā)生了整體運(yùn)動，由于沖擊接觸持續(xù)時間足夠長，結(jié)構(gòu)整體可以對沖擊作出響應(yīng)，從而吸收更多的彈性能量。

2)中速沖擊。如二次爆炸殘骸、公路上飛行的物體殘骸。中速沖擊的速率范圍為10～50m/s，其兼具低速和高速沖擊的特征。

3)高速沖擊。通常為小型武器交火或者爆炸性彈頭碎片。結(jié)構(gòu)對高速沖擊的響應(yīng)受到沿著材料厚度方向傳播的沖擊應(yīng)力波控制；這個過程中應(yīng)力波傳播速率很快，結(jié)構(gòu)不足以對應(yīng)力波產(chǎn)生動態(tài)響應(yīng)，因而僅產(chǎn)生了局部損傷。高速沖擊中結(jié)構(gòu)的邊界效應(yīng)可以忽略，這是由于應(yīng)力波達(dá)到邊界處前沖擊事件已經(jīng)結(jié)束。高度沖擊的速率范圍為50～1000m/s。

4)超高速沖擊。速率大于2～5km/s，如近地軌道中，空間碎片(space debris)或軌道碎片(orbital debris)對航天器的沖擊[10，11]。

當(dāng)損傷是人們首要關(guān)心的內(nèi)容時，Joshi和Sun建議根據(jù)損傷類型來對沖擊進(jìn)行分類[12]。因此低速沖擊的特征主要為分層和基體裂紋，而高速沖擊的特征主要為穿透導(dǎo)致的纖維斷裂。

Robinson和Davies將低速沖擊定義為一類應(yīng)力波沒有對結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布產(chǎn)生任何顯著作用的沖擊，并給出了簡單的模型以描述從低速沖擊向高速沖擊的轉(zhuǎn)變[13,14]。他們認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力波通過復(fù)合材料層壓板時，沖頭下方的圓柱體區(qū)域?qū)a(chǎn)生均勻的壓縮應(yīng)變(εc)[13]：

(1)

式中：Vi為沖頭沖擊速率；Vs為材料中聲音的速率。

對于失效應(yīng)變介于0.5%～1%之間的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料體系，利用該方程可以得出：當(dāng)沖擊速率為10～20m/s時，應(yīng)力波開始影響結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布。

1.2 沖擊測試儀器

從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的積木式驗證方法角度，目前對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊實(shí)驗的研究還大量集中于層壓板；這種實(shí)驗件體積較小且容易獲得，結(jié)構(gòu)最常見。為了模擬外來物體對復(fù)合材料層壓板造成實(shí)際沖擊的情況，許多研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并建議了一些測試步驟。沖頭初始動能是人們首要考慮的一個重要參數(shù)，然而即便沖頭初始沖擊動能相同，低速沖擊對大質(zhì)量復(fù)合材料層壓板產(chǎn)生的損傷程度也可能與高速沖擊對小質(zhì)量層壓板造成的不同。

通常，實(shí)驗研究的目的是試圖以一種可控的方式來還原實(shí)際應(yīng)用條件。因此，對于飛機(jī)起飛或著陸時從跑道上卷起的石頭、螺釘、輪胎碎片等情況，沖頭常常需要模擬小質(zhì)量高速率的物體，此時空氣炮是最佳的選擇。Yaghoubi 等[15]和Sevkat 等[16]采用由壓縮空氣控制的沖擊設(shè)備來進(jìn)行沖擊實(shí)驗，圖2中Sevkat 等[16]利用高速氣槍進(jìn)行了S2玻纖/IM7石墨纖維混雜平紋織物增強(qiáng)SC-79增韌樹脂基復(fù)合材料梁的彈道沖擊實(shí)驗，實(shí)驗速率最高可達(dá)442m/s。

圖2 彈道沖擊測試用高速氣槍[16]Fig.2 High-speed gas guns for ballistic impact tests[16]

另外需要關(guān)心的內(nèi)容是大質(zhì)量物體對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低速沖擊，常見為生產(chǎn)或維護(hù)用工具的掉落，叉車、卡車和工作平臺這一類維護(hù)設(shè)施的撞擊和維修人員無意中產(chǎn)生的粗暴踩踏等。這種情況可以使用落錘沖擊試驗機(jī)來進(jìn)行模擬。這種測試裝置是目前國內(nèi)外使用最廣泛的一類沖擊試驗機(jī)，又叫塔式?jīng)_擊裝置，見圖3[17]。它得以廣泛使用不僅僅是由于其原理簡單、成本相對較低、技術(shù)發(fā)展最成熟，更重要的是落重式?jīng)_擊可以較好地模擬航空用復(fù)合材料常見的低速沖擊。

圖3 落錘沖擊測試裝置[17]Fig.3 Drop weight impact test setup [17]

除了使用沖頭下落路徑為直線的落重式?jīng)_擊設(shè)備外，還有一類模擬低速沖擊的擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)，被稱之為Charpy沖擊試驗機(jī)。Charpy試驗機(jī)在沖擊過程中，擺錘和連接擺錘的旋轉(zhuǎn)臂做圓周運(yùn)動，擺動到最低點(diǎn)時就會沖擊實(shí)驗件；通過表盤可以讀出材料在測試過程中吸收的能量。Pegoretti 等[18]使用Charpy沖擊試驗機(jī)研究了環(huán)氧/碳纖維層壓板的層間斷裂韌性和沖擊能量之間的關(guān)系；他們根據(jù)沖擊結(jié)果定義柔性指數(shù)為損傷擴(kuò)展能量與起始損傷能量的比值，數(shù)據(jù)表明隨著柔性指數(shù)增大，層間斷裂韌性顯著降低。

2 沖擊損傷類型

復(fù)合材料層壓板沖擊損傷的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在損傷的敏感性、隱蔽性、危害性以及損傷機(jī)理的復(fù)雜性。復(fù)合材料層壓板的沖擊是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，應(yīng)力波在材料中不同方向的傳播速率有差異，沿纖維方向的應(yīng)力傳播要比垂直纖維方向快。由于復(fù)合材料具有各向異性，缺陷或損傷存在多層次、多模式、彼此間相互作用且缺乏規(guī)律性等特點(diǎn)[19]，這給研究沖擊損傷問題帶來了許多困難。

分層是復(fù)合材料最主要的結(jié)構(gòu)損傷，會導(dǎo)致材料整體剛度和強(qiáng)度顯著降低。為了控制沖擊造成的分層，了解損傷行為是必不可少的。低速沖擊損傷大體表現(xiàn)出兩個基本特征：一是沖擊位置下面小的局部凹坑區(qū)域，主要為基體裂紋和纖維斷裂；二是凹坑周圍區(qū)域，主要為基體裂紋和分層[20]。分層是材料彎曲導(dǎo)致的橫向剪切應(yīng)力作用的結(jié)果；而基體裂紋是軸向應(yīng)力作用的結(jié)果。如果人們考慮簡支梁的彎曲，最終軸向應(yīng)力在梁的上部呈壓縮狀態(tài)，而在下部呈拉伸狀態(tài)，最大橫向剪切應(yīng)力朝向梁的中央[21]。

準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料層壓板受到低速沖擊將經(jīng)歷類似于三點(diǎn)彎曲梁的應(yīng)力狀態(tài)，但更加復(fù)雜[4]。這將產(chǎn)生如圖4所示的典型損傷，表現(xiàn)為在中央面出現(xiàn)最大的分層和剪切誘導(dǎo)裂紋，而在復(fù)合材料背面產(chǎn)生彎曲誘導(dǎo)基體裂紋[19]。

圖4 受低速沖擊纖維增強(qiáng)復(fù)合材料典型損傷示意圖[4]Fig.4 Illustration of typical damage within an FRP composite subjected to low velocity impact[4]

2.1 基體損傷

基體損傷是受橫向低速沖擊復(fù)合材料層壓板產(chǎn)生的初始失效模式，常常表現(xiàn)為基體裂紋及纖維和基體之間的脫粘?；w裂紋是由于纖維和基體間彎曲剛度不匹配所致。在單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，基體裂紋平行于纖維方向，存在于鋪層面內(nèi)[22]。實(shí)驗中觀察到的基體裂紋有兩種類型：剪切裂紋和拉伸(彎曲)裂紋。剪切裂紋[22]是材料內(nèi)高的橫向剪切應(yīng)力作用而形成，其與鋪層表面成一定角度(傾斜角度約為45°)；橫向剪切應(yīng)力的大小與接觸力和接觸面積相關(guān)。圖4中底部層出現(xiàn)的特征是垂直于鋪層表面的裂紋為拉伸(彎曲)裂紋，這是由于面內(nèi)法向應(yīng)力超過了鋪層的橫向拉伸應(yīng)力所致。

復(fù)合材料層壓板的彎曲應(yīng)力與彎曲變形密切相關(guān)[23]。Cantwell 等[24]強(qiáng)調(diào)沖擊試樣的整體結(jié)構(gòu)決定了基體裂紋的類型：長而薄的試樣，受到?jīng)_擊將發(fā)生過度的橫向彎曲變形，在位置較低的鋪層內(nèi)產(chǎn)生彎曲裂紋；而短而厚的試樣，剛性更大，在沖頭下的鋪層中，形成了橫向剪切裂紋。

通常認(rèn)為[25,26]，復(fù)合材料層壓板受到?jīng)_擊時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷演變是由遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)的拉伸(彎曲)裂紋與接近沖擊點(diǎn)邊界的剪切裂紋共同作用的結(jié)果。

2.2 分層

分層，即相鄰鋪層間的脫粘，表現(xiàn)為鋪層間富樹脂區(qū)域的開裂。由于分層顯著降低了復(fù)合材料層壓板的壓縮強(qiáng)度，因而其在所有沖擊損傷類型中人們最為關(guān)心。分層是相鄰鋪層間彎曲剛度不匹配而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力作用的結(jié)果。實(shí)驗研究表明分層僅能發(fā)生在方向不同的鋪層界面處；如果兩個相鄰鋪層具有相同的纖維方向，那么在它們的界面處將不能產(chǎn)生分層[27]。

分層損傷的形狀一般為橢圓形或者花生形，分層損傷的主軸與界面下方鋪層纖維方向一致；這在圖5中作出了說明。必須注意的是分層形狀相當(dāng)不規(guī)則，這給分層損傷方向的確定帶來了困難。滲透劑增強(qiáng)X射線圖形技術(shù)可以在一定程度上展示分層和基質(zhì)損傷[28]，但是無法提供結(jié)構(gòu)損傷的三維信息；另外一種方法是超聲C掃描技術(shù)，它可以提供沿著層合板厚度方向損傷的投影疊加，特別是新近發(fā)展的B掃描技術(shù)可以顯示出沖擊損傷的準(zhǔn)三維圖片[29]。紅外熱波法和聲發(fā)射檢測技術(shù)也被用來進(jìn)行沖擊損傷的檢測[30]。

圖5 分層增長方向示意圖[4]Fig.5 Illustration of the delamination growth direction[4]

Liu和Malvern[17]定義了相鄰鋪層間的彎曲不匹配系數(shù)，該系數(shù)包含彎曲剛度項，并成功預(yù)測了0°/90°鋪層的花生形損傷。Hong和Liu[31]使用3M公司的薄玻璃纖維/石墨纖維預(yù)浸帶，分別制備了兩種鋪層類型的層壓板；一種是[0°5/θ5/0°5]，另外一種是[θ3/0°3/θ3]，θ等于0，15，30，45，60，90°。結(jié)果表明相鄰鋪層間的角度差越大，那么其彎曲剛度不匹配系數(shù)越大，界面處的分層損傷面積也越大；同時他們還研究了鋪層次序和層壓板厚度對分層損傷的影響，結(jié)果顯示鋪層次序和層壓板厚度也是影響分層損傷的重要因素。

分層損傷尺寸常常定義為超聲C掃描中獲得的損傷面積。沖擊起始動能對分層面積的影響研究表明[32]，在達(dá)到小的閾值能量后，隨著動能的增大，分層損傷尺寸線性增大。但分層的閾值很難從實(shí)驗角度確定，這是由于從一個試樣到另外一個存在實(shí)驗的離散性，因而需要多次測試才能確定起始分層所需的初始動能閾值水平。

Dorey 等[33-35]也在該領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，結(jié)果表明分層損傷最可能發(fā)生在層間剪切強(qiáng)度低、跨距短和厚度大(不超過6mm)的復(fù)合材料層壓板中。他提供了復(fù)合材料發(fā)生分層損傷時所吸收能量(E)的簡單表達(dá)式：

(2)

式中：τ為層間剪切強(qiáng)度(ILSS)；w為跨距；L為未支撐試樣長度；Ef為彎曲模量；t為厚度。

受到?jīng)_擊的復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生許多基體裂紋，其分布形式復(fù)雜而難以預(yù)測；事實(shí)上也沒有必要作這樣的預(yù)測，因為基體裂紋不會顯著地降低層壓板剩余壓縮強(qiáng)度。但是，基體裂紋可能引發(fā)隨后的結(jié)構(gòu)損傷，如分層。對于厚的層壓板，局部高的接觸應(yīng)力將在受沖物體的第一層引入了基體裂紋；損傷從頂部向底部擴(kuò)展，導(dǎo)致松樹型損傷模式，見圖6(a)。對于薄的層壓板，沖擊將導(dǎo)致層壓板背部產(chǎn)生高的彎曲應(yīng)力，結(jié)果在受沖物體最低層引入基體彎曲裂紋，隨后損傷從底部向頂部擴(kuò)展，導(dǎo)致了反松樹型損傷模式，見圖6(b)。

圖6 復(fù)合材料典型損傷模式示意圖 (a)松樹型；(b)反松樹型[27]Fig.6 Illustration of typical damage patterns within a composite (a)pine tree;(b)reversed pine tree[27]

2.3 基體裂紋與起始分層間的相互作用

當(dāng)沖擊能量達(dá)到分層閾值能量后，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中將產(chǎn)生分層。Choi 等[36]的研究探討了基體裂紋和分層之間的關(guān)系，結(jié)果表明分層一般并不會精確地發(fā)生在某一確定界面區(qū)域，而是可能隨機(jī)發(fā)生在任何一個地方。Joshi和Sun[37]研究了0°/90°/0°鋪層中分層與基體裂紋的關(guān)系；他們得出，當(dāng)相鄰鋪層界面上方的剪切裂紋到達(dá)了下方鋪層時，由于鋪層纖維方向的改變，裂紋將被阻止，從能量耗散的觀點(diǎn)，隨后該裂紋需要在鋪層界面處繼續(xù)擴(kuò)展以消耗剩余能量，這種損傷形式稱之為分層。Garg[38]提出基體裂紋引發(fā)分層是由于界面處層間法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果，有研究[28,39-41]表明在張開模式(I型)下，彎曲裂紋誘導(dǎo)產(chǎn)生了分層，還有研究則認(rèn)為在純面內(nèi)剪切模式(II型)[27]或者面內(nèi)和面外剪切混合模式(III型)下[39]剪切裂紋誘導(dǎo)產(chǎn)生了分層。Hojo和Kageyama 等[42,43]發(fā)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在I型和II型模式下表現(xiàn)出的分層阻抗作用是不同的。

Chang 等[44]利用三維有限元分析模擬了基體裂紋相鄰區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。他們也認(rèn)為，分層的引發(fā)是基體裂紋I型擴(kuò)展的結(jié)果，具體是由結(jié)構(gòu)中基體裂紋誘導(dǎo)產(chǎn)生的面外法向應(yīng)力和沿著界面高的層間剪切應(yīng)力作用所致。

彎曲裂紋和剪切裂紋都能夠引發(fā)分層，但是剪切裂紋誘導(dǎo)的分層是不穩(wěn)定的，而彎曲裂紋誘導(dǎo)的分層則以一種穩(wěn)定的方式而擴(kuò)展，其范圍與施加載荷成正比例[34]。

2.4 纖維斷裂

纖維斷裂發(fā)生所需的能量遠(yuǎn)高于基體裂紋和分層。纖維斷裂，倘若出現(xiàn)在沖頭下方，則是局部高的拉伸應(yīng)力和凹坑效應(yīng)(主要受剪切應(yīng)力控制)作用的結(jié)果；倘若出現(xiàn)在非沖擊面(沖擊背面)，則是高彎曲應(yīng)力作用的結(jié)果。纖維斷裂通常是災(zāi)難性穿透發(fā)生的預(yù)兆。復(fù)合材料層合板背部彎曲導(dǎo)致纖維斷裂所需的能量(E)，可以使用Dorey[34]給出的方程來描述：

(3)

式中：σ為彎曲強(qiáng)度；w為寬度；L為未支撐試樣長度；t為試樣厚度；Ef為彎曲模量。

當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中所用纖維的斷裂應(yīng)變較低時，那么低沖擊能量下產(chǎn)生的分層損傷將會減少，這是由于纖維斷裂會吸收一部分沖擊能量。

2.5 穿透

穿透表現(xiàn)為沖頭完全穿過復(fù)合材料，是材料的宏觀失效模式[45]。Cantwell和Morton[24]研究表明對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，隨著試樣厚度的增加，沖擊穿透所需的能量快速增大。El-Habak[46]研究了玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的穿透現(xiàn)象，結(jié)果表明玻璃纖維的表面處理在決定穿透載荷值方面起了關(guān)鍵作用，而基體對穿透載荷有較小影響。Dorey[34]提供了非常簡單的模式以分析穿透現(xiàn)象，給出的穿透吸收能量(E)方程為：

E=π·γ·t·D

(4)

式中：γ為纖維斷裂能量；D為沖頭直徑；t為板材厚度。

3 影響沖擊損傷的參數(shù)

研究人員已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究以理解各種參數(shù)對沖擊損傷的影響，通常將參數(shù)分為兩類：一類是沖頭的特征參數(shù)，另外一類是受沖材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)。沖頭的特征參數(shù)包括沖頭質(zhì)量、形狀、剛度和入射角等。通常，受沖材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如復(fù)合材料的組分性能影響結(jié)構(gòu)的總體剛度和接觸剛度，因此對結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響；組分性能包括基體、纖維和纖維/基體的界面性能等，它們控制著沖擊損傷的引發(fā)和擴(kuò)展。同時復(fù)合材料層壓板的厚度、尺寸、鋪層、縫紉等也影響著沖擊損傷；最后其他參數(shù)包括預(yù)加載和環(huán)境條件等也應(yīng)該給予重視[47]。

3.1 沖頭特征

沖頭形狀和質(zhì)量在沖擊損傷的演變中扮演著重要角色。在過去的研究中，使用最普遍的沖頭形狀為半球形。然而，生產(chǎn)或維護(hù)期間掉落的工具可能并不常常具有半球形外觀，因此，一些研究者還研究了其他形狀的沖頭，比如末端平頭和錐形頭[48]。

復(fù)合材料層壓板的沖擊后剩余強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度)受到了沖擊損傷面積和損傷擴(kuò)展機(jī)理的影響[49-52]。不同形狀及尺寸的沖頭會導(dǎo)致復(fù)合材料層壓板中產(chǎn)生不同的損傷機(jī)理和損傷面積，材料的剩余強(qiáng)度也將相應(yīng)改變。因此，研究不同的沖頭形狀及尺寸對復(fù)合材料層壓板的損傷阻抗和損傷容限的影響是非常重要的。

圖7 三種不同外形鐵質(zhì)沖頭 (a)半球形；(b)尖頂；(c)圓錐形[48]Fig.7 Three steel nose shapes of impactor (a)hemispherical tup;(b)ogival tup;(c)conical tup[48]

Mitrevski 等[48]分別使用半球形、尖頂和圓錐形沖頭沖擊碳纖維/環(huán)氧層壓板，所有沖頭直徑均為12mm,外形如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)，受圓錐形沖頭作用的試樣吸收能量最多，產(chǎn)生的穿透深度最大；鈍化半球形沖頭產(chǎn)生的峰值載荷最大，持續(xù)接觸時間最短；半球形沖頭作用層壓板中損傷發(fā)展所需的載荷最大，其次為尖頭與錐形沖頭。

Kondo 等[53]分別使用半球形、圓錐形、平坦形和金字塔形的沖頭在不同的沖擊能量下(1.0～10.5J/mm)對T800S/3900-2B復(fù)合材料層壓板進(jìn)行動態(tài)沖擊測試。所用沖頭的外觀見圖8。研究表明，即使沖擊能量相同，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板的沖擊響應(yīng)(接觸力和持續(xù)時間)、分層損傷的形狀和尺寸也依賴于沖頭的形狀。具有鋒利尖端的沖頭(如圓錐和金字塔形)導(dǎo)致了低的峰值載荷、大的分層面積和低的沖擊后壓縮強(qiáng)度(Compression Strength After Impact, CAI)，而平坦和半球形沖頭則給出了高的峰值載荷、小的沿厚度損傷累積和高的CAI強(qiáng)度。

圖8 不同沖頭總覽[53]Fig.8 Overview of impactors[53]

Wakayama 等[54]研究了半徑依次為3，10，20mm的半球形沖頭對長纖維纏繞碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明隨著沖頭半徑增大，復(fù)合材料失效模式從纖維斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱訐p傷，所有試樣的沖擊后壓縮強(qiáng)度都增大。

3.2 層壓板結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料層壓板的剛度依賴于層壓板厚度、鋪層、尺寸及材料性能，此外，邊界條件對沖擊損傷也有較大的影響。

3.2.1 層壓板厚度

Yang和Cantwell研究了玻纖增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料層壓板的低速沖擊起始損傷，考慮因素包括層合板的厚度(t)、尺寸、沖頭直徑和測試溫度等[55]。結(jié)果表明起始損傷閾值載荷(Pcrit)隨著t3/2而變化。對于給定厚度，在所研究的層壓板幾何外形范圍內(nèi)，Pcrit與層壓板的尺寸無關(guān)；同時發(fā)現(xiàn)測試溫度升高后，Pcrit同樣遵循t3/2的變化規(guī)律。此外，隨著沖頭直徑的增大，Pcrit穩(wěn)定增大。

Datta 等研究了沖擊能量和層壓板厚度對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料低速沖擊損傷容限的影響[56]。對于恒定厚度，隨著沖擊能量增大，起始損傷對應(yīng)的閾值載荷降低；對于恒定的沖擊能量，隨著層壓板厚度增大，起始損傷對應(yīng)的閾值載荷也增大。同時，他們還定義了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中“損傷機(jī)理”發(fā)生轉(zhuǎn)變對應(yīng)的臨界厚度tcrit，低于該臨界厚度值，損傷機(jī)理受彈性彎曲控制，而高于該臨界厚度值，則損傷機(jī)理受接觸變形控制。

3.2.2 纖維編織

研究表明，碳纖維二維編織體增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板初始損傷對應(yīng)的沖擊能量門檻值與單向鋪層板(非編織層壓板)相當(dāng)，此時結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的損傷也極為相似[57]。在相同能量下，二維編織層壓板的沖擊損傷面積相比于單向鋪層板要小得多。二維編織層壓板的損傷模式主要為層間分層，只在靠近背面的個別鋪層內(nèi)會有少量纖維拉伸斷裂，不會出現(xiàn)纖維劈裂等損傷模式。與非編織板類似，二維編織層壓板結(jié)構(gòu)中距離沖擊面越遠(yuǎn)，那么在界面發(fā)生的分層面積也越大，但是分層面積的變化不像非編織板那么劇烈。

Baucom 等[58]研究了增強(qiáng)體幾何外形對編織復(fù)合材料層壓板在重復(fù)沖擊下?lián)p傷擴(kuò)展的影響。復(fù)合材料增強(qiáng)體系分別包含2D平紋織物，雙軸經(jīng)編增強(qiáng)織物和3D正交機(jī)織物。結(jié)果表明2D平紋織物增強(qiáng)層壓板中損傷擴(kuò)展半徑最小，而3D正交機(jī)織物增強(qiáng)復(fù)合材料最大。3D復(fù)合材料具有最佳的穿透阻抗能力，相比于其他體系耗散了更多的能量。

3.2.3 層壓板鋪層順序

鋪層順序?qū)訅喊宓臎_擊損傷具有非常重要的作用[49]。通常認(rèn)為纖維方向相同的鋪層間是不會發(fā)生分層的。對于厚度相同但是內(nèi)部鋪層方向不同的層壓板，相鄰鋪層角度差越大，那么沖擊后層壓板的分層面積也將越大。增加單個鋪層的厚度也將導(dǎo)致分層面積增大。同時，材料經(jīng)向和緯向模量差越大，那么鋪層間的彎曲剛度不匹配性也越高，同時也增大了分層。然而，起始損傷依賴于基體和纖維/基體界面，對鋪層具有非常小或者幾乎沒有依賴性。

溫衛(wèi)東等[59]研究了不同的鋪層順序?qū)300/BMP-316復(fù)合材料層壓板沖擊損傷的影響。結(jié)果表明鋪層順序?qū)_擊損傷投影面積影響不大，但對層壓板的沖擊損傷形狀有影響。

Hitchen 等[51]研究了鋪層順序?qū)μ祭w維/環(huán)氧復(fù)合材料沖擊損傷的影響。研究發(fā)現(xiàn)，層壓板的主要損傷模式是分層，且在每個鋪層界面幾乎都發(fā)生了分層。鋪層順序影響起始分層吸收的能量、層壓板沖擊前(后)的壓縮強(qiáng)度及沖擊損傷區(qū)域。沖擊后壓縮強(qiáng)度取決于最大分層面積，隨著分層面積的增大而減小。

3.2.4 縫紉

為了阻止或減少復(fù)合材料層壓板的分層損傷，研究人員發(fā)展了縫紉技術(shù)；這種技術(shù)被應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料的自由邊緣處以改善層間性能，提高材料的面內(nèi)拉伸強(qiáng)度[60]。隨著工藝的改進(jìn)，低成本縫紉技術(shù)被認(rèn)為是改善復(fù)合材料抗層間開裂性能較有前景的方法[61]。通常使用的縫線材料有碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維等，其中以芳綸纖維應(yīng)用比較廣泛。

由于存在厚度方向的纖維約束，縫紉層壓板相比一般的二維層壓板具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)?？p紉增強(qiáng)了復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度，層間的損傷機(jī)理由二維層合板的剪切破壞變成拉伸破壞[62]。然而，并不是所有的縫紉方式都能帶來積極的效果，有時可能會適得其反，其中的關(guān)鍵因素是縫紉密度和縫紉方式。研究發(fā)現(xiàn)縫紉密度存在一個最優(yōu)范圍，如果超過這個范圍，不僅會降低層壓板的面內(nèi)力學(xué)性能，而且對層間剪切性能也會產(chǎn)生不利影響[62]。

Aymerich 等[63]研究對比了縫紉與未縫紉石墨纖維/環(huán)氧層壓板的低速沖擊性能，所用的兩個正交鋪層分別為[0°3/90°3]s和[0°/90°]3s。在鋪層為[0°3/90°3]s的縫紉與未縫紉層壓板中，起始損傷都表現(xiàn)為最底層0°鋪層的基體拉伸裂紋，接下來發(fā)生90°鋪層的基體剪切裂紋；縫紉層壓板表現(xiàn)出了更佳的損傷阻抗，分層面積也減小了，然而，材料的CAI性能卻并不理想。對于鋪層為[0°/90°]3s的縫紉與未縫紉層壓板中，沖擊起始損傷都為底部0°鋪層的基體拉伸裂紋，接下來為0°和90°鋪層的基體剪切裂紋，隨后在層壓板不同鋪層界面處引發(fā)了分層；這里縫紉并未顯著地改變總的層間損傷模式或纖維斷裂數(shù)量，但是影響了沖擊損傷沿著厚度方向的分布，表現(xiàn)為增大了層壓板下部鋪層的纖維斷裂，并在接近沖擊側(cè)的界面處形成了分層；高能量的沖擊下，縫紉層壓板吸收了更多的能量；在所研究的整個能量范圍內(nèi)，縫紉顯著改善了層壓板的CAI強(qiáng)度。

Tan 等[64]研究了縫紉密度和縫紉線寬度對層壓板低速沖擊損傷的影響。對損傷表面的研究表明，縫紉預(yù)制體既可以引發(fā)裂紋，又可以終止裂紋。在密集縫紉的層壓板中觀察到了更長的基體裂紋，而在適度縫紉的層壓板中則觀察到了孤立的基體裂紋。縫紉密度和縫紉線寬度沒有影響層壓板起始分層能量及損傷吸收總能量，但是影響了結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，如基體裂紋、分層、縫紉脫粘等損傷中各自消耗能量占總能量的比例。

3.3 復(fù)合材料組分性能

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能決定于組分材料的性能(基體樹脂的類型和數(shù)量、纖維分布和方向等)；此外，樹脂/纖維的界面也在載荷轉(zhuǎn)移機(jī)理中起了重要的作用。

3.3.1 纖維

纖維是復(fù)合材料中主要的載荷承受組分，它提供了復(fù)合材料大部分的強(qiáng)度和剛度。最常用的纖維是玻璃纖維、碳纖維和Kevlar纖維。碳纖維的強(qiáng)度和剛度最高，因而被廣泛地應(yīng)用在航空工業(yè)；然而，它也是最脆的，失效應(yīng)變僅為0.5%～2.4%。玻璃纖維的強(qiáng)度和剛度較低，但是失效應(yīng)變更高(約為3.2%[65])，且相比于碳纖維價格更低。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是應(yīng)用最廣泛的材料，其中E型和S型玻璃纖維由于最佳的成本性能比而應(yīng)用最廣。Kevlar纖維的力學(xué)性能介于碳纖維和玻璃纖維之間[66]。

3.3.2 纖維混雜

儲存在纖維中的彈性能量是評價復(fù)合材料損傷阻抗的重要參數(shù)之一[67]。該能量對應(yīng)于纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積，從該曲線中同時還可以得到纖維的模量和失效應(yīng)變。E-玻璃纖維吸收的彈性能要比碳纖維高約3倍，因而可以通過將高斷裂應(yīng)變的纖維與低斷裂應(yīng)變的碳纖維混雜使用，得到的材料吸收能量更強(qiáng)，能夠更加有效地改善復(fù)合材料的損傷阻抗和損傷容限。

大量科研工作者已經(jīng)研究了纖維混雜對高速沖擊行為的影響[68-70]。Hosur 等[71]研究了四種不同混雜層壓板的低速沖擊響應(yīng)。他們指出，相比于碳纖維/環(huán)氧層壓板，混雜復(fù)合材料的沖擊載荷承受能力得到顯著的改善，只是剛度略有下降。

熊杰等[72]研究了不同鋪層方式的芳香族聚酰胺纖維、高強(qiáng)聚乙烯醇纖維混雜織物與酚醛/PVB樹脂復(fù)合層壓板的準(zhǔn)靜態(tài)和抗沖擊侵徹性能。結(jié)果表明，在高強(qiáng)維綸織物中加入芳香族聚酰胺織物層后，層壓板的準(zhǔn)靜態(tài)剛度得到顯著改善。隨著芳綸混雜體積分?jǐn)?shù)的提高，復(fù)合材料層壓板的準(zhǔn)靜態(tài)侵徹阻抗、穿透能量將隨之增加。

Gustin 等[73]進(jìn)行了Kevlar/碳纖維混雜復(fù)合材料的低速沖擊研究。結(jié)果表明，相比于純粹的碳纖維增強(qiáng)體，當(dāng)混雜絲束表面為Kevlar纖維時，復(fù)合材料的能量吸收最大值和沖擊載荷最大值都提高了近10%。這是由于如果兩種纖維結(jié)合較緊密，可以把混雜界面視為一個整體，當(dāng)載荷作用于混雜相時，將從斷裂應(yīng)變較低的碳纖維傳遞到韌性更高的Kevlar纖維上，使復(fù)合材料的抗沖擊損傷阻抗顯著提高。

3.3.3 基體韌性

纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料中，通常所用的基體為熱固性樹脂(TS)，它具有保護(hù)纖維及連接/穩(wěn)定化纖維的作用。TS由于具有良好的濕熱性能，被大量使用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中；然而，TS本征脆性，對裂紋擴(kuò)展抵抗作用較弱。為了減小樹脂基復(fù)合材料的損傷，改善層間斷裂韌性，通常的方法為在熱固性樹脂中添加橡膠或者熱塑性顆粒[74]；這些添加材料在一定的條件下通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)相分離而在基體中形成共溶的均相韌化組織，或者形成一個分散的第二相，如形成互穿網(wǎng)絡(luò)或者相反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。這種復(fù)相結(jié)構(gòu)可以增大基體樹脂的斷裂應(yīng)變，增強(qiáng)斷裂韌性且沒有降低Tg，同時還保持了TS優(yōu)越的力學(xué)性能。但是將熱塑性樹脂混入TS中顯著地增大了混合物的黏度，且降低了耐溶劑性，使樹脂的工藝性能變差。再者，復(fù)合材料中纖維的存在阻礙了基體樹脂的塑性屈服，基體樹脂斷裂韌性的提高并不能完全轉(zhuǎn)化為樹脂基復(fù)合材料韌性的改善[75]。

相比于熱固性復(fù)合材料，熱塑性樹脂(例如，PEEK)基復(fù)合材料的斷裂韌性表現(xiàn)出數(shù)量級的增長。然而，熱塑性復(fù)合材料低的熱穩(wěn)定性和差的耐化學(xué)品性以及弱的纖維/基體界面阻礙了其在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用[76]。當(dāng)然，隨著材料工藝性能的改善、成本的降低以及使用經(jīng)驗的積累，熱塑性基復(fù)合材料體系將更加有競爭力。

通過對大量復(fù)合材料體系的實(shí)驗結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：

①復(fù)合材料沖擊損傷與樹脂韌性密切相關(guān)。Gottesman 等[77]使用不同基體樹脂制備了復(fù)合材料。結(jié)果表明，在相同的沖擊能量水平下，脆性環(huán)氧(3502)基復(fù)合材料中產(chǎn)生的損傷要遠(yuǎn)高于韌性基體(F155)復(fù)合材料和熱塑性基體(PEEK)復(fù)合材料。

②復(fù)合材料層壓板的CAI值很大程度上也由基體樹脂韌性決定[78,79]。研究表明復(fù)合材料的CAI值與基體樹脂的最大失效應(yīng)變及層間斷裂韌性呈正比關(guān)系[80]，尤其與II型層間斷裂韌性之間存在最佳的對應(yīng)關(guān)系[81]。纖維性能相似但基體樹脂不同的復(fù)合材料體系表現(xiàn)出了顯著不同的CAI值。

3.3.4 纖維/基體界面

纖維和基體之間的界面區(qū)域至關(guān)重要，它可以有效傳遞載荷。界面強(qiáng)度取決于纖維和基體，常見的改性方法包括樹脂基體改性法及纖維表面改性法，如氣(液)相氧化法，電化學(xué)氧化法，等離子體接枝法，表面涂層處理，γ射線輻照法等[81,82]。

Bader等[83]分別使用未經(jīng)處理(I型)及經(jīng)過處理(II型和III型)的三種單向碳纖維制備了環(huán)氧基復(fù)合材料，然后進(jìn)行了沖擊測試。結(jié)果表明，II型和III型碳纖維復(fù)合材料的纖維/樹脂界面最強(qiáng)，而I型復(fù)合材料的界面最弱。沖擊損傷阻抗與纖維的斷裂應(yīng)變能相關(guān)，而與纖維/樹脂的界面強(qiáng)度依賴程度較小。界面改性改變了結(jié)構(gòu)損傷擴(kuò)展的模式，在高界面強(qiáng)度下，復(fù)合材料以脆性方式失效，相對吸收較少的能量；在低界面強(qiáng)度下，復(fù)合材料中發(fā)生了多重分層，吸收的能量增大了約3倍，但同時發(fā)生了結(jié)構(gòu)的廣泛崩潰；在適中的界面強(qiáng)度下，復(fù)合材料產(chǎn)生了逐步的損傷，吸收的能量相對較高，且避免了結(jié)構(gòu)崩潰。

3.4 其他影響參數(shù)

3.4.1 預(yù)加載

服役中飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)往往面臨許多沖擊威脅，例如飛鳥、跑道碎石、冰雹和跌落工具的沖撞等，以及戰(zhàn)爭條件下射彈、彈片等的撞擊損傷；為了提高結(jié)構(gòu)的損傷容限，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，過去通常在靜態(tài)下通過撞擊實(shí)驗來確定撞擊極限(即造成損傷的撞擊)[84]。事實(shí)上，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)普遍存在應(yīng)力作用：這種預(yù)應(yīng)力既可以產(chǎn)生在制造/組裝過程中，也可以發(fā)生在服役過程中，如飛行期間飛機(jī)主翼的上表面主要受到面內(nèi)壓縮載荷作用，而下表面主要受到面內(nèi)拉伸載荷作用。這種預(yù)應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)具有顯著影響，往往導(dǎo)致不同的損傷機(jī)理。然而，還沒有太多關(guān)于預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)研究[85,86]。

Whittingham 等[85]對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料施加單軸或雙軸的面內(nèi)預(yù)應(yīng)力，然后分別使用兩種沖擊能量進(jìn)行實(shí)驗；施加的預(yù)應(yīng)力包括拉伸和壓縮預(yù)加載荷。結(jié)果表明，在低沖擊能量下，凹坑深度和峰值載荷與預(yù)應(yīng)力的類型無關(guān)。

Kursun等[86]研究了三種預(yù)加載荷對玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料層壓板動態(tài)沖擊響應(yīng)的影響；三種預(yù)加載荷分別為拉伸-拉伸載荷，拉伸-壓縮(剪切)載荷和壓縮-壓縮載荷。結(jié)果表明預(yù)加載增大了材料的剛度；隨著預(yù)加載增大，損傷水平?jīng)]有顯著改變。在壓縮-壓縮預(yù)加載下，臨界彎曲發(fā)生在8kN或者更高的水平上，損傷阻抗降低；在拉伸-拉伸預(yù)加載下，當(dāng)預(yù)加載增大時，復(fù)合材料層壓板的變形程度降低。

3.4.2 環(huán)境條件

由于復(fù)合材料大多數(shù)在戶外使用，因而不可避免地會受到環(huán)境條件的影響，如高溫、高濕、紫外線、臭氧、低氣壓、微生物等，這會導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生老化，從而引起使用性能的降低甚至失效。

復(fù)合材料環(huán)境實(shí)驗方法一般分為自然環(huán)境和實(shí)驗室環(huán)境兩大類。其中，實(shí)驗室環(huán)境實(shí)驗根據(jù)實(shí)際需求，在實(shí)驗室條件下控制溫度、濕度、光輻射、鹽霧、淋雨、微生物等環(huán)境因素，來模擬實(shí)際環(huán)境。實(shí)驗室環(huán)境實(shí)驗方法的優(yōu)點(diǎn)在于控制精確度較高，重現(xiàn)性好，實(shí)驗周期短；缺點(diǎn)在于可能與自然環(huán)境老化的機(jī)理不符。

自然環(huán)境實(shí)驗是根據(jù)復(fù)合材料或產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，選擇與實(shí)際使用環(huán)境相似的典型自然環(huán)境實(shí)驗站(點(diǎn))進(jìn)行暴露實(shí)驗。自然環(huán)境實(shí)驗的結(jié)果更加真實(shí)可靠，一般可用于考察復(fù)合材料(從材料級到產(chǎn)品級)制品在特定自然環(huán)境中的實(shí)際行為，為復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用和維護(hù)提供真實(shí)的依據(jù)，在考察復(fù)合材料工藝對特定自然環(huán)境的適應(yīng)性方面尤其有效。

程小全等[87]研究了三種不同環(huán)境條件對樹脂膜滲透成型工藝制備縫紉織物增強(qiáng)復(fù)合材料層壓板低速沖擊后壓縮性能的影響。結(jié)果表明，縫紉改變了含沖擊損傷層壓板的壓縮破壞機(jī)理，大幅度提高了層壓板在常溫干態(tài)下的CAI值，但是對高溫濕態(tài)下的CAI值影響不大。

潘文革等[88]研究了在室溫和濕熱條件下二維編織玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層壓板的沖擊后壓縮性能。結(jié)果表明，該體系復(fù)合材料吸濕嚴(yán)重，且吸濕后材料性能發(fā)生退化，退化程度與試件厚度有關(guān)。材料達(dá)到平衡吸濕后,室溫環(huán)境下的沖擊損傷阻抗能力有所下降，沖擊能量平均下降19.2%；在70℃，相對濕度85%環(huán)境下，CAI值平均下降54.3%。

Ibekwe 等[89]研究了單向玻璃纖維增強(qiáng)層壓板和正交層壓板梁的低速沖擊響應(yīng)。結(jié)果表明溫度對層壓板的低速沖擊響應(yīng)具有顯著影響；高溫下試樣沖擊損傷程度要小于低溫條件；隨著溫度降低，CAI值和彈性模量先增大后降低。

4 結(jié)束語

復(fù)合材料在制造、保養(yǎng)、正常操作等場合下易于遭受動態(tài)沖擊而產(chǎn)生各種損傷，例如基體裂紋、分層和纖維斷裂等。這類損傷往往表面痕跡較小，甚至觀測不到，但是在繼續(xù)使用中，不可見分層損失會繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)損傷和破壞，使得層壓板復(fù)合材料的性能得不到充分發(fā)揮。低速沖擊下復(fù)合材料的失效模式明顯依賴于纖維性能、樹脂性能、纖維/樹脂界面、鋪層、材料厚度、邊界條件、加載速率、沖頭特征(質(zhì)量、形狀、剛度)及預(yù)應(yīng)力、環(huán)境條件等。研究人員已經(jīng)對簡單外形正交層壓板的沖擊損傷進(jìn)行了廣泛的研究，但是對無規(guī)纖維/單向?qū)訅喊?、?fù)雜外形層壓板沖擊損傷及結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的研究還較少，因此今后需要重點(diǎn)關(guān)注這些領(lǐng)域。

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Progress in Research on Low Velocity Impact Properties of Fibre Reinforced Polymer Matrix Composite

DONG Hui-min1,AN Xue-feng1,2,YI Xiao-su1,2,YAN Li1,2,SU Zheng-tao1,BAO Jian-wen1,2

(1 Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China; 2 AVIC Composite Corporation Ltd.,Beijing 101300,China)

Research progress on the low velocity impact response of continuous fibre reinforced polymer matrix composites was reviewed. The effect of testing methods and the related affecting parameters, such as impactor shape and impact velocity on the impact to composite, was discussed. Major impact-induced damage modes were introduced. Furthermore, the influences of laminate structural parameters, like laminate thickness, layup and stitching, together with the properties of component,such as fibre, resin and fibre/resin interface, preload and environment on impact properties of composite were described. The development direction of future research was put forward on the impact response of fibre reinforced polymer matrix composite.

composite;fibre reinforced polymer;impact damage;dynamic impact;failure mode

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.05.015

TB332

A

1001-4381(2015)05-0089-12

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2010CB631104)

2014-09-17；

2015-03-05

益小蘇(1953-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事樹脂基復(fù)合材料方向研究工作，聯(lián)系地址：北京市81信箱3分箱(100095)，E-mail：xiaosu.yi@biam.ac.cn