沖擊波在陶瓷增強緯編雙軸向多層襯紗織物及機織物復合材料中傳遞的表征

喬燦燦， 姜亞明， 齊業(yè)雄， 林溫妮， 張 野

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

復合材料因其突出的比強度、比模量、輕量化、抗沖擊性等性能被廣泛使用，其制品不僅能滿足特殊的需求，在眾多領域得以應用，尤其是防護領域[1]。復合材料在結構上具有可設計性強的特點，可根據實際情況進行結構設計。例如，由鋁合金和玻璃纖維增強復合材料組成的混雜結構的GLARE層板，不僅性能有明顯優(yōu)勢，其成形曲率也能滿足零件制造要求，還使列車進一步輕量化，在高速列車上得以廣泛應用[2-4]。同樣，復合材料作為一種高效防彈和低密度材料[5-6]，常被用來制作防彈背心、防彈頭盔以及防刺防割服，在軍警領域應用普遍[7-9]；隨著研究的不斷深入，復合材料在裝甲防彈領域使用也愈加廣泛，使得武器裝備的性能有所提高[9-11]。然而復合材料在使用過程中沖擊損傷是不可避免的，在沖擊載荷的作用下，除了可見的損傷，復合材料內部會產生一些不可見的破壞，這些破壞會導致復合材料的力學性能大幅度下降，從而使復合材料的安全性受到影響。

近年來，國內外學者通過實驗及理論研究深入探討了復合材料的沖擊波破壞機制。姚磊江等[12]利用三維超聲波(C掃描)這一方法對沖擊后復合材料的受損情況進行表征，在超聲波掃描后的受損面積大于人類肉眼可見的受損面積,可以檢測到復合材料內部的損傷情況。方丹丹等[13]研究了三維五向編織復合材料沖擊波的傳播，結果表明：沖擊后試樣表面有裂紋，沖擊接觸面的裂紋沿橫向擴展，試樣背面的裂紋沿縱向擴展。許國棟等[14-15]用貼近度法和模糊評價法對復合材料層合板在低速沖擊后試樣表面的損傷情況進行了表征。張福樂等[16]將單向布復合材料與機織布復合材料進行對比來研究在低速沖擊下紡織復合材料應力波平面?zhèn)鬟f情況，得出低速沖擊下沖擊波在以單向布為增強體的復合材料平面上傳播得更快。Potel C.等[17]利用超聲波在脈沖回波模式下對沖擊后復合材料不同位置的損傷逐段進行表征，將沖擊波傳遞可視化。

本文采用陶瓷這一材料作為傳播能量和吸收能量的載體與織物結合，利用陶瓷材料各向同性的特點可視化沖擊對復合材料的破壞，進而對紡織復合材料應力波的傳遞進行表征，主要研究緯編雙軸向(MBWK)織物及機織物增強復合材料沖擊破壞整體形貌以及應力波在復合材料內的傳播表征。

1 實驗材料

1.1 原料與試劑

196型不飽和聚酯樹脂，天津合材樹脂有限公司；過氧化苯甲酰，萊蕪市恒達工業(yè)添加劑有限公司；對苯二胺，無錫市錢橋精細化工廠；MBWK織物(含3層襯紗，1層襯經、2層襯緯，襯紗材料為玻璃纖維,通過1+1羅紋組織的低彈滌綸絲捆綁；線密度158 tex×2，織物規(guī)格高×長×寬為1 mm×150 mm×100 mm)，天津工業(yè)大學復合材料研究院；機織物(織物規(guī)格厚×長×寬為1 mm×150 mm×100 mm)，上海翔利過濾材料有限公司；氧化鋁陶瓷(織物規(guī)格厚×長×寬為1 mm×100 mm×100 mm；力學參數(shù)：氧化鋁含量≥96%，密度3.7 g/cm3，抗彎強度300 MPa，抗壓強度2 000 MPa，抗折強度200 MPa，彈性模量300 GPa)，杭州鑫飛達電子。

1.2 陶瓷增強MBWK織物復合材料的制備

以手糊成型工藝制備了MBWK復合材料。將MBWK織物與陶瓷以0°鋪層至模具上，底層為氧化鋁陶瓷，使纖維預制件完全被樹脂浸漬，室溫條件下自然風干。圖1為MBWK陶瓷增強復合材料示意圖(共5層陶瓷、4層織物)。表1為陶瓷增強MBWK織物復合材料板成分含量。

圖1 陶瓷增強MBWK織物復合材料示意圖Fig.1 Schematic diagram of ceramic reinforced MBWK fabric composites

表1 陶瓷增強MBWK織物復合材料板成分含量Tab.1 Composition content of ceramic reinforced MBWK fabric composite plates %

1.3 陶瓷增強機織物復合材料的制備

以手糊成型工藝制備了機織物增強復合材料。將機織物與陶瓷以0°鋪層至模具上，底層為機織物，使預制件完全被樹脂浸漬，室溫條件下自然風干。圖2為陶瓷增強機織物復合材料示意圖(共4層陶瓷、4層織物)。復合材料板成分含量見表2所示。

1.4 測試方法

根據ASTM D7136/D7136 M—2015《落錘沖擊試驗中復合材料的抗損傷力測試》，利用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司生產的ZCJ9302落錘沖擊試驗機，在16 ℃條件下進行沖擊實驗。沖頭為半球形圓柱(直徑15 mm)。根據實驗標準以及實驗過程中沖擊的具體情況，陶瓷增強復合材料的沖擊能量、沖擊錘質量、沖擊高度等參數(shù)設置如表3所示。實驗重復5次，結果取平均值。

圖2 陶瓷增強機織物復合材料示意圖Fig.2 Schematic diagram of ceramic reinforced woven fabric composites

表2 陶瓷增強機織物復合材料板成分含量Tab.2 Composition content of ceramic reinforced woven fabric composite plates %

表3 實驗參數(shù)設置Tab.3 Experimental parameter setting

2 結果與討論

2.1 復合材料沖擊破壞分析

圖3(a)示出陶瓷增強MBWK織物復合材料沖擊后整體破壞形貌。

沖擊破壞后試樣上表面陶瓷材料裂紋呈放射狀，裂紋均勻分散在陶瓷材料表面，沖擊中心區(qū)域破壞程度較大。此現(xiàn)象表明，沖擊應力波橫波呈輻射狀向外擴散，受陶瓷材料各向同性影響，應力波的傳播較均勻。同時由于縱波的存在，在試樣的沖擊背面陶瓷材料出現(xiàn)了很大程度的破壞，其破壞程度高于沖擊上表面，裂紋由沖擊中心向四周擴散，并且沖擊中心區(qū)域的破壞較大。沖擊破壞后復合材料出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，分層出現(xiàn)在織物與陶瓷片之間，產生了細小縫隙。

圖3 陶瓷增強MBWK織物復合材料與陶瓷增強機織物復合材料沖擊后整體破壞形貌Fig.3 Overall failure morphology of ceramic reinforced MBWK fabric composites(a) and woven ceramic reinforced composites (b) after impact

圖3(b)示出陶瓷增強機織物復合材料沖擊后整體破壞形貌。與MBWK織物增強復合材料沖擊后整體破壞形貌相比，機織物增強復合材料沖擊破壞后試樣上表面陶瓷材料裂紋數(shù)量較少，而沖擊點中心破壞較大，并出現(xiàn)環(huán)狀裂紋形態(tài)。此現(xiàn)象說明機織物對沖擊應力橫波吸能較大，導致沖擊應力波橫波呈輻射狀向外擴散減少。此外由于沖擊應力波縱波的存在，在試樣的背面雖然觀察不到沖擊應力波傳遞痕跡，但經觸摸沖擊背面有輕微凸起。對比圖3中下表面層的破壞形貌可發(fā)現(xiàn)，陶瓷材料更能表征沖擊波的破壞，機織物對沖擊應力波的表征不明顯。

2.2 沖擊應力波傳遞的表征

沖擊后復合材料試樣拆解后在陶瓷材料層加入顯色物質以凸顯紋路，通過觀察陶瓷片裂紋擴展情況，從而分析對比裂紋擴展狀態(tài)，最終對復合材料沖擊應力波進行研究，如圖4所示。

圖4 復合材料拆解及表征Fig.4 Disassembly and characterization of composite materials

2.2.1 橫波在復合材料內的傳播分析

圖5示出陶瓷增強MBWK織物復合材料拆解后每層的破壞情況?？煽吹剑幸r入的陶瓷材料均呈現(xiàn)輻射性破壞。第1層即為材料沖擊表面層，其裂紋數(shù)量較少，但沖擊中心破壞程度較大，部分陶瓷片基本粉碎為顆粒。第2層裂紋數(shù)量較第1層有所增加，并伴有環(huán)狀裂紋，除沖擊中心區(qū)域出現(xiàn)碎瓷片外，陶瓷材料邊緣部分也出現(xiàn)了碎瓷片。第3層即為復合材料表征中的中間層，其裂紋數(shù)量較多，沖擊中心區(qū)域破壞較大。第4層即為沖擊表征背面第2層，破壞較徹底，環(huán)狀破壞現(xiàn)象明顯，碎裂碎片較多。第5層即為沖擊背面層，其破壞程度為所有材料層中最大、破壞徹底，裂紋由沖擊中心向四周擴散，并且沖擊中心區(qū)域的破壞較大。

圖5 沖擊波在陶瓷增強MBWK復合材料內的傳播表征Fig.5 Characterization of shock waves propagation in ceramic reinforced MBWK fabric composites.

對比可發(fā)現(xiàn)，沖擊應力波橫波在沖擊過程中影響材料所有層，其中沖擊表面層和背面層所受損傷最大，中間層最小。與子彈高速沖擊30層芳綸織物增強復合材料靶破壞得出的對復合材料背面和表面織物發(fā)生斷裂，然而中間層織物沒有斷裂致使變形較大[19]的實驗結論一致。此外，第2、4層陶瓷材料出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋擴展，表明沖擊波均勻快速釋放。

圖6示出陶瓷增強機織物復合材料拆解后每層的破壞情況?？煽吹?，所有襯入的陶瓷表征材料均呈現(xiàn)輻射性破壞。第2層即為材料沖擊表面層，沖擊破壞后試樣上表面裂紋數(shù)量較少，但沖擊中心破壞程度較大，并出現(xiàn)環(huán)狀裂紋形態(tài)。第2層裂紋數(shù)量較第1層有所增加，并出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，環(huán)狀裂紋面積較大。第3層即為復合材料中間層，其裂紋數(shù)量較第2層少，環(huán)狀裂紋區(qū)域破壞較大，碎瓷片較少。第4層即為沖擊背面層，其破壞程度為所有材料層中最大，環(huán)狀破壞現(xiàn)象明顯，裂紋由沖擊中心向四周擴散，裂紋碎片較多，并且沖擊中心區(qū)域的破壞較大，出現(xiàn)很多碎瓷片。與MBWK織物增強復合材料相同，機織物增強復合材料在沖擊過程中沖擊應力波的橫波出現(xiàn)在材料所有層，但機織物增強復合材料沖擊背面層所受損傷最大，其次是中間層，沖擊表層破壞程度最小。此外，所有層陶瓷材料均出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋擴展，表明沖擊橫波在所有層間均勻快速釋放。

圖6 沖擊波在陶瓷增強機織物復合材料內的傳播表征Fig.6 Characterization of shock waves propagation in ceramic reinforced woven fabric composites.

2.2.2 縱波在復合材料內的傳播分析

通過圖5可看出，陶瓷材料破壞程度從第1層至第5層依次為增大-減小-增大，其中第5層破壞程度最大，第3層破壞程度最小。此現(xiàn)象說明縱波在傳遞過程中對復合材料表面層和背面層破壞較大，中間層只起過渡傳遞的作用；此外，復合材料表層由于受到落錘的直接沖擊而受到的壓力較大，背面層受到較大的拉伸，沖擊變形最大，破壞程度較大。在沖擊波傳播過程中，它從一種介質傳播到另一種介質中，考慮到2種介質的波阻抗不同，沖擊波在2種介質的分界面上，同時發(fā)生反射和折射現(xiàn)象[20]，當沖擊波從復合材料中傳播到空氣中時，沖擊波在復合材料背面層發(fā)生反射，對復合材料造成二次破壞，導致陶瓷片破壞程度大。

通過圖6可以看出，陶瓷材料破壞程度由大到小依次為：第4層、第2層、第3層、第1層。第4層即為沖擊背面層，其碎裂程度最大，破壞程度最大，第1層即為沖擊表面層，破壞程度最小。形成此現(xiàn)象的原因是第1層陶瓷與機織物層間結合緊密，縱波在層間的傳播時間短。第2、3層破壞程度稍大于第1層，小于第4層(背面層)，此現(xiàn)象說明縱波在傳遞過程中對背面破壞較大，而中間層只起到過渡傳遞的作用。沖擊波傳播過程中在復合材料背面層發(fā)生反射，對復合材料造成二次破壞，導致沖擊背面層陶瓷材料破壞程度大。

3 結 論

1)對比陶瓷增強MBWK織物復合材料與陶瓷增強機織物復合材料上表面層沖擊點破壞面積和裂紋數(shù)量可發(fā)現(xiàn)，在相同的工藝條件下，機織物復合材料破壞面積小、裂紋數(shù)量少，說明機織物復合材料對沖擊能量吸收較多，抗沖擊性能較好。

2)沖擊應力波橫波呈輻射狀向外擴散表現(xiàn)在陶瓷材料表面，即造成陶瓷材料環(huán)形損傷；沖擊應力波縱波沿材料厚度方向進行傳播，引起的破壞損傷貫穿整個增強復合材料。