層間混雜層合板彈道沖擊損傷對比研究

陳戰(zhàn)輝，萬小朋，王文智，李沛城

(西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072)

0 引 言

碳纖維復(fù)合材料層合板是飛行器常用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式。在砂石、彈丸、戰(zhàn)斗部破片等的高速?zèng)_擊下形成的層合板彈道沖擊損傷嚴(yán)重影響著飛行器的結(jié)構(gòu)安全。

20世紀(jì)90年代以來，研究人員以混雜效應(yīng)系數(shù)為依據(jù)，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維和芳綸纖維對碳纖維層合板沖擊韌性有著較為明顯的提高[1-3]。近年來，利用混雜效應(yīng)提高層合板抗沖擊特性的鋪層設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作仍在持續(xù)進(jìn)行。這些研究發(fā)現(xiàn)，不同材料體系與混雜位置對層合板沖擊阻抗特性均有影響[4-8]。采用芳綸纖維、玻璃纖維、高強(qiáng)聚乙烯纖維等增強(qiáng)材料形成混雜層合板是提高碳纖維層合板抗沖擊能力的一種有效方法。

然而，已有研究或集中于對層合板材料低速?zèng)_擊響應(yīng)的分析[1-5]，或以提高防彈效果為目標(biāo)，以沖擊物速度衰減百分比、靶板吸收的總能量和彈道極限速度等作為抗沖擊能力的表征參數(shù)[6-10]，而對混雜層合板自身的損傷模式及程度卻不甚關(guān)注。

本文以降低碳纖維復(fù)合材料層合板彈道沖擊損傷范圍為目標(biāo)，以空氣炮為工具對表面鋪覆韌性材料的層合板進(jìn)行彈道沖擊試驗(yàn)；以入射面、出射面和分層的損傷范圍作為損傷程度的標(biāo)志，對比分析表面層間混雜玻璃纖維與芳綸纖維對碳纖維樹脂基復(fù)合材料層合板彈道沖擊損傷程度的影響，并從損傷機(jī)理出發(fā)對試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差別的原因進(jìn)行分析。

1 復(fù)合材料層合板彈道沖擊試驗(yàn)

以樹脂基碳纖維編織層合板為基礎(chǔ)，通過給其表面分別鋪覆玻璃纖維編織鋪層和芳綸纖維編織鋪層形成兩種層間混雜復(fù)合材料層合板，用非混雜碳纖維層合板作為對照試件。所有試件厚度均為5 mm，其中混雜鋪層厚度根據(jù)文獻(xiàn)[11]取為推薦厚度的最小值1 mm，基體材料為環(huán)氧樹脂，采用真空輔助樹脂滲透成型工藝制成。其混雜方式如圖1(a)所示；各種纖維織物均采用0°/90°和-45°/+45°鋪層交疊，試驗(yàn)件鋪層結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示；織物均為平紋編織預(yù)浸料，編織紋理如圖1(c)所示。利用一級氣炮進(jìn)行彈道沖擊試驗(yàn)，所用彈丸均為8 g鋼質(zhì)圓柱，其直徑為7.7 mm，沖擊試驗(yàn)初速度范圍為200～400 m/s，速度方向與靶板垂直。試驗(yàn)件所用增強(qiáng)材料型號分別是：碳纖維為T-300，玻璃纖維為S-2，芳綸纖維為Kevlar-49，其拉伸力學(xué)性能如表1所示[2]。

(a) 混雜方式

(b) 試驗(yàn)件鋪層結(jié)構(gòu)

(c) 平紋編織預(yù)浸料紋理

纖維類型拉伸強(qiáng)度/MPa拉伸模量/GPa斷裂應(yīng)變/%T-3002 8702301.2S-22 760853.3Kevlar-492 9501222.4

2 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

彈丸分別從混雜層合板的兩個(gè)面沖擊，其典型穿透性損傷情況如圖2所示，從左至右依次為入射面、出射面和損傷的側(cè)視情況。

(a) 彈丸從玻璃纖維混雜板的碳纖維面入射

(b) 彈丸從玻璃纖維混雜板的玻璃纖維面入射

(c) 彈丸從芳綸纖維混雜板的碳纖維面入射

(d) 彈丸從芳綸纖維混雜板的芳綸纖維面入射

(e) 非混雜層合板

對沖擊損傷后的試驗(yàn)件進(jìn)行水浸超聲C掃描，確定其內(nèi)部分層范圍，對兩種混雜試驗(yàn)件和非混雜對照試驗(yàn)件的入射面和出射面的表面損傷面積及分層損傷面積分別進(jìn)行測量，不同彈丸入射速度下?lián)p傷面積的大小如圖3所示。

(a) 芳綸纖維混雜層合板的損傷程度

(b) 玻璃纖維混雜層合板的損傷程度

(c) 非混雜層合板的損傷程度

速度值帶*號的數(shù)據(jù)為彈丸從芳綸或玻璃纖維一側(cè)入射，其余均為從碳纖維側(cè)入射。圖3(b)中，速度242 m/s時(shí)試件的分層面積為13 000 mm2，為了協(xié)調(diào)將其截?cái)囡@示。

從圖3可以看出：在試驗(yàn)條件下，表面鋪覆芳綸纖維和玻璃纖維均可使彈道沖擊損傷出射面的損傷范圍大幅縮小，大部分入射面的損傷范圍也有所降低。其原因是：沖擊試驗(yàn)中靶板背面的材料在彈丸沖擊下發(fā)生拉伸破壞，玻璃纖維和芳綸纖維的韌性較好，其拉伸斷裂應(yīng)變分別為3.3%和2.4%，均高于碳纖維的1.2%[1]；混雜層合板受沖擊時(shí)，拉伸斷裂應(yīng)變低的碳纖維首先發(fā)生斷裂破壞，其斷裂成短纖維后，仍能在剛度和強(qiáng)度上發(fā)揮一定作用，并產(chǎn)生多次斷裂，吸收更多的沖擊能量[12]。因此，混雜韌性鋪層提高了層合板的整體斷裂應(yīng)變，抑制了沖擊背面的裂紋擴(kuò)展，沖擊背部損傷區(qū)域明顯減小。

試驗(yàn)表明，混雜鋪層材料特性對沖擊損傷具有顯著影響。從圖3(a)和圖3(b)可以看出：入射面和出射面鋪覆玻璃纖維時(shí)，彈道沖擊的損傷范圍都較鋪覆芳綸纖維鋪層結(jié)構(gòu)小，這與“玻璃纖維對碳纖維層合板韌性的改善效果優(yōu)于芳綸纖維”的結(jié)論[2]相一致，這主要是由于玻璃纖維和芳綸纖維剛度特性的差異所導(dǎo)致的[13-14]。雖然S-2玻璃纖維斷裂應(yīng)變比芳綸大，但拉伸強(qiáng)度和拉伸模量均比碳纖維和芳綸小，且對應(yīng)變率敏感性強(qiáng)，無屈服現(xiàn)象。鋪覆在出射面的玻璃纖維更容易產(chǎn)生拉斷破壞，從而失去傳載能力，其層內(nèi)損傷范圍相對較小，對末速度影響也較弱；而芳綸纖維由于垂直纖維軸向的分子間的力很弱，受拉時(shí)會劈裂為更細(xì)的微纖維，不容易直接斷裂，因此層內(nèi)損傷范圍相對較大。

與將韌性鋪層鋪覆在出射面相比，彈丸從鋪覆韌性鋪層面入射時(shí)分層損傷范圍相對較小。其原因是：韌性鋪層位于出射面時(shí)，彈丸穿透碳纖維層之后，推著混雜鋪層向前方變形，界面上產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩種鋪層剛度不同，變形不協(xié)調(diào)。當(dāng)面外拉應(yīng)力大于混雜面的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混雜面上就會出現(xiàn)分層。而彈丸從韌性材料鋪層面入射時(shí)，沖擊背面的碳纖維鋪層剛度較大，限制了韌性材料的拉伸變形，故界面分層相對較小。

圖3(a)、圖3(b)與圖3(c)相比，分層損傷面積有的變大有的變小，表明混雜韌性鋪層對降低分層損傷不一定有效。

對混雜層合板沖擊損傷試驗(yàn)件進(jìn)行超聲B掃描，玻璃纖維鋪層在出射面時(shí)的B掃描結(jié)果如圖4所示，可以看出：大范圍分層損傷發(fā)生在混雜界面，在使用混雜方式降低層合板彈道沖擊損傷的設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別關(guān)注混雜界面的分層問題。

圖4 混雜玻璃纖維層合板分層區(qū)域超聲B掃描圖片

3 結(jié) 論

(1) 在樹脂基碳纖維層合板表面混雜芳綸或玻璃等延伸性好的纖維鋪層，可以減小層合板的穿透性沖擊損傷范圍，有利于降低飛行器復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)的損傷程度。

(2) 彈道沖擊作用下，混雜層合板的混雜界面容易產(chǎn)生分層損傷。當(dāng)玻璃纖維鋪覆在出射面時(shí)，混雜界面分層尤為嚴(yán)重。

(3) 與混雜芳綸相比，在樹脂基碳纖維層合板入射面混雜玻璃纖維鋪層能更好的減小沖擊損傷范圍。