玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料圓筒高溫高壓動態(tài)沖擊斷口形貌分析＊

王加剛，余永剛，周良梁，曹韓學(xué)，劉 溪

玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料圓筒高溫高壓動態(tài)沖擊斷口形貌分析＊

王加剛1，2，余永剛1，周良梁1，曹韓學(xué)3，劉 溪3

（1.南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.重慶望江工業(yè)有限公司，重慶400071；3.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400044）

為了探究埋頭彈火炮所用的玻璃纖維增強(qiáng)型（GFR）復(fù)合材料藥筒在高溫高壓瞬態(tài)沖擊條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分別開展了圓筒靜態(tài)整體拉伸和動態(tài)高溫高壓沖擊實(shí)驗(yàn)，從拉伸／瞬態(tài)超高壓破壞試樣斷口部分截取斷口樣品，在掃描電子顯微鏡下觀察斷口形貌，得到GFR復(fù)合材料在兩種不同受力情況下的失效模式。結(jié)果表明：室溫整體單軸拉伸斷裂時(shí)，GFR復(fù)合材料的斷面與軸線夾角接近45°，失效模式為環(huán)氧樹脂基體破壞和纖維拔出；在高壓瞬態(tài)沖擊作用下，試樣主要失效模式為纖維的脆性斷裂，同時(shí)由于火藥燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馐共糠汁h(huán)氧樹脂基體碳化，纖維與基體界面結(jié)合力降低，少數(shù)纖維熔融或軟化附著在斷口上，部分軟化的纖維因瞬態(tài)超高壓被拉細(xì)。

玻璃纖維；復(fù)合材料；非金屬藥筒；瞬態(tài)沖擊；斷口形貌

玻璃纖維增強(qiáng)型（glass fiber reinforced，GFR）復(fù)合材料是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)材料，具有密度小、彈性模量高、比強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］，被作為埋頭彈火炮的藥筒材料之一。近些年來，很多學(xué)者對不同纖維纏繞的復(fù)合材料的沖擊性能、破壞模式、吸能特性等方面進(jìn)行理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，以期能夠得到復(fù)合材料的失效模式和破壞機(jī)理［2－6］。E.G.Guynn等［2］利用X射線研究復(fù)合材料壓縮損傷擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)纖維微屈曲區(qū)域與金屬疲勞裂紋相似，從而提出了微屈曲累積損傷分析方法。A.Jumahat等［3］通過觀察破壞試樣，研究玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料在壓縮載荷下的破壞機(jī)理。王越等［7］通過觀察分析玻璃纖維增強(qiáng)尼龍66的常溫拉伸／沖擊斷口，得到該種材料不同受力情況下的微觀斷裂機(jī)理。牟善彬等［8］觀察分析玻璃纖維處理前后的復(fù)合材料拉伸斷口形貌，以此改善制備工藝。陳煊等［9］通過對二維C／SiC復(fù)合材料的準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)拉伸斷口分析，得到該種材料在不同應(yīng)變率下的失效機(jī)制。

上述研究多集中于常溫拉伸／沖擊斷口分析，而對于同時(shí)承受瞬態(tài)高壓和高溫這種復(fù)雜工況下的復(fù)合材料的力學(xué)性能，還有待進(jìn)一步研究。在我國，從20世紀(jì)60年代就開始研究玻璃鋼壓力氣瓶、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體的纏繞技術(shù)。基于復(fù)合材料在石油、化工、汽車、航空航天及軍工方面的應(yīng)用［10－11］，復(fù)合材料圓筒常在惡劣環(huán)境下使用，受力情況比較復(fù)雜。復(fù)合材料圓筒在高壓瞬態(tài)沖擊條件下力學(xué)性能的研究，涉及航空航天和軍工領(lǐng)域，受實(shí)驗(yàn)條件的限制，相關(guān)報(bào)道比較少。C.C.Chamis等［12］對在內(nèi)壓作用下的纖維纏繞復(fù)合容器進(jìn)行了包括從損傷發(fā)生、擴(kuò)展到破壞過程的分析，并討論了容器損傷容限的問題。V.E.Verijenko等［13］對各向異性多層復(fù)合結(jié)構(gòu)壓力容器圓柱殼的薄膜內(nèi)力、應(yīng)力應(yīng)變和位移等計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。目前研究多集中于厚壁圓筒形容器在熱力耦合作用下的研究，偏重理論計(jì)算和數(shù)值模擬，對高壓瞬態(tài)沖擊的實(shí)驗(yàn)研究較少。因此，為了確保復(fù)合材料在高溫高壓環(huán)境中使用的安全可靠性，本文中借助掃描電子顯微鏡分別對復(fù)合材料常溫拉伸斷口和高溫高壓瞬態(tài)沖擊破壞試樣斷口形貌進(jìn)行觀察比較，分析該試樣的斷裂情況、斷裂位置，以便對改進(jìn)該復(fù)合材料的固化工藝提出建設(shè)性意見，提高該種復(fù)合材料藥筒的使用可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合材料基體為環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)體為無堿玻璃纖維，兩種材料復(fù)合制成薄壁圓筒，纖維共有10層，在圓筒上的螺旋纏繞角度為±55°。根據(jù)GB／T5349－2005《纖維增強(qiáng)熱固性塑料軸向拉伸性能試驗(yàn)方法》，對藥筒進(jìn)行整體拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)藥筒內(nèi)徑尺寸為64mm、壁厚為2mm、長度為273mm。室溫單軸拉伸實(shí)驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行（如圖1所示），試樣的縱軸與試驗(yàn)機(jī)的加載軸保持平行，并以2mm／min的加載速度連續(xù)加載至試樣破壞。高溫高壓瞬態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)的圓筒試樣內(nèi)徑和壁厚與上相同，長度為100mm（見圖2）。高溫高壓瞬態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)是在35mm埋頭彈火炮上進(jìn)行的，圓筒即藥筒，裝入一定量的單基火藥8／1，放在火炮藥室中進(jìn)行內(nèi)彈道射擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用的火炮與藥筒上預(yù)設(shè)有測壓孔，實(shí)驗(yàn)過程中將壓電傳感器旋入測壓孔。射擊過程中高溫燃?xì)庾饔迷趬弘妭鞲衅鞅砻?，產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷通過電荷放大器放大，然后輸入瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集器，將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入電腦，得到壓力參數(shù)，藥筒內(nèi)測量的壓力曲線如圖3所示。實(shí)驗(yàn)后分別對上述兩種不同受力破壞的試樣截取具有代表性的部位進(jìn)行噴金處理，然后在掃描電鏡下觀察斷口形貌。

圖1 室溫整體拉伸實(shí)驗(yàn)Fig.1Overall tensile experiment at ambient temperature

圖2 高溫高壓瞬態(tài)沖擊試樣Fig.2Sample of transient ultrahigh pressure experiment

圖3 高溫高壓瞬態(tài)沖擊壓力曲線Fig.3Pressure curve in thin－walled cylinder

2 結(jié)果及分析

2.1 靜態(tài)單軸拉伸斷口特性分析

在室溫單軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，加載方向與試樣縱軸方向相同，但與纖維的排布方向呈55°角，復(fù)合材料單軸拉伸斷口形態(tài)如圖4所示。從圖4可以看出：試樣斷面與軸線夾角接近45°，斷口方向與纖維纏繞方向基本一致；纖維從基體中呈分層拔出，并且拔出長度比較長。圖5為不同倍數(shù)下的玻璃纖維／環(huán)氧復(fù)合材料室溫單軸拉伸斷口形貌。

圖5（a）為低倍下的斷口形貌，可以觀察到試樣斷口表面不平整，并伴有明顯的分層、纖維拔出和斷裂現(xiàn)象。圖5（d）顯示材料在室溫拉伸條件下纖維束內(nèi)的破壞參差不齊，形成明顯的臺階，并且右側(cè)可觀察到樹脂的淤積塊。從圖5（d）～（f）可以看到，環(huán)氧樹脂基體一部分從纖維表面脫落，還有一部分附著在纖維表面，沒有表現(xiàn)出良好的界面強(qiáng)化，多為纖維束的拔出斷裂。

圖4 玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料軸向拉伸斷口Fig.4Fracture appearance of GFR composite material specime in overall tensile experiment

圖5 室溫單軸拉伸斷口形貌Fig.5Uniaxial tensile fracture morphology at room temperature

圖6 玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料高壓瞬態(tài)沖擊斷口Fig.6Fracture appearance of GFR composite material specimen in transient blast experiment

2.2 高溫高壓瞬態(tài)沖擊斷口特性

由圖3看出，薄壁圓筒受到的超高內(nèi)壓接近400MPa，并且達(dá)到最高內(nèi)壓歷時(shí)極短，僅為2.5ms。這說明圓筒受力是瞬時(shí)的，在這個(gè)過程中還伴隨著高溫現(xiàn)象。玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料中很少存在單一的損傷模式，裂紋的傳播也總是在變向進(jìn)行［14］。圖6為實(shí)驗(yàn)后取樣的開裂情況，纖維纏繞復(fù)合材料藥筒在瞬態(tài)超高壓作用下沿筒身軸向開裂，裂紋呈折線狀。肉眼可以觀察到，超高壓下產(chǎn)生失效斷裂的薄壁圓筒外形完好，有一條貫穿全筒壁的裂紋，裂紋沿纖維鋪設(shè)方向傳播，有明顯參差不齊的斷口，并可看到薄壁圓筒變?yōu)楹谏?，可推斷出材料在?shí)驗(yàn)過程中發(fā)生燒蝕現(xiàn)象。

玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料圓筒在高溫高壓瞬態(tài)沖擊作用下發(fā)生破壞，斷口形貌特征呈現(xiàn)多元化。通過掃描電鏡觀察到典型部位的斷口形貌如圖7所示。圖7（a）中，可觀察到左側(cè)基體開裂，玻璃纖維斷口比較整齊，少數(shù)幾根纖維拔出長度較長，此處玻璃纖維呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。脆性斷裂區(qū)的整個(gè)斷口表面平滑，主要是由于垂直于纖維軸線的剪切應(yīng)力的作用［15－16］。并未發(fā)現(xiàn)纖維拔出時(shí)留下的孔洞，說明該實(shí)驗(yàn)條件下纖維與基體結(jié)合程度良好。界面黏結(jié)強(qiáng)度較高的試樣，纖維斷裂整齊，并伴有部分纖維拔出的現(xiàn)象，如圖7（b）所示，在本實(shí)驗(yàn)中也數(shù)次觀察到這樣的纖維拔出。斷裂功隨著纖維拔出長度的增加而增大［16］。由此推測，斷口試樣的宏觀形貌上看似粗糙的部分往往需要的斷裂功較大，而且該部分在破壞前相比于斷口的其他部位，具有良好的界面黏結(jié)強(qiáng)度。

從圖7（c）可以看到，玻璃纖維的斷口比較光滑，但纖維斷裂參差不齊，使整體的纖維斷口呈現(xiàn)臺階面的特征。這是因?yàn)?，高壓瞬態(tài)沖擊破壞實(shí)驗(yàn)中，高壓加載的作用時(shí)間僅為2.5ms，而壓力卻高達(dá)400MPa，導(dǎo)致玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料在高壓沖擊條件下應(yīng)變率較大，使復(fù)合材料產(chǎn)生脆性特性［17－18］。同時(shí)可以觀察到，纖維的周圍環(huán)繞著顆粒狀的樹脂基體，這是因?yàn)楫?dāng)玻纖／環(huán)氧材料中的溫度達(dá)到200～300℃時(shí)，基體發(fā)生熱解反應(yīng)分解為氣體和焦炭［19］。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于點(diǎn)燃火藥后產(chǎn)生的高溫（2 200K）使內(nèi)表面發(fā)生燒蝕，環(huán)氧樹脂基體被碳化，部分玻璃纖維熔融。圖7（d）中，部分纖維由于高溫燃?xì)舛l(fā)生熔融，冷卻凝固后附著在一些玻璃纖維的斷口上。

在圖7（e）中，試樣斷口處發(fā)現(xiàn)斷裂纖維末端出現(xiàn)微屈曲現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的形成是由于圓筒狀試件在承受瞬態(tài)高壓時(shí)，受到非常大的沖擊力，不再是簡單的拉伸、剪切或者兩者的混合效應(yīng)。在纖維斷裂時(shí)，由于劇烈而且復(fù)雜的受力情況，使纖維斷裂處承受了巨大的斷裂功，一部分?jǐn)嗔压τ糜谄茐睦w維分子鏈間的結(jié)合力，富余的斷裂功便以某種形式存儲在斷裂的纖維中，表現(xiàn)為斷裂纖維的末端翹曲。圖7（f）中，可看到纖維與左側(cè)的大片樹脂基體的結(jié)合情況，也可觀察到一個(gè)比較明顯的纖維形貌，這部分纖維并沒有發(fā)生斷裂，但有輕微褶皺現(xiàn)象。將這種纖維褶皺現(xiàn)象的產(chǎn)生和圖7（e）中斷裂纖維的微屈曲相比：瞬態(tài)高壓破壞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力到達(dá)圖7（e）區(qū)域時(shí)足以使纖維發(fā)生斷裂，而在到達(dá)圖7（f）區(qū)域時(shí)只是引起了纖維的形變而不足以使纖維斷裂。在圖7（f）右側(cè)，火藥燃燒過程中，纖維被產(chǎn)生的高溫燃?xì)廛浕?，同時(shí)又因瞬態(tài)高壓沖擊而被拉細(xì)。

圖7 高溫高壓瞬態(tài)沖擊條件下的典型斷口形貌Fig.7Observation of typical fracture surface morphology by SEM

3 結(jié) 論

通過對室溫整體拉伸破壞試樣和在高溫高壓瞬態(tài)沖擊作用下的薄壁圓筒的斷口形貌進(jìn)行對比分析，可得出如下結(jié)論。

（1）室溫整體單軸拉伸斷裂時(shí)，試樣斷面與軸線夾角接近45°，斷口參差不齊，主要失效模式是環(huán)氧樹脂基體破壞和纖維拔出。

（2）在高溫高壓瞬態(tài)沖擊作用下：發(fā)現(xiàn)斷口裂紋沿軸向呈折線形狀分布，與裂紋交叉的纖維發(fā)生脆斷；尤其在試樣的斷口上，有部分?jǐn)嗔牙w維的微屈曲現(xiàn)象以及纖維褶皺現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的高溫使薄壁圓筒發(fā)生燒蝕，部分環(huán)氧樹脂基體被碳化，少數(shù)玻璃纖維軟化或熔融，并附著在斷口上，部分軟化纖維因瞬態(tài)高壓沖擊而被拉細(xì)。

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Fracture analysis of glass fiber reinforced composite material under high temperature and pressure

Wang Jiagang1，2，Yu Yonggang1，Zhou Liangliang1，Cao Hanxue3，Liu Xi3
（1.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing210094，Jiangsu，China；2.Chongqing Wangjiang Industry Co Ltd，Chongqing400071，China；3.College of Materials Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing400044，China）

In this study we carried out an static overall tensile experiment at room temperature and a transient blast experiment under ultra high pressure to investigate the structural strength of glass fiber reinforced（GFR）composite cartridge of CTA gun with transient impulse under high temperature and pressure.The fracture surfaces of the specimens were cut from the tensile／transient ultra high pressure failure samples，and the fracture morphology was observed under the scanning electron micro scope.The results show that the main failure modes of GFR composites are matrix failure and fiber pulling－out when the uniaxial overall tensile fracture occurs at room temperature with the intersection between the GFR composites section and the axis close to 45°；the main failure mode of the specimen under transient ultra high pressure is the brittle fracture of the fiber and，due to the a portion of substrate‘s carbonization resulting from the high temperature heat produced by the ignited gun powder，the fiber matrix interface‘s binding force is reduced and a few fibers either melt or soften，becoming attached to the fractured surface，thereby attenuating part of the softened fibers due to the transient super high pressure.

glass fiber；composite material；nonmetallic cartridge；transient blast experiment；fracture morphology

O346.1 國標(biāo)學(xué)科代碼：1301545

A

10.11883／1001－1455（2017）06－1107－06

2016－08－11；

2017－01－22

王加剛（1979— ），男，博士研究生；通信作者：余永剛，yyg801＠njust.edu.cn。

（責(zé)任編輯 丁 峰）