兩種不同微結(jié)構(gòu)的高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)壓縮性能研究

陳軍紅，徐偉芳，謝若澤，張方舉，黃西成，胡文軍

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

兩種不同微結(jié)構(gòu)的高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)壓縮性能研究

陳軍紅，徐偉芳，謝若澤，張方舉，黃西成，胡文軍

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

為獲得高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)壓縮力學(xué)性能以及研究微結(jié)構(gòu)對該種材料力學(xué)性能影響，利用分離式霍普金森壓桿分別對兩種不同微結(jié)構(gòu)的高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料進行動態(tài)壓縮實驗。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同應(yīng)變率下，高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料強度高于高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料。此外，實驗結(jié)果還顯示微結(jié)構(gòu)對材料的失效模式有顯著影響，高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料顯現(xiàn)出一種劈裂的失效模式，而高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料卻發(fā)生剪切斷裂。進一步通過對其斷裂形貌分析指出，高硅氧玻璃纖維的排列方式?jīng)Q定復(fù)合材料的斷裂模式。

高硅氧纖維；復(fù)合材料；微結(jié)構(gòu)；動態(tài)壓縮；失效模式

0　引　言

高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料為一種由高硅氧纖維與酚醛樹脂基體組成的兩相材料。高硅氧纖維為一種特種玻璃纖維，這種纖維強度很低，但是它的耐高溫性能非常好，可以在900℃下長期使用，短時間可耐1200℃的高溫，是一種優(yōu)良的耐燒蝕和隔熱材料。酚醛樹脂具有質(zhì)量輕、成本低、成型工藝簡單、強度和模量高、防熱/隔熱性能良好的優(yōu)點。高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料集合了兩種材料的優(yōu)點，具有較低的密度和熱導(dǎo)率、優(yōu)良的吸熱能力、耐高溫以及熱穩(wěn)定性良好性能，已在國防、航空、航天等領(lǐng)域獲得應(yīng)用［1-2］，例如宇航器重新進入大氣防熱罩殼、火箭頭椎體、噴咀和排氣口、隔板等。

結(jié)構(gòu)件在使用和服役中不可避免地會經(jīng)歷高速撞擊等沖擊加載過程，為了評估結(jié)構(gòu)件在沖擊載荷作用下的安全性，對結(jié)構(gòu)件材料動態(tài)力學(xué)性能的研究十分必要。相比于準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能來說［3-6］，纖維增強聚合物復(fù)合材料的動態(tài)性能研究較少。Li和Lambros［7］利用霍普金森壓桿對碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料進行了動態(tài)壓縮實驗，獲得了該種材料動態(tài)壓縮下的應(yīng)力應(yīng)變，并且通過光學(xué)測量的方法獲得了該種材料變形過程中的溫升。Davies等［8］研究了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂三維編織復(fù)合材料在沖擊加載下引起的材料損傷和殘余強。Walter等［9］研究了在高應(yīng)變率沖擊加載下玻璃纖維/環(huán)氧樹脂三維編織復(fù)合材料的損傷模式。在國內(nèi)，蔣邦海和張若棋［10］利用霍普金森壓桿對碳纖維織物增強復(fù)合材料的各向異性力學(xué)性能進行了研究。李典森等［11］對不同編織角、不同纖維體積含量的碳/酚醛三維編織復(fù)合材料進行了沿編織方向的動態(tài)壓縮實驗。周凱等［12］針對玻璃纖維三維正交機織復(fù)合材料進行高應(yīng)變率下面外、面內(nèi)方向的壓縮試驗。袁秦魯?shù)龋?3］研究了動態(tài)載荷下C/C復(fù)合材料的動態(tài)破壞行為。

從現(xiàn)有的研究工作發(fā)現(xiàn)，針對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂和碳纖維/酚醛樹脂的研究較多，而對高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)力學(xué)性能的研究卻鮮有報道。此外，復(fù)合材料的性能強烈依賴于纖維的排列方式。微結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合材料可能呈現(xiàn)出完全不同的性能。在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中，不同部位需滿足不同的力學(xué)性能要求。因此，研究微結(jié)構(gòu)對高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)壓縮力學(xué)性能影響對于結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

本文針對兩種微結(jié)構(gòu)的高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料進行動態(tài)壓縮實驗。獲得了材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，對兩種材料的失效模式分別進行表征。并進一步分析微結(jié)構(gòu)對高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料失效模式影響。

1　實　驗

1.1實驗材料

實驗用的兩種材料分別為高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料和高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料。將切割好的兩種材料分別進行打磨拋光，用光學(xué)顯微鏡對其微結(jié)構(gòu)進行觀察。高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形貌如圖1所示。從圖中可以看出，高硅氧纖維沿著特定的方向呈規(guī)則的波浪形排布，纖維與纖維之間相互交織構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，酚醛樹脂基體填充在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空隙中。高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形貌如圖2所示，從圖中可以看出，高硅氧纖維沿著某一特定的方向排列，這是與高硅氧布復(fù)合材料是類似的。但與高硅氧布復(fù)合材料不同的是，高硅氧絲復(fù)合材料中，纖維的排布不是規(guī)則的，而是雜亂無章的，纖維與纖維之間并沒有形成規(guī)則的空間排布。

圖1　高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形貌

兩種復(fù)合材料均被切割成尺寸為φ18mm×9mm的試樣，典型的測試實驗樣品形貌如圖3所示。

1.2實驗裝置及原理

動態(tài)壓縮所用的實驗裝置為分離式霍普金森壓桿（SHPB），該實驗裝置的示意圖如圖4所示，主要由撞擊桿、入射桿、透射桿和緩沖吸收裝置組成。實驗時，由一定氣壓的壓縮空氣驅(qū)動撞擊桿以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿中產(chǎn)生一壓縮應(yīng)力波，應(yīng)力波在入射桿中向試樣傳播，當(dāng)應(yīng)力波到達試樣時對試樣進行加載，同時一部分應(yīng)力波反射回入射桿，另一部分應(yīng)力波透射進透射桿中。入射波、反射波、透射波通過粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片來記錄。通過一維應(yīng)力波理論，試樣中的應(yīng)力、應(yīng)變率以及應(yīng)變可以通過以下公式獲得：

圖2　高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形貌

圖3　典型的復(fù)合材料實驗樣品形貌

圖4　分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置示意圖

式中：σ、ε˙、ε——試樣動態(tài)壓縮應(yīng)力、應(yīng)變率以及應(yīng)變；

E、A0——波導(dǎo)桿彈性模量和橫截面面積；

C0——波導(dǎo)桿中彈性波波速；

As、L——試樣初始橫截面面積和長度；

εI、εT——測得的入射波和透射波信號。

傳統(tǒng)的霍普金森壓桿實驗技術(shù)采用撞擊桿直接撞擊入射桿的加載方式，入射波上升前沿歷時很短，對于低阻抗且脆性材料，在材料破壞時，試樣仍可能處于應(yīng)力不均勻狀態(tài)，不滿足霍普金森壓桿實驗技術(shù)試樣受力變形均勻的基本假定。并且采用撞擊桿直接撞擊入射桿的加載方式時，波頭上疊加了由直接碰撞引起的高頻分量，這對于實驗數(shù)據(jù)的處理帶來了一定的困難。因為實驗前，對高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料進行預(yù)實驗，發(fā)現(xiàn)其具有很低的失效應(yīng)變，顯現(xiàn)出一種脆性的變形特征。因此在實驗中，采用入射波整形技術(shù)來調(diào)整入射波波形。在入射桿的前端粘貼橡皮作為整形器，如圖4所示。入射波整形技術(shù)一方面能過濾掉加載波中由于直接碰撞引起的高頻分量，從而減小波傳播過程的彌散效應(yīng)［14］；另一方面使入射波上升沿變長，從而保證實驗時試樣中的應(yīng)力平衡和變形均勻。

為保證實驗結(jié)果的有效性，在特定的加載應(yīng)變率下，每種復(fù)合材料至少測試4～5個試樣。

2　實驗結(jié)果

2.1波形分析

典型的實驗入射波、反射波和透射波如圖5（a）所示，從圖中可以看出通過整形技術(shù)，入射波波頭上的高頻震蕩已經(jīng)被過濾掉，并且入射波上升沿被拉長，持續(xù)的時間更長，這樣保證了試樣破壞前其中應(yīng)力狀態(tài)的均勻性。此外，從該圖還可以看出，透射波快速下降正好對應(yīng)反射波絕對值快速增加，透射波快速下降的時刻即對應(yīng)著試樣破壞失效的時刻，因為試樣破壞后，入射波不能再通過試樣透射進透射桿中。透射波持續(xù)的時間即為實驗持續(xù)的時間，圖5（a）中實驗時間約為120μs。實驗持續(xù)的時間依賴于加載應(yīng)變率，應(yīng)變率越大，實驗持續(xù)的時間越短。

利用方程（2）得到的試樣加載應(yīng)變率隨時間的變化如圖5（b）所示，從圖中可以看出，實驗開始時，應(yīng)變率線性增加到一定值，之后，近似保持該值不變，到試樣發(fā)生破壞時，應(yīng)變率快速增加。在實驗持續(xù)時間內(nèi)，即在試樣破壞之前，試樣保持近似恒定應(yīng)變率加載。

圖5　典型的入射、反射和透射信號和典型的試樣加載應(yīng)變率隨時間變化曲線

2.2動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

實驗時，通過調(diào)整驅(qū)動氣壓來調(diào)節(jié)撞擊桿的速度，從而實現(xiàn)材料在不同應(yīng)變率下的加載。

在0.10MPa驅(qū)動氣壓加載下，撞擊桿的撞擊速度約為14.6m/s。在此加載條件下，高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料試樣中的平均應(yīng)變率為8.0×102s-1。該應(yīng)變率下材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，可以看出，試樣中應(yīng)力近似線性增加到最大值后即開始下降，材料基本上不表現(xiàn)出塑性變形行為。材料的平均強度為135 MPa，其對應(yīng)于最高應(yīng)力的應(yīng)變約為2%，說明高硅氧布復(fù)合材料表現(xiàn)出一種脆性的斷裂行為。此外，從圖中還可以看出，材料在達到其強度極限后，應(yīng)力快速下降直到達到一穩(wěn)定的應(yīng)力平臺，即殘余強度。在該應(yīng)變率下，材料中平均殘余強度約為30MPa。這表明材料破壞后，其承載能力快速下降，但并未完全消失，破壞后的試樣保留了少量的承載能力。

圖6　8.0×102s-1加載應(yīng)變率下高硅氧布復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料動態(tài)壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。在0.15 MPa驅(qū)動氣壓加載下，撞擊桿的撞擊速度約為17m/s。高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料試樣中的平均應(yīng)變率為7.5×102s-1。由圖可以看出，與高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料類似，試樣對應(yīng)于最高應(yīng)力的應(yīng)變約為1%～2%，材料同樣表現(xiàn)出一種脆性的行為。材料在該種應(yīng)變率下其平均強度為172MPa。

圖7　7.5×102s-1加載應(yīng)變率下高硅氧絲復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3材料失效模式

高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料試樣破壞后的形貌放大圖如圖8所示，圖8（a）為在較低的應(yīng)變率（5.3×102s-1）加載下材料的破壞形貌，可以看出，試樣中出現(xiàn)了多條剪切裂紋，剪切裂紋之間相互交割，形成“W”形。這表明在動態(tài)壓縮加載下，高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料為一種剪切失效模式。在更高加載應(yīng)變率下，即在8.0×102s-1加載應(yīng)變率下試樣的破壞形貌如圖8（b）所示，可以看出，在更高應(yīng)變率下，材料已經(jīng)破碎成多個碎塊，材料發(fā)生了剪切失效。

圖8　高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料在5.3×102s-1，8×102s-1加載應(yīng)變率下材料的破壞形貌放大圖

圖9顯示的是高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料試樣破壞后的形貌放大圖。圖9（a）顯示的是在較低的加載應(yīng)變率6.3×102s-1下試樣的宏觀破壞形貌，從圖中可以看出，試樣中出現(xiàn)了多條平行于加載方向的裂紋，即材料發(fā)生了劈裂的破壞模式。這是與高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料完全不同的。7.5×102s-1加載應(yīng)變率下材料的破壞形貌如圖9（b）所示，在更高加載應(yīng)變率下，試樣中劈裂裂紋進一步擴展，導(dǎo)致試樣破碎成多個碎塊。

圖9　高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料在6.3×102s-1，7.5×102s-1加載應(yīng)變率下試樣的破壞形貌放大圖

3　討　論

從實驗結(jié)果可以看出，在近似相同的加載應(yīng)變率下，高硅氧絲復(fù)合材料強度要高于高硅氧布復(fù)合材料，在8.0×102s-1應(yīng)變率下，高硅氧布復(fù)合材料強度為135 MPa，而在7.5×102s-1應(yīng)變率下，高硅氧絲復(fù)合材料強度為172MPa，說明微結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料強度會產(chǎn)生一定的影響。

從圖8（a）和圖9（a）可以看出，材料破壞時，高硅氧絲復(fù)合材料中產(chǎn)生了更多的裂紋，更多的裂紋意味著材料破壞需要耗散更多的能量，即需要更多的能量來驅(qū)動裂紋的擴展，在宏觀上則表現(xiàn)為高硅氧絲復(fù)合材料具有較高的強度。

微結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料失效模式的影響更為明顯。在動態(tài)壓縮下，兩種復(fù)合材料表現(xiàn)出完全不同的斷裂模式，高硅氧布復(fù)合材料顯現(xiàn)出一種剪切的失效模式，而高硅氧絲復(fù)合材料卻顯現(xiàn)出一種劈裂的失效模式。

在兩種復(fù)合材料中，兩相材料均為高硅氧纖維和酚醛樹脂基體，但高硅氧纖維排列的方式不同。在高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料中，纖維規(guī)則排列，且相互之間交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（圖1），這種網(wǎng)狀排列的纖維對材料中劈裂裂紋的擴展起到一定的阻止作用，導(dǎo)致先發(fā)生纖維的折曲（圖8（a）），宏觀上，材料表現(xiàn)出剪切的破壞模式。而在高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料中，纖維雜亂無章排列（圖2），纖維與纖維之間并沒有形成規(guī)則的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，纖維對材料中劈裂裂紋擴展的阻止作用減弱，導(dǎo)致基體的劈裂破壞優(yōu)先發(fā)生。纖維的折曲與基體的劈裂的競爭在一定程度上決定了復(fù)合材料的失效模式。

4　結(jié)束語

本文利用霍普金森壓桿對兩種微結(jié)構(gòu)的高硅氧/酚醛樹脂基復(fù)合材料進行動態(tài)壓縮實驗，獲得了兩種材料動態(tài)壓縮力學(xué)性能，并分析微結(jié)構(gòu)對材料力學(xué)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）微結(jié)構(gòu)對高硅氧復(fù)合材料強度會產(chǎn)生一定的影響，在近似相同的加載應(yīng)變率下，高硅氧絲復(fù)合材料強度要高于高硅氧布復(fù)合材料。

2）微結(jié)構(gòu)對高硅氧復(fù)合材料的失效模式會產(chǎn)生顯著的影響，高硅氧布復(fù)合材料顯現(xiàn)出一種剪切的失效模式，而高硅氧絲復(fù)合材料卻顯現(xiàn)出一種劈裂的失效模式。進一步的分析表明，高硅氧布/酚醛樹脂基復(fù)合材料中，網(wǎng)狀排列的纖維對材料中劈裂裂紋的擴展起到一定的阻止作用，纖維的折曲先發(fā)生，而在高硅氧絲/酚醛樹脂基復(fù)合材料中，無規(guī)則排列的纖維材料中劈裂裂紋擴展的阻止作用減弱，基體的劈裂破壞優(yōu)先發(fā)生。

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（編輯：李妮）

Dynamic compressive properties of two high silica glass/phenolic composites with different microstructures

CHEN Junhong，XU Weifang，XIE Ruoze，ZHANG Fangju，HUANG Xicheng，HU Wenjun
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

In order to obtain the dynamic compressive properties of the high silica glass/phenolic composites and study the effect of microstructure on mechanical properties of this composite. This paper uses the split Hopkinson pressure bar to conduct dynamic compressive tests on the high silica glass/phenolic composites which have two different microstructures.The result shows that under the similar strain rate，the strength of high silica glass fiber/phenolic composite is higher than the high silica glass fabric/phenolic composite.Furthermore，the microstructure has significant effect on the failure mode of this composite.The high silica glass composite has a splittingfailuremode，however，thehighsilicaglassfabriccompositeindicatestheshear failure mode.From the analysis on the fracture feature of the sample，it can be concluded that the frature mode of the composite is determined by the orientation of the high silica glass fiber.

high silica glass；composites；microstructure；dynamic compression；failure mode

A

1674-5124（2016）10-0113-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.021

2016-04-15；

2016-05-29

國家自然科學(xué)基金（11472257，11272300）；中物院總體所創(chuàng)新與發(fā)展基金（15cxj19）

陳軍紅（1987-），男，湖北武漢市人，助理研究員，博士，研究方向為材料與結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)。

徐偉芳（1974-），男，四川達州市人，副研究員，博士，研究方向為材料沖擊動力學(xué)與結(jié)構(gòu)防護。