复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性.pdf
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1、2 0 0 7 年7 月北京航空航天大学学报J u l y2 0 0 7第3 3 卷第7 期J o u m a lo fB e i j i n gu n i v e 鸺i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t n a u t i c sV 0 1 3 3N o 7复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性贺成红张佐光李玉彬孙志杰(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京l o 0 0 8 3)摘要:考察了玻璃纤维、炭纤维、芳纶和u H M w P E 纤维复合材料(分别称为G F R P,c F R P,A F R P 和D F R P)层板的低速冲击吸能,并采用高
2、载动态热机械分析仪E P L E x-0 R 5 0 0 分析了其纤维复丝的动态黏弹性的载荷敏感性结果表明:冲击吸能明显受纤维性能及层板破坏模式的影响,呈韧性破坏的A F R P 和D F R P 的冲击吸能明显高于呈脆性破坏的G F R P 和c F R P 在动态热机械分析中,静载增大使得储能模量升高但损耗角正切减小,动载增大时正好相反,且在这些影响中有机纤维复丝动态黏弹性较无机纤维复丝表现出更显著的载荷敏感性和非线性4 种层板的吸能大小与其纤维复丝储能模量载荷敏感性的强弱以及损耗角正切大小的顺序相同:D F R P A F R P G F R P c F R P,反映出材料宏观冲击性能与
3、表征其微观结构特征的黏弹性能的相关性关键词:复合材料;冲击;吸能;黏弹性中图分类号:T B3 3 2文献标识码:A文章编号:l 0 0 1-5 9 6 5(2 0 0 7)0 7 8 5 1 5I m p a c te n e r g ya b S O r p t i O na n dd y n a m i CV i s c O e l a s t i C i t yO fC O m p O s i t e SH eC h e n g h o n gZ h a n gZ u o g u a n gL iY u b i nS u nZ h i j i e(s c h l0 fM a t e r
4、i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,B e 巧i n gu n i V e 鹅i t ydA e m n a u t i c B 柚dA s t r o n a u t i c B,B e 玎i n gl O 0 0 8 3,c h i n 8)A b s t r a c t:T h ee n e r g ya b s o r p t i o n so fc o m p o s i t el a m i n a e 8r e i n f o r c e dr e s p e c t i v e l yb yg l a s sf i b
5、e r,c a r b o nf i b e r,a r a m i df i b e r,a n du H M w P Ef i b e r(s e p a r a t e l yn a m e da sG F R P,C F R P,A F R Pa n dD F R P),w e r ei n v e s t i g a t e du n d e rt h el o wv e l o c i t yi m p a c t T h el o a ds e n s i b i l i t i e so nd y n a m i cv i s c o e l a s t i c i t yo
6、fc o m p o s i t ef i b e rb u n d l e so ft h e s ef o u rk i n d so f6 b e r sw e r ea n a l y z e db yu s i n gt h eE P L E X O R 5 0 0d y n a m i cm e c h a n i c a lt h e 珊a la n a l y z e ru n d e rh 培hl o a d s T h ei m p a c tt e s t ss h o wt h a tt h ei m p a c te n e r g)ra b s o r p t i
7、o ni sc l o s er e l a t e dt ot h ef i b e rp m p e r t i e sa n df a i l u r em o d e s T h ei m p a c te n e r g ya b s o r p t i o n so fA F R Pa n dD F R Pl a m i n a t e st h m u g hd u c t i l ef a i l u r e sa r em u c hh i g h e rt h a nt h o s e0 fG F R P,a n dC F R Pl a m i n a t e st h r
8、 o u g hb r i t t l ef a i l u r e 8 D y n a m i cm e c h a n i c a lt h e r-m a la n a l y s i so fc o m p o s i t ef i b e rb u n d l e ss h o wt h el o a de f 玷c t sa st h a ts t o m g em o d u l u si n c r e a s ea n dl o s st a n g e n t sd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n g8 t a t i
9、cl o a d,w h i l et h ec a s ei sj u 8 tr e v e r s ew i t ht h ei n c r e a s i n gd y n a m i cl o a d I nt h e s ee f 艳c t s,t I l eo r g a n i cf i b e 墙e x h i b i tm o r es e r i o u sl o a ds e n s i b i l i t i e sa n dn o n l i n e a r i t yt h a nt h ei n o r g a n i cf i b e r s T h e 8 e
10、f b u rl a m i n a t e ss h o wt h e8 a m es e q u e n c eD F R P A F R P G F R P C F R Pone n e r g ya b s o r p t i o na st h el o a ds e n s i b i l i t y“s t o r a g em o d u l u so rt h ev a l u eo fl o s st a n g e n to fc o m p o s i t ef i b e rb u n d l e s T h i sr e n e c t e st h ec o r
11、r e l a t i o no ft h em a c r o s c o p i ci m p a c tp e r|o 哪a n c ea n dv i s c o e l a s t i c i t yw h i c hi sc l o s ea s s o c i a t e dw i t hm a t e r i a lm i c r o s t n l c t l n e K e yw O r d s:c o m p o s i t e 8;i m p a c t;e n e r g ya b s o r p t i o n;v i s c o e l a s t i c i t
12、 y纤维增强树脂基复合材料在航空航天、兵器工业、工程结构、机械设备、交通运输等领域的应用日益广泛,这些场合中普遍存在各种冲击载荷,因此,纤维复合材料的冲击损伤尤其是低速冲击损伤问题引起了高度的重视。4 1 复合材料层板在冲击载荷下存在基体压碎、开裂、分层、纤维断收稿日期:2 0 0 6 狮2 0作者简介:贺成红(1 9 7 7 一),男,山西定襄人,博士生,c h h h b j 1 6 3 c o m 万方数据8 5 2北京航空航天大学学报2 0 0 7 年裂与拔出等多种损伤过程,其冲击损伤与增强纤维、基体以及界面性能有着非常大的关系,而且由于细观结构的影响,其损伤破坏机制和模式很复杂,给研
13、究带来了很大的困难对于高分子复合材料,黏弹性是可以反映其微观结构最突出特征-的基本属性之一,本文即是基于材料宏观性能必然与其微观结构特征密切相关的考虑,试图探讨几种纤维复合材料的低速冲击损伤吸能与其动态黏弹性之间的关系材料微观结构运动单元的活动或构象的变化可直接反映在其动态黏弹性参数的变化上,冲击过程是快速作用的变载荷过程,因此研究复合材料在更接近实际的高动载下的黏弹特性对了解材料结构与性能之间的关系具有重要意义关于高分子材料动态黏弹性载荷敏感性的研究,主要集中于黏弹性较大的橡胶材料。9o,且测试载荷都较小因抗冲击用高性能纤维的模量较高、强度较大,要研究其载荷敏感性,需施加较高载荷,故本文采用
14、高载动态热机械分析仪E x P L O R E R 5 0 0(可提供的最大总载荷高达5 0 0N,远高于常规的动态力学热分析仪)在较宽的载荷范围内对几种纤维复合材料动态黏弹性的载荷影响做了考察,并从黏弹性角度对材料抗低速冲击机制进行了探讨1实验部分1 1 原材料及试样选用了4 种不同性能的常用纤维炭纤维:”0 0 B(日本T o r a y 公司),玻璃纤维:S-2(南京玻璃纤维研究设计院),芳纶:T w a r o n 7 5 0(荷兰A K z O 公司),u H M w P E 纤维:s K 6 6(荷兰D s M 公司)树脂基体:环氧6 1 8(无锡树脂厂);酚醛缩丁醛体系(酚醛:F
15、 0 1-3 6(天津灯塔涂料股份有限公司),缩丁醛:聚乙烯醇缩丁醛(北京兴津化工厂);低密度聚乙烯(荷兰D s M 公司);3 2 3 4 树脂体系(北京航空材料研究院)G F R P,C F R P,A F R P 和D F R P 分别表示玻璃纤维、炭纤维、芳纶、u H M w P E 纤维的复合材料层板所有层板均采用热压成型制备由于着重考察纤维性能对冲击吸能性能的影响,为避免纤维与基体界面结合性能相差太大,采用了不同的树脂基体,G F R P,c F R P 采用3 2 3 4 树脂体系,A F R P 采用酚醛一缩丁醛体系,D F R P 的基体为低密度聚乙烯纤维复丝的制备:采用浸胶
16、、晾置、室温固化工艺制备,基体均为环氧6 1 8 树脂1 2 复合材料层板摆锤冲击实验为实现对层板的冲击,采用了改造的J C S J 3 0 0 1 型数字化多用途冲击试验机,试样采用两侧夹持、中点垂直冲击,冲击试验机的冲头为7 6 2m m 锥形冲头,冲击速度均为2 8 0m s 1 3 动态热机械分析(D M T A)D M T A 测试采用拉伸加载下的静动载扫描模式,在试样上同时施加“静载”和“动载”(静载大于动载)“静载”是指恒定或变化较缓的单调载荷,“动载”为正弦交变载荷静动载扫描是指在一定的温度和加载频率下,考察当静载或动载幅值线性变化时,动态黏弹性参数的变化情况,相应地称为“静载
17、扫描”或“动载扫描”所有实验中动载的加载频率均为l OH z,测试温度均为2 5 2实验结果与讨论2 1复合材料层板的冲击吸能冲击过程中参与吸能的作用包括冲剪冲塞、挤压碎裂、弯曲形变、分层、界面脱粘、滑移摩擦、纤维拔出、拉伸断裂等复合材料薄板直接承受锥形冲头冲击时,最初为冲头剪断接触部位的部分纤维及基体;随后接触面增大,冲头将纤维向四周挤压、排开,同时纤维在巨大的排挤作用下向外卷曲、向四周隆起、并引起附近纤维的抽动和树脂基体的碎裂,冲头继续前进,速度下降,层板背部纤维弯曲拉伸形变、局部凸起直至纤维发生拉伸断裂,进一步吸收动能,其余纤维在排挤作用下向外、向四周弯卷,冲头穿出,随后克服摩擦作用而完
18、全穿透层板图1 显示了4 种纤维复合材料层板的破坏形貌,G F R P 和c F R P 的冲击形貌表现出明显的脆性破坏,冲入口周围出现较大面积的分层,出口处也有明显的分层、弯折,孔周围纤维毛刺较多而D F R P 和A F R P 则为明显的韧性破坏,冲击入口沿冲孔周围出现因冲头向四周挤压而形成的隆起以及因纤维的扯动而出现十字形损伤;穿透后冲孔收缩明显,D F R P 层板因纤维变形性良好而在出射口处表现出较大的扯动现象,以至出现一个星形剥离创面;整个层板受冲击影响的范围也较大图2 为该4 种层板的冲击吸能,A F R P 及D F R P 的冲击吸能较高,超过G F R P 和c F R
19、P 的冲击吸能的2 倍纤维本身性能直接关系复合材料的冲击吸能能力,炭纤维和玻璃纤维刚度高,形变小,易于弯折,主要靠分层及纤维剪切断裂吸收能量,虽然其拉伸强度高,但由于横向剪切强度较低,在充分发挥拉仲性能之前,纤维已经弯折和剪 万方数据第7 期贺成红等:复合材料的冲击吸能与动态黏弹特性8 5 3图l4 种纤维复合材料层板冲击破坏形貌(左为冲入口,右为冲出口)断,因而吸能较低,特别是当板材厚度较薄时T w a r o n 7 5 0 以及u H M w P E 纤维则由于柔性好,易于产生大的形变,使层板的受力状况转化为主要承受拉伸应力,有利于实现通过纤维拉伸形变及断裂而吸收大量能量:_ a蓉佰是G
20、 F R P层板类型图24 种纤维复合材料的冲击吸能2 2 载荷对纤维复丝动态储能模量的影晌考察了载荷对4 种纤维复丝动态黏弹性参数的影响图3 a 和图3 b 分别为静载扫描和动态扫描中4 种纤维复丝动态储能模量的变化储能模量均随静载的增大而提高,随动载的增大而降低无机纤维复丝的储能模量高于有机纤维复丝但有机纤维复丝储能模量随载荷而变化的幅度很大,如图3 a 和图4 a 静载扫描中,有机纤维复丝储能模量均升高达1 倍左右,尤其是U H M W P E 复丝升幅最大,在所研究载荷范围内升高超过7 0G P a,以至于在静载较高时逐渐超过s-2 玻璃纤维复丝与静载使得储能模量升高相比,动载增大则使
21、储能模量降低,S 2 玻璃纤维复丝和碳纤维复丝的储能模量降低的幅度仍较小,有机纤维复丝储能模量降低的幅度也明显减小,但变化幅度仍以U H M w P E 纤维复丝为最大另外,有机纤维复丝储能模量的变化均表现出明显的非线性,尤其在静载扫描中u H M w P E纤维复丝的非线性最为明显,而无机纤维复丝储能模量变化的非线性较小,特别是对于碳纤维复丝黏弹性是树脂基复合材料微观结构运动单元在对外载做出响应时所表现出的特性,反映了其运动单元的多重性和对外载响应的迟滞性微观运动单元在外载下的响应过程与外载的大小有关,在同时施加一个静载和一个动载时,静载相当于给运动单元预先施加了一个张紧力,因此对动载的响应
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