混雜纖維復(fù)合材料層板的抗彈沖擊性能

易 凱 孫建波 楊智勇 楊 堅(jiān) 賀曄紅

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

文 摘 為了考察混雜纖維復(fù)合材料層板的抗彈沖擊性能，采用碳纖維織物或玻璃纖維織物與芳綸纖維織物復(fù)合材料層共固化的方式，利用熱壓罐成型工藝制備了幾種具有不同面密度及鋪層結(jié)構(gòu)的混雜纖維復(fù)合材料層板，并進(jìn)行抗彈沖擊性能測試、表觀形貌觀察和無損檢測分析。結(jié)果表明：純芳綸纖維及混雜纖維復(fù)合材料層板的鋼彈沖擊破壞模式相同，均為表層剪切破壞，中間層分層破壞，背層拉伸斷裂破壞；層間混雜順序?qū)?fù)合材料層板的分層缺陷面積有較大影響，當(dāng)碳纖維層作為背層時(shí)，層板的分層缺陷面積為12 863.6 mm2小于玻璃纖維層作為背層時(shí)（17 400.5 mm2）；當(dāng)芳綸層作為背板時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料層板沖擊后分層缺陷面積與純芳綸的相當(dāng)（14 151.0～14 927.0 mm2）?；祀s纖維復(fù)合材料對層板的抗彈沖擊性能有較大影響，混雜后復(fù)合材料的彈道極限速度（v50）均有一定程度的提高，其中玻璃纖維/芳綸復(fù)合材料的v50從純芳綸復(fù)合材料層板的193.08 提高至204.33 m/s。將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復(fù)合材料層板具有更優(yōu)異的抗彈沖擊性能，其貫穿比吸能（BPI）均優(yōu)于純芳綸復(fù)合材料層板。

0 引言

芳綸纖維具有高比強(qiáng)度、高比模量以及斷裂伸長率高、沖擊性能優(yōu)異等特點(diǎn)［1-3］。研究人員利用這些特點(diǎn)，將芳綸纖維應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇包容機(jī)匣上，不僅能夠有效包容風(fēng)扇葉片碎片，還可以大大減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量［4-5］。為了進(jìn)一步提高復(fù)合材料抗沖擊性能，研究者提出了很多方法，其中最有代表性的就是混雜法［6］。研究者發(fā)現(xiàn)，混雜纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，通過纖維的合理混雜，利用纖維性能的差異匹配復(fù)合材料沖擊過程中的特點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高復(fù)合材料的抗彈沖擊性能［6-9］。

本文采用層間混雜的方式，在芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層板的沖擊著彈面和背面分別設(shè)置了玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層及碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層，采用鋪層熱壓罐固化的成型方式制備混雜纖維復(fù)合材料層板。通過彈道槍發(fā)射平頭圓柱型鋼彈來沖擊混雜纖維復(fù)合材料層板，對沖擊破壞后的層板表觀形貌進(jìn)行觀察，對比分析不同混雜纖維、混雜順序?qū)箯椥阅艿挠绊憽?/p>

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

F-8H3/602 芳綸纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，自制。預(yù)浸料的含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（48±3）%，纖維面密度為（88±5）g/m2。

T800-6K/602 碳纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，自制。預(yù)浸料的含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（44±3）%，纖維面密度為（210±10）g/m2。

SW280F-90a/602 玻璃纖維織物/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，自制。預(yù)浸料的含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（32±3）%，纖維面密度為（280±20）g/m2。

1.2 混雜纖維復(fù)合材料層合板的制備

采用自動(dòng)下料機(jī)裁剪預(yù)浸料，以確保纖維方向的準(zhǔn)確性。碳纖維及玻璃纖維與芳綸混雜復(fù)合材料層板鋪層按照碳纖維或玻璃纖維預(yù)浸料［（0/90）］n，再鋪疊［（0/90）］m芳綸預(yù)浸料的方式鋪疊，純芳綸復(fù)合材料層板按照［（0/90）］n+m鋪層，混雜纖維復(fù)合材料層板及純芳綸復(fù)合材料層板的厚度為6.8 mm。固化時(shí)，將復(fù)合材料層板沖擊著彈面設(shè)置為貼模具面，以保證固化后層板的貼模面具有平整的表面。采用熱壓罐固化工藝制備了具有不同面積質(zhì)量的混雜纖維復(fù)合材料層合板。固化后對層板進(jìn)行無損檢測，并按照177.8 mm×177.8 mm 的尺寸加工混雜纖維復(fù)合材料抗彈沖擊性能測試層板。

1.3 抗彈性能測試

用槍為25 mm 口徑彈道炮，用彈為Φ20 mm 的北約柱狀楔形破片模擬彈，彈速在480 ～520 m/s。參照GB/T 32493—2016 測試。采用紅外光幕測速靶系統(tǒng)，用金屬框?qū)悠饭潭ㄔ诎屑苌希搭A(yù)標(biāo)定著彈點(diǎn)垂直靶面入射?？箯棝_擊測試完成后，對層板再次進(jìn)行無損檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 層板彈丸沖擊破壞形貌及破壞模式

抗彈沖擊試驗(yàn)過程中，復(fù)合材料層板全部被鋼彈擊穿，其破壞形貌如圖1～圖5所示。由圖可知，對于面板為碳纖維和玻璃纖維的復(fù)合材料層板來說，表層的纖維斷口均很齊整，表層的破壞形式為剪切破壞。對于芳綸面板的復(fù)合材料層板，其著彈面兩個(gè)方向存在著一定的纖維毛絲，而另外兩個(gè)方向纖維斷口較齊整，如圖1、圖2及圖4著彈面圖，這主要是由鋼彈的平頭彈頭在兩個(gè)方向上存在斜角引起的，其表層破壞模式仍然為剪切破壞。圖1～圖5背面及側(cè)面看出，沖擊破壞后的層板在彈孔周圍存在較大面積的形變，鋼彈的沖擊引起復(fù)合材料層板的層間分層破壞，因此復(fù)合材料中間層的破壞模式主要為分層破壞；對于背板的破壞形貌，芳綸、玻璃纖維均出現(xiàn)大量的纖維的斷裂破壞，這主要是鋼彈穿透層板后期，纖維在沖擊作用下拉伸斷裂破壞所引起的，背板層的破壞模式主要為拉伸斷裂破壞。

圖1 純芳綸復(fù)合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.1 Damage morphology of pure aramid laminates

圖2 芳綸/碳纖維混雜復(fù)合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.2 Damage morphology of aramid/carbon hybrid laminates

圖3 碳纖維/芳綸混雜復(fù)合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.3 Damage morphology of carbon/aramid hybrid laminates

圖4 芳綸/玻璃纖維混雜復(fù)合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.4 Damage morphology of aramid/glass hybrid laminates

圖5 玻璃纖維/芳綸混雜復(fù)合材料層板沖擊后破壞形貌Fig.5 Damage morphology of glass/aramid hybrid laminates

抗彈沖擊測試前后的試板無損檢測結(jié)果表明：測試前層板均無缺陷，測試后的缺陷面積見表1。可看出缺陷形式主要為纖維斷裂及層間的分層缺陷。

表1 混雜纖維復(fù)合材料層板的抗彈性能測試后無損檢測結(jié)果Tab.1 The results of non-destructive testing of BPI of hybrid composite laminates

對于芳綸/碳纖維復(fù)合材料層板，著彈面為芳綸層，背板為碳纖維層，由于碳纖維層的模量較高及較小的變形特性，沖擊破壞過程中，碳纖維層對沖擊后破壞分層缺陷的擴(kuò)展具有一定限制作用，因此整體分層缺陷的面積低于純芳綸復(fù)合材料層板。當(dāng)碳纖維層為著彈面時(shí)，鋼彈穿透碳纖維層后，沖擊破壞分層缺陷在芳綸層進(jìn)一步擴(kuò)展，由于缺少了碳纖維層對芳綸層缺陷擴(kuò)展的限制作用，因此缺陷面積與純芳綸復(fù)合材料層板相當(dāng)甚至更高。

對于芳綸/玻璃纖維復(fù)合材料層板，由于玻璃纖維的拉伸斷裂伸長率高于芳綸纖維，因此當(dāng)芳綸層為著彈面、玻璃纖維層為背板時(shí)，玻璃纖維層在沖擊破壞過程中會(huì)持續(xù)的受拉伸載荷作用而發(fā)生拉伸斷裂破壞，并通過持續(xù)變形和分層缺陷擴(kuò)展等方式吸收沖擊能量，因此分層缺陷面積相對于純芳綸復(fù)合材料層板更高。

對于碳纖維/芳綸及玻璃纖維/芳綸復(fù)合材料層板，由于分層缺陷主要發(fā)生在芳綸復(fù)合材料層，破壞模式相同，因此缺陷面積與純芳綸復(fù)合材料層板相當(dāng)。

2.2 層板抗彈沖擊性能

抗彈沖擊試驗(yàn)過程中，通過測量可獲得鋼彈通過復(fù)合材料層板前的初速度（v0）以及穿透復(fù)合材料層板后的末速度（v1）。復(fù)合材料層板的總吸收能量Ea可按照公式（1）計(jì)算獲得。

彈道極限速度v50是評價(jià)靶板防彈性能的通用指標(biāo)，它是指各彈體彈速接近且50%彈體擊穿靶板時(shí)全部彈速的平均值。采用近似方法計(jì)算彈道極限速度v50，如公式（2）所示。

彈道性能指數(shù)（BPI）是評價(jià)復(fù)合材料抗彈性能結(jié)構(gòu)效率的技術(shù)指標(biāo)，可利用公式（3）計(jì)算復(fù)合材料層板的彈道性能指數(shù)。

式中，Aw是復(fù)合材料層板的單位面積質(zhì)量。

純芳綸及混雜纖維復(fù)合材料層板的抗彈性能測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，混雜纖維復(fù)合材料對復(fù)合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響。

表2 混雜纖維復(fù)合材料層板的抗彈性能測試結(jié)果Tab.2 Comparison of impact resistance of hybrid composite laminates

混雜纖維復(fù)合材料提高了復(fù)合材料層板的v50，碳纖維/芳綸與純芳綸復(fù)合材料層板的v50基本相當(dāng)，而玻璃纖維/芳綸比純芳綸復(fù)合材料層板的v50更高。

碳纖維/芳綸復(fù)合材料層板及玻璃纖維/芳綸復(fù)合材料層板具有比純芳綸復(fù)合材料層板更優(yōu)異的抗彈性能。碳纖維層和玻璃纖維層為層板的鋼彈沖擊著彈面，主要發(fā)生剪切破壞，而碳纖維及玻璃纖維復(fù)合材料層板的剪切性能均優(yōu)于芳綸復(fù)合材料層板，因此混雜纖維復(fù)合材料層板在沖擊破壞過程中，表層的剪切破壞吸收了更多的沖擊能量，從而使得將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復(fù)合材料層板具有更優(yōu)異的抗彈沖擊性能。當(dāng)碳纖維層及玻璃纖維層作為背板時(shí)，盡管碳纖維復(fù)合材料抗拉伸性能優(yōu)于芳綸復(fù)合材料，以及玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸斷裂伸長率更高，但由于碳纖維層及玻璃纖維層的比例較少，對提高沖擊性能的影響有限，并且碳纖維層及玻璃纖維層的密度比芳綸更大，具有更高的面積質(zhì)量，因此整體來看，碳纖維層及玻璃纖維層作為背板時(shí)的混雜復(fù)合材料層板相對于純芳綸復(fù)合材料層板的貫穿比吸能BPI更低一些，層間混雜順序?qū)?fù)合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響。

總體來看，將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復(fù)合材料層板具有更優(yōu)異的抗彈沖擊性能。從工程應(yīng)用及實(shí)際需求來看，對于需要綜合考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量和抗沖擊性能的包容機(jī)匣結(jié)構(gòu)來說，碳纖維復(fù)合材料具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、模量，可以作為金屬包容機(jī)匣的替代材料，同時(shí)，應(yīng)用芳綸復(fù)合材料結(jié)合碳纖維復(fù)合材料形成混雜纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在進(jìn)一步優(yōu)化混雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以提高復(fù)合材料包容機(jī)匣整體的抗高速?zèng)_擊性能。這對保證包容性能同時(shí)降低包容機(jī)匣質(zhì)量，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能具有重要意義。

3 結(jié)論

（1）純芳綸及混雜纖維復(fù)合材料層板的鋼彈沖擊破壞模式相同，均為表層剪切破壞，中間層分層破壞，背板層拉伸斷裂破壞。

（2）層間混雜順序?qū)?fù)合材料層板的分層缺陷面積有較大影響，當(dāng)碳纖維層作為背板層時(shí)，由于碳纖維復(fù)合材料更高的強(qiáng)度、模量，可以對芳綸層起到分層缺陷擴(kuò)展的限制作用，降低分層缺陷面積；而當(dāng)玻璃纖維層作為背板層時(shí)，由于玻璃纖維復(fù)合材料具有相當(dāng)甚至更高的拉伸斷裂伸長率，因此沖擊引起的分層缺陷會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，使得缺陷面積更大；當(dāng)芳綸層作為背板時(shí)，混雜纖維復(fù)合材料層板沖擊后分層缺陷面積與純芳綸復(fù)合材料相當(dāng)。

（3）混雜纖維復(fù)合材料對復(fù)合材料層板的抗彈沖擊性能有較大影響，混雜后復(fù)合材料的v50均有一定程度的提高，其中玻璃纖維/芳綸復(fù)合材料的v50從純芳綸復(fù)合材料層板的193.08提高至204.33 m/s。

（4）將碳纖維層或玻璃纖維層作為著彈面層的混雜纖維復(fù)合材料層板具有更優(yōu)異的抗彈沖擊性能，其BPI均優(yōu)于純芳綸復(fù)合材料層板。