玄武巖纖維/鋁合金層合板的力學(xué)性能研究

劉偉鵬，馬小敏，李 鑫，吳桂英

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.南京大學(xué) 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210000)

纖維金屬層合板是一種在航天航空海洋等方面具有廣泛應(yīng)用的復(fù)合材料，且因?yàn)樗O(shè)計(jì)的靈活性，在海軍和裝甲部件等方面也有應(yīng)用。在第二次世界大戰(zhàn)后用于航空軍事用途的復(fù)合材料進(jìn)入民用領(lǐng)域。1950年，荷蘭?？撕娇蘸教旃景l(fā)現(xiàn)，層合結(jié)構(gòu)比單一材料更能防止快速疲勞裂紋的增長。20世紀(jì)80年代，Delft大學(xué)對(duì)FML(fibre metal laminate)薄片進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將其命名為ARALL(aramid fibre reinforced aluminium laminate)。1987年，為解決ARALL壓縮性能不佳的缺陷，GLARE(glass fibre reinforced aluminium laminate)作為第二代FML被開發(fā)面世[1-6]。GIN BOAY CHAI et al[7]對(duì)纖維金屬復(fù)合材料在低速?zèng)_擊下的響應(yīng)做了回顧并總結(jié)了基于幾何參數(shù)和材料參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。LI et al[8-9]進(jìn)行了高速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)確定了鈦合金纖維復(fù)合材料的抗沖擊性能并研究了不同表面處理對(duì)鈦合金玄武巖纖維復(fù)合材料的性能影響，結(jié)果表明與使用CFRP(carbon fiber reinforced plastic)作為芯材相比，在FML夾層復(fù)合材料中加入U(xiǎn)HMPWE(ultra-high molecular weight polyethylene)纖維層具有更好的抗沖擊性能。彭雄奇等[10]研究了考慮纖維排布的玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的拉伸性能，得到了玻纖增強(qiáng)注塑儀表板的力學(xué)性能是各向異性的，其沿厚度方向纖維大致可分為三層。與其他高性能纖維相比(碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等)，玄武巖纖維除了具有高強(qiáng)度、高模量外，還具有優(yōu)異的耐高溫、較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的電絕緣、較低的吸濕性和絕熱隔音等諸多優(yōu)點(diǎn)，是綜合性能優(yōu)異、性價(jià)比極高的纖維[11-12]。KHALILI et al[13]對(duì)在環(huán)氧樹脂中加入MGP(micro glass powder)的玄武巖纖維復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能分析。朱德舉等[14]通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)研究了不同體積摻量的短切碳纖維、鋼纖維、耐堿玻璃纖維及預(yù)應(yīng)力對(duì)5層玄武巖織物增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(BTRC)拉伸性能的影響。與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比，玄武巖纖維有著不遜于玻璃纖維的高比強(qiáng)度、高比剛度；與碳纖維相比，有著更大的失效應(yīng)變，更好的抗爆炸沖擊加載性能，以及良好的環(huán)境友好性[15]。

目前，關(guān)于玄武巖纖維金屬復(fù)合材料的研究相對(duì)較少，而研究玄武巖纖維金屬層合板的力學(xué)性能可以更好地服務(wù)于我國的航空航天、新能源開發(fā)等領(lǐng)域。為此，本文對(duì)于玄武巖纖維/鋁合金層合板的拉伸、三點(diǎn)彎曲以及抗侵徹性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)采用真空輔助成型技術(shù)制作了所需的樣品，用水刀對(duì)試件進(jìn)行切割得到所需尺寸。拉伸實(shí)驗(yàn)對(duì)0°、45°和90°各進(jìn)行了兩到三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)?°和90°鋪層相同，屬于重復(fù)實(shí)驗(yàn)所以后文將放在一起分析。三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。子彈沖擊實(shí)驗(yàn)中，用四組不同速度的子彈對(duì)樣品進(jìn)行沖擊。重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取平均值并給出誤差。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 材料及制備

實(shí)驗(yàn)中采用真空輔助成型法制備樣品。首先將環(huán)氧樹脂與固化劑按照10∶3的質(zhì)量比均勻攪拌混合5 min，隨后放入真空干燥箱中處理20 min以抽除樹脂混合液中的氣泡。將鋁板和玄武巖纖維布進(jìn)行疊層鋪設(shè)，樹脂均勻涂抹在每層中，在真空袋中進(jìn)行抽真空去除多余的樹脂，并進(jìn)行24 min常溫固化，隨后放入80 ℃恒溫箱中進(jìn)行16 h后固化，對(duì)試件進(jìn)行水切割得到實(shí)驗(yàn)所需樣品尺寸。玄武巖纖維為2D編織的平紋纖維布，復(fù)合方式如圖1所示。所用鋁合金及玄武巖纖維材料屬性如表1所示。

圖1 樣品示意圖Fig.1 Diagram of fiber direction

表1 材料屬性Table 1 Mechanical property of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

研究中分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)拉伸實(shí)驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)和子彈沖擊實(shí)驗(yàn)，樣品取向如圖1所示。拉伸實(shí)驗(yàn)在INSTRSON 5985試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1 mm/min，試件尺寸為250 mm×25 mm×1.9 mm.實(shí)驗(yàn)分為兩組進(jìn)行：0°/90°單向拉伸以及45°面內(nèi)拉伸剪切。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)在INSTRON5544試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，樣品尺寸為120 mm×25 mm×1.9 mm，跨距為90 mm，加載速率為2 mm/min.為保證數(shù)據(jù)有效每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了至少3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)給出了平均值及誤差。子彈沖擊實(shí)驗(yàn)的樣品尺寸為100 mm×100 mm×1.9 mm。采用直徑為12 mm的鋼珠進(jìn)行侵徹實(shí)驗(yàn)，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖。子彈在經(jīng)過空氣槍加速后由激光測(cè)速儀測(cè)定加載速度，利用側(cè)面的高速攝像頭及鏡面反射記錄下碰撞前后樣品的變形/失效的過程。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖Fig.2 Experimental equipment and schematic diagram

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸及剪切性能

圖3中給出了纖維金屬層合板在0°單向拉伸和45°剪切拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及變形失效模式。實(shí)驗(yàn)中得到0°單向拉伸及45°剪切拉伸數(shù)據(jù)見表2.由圖3(b)可以看出，0°單向拉伸時(shí)材料出現(xiàn)了纖維層和金屬層局部脫粘及分層，部分區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。玄武巖纖維層合板受拉時(shí)，因鋁合金層與纖維層拉伸模量不同，纖維層在相同應(yīng)變時(shí)所受應(yīng)力大于鋁合金層。玄武巖纖維及鋁合金的斷裂應(yīng)變分別為3.1%與12%。層合板拉伸時(shí)纖維層率先受到破壞，當(dāng)纖維層拉斷之后鋁層也迅速被拉斷。剪切拉伸時(shí)纖維層與鋁合金同樣出現(xiàn)嚴(yán)重分層，粘合層失效，金屬撕裂并出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性大變形。由于層合板剪切拉伸時(shí)纖維不承受拉伸載荷，導(dǎo)致其剪切強(qiáng)度顯著降低，同時(shí)層合板受拉時(shí)形變較大導(dǎo)致鋁層發(fā)生面內(nèi)屈曲。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)Table 2 Summary of experimental results

圖3 (a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (b)材料破壞模式Fig.3 (a)Stress-strain curve; (b)material failure modes

2.2 彎曲性能

圖4和圖5分別給出了三點(diǎn)彎曲時(shí)的位移載荷曲線及樣品形變過程，從圖中可以看出樣品在最初加載階段力和位移呈線性變化，隨后進(jìn)入非線性屈服階段并達(dá)到最大載荷。變形過程如圖5所示，(a)為初始狀態(tài)，此時(shí)試件并未受到載荷；(b) (c)為試件經(jīng)過彈性階段后進(jìn)入屈服階段，產(chǎn)生塑性變形；(d)為材料的最終狀態(tài)，此時(shí)材料經(jīng)過彈性階段、屈服階段后產(chǎn)生了較大的塑性變形。同時(shí)可以看到，彎曲實(shí)驗(yàn)中纖維層與鋁合金層之間并未發(fā)生明顯的分層失效，表明所制備樣品質(zhì)量較好。實(shí)驗(yàn)中分別計(jì)算了層合板的彎曲彈性模量以及彎曲強(qiáng)度：

彎曲彈性模量：

(1)

彎曲強(qiáng)度：

(2)

式中：Δp為載荷-撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N；Δs為與載荷增量Δp對(duì)應(yīng)的跨距中點(diǎn)處的撓度增量，mm；p為破壞載荷，N；l為跨距，mm；h為試樣厚度，mm；b為試樣寬度，mm。通過計(jì)算得到層合板沿纖維方向彎曲強(qiáng)度及彎曲模量見表2.

圖4 位移載荷曲線Fig.4 Displacement load curve

圖5 層合板三點(diǎn)彎曲變形過程圖及材料破壞圖Fig.5 Three-point bending deformation process diagramand material failure diagram of laminated plate

2.3 層合板抗沖擊性能

對(duì)層合板分別進(jìn)行了速度為52 m/s，98 m/s，133 m/s以及167 m/s的侵徹實(shí)驗(yàn)，圖6給出了不同速度下層合板的變形失效過程。當(dāng)侵徹速度為52 m/s時(shí)，因速度并未達(dá)到彈道極限，子彈撞擊樣品中心產(chǎn)生最大撓度后開始回彈，樣品中央撞擊區(qū)域出現(xiàn)凸起變形；速度為133 m/s時(shí)，此時(shí)速度超過彈道極限，子彈將穿透試件并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞；圖7給出了侵徹后層合板前后面板的變形失效模式，可以看到當(dāng)速度為52 m/s時(shí)，層合板中心出現(xiàn)明顯的局部塑性大變形；當(dāng)速度提升至98 m/s時(shí)塑性變形程度明顯加劇，背側(cè)的鋁合金出現(xiàn)裂痕但層合板仍未被擊穿。當(dāng)速度達(dá)到133 m/s時(shí)層合板被擊穿，纖維層及鋁合金層局部斷裂明顯，因?yàn)槔w維的正交性質(zhì)，背面鋁合金層出現(xiàn)近似菱形撕裂。侵徹速度167 m/s時(shí)的情況和133 m/s時(shí)相似，但整體變形較小。

圖6 子彈入射圖Fig.6 Bullet incidence diagram

圖7 試樣破壞模式Fig.7 Specimen failure modes

在試驗(yàn)中，彈丸與復(fù)合材料的彈性變形所耗散的能量，以及各部件之間的摩擦在吸收的總能量中所占的比例相對(duì)較小。因此，假設(shè)子彈損失的動(dòng)能完全由層合板的失效所耗散，即：

(3)

式中：Ei為子彈初始動(dòng)能，Er為子彈殘余動(dòng)能，m、vi和vr為子彈質(zhì)量、入射速度和剩余速度。當(dāng)vr=0時(shí)，vi=vbl，其中vbl為彈道極限。因此：

(4)

此時(shí)式(3)可寫為：

(5)

經(jīng)計(jì)算得子彈低速?zèng)_擊穿透試件時(shí)的彈道極限為97.9 m/s。能量吸收能力是評(píng)價(jià)纖維金屬層合板抗沖擊性能的重要參數(shù)。所計(jì)算的吸收能量如表3所示。當(dāng)面板沒有穿孔時(shí)，能量吸收隨著碰撞速度的增加而增加，在擊穿面板后能量吸收量有所回落。這是因?yàn)閷雍习宓恼w變形是由低速?zèng)_擊產(chǎn)生的。然而，在高速?zèng)_擊下，變形是局部的，導(dǎo)致能量吸收更少。

表3 沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)Table 3 Summary of impact experimental results

圖8給出了不同速度下層合板背面的變形輪廓圖?？梢钥闯霎?dāng)入射速度為52 m/s時(shí)鋁層并未被擊穿，產(chǎn)生了4 mm的殘余撓度；當(dāng)入射速度達(dá)到98 m/s時(shí)，塑性變形幅度明顯增加，鋁層接近被擊穿；入射速度提升至133 m/s時(shí)層合板已被擊穿，出現(xiàn)明顯的裂層和缺口，缺口附近的層合板出現(xiàn)塑性變形；入射速度為167 m/s時(shí)層合板的變形輪廓圖和133 m/s的相似，此時(shí)因?yàn)閷雍习逡驯粨舸?，局部変形程度相似，但因沖擊速度增大導(dǎo)致變形更加局部化。

圖8 纖維鋁合金層合板背面鋁層變形輪廓圖Fig.8 Deformation profile of aluminum layer on the back of fiber aluminum alloy laminate

3 結(jié)論

本文利用實(shí)驗(yàn)研究了玄武巖纖維金屬層合板的力學(xué)性質(zhì)及抗沖擊性能。結(jié)果表明在拉伸載荷作用下層合板將出現(xiàn)纖維層與鋁合金分層，纖維、金屬的拉伸斷裂以及基質(zhì)失效等，而在彎曲載荷作用下除了塑性大變形，并沒有出現(xiàn)明顯的宏觀破壞，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所制備層合板具有良好的拉伸和彎曲力學(xué)性能。侵徹實(shí)驗(yàn)表明子彈沖擊下面板沒有穿孔時(shí)，能量吸收隨著入射速度的增加而增加，在擊穿面板后結(jié)構(gòu)的能量吸收有所回落。隨著入射速度增加，擊穿后變形輪廓圖局部変形程度相似，但變化范圍會(huì)更加集中。在12 mm子彈沖擊載荷作用下所研究的玄武巖纖維/鋁合金層合板具有較好的抗沖擊性能，其彈道極限為97.9 m/s.