艦船碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊測(cè)試技術(shù)研究

董珠琳， 周少偉， 景 偉

(1.海軍裝備部裝備審價(jià)中心，北京 100071； 2.中國(guó)艦船設(shè)計(jì)研究中心，湖北 武漢 430064；3.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108)

碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕和可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、船舶及海洋工程等行業(yè)[1]。隨著艦船技術(shù)的發(fā)展，對(duì)上艦材料的輕量化提出了明確需求，而碳纖維復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)能夠較好地滿足這一需求，可應(yīng)用在艦船上層建筑、動(dòng)力系統(tǒng)、舾裝件、艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件和管道系統(tǒng)等對(duì)減重和防腐要求較高的部位。碳纖維復(fù)合材料在艦船上應(yīng)用之前，要對(duì)艦船環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行考核研究，包括鹽霧、霉菌、顛振、高低溫和沖擊等[2]。艦船環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試技術(shù)作為考核研究的重要一環(huán)，對(duì)于充分研究碳纖維復(fù)合材料上艦可行性具有重要的意義[3]?；谏鲜霰尘?，選取碳纖維復(fù)合材料在艦船上的典型應(yīng)用場(chǎng)景，主要開展碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件抗砂石沖擊測(cè)試技術(shù)研究，以支撐碳纖維復(fù)合材料的艦船環(huán)境適應(yīng)性研究。碳纖維復(fù)合材料在遭受外物沖擊時(shí)，容易產(chǎn)生基體開裂、分層和纖維斷裂等形式的損傷[4]。這些損傷通常情況下為目視不可見，但會(huì)明顯削弱復(fù)合材料的強(qiáng)度性能，威脅到復(fù)合材料構(gòu)件安全[5]。在海洋灘涂環(huán)境中存在大量的砂石，艦船復(fù)合材料構(gòu)件在這樣的工作環(huán)境下容易遭受砂石沖擊，特別是對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)合材料傳動(dòng)部件，受到砂石沖擊后出現(xiàn)的損傷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成不良影響。因此，開展碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊測(cè)試技術(shù)研究，對(duì)于推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在艦船行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。

劉菲菲等[6]采用高分辨率超聲成像方法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料沖擊損傷的無損檢測(cè)。鄔冠華等[7]對(duì)碳纖維復(fù)合材料板沖擊損傷進(jìn)行計(jì)算并對(duì)試驗(yàn)后的結(jié)果進(jìn)行了超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)的結(jié)果與計(jì)算結(jié)果具有很好的一致性。高騰龍等[8]通過高速攝像機(jī)對(duì)沖擊載荷下飛機(jī)風(fēng)擋材料進(jìn)行了強(qiáng)度分析，成功捕獲到了外物沖擊飛機(jī)風(fēng)擋瞬間的速度，從而計(jì)算得到?jīng)_擊的能量。周春蘋等[9]對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，其主要集中于數(shù)值方法和損傷機(jī)理的研究，而對(duì)于試驗(yàn)測(cè)試方法的研究較少。綜上所述，目前針對(duì)碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能的研究集中于一定沖擊能量下的損傷性能及損傷機(jī)理，而對(duì)于實(shí)際砂石條件下碳纖維復(fù)合材料抗沖擊性能及防護(hù)的試驗(yàn)研究較少[10]。碳纖維復(fù)合材料的抗砂石沖擊性能設(shè)計(jì)通常會(huì)在碳纖維復(fù)合材料易受砂石沖擊的部位施加金屬防護(hù),但是，金屬防護(hù)存在結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、不耐腐蝕和易脫落等缺點(diǎn)[11]。彈性涂層則可以與碳纖維復(fù)合材料基材之間緊密結(jié)合為一體，且具有不會(huì)明顯增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量、防止電化學(xué)腐蝕和隔絕碳纖維與海洋環(huán)境的直接接觸等優(yōu)點(diǎn)[12]。

目前，針對(duì)砂石沖擊損傷試驗(yàn)測(cè)試，有研究人員采用噴砂機(jī)對(duì)被試件進(jìn)行噴砂的試驗(yàn)方法[13]。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)噴砂機(jī)存在試驗(yàn)壓力波動(dòng)較大、砂石出口速度難以確定等問題。為了克服噴砂機(jī)噴砂的砂石沖擊試驗(yàn)方法存在的問題并對(duì)彈性涂層的抗砂石沖擊性能進(jìn)行研究，筆者基于壓縮空氣炮系統(tǒng)、高速攝像機(jī)和超聲探傷儀，建立了一套碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊的測(cè)試技術(shù)，基于碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行砂石沖擊試驗(yàn)，證明了該技術(shù)的可行性。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

碳纖維復(fù)合材料層合板采用國(guó)產(chǎn)T700級(jí)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備，鋪層順序?yàn)閇±45°]25，試驗(yàn)件厚度為10 mm，彈性涂層厚度為1 mm，制備的試驗(yàn)件如圖1和圖2所示。在試驗(yàn)件表面采用標(biāo)記筆進(jìn)行了區(qū)域的劃分，用于區(qū)分在試驗(yàn)過程中不同沖擊能量彈丸的彈著點(diǎn)。

圖1 碳纖維復(fù)合材料層合板基材

圖2 帶彈性體涂層的碳纖維復(fù)合材料試樣

考慮到海洋環(huán)境中同時(shí)存在砂石和沙粒，參考ASTM G76—2013中沙塵沖擊試驗(yàn)的沙塵粒徑[14]，選用了粒徑為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的海洋砂石來考查海洋環(huán)境中不同粒徑砂石的沖擊行為，試驗(yàn)用砂石如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)用砂石

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

壓縮空氣炮沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)由儲(chǔ)氣室、電磁閥、炮管、測(cè)速探頭、止托器和試件夾持裝置構(gòu)成。通過控制氣源壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)速度約為50～300 m/s的彈丸沖擊，壓縮空氣炮沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)記錄沖擊過程，高速攝像機(jī)型號(hào)為IX750,如圖5所示，最高拍攝頻率為10 f/s。

試驗(yàn)后采用超聲探傷設(shè)備對(duì)復(fù)合材料基材受沖擊區(qū)域進(jìn)行超聲探傷，試驗(yàn)過程中采用Olympus OmniScan MX2相控陣超聲探傷儀，如圖6所示。利用超聲波來檢測(cè)焊縫及探測(cè)金屬、復(fù)合材料、塑料和陶瓷等材料中的隱藏裂縫、空隙、分層、多孔性及其他內(nèi)部不規(guī)則性[15]。

圖4 壓縮空氣炮沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

圖5 高速攝像機(jī)

圖6 相控陣超聲探傷儀

試驗(yàn)件采用單邊加持固定在試驗(yàn)夾具上，最后將試驗(yàn)夾具安裝在沖擊試驗(yàn)平臺(tái)上(螺栓連接固定)，確保夾具與氣炮系統(tǒng)垂直，試驗(yàn)件平板平面與地面垂直。試驗(yàn)采用氣炮系統(tǒng)發(fā)射彈丸對(duì)試件施加沖擊載荷，試驗(yàn)體加載方式如圖7所示。沖擊試驗(yàn)時(shí)，選用粒徑為1～6 mm的砂石，通過調(diào)節(jié)氣源壓力，采用大致相同的沖擊速度對(duì)3種類型試驗(yàn)件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，模擬砂石等對(duì)涂層和碳纖維復(fù)合材料層合板基材的沖擊。

圖7 試驗(yàn)件加載方式

2 復(fù)合材料層合板砂石沖擊試驗(yàn)

2.1 測(cè)試設(shè)備的調(diào)試

測(cè)試設(shè)備調(diào)試時(shí)，通過選用不同粒徑的砂石進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，確定在該粒徑下沖擊加載系統(tǒng)使得砂石達(dá)到預(yù)設(shè)速度的氣體壓力值，同時(shí)調(diào)整測(cè)試設(shè)備使其處于良好的測(cè)試狀態(tài)。

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，確定試驗(yàn)時(shí)砂石速度不低于170 m/s。為此，在測(cè)試設(shè)備調(diào)試過程中，首先通過精密電子天平測(cè)量并記錄不同粒徑砂石的質(zhì)量。隨后通過調(diào)整發(fā)射氣壓，對(duì)同一粒徑下的砂石進(jìn)行速度定標(biāo)。定標(biāo)過程中采用高速攝像機(jī)獲取砂石在特定壓力下的沖擊速度和砂石與彈托的分離狀態(tài)，確保彈托與砂石完全分離。通過不斷調(diào)節(jié)壓縮空氣炮的壓力值，使得高速攝像機(jī)測(cè)量得到的砂石沖擊速度不低于170 m/s，并記錄此時(shí)的壓力值。圖8為砂石沖擊碳纖維復(fù)合材料的過程動(dòng)畫截圖，從圖8中可以看出此時(shí)彈托與砂石完全分離，可以準(zhǔn)確判定砂石沖擊在試驗(yàn)件上的位置，排除了彈托碎片的沖擊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖8 砂石沖擊碳纖維復(fù)合材料的過程動(dòng)畫截圖

通過測(cè)試設(shè)備的調(diào)試，記錄得到了不同粒徑砂石的試驗(yàn)氣壓參考值，如表1所示，該氣壓即可作為后續(xù)正式試驗(yàn)的氣炮發(fā)射氣壓。

表1 不同粒徑砂石發(fā)射氣壓參考值

2.2 砂石沖擊正式試驗(yàn)

在確保試驗(yàn)件安裝狀態(tài)、氣炮系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)工作正常后進(jìn)行砂石沖擊的正式試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中使用精密電子天平直接測(cè)量彈體直徑、彈托質(zhì)量和彈丸彈托總質(zhì)量等，并采用高速攝像機(jī)測(cè)量沖擊過程中砂石的速度，計(jì)算出彈丸質(zhì)量、沖擊能量等數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)記錄到不同粒徑砂石沖擊無涂層復(fù)合材料層合板損傷結(jié)果，如圖9所示。由圖9可知，伴隨著沖擊砂石粒徑的增大，碳纖維復(fù)合材料層合板表面出現(xiàn)纖維斷裂損傷，并且損傷面積逐漸增加。

圖9 不同粒徑砂石沖擊無涂層復(fù)合材料平板損傷結(jié)果

為定量描述沖擊過程中砂石沖擊能量與損傷情況之間的關(guān)系，計(jì)算得到試驗(yàn)過程中所使用的沖擊能量，如表2所示。得到的沖擊能量與碳纖維復(fù)合材料層合板損傷情況如圖10所示。由圖10可以看出，在沖擊能量為0.5 J時(shí)，沖擊區(qū)域表面出現(xiàn)了纖維斷裂，伴隨著沖擊能量的加大，纖維斷裂情況加劇。

表2 碳纖維復(fù)合材料層合板基材砂石沖擊能量

圖10 不同沖擊能量的碳纖維復(fù)合材料層合板損傷情況

對(duì)沖擊后的試驗(yàn)件進(jìn)行超聲探傷，探傷結(jié)果表明：在層合板內(nèi)部未出現(xiàn)明顯分層，證明復(fù)合材料層合板在砂石沖擊狀態(tài)下易出現(xiàn)的損傷形式為表層纖維斷裂。

計(jì)算得到不同粒徑砂石沖擊含涂層復(fù)合材料層合板沖擊能量，如表3所示，得到?jīng)_擊能量與碳纖維復(fù)合材料層合板表面涂層的損傷情況，如圖 11所示。

圖11 不同沖擊能量碳纖維復(fù)合材料彈性涂層損傷情況

表3 含涂層碳纖維復(fù)合材料層合板砂石沖擊能量

試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)砂石沖擊能量達(dá)到1.13 J時(shí)，在復(fù)合材料層合板涂層表面出現(xiàn)了較為明顯的劃痕，但是涂層未被破壞。伴隨著沖擊能量的提高，涂層的劃痕加重。當(dāng)沖擊能量達(dá)到2.23 J時(shí)，涂層出現(xiàn)了剝離破壞，此時(shí)的復(fù)合材料沖擊區(qū)域表面未出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象。

對(duì)沖擊后的復(fù)合材料基材進(jìn)行超聲探傷，未發(fā)現(xiàn)層間分層現(xiàn)象的出現(xiàn)，證明碳纖維復(fù)合材料表面防護(hù)涂層對(duì)于碳纖維復(fù)合材料在遭受砂石沖擊時(shí)能夠起到很好的保護(hù)作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

建立了艦用碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊測(cè)試技術(shù)，基于該測(cè)試技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料基材進(jìn)行了砂石沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

① 筆者提出的測(cè)試技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)試驗(yàn)方法中使用噴砂機(jī)進(jìn)行艦用復(fù)合材料抗砂石沖擊試驗(yàn)存在的噴槍壓力不穩(wěn)定、砂石沖擊速度無法準(zhǔn)確測(cè)量的缺點(diǎn)，能夠獲得準(zhǔn)確的砂石沖擊能量，模擬船舶登灘時(shí)的砂石沖擊工況。

② 采用該測(cè)試技術(shù)對(duì)制備的艦用碳纖維復(fù)合材料試樣進(jìn)行抗沖擊性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂石沖擊能量大于0.5 J時(shí)，碳纖維復(fù)合材料表面易出現(xiàn)纖維斷裂損傷，采用彈性涂層能夠有效地提高碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊性能(抗沖擊能量提高到2.33 J)，測(cè)試結(jié)果與實(shí)船應(yīng)用情況一致。

③ 建立的砂石沖擊測(cè)試技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的不足，可以很好地用于艦船碳纖維復(fù)合材料抗砂石沖擊性能的研究。