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碳纤维层合板动态拉伸与抗冲击性能研究

汤忠斌

郭伟国

李玉龙

徐绯

赵燕

（汕北工＿ｋ人！譬航空学院，陕ｐｑｌ伯安７１００７２）

摘要采川分离式Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ拉杆和，４速气地，对两种铺层顺序的树脂毕碳纤维层合板进｛ｊ：动态力学。队能和抗冲击性能进行砷ｆ究。得到厂高心变率．卜Ｍ种层介扳的应力心，殳曲线和似种层合扳往＾径１２．７珊的了弹冲击’卜的临界穿透速度和吸能特性。

关键词

碳纤维；复合材料层合板；Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ杆：动态拉伸；高速气炮：冲击

１．引言

复合材料是２０世纪６０年代中期崛起的一种新型材料，具有比强度高、比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀等许多优点【１，２１，与传统的钢、铝合金结构材料相比。树脂基复合材料的密度约为结构钏的ｌ／５，钛合金的１／３，铝合金的ｌ／２，其比强度、比模量高于结构钢、钛合金和铝合金。凶此，先进树脂基复合材料是发展航空航天和国防尖端技术必不可少的高技术新材料，同时在汽车工业、民用飞机、桥梁、建筑、能源、交通运输、生物、医疗器械以及体育用品等方面有着广泛的应用前景。此外，先进树脂基复合材料能有效地减轻导弹年¨航天器的结构质量或赋予某些特殊功能（如防热、吸波等），还有特殊的电磁性能和吸波隐身的作用，是当今航空航天新材料研究和发展的重点，在飞机结构巾的应用可相应减蕈２５％～３０％，先进树脂基复合材料在军用飞机上的应用已有２０年的历史，新一代战斗机上树脂基复合材料的用量已占结构币量的

２５％～３０％【３】。

纤维复合材料单层板在纤维方向有很高的强度和刚度，而在垂直纤维方向上的强度和刚度非常低，实际应用中这类材料都是以层合板的形式出现ｎ 引。长期以来，对于复合材料层合板的力学性能研究主要集中在静态力学方面，有关复合材料在动态冲击作用下的研究不多，而复合材料层合板的使用环境决定其经常承受动载荷和冲击作用，对层合板的动态力学性能和抗冲击性能进行研究迫在眉睫，本文拟利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ拉杆对树脂基碳纤维层合板在高应变率下的力学性能及性研究，并通过高速气炮冲击试验对层合板的抗冲击性能进行评价。

２．动态拉伸试验

２．１实验技术嘲

ＨｏｐｋｉＩ：略ｏｎ压杆技术源于１９１４年Ｈｏｐｋ如ｏｎ【刀测试压力脉冲的试验工作，后来Ｄａｖｉｅｓ【８１对它进行了改进。１９４９

年，Ｋｏｌｓ坶‘９１在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能，这个方法称为分离式Ｈｏｐｋｉｌｌｓｏｎ乐杆（或ＫｏｌｓＩ（ｙ杆）技术。Ｈａｒｄｉｎｇ等【１０】在１９６０年将Ｈｊ于单轴压缩试验的Ｈｏｐｋ洫ｓｏｎ压杆推广到了甲．轴拉伸试验，在此基础上，１９８３年又提出至今被广泛使用的Ｈｏｐｋｉｌｌｓｏｎ拉杆试

●作者简介：汤忠斌（１９７７一），男．硕十，博．１ｊ研究牛。

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验方；上㈨。

奉立利剧自制的分离』ＣＨｏ口ｋｉｎ∞ｎ札扦系统刈南咔ＪＪ；｝些碳｝ｆ绯层台扳进行动杏拉仲试验，其原理图Ⅻ图１所示，将试样兜持】：两个细长弹性杆（入射杆与透射杆）之问，『ｈ环形子弹以定的速度撞击八射ｊ十性杆的端面的凸台，产牛压应力脉冲，压应力脉冲在入射杆自｝ｎ端面反射成拉仲应力脉冲．并沿着入射弹性杆向试样方向传插。当应力波传到入射杆与试样的界

面时．一部分反射回入射杆．另一部分埘试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录＾射脉冲．反射脉冲及透射脉冲．山。维应力波理论可以确定试样上的应力、应变牢、应变随时问的变化，以殛应力～应变曲线，相关计算公式如下：

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式中宣、如ｍ分别为试样的应变率、应变、应力ｔ坼鼽ｈ分别为入射波，反射波和透射波，自为应力

渡在杆中的波速，ｂ为试样长度．也、品分别为杆的横截面积和弹性模量．』ｏ为试样的横截面《ｋ

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本文研究４５‘扳（铺层士４５。）和０４板（铺层０。Ｈ５。＾４５‘月０。）两种铺层顺岸的碳纤维层合扳的动

态力学铂能。试样尺寸如陶２所示，试样和脚ｌｄ】１ＳｏｒＩ拉杆的连接采用环氧树脂粘接（如罔３所示），为了验证

ＨｏｐｋＩｌｌ５０ｎ杆技术对碳纤维复台材料试验的有效性．试样Ｅ还贴有应变片，以便和Ｈｏｐｋｉｎ∞ｎ拉杆所测应变进行

第百心全…雌灯力。、ｊ。丈验技术‘’ｊｊ术会议论：［集

比较，试验在臼；Ｉ，０的分离ＪＩ＝Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ｛ｔ杆系统上进行。

图４为Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ｛ｔ杆上输出的碳纤维层合板拉伸试验文测波肜，入射杆上的应变片记录入射波和反射波，透射杆上的应变片记录透射波。通过图４ｒｆｌ的数据ｎＪ。以处理得到试样的幼念托仲应力应变曲线。图５为通过Ｈｏｐｋｍｓｏｎ杆上所测数据处理得到的应变时问曲线与试样上应变片实测应变的比较，从图５几Ｊ．以看出两条曲线在应变值为０．０１７之前吻合的非常好，这说明Ｈ０ｐｋｉｎｓｏｎ扎杆所测数据是有效几ＪＪ用的，当试样应变达到Ｏ．０１７之后，试样破坏，应变片失效。

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图４碳纤维层合板拉伸试验波形

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图５杆上计算应变与试样上实测应变比较

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图６

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图７

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４５。板动态拉伸应力应变曲线Ｏ。板动态拉伸应力应变曲线

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２．２试验结果

图６、图７分另Ｕ为碳纤维４５。板和０。板的动态拉伸试验试验结果，从图６和图７叮以看出应变率越高，材料越强，层合板有一定的应变率效率，但是不是非常显著。比较图６和图７可以看出０。板的强度明显高一Ｊ二４５。板，可见铺层顺序对层合板的性能有１卜常大的影响。

苹ｎ瞄±洲爆炸山学蜜骑技术学术全泌论文集

３冲击试验

３１试验技术

僦纤维联音板高述冲击试验存自制的高速气炮进打．高速系统包括：高建气炮、数描采集系缆、子弹、弹托、子弹弹托丹离姨置，试件安装夹具毋Ｉ子弹安垒回收装置，其简陶如罔８所不。

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目８高述Ｈ击试验系统

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嘲９冲击试验弹托和干弹

其基本艨理是在气炮气室冲压缩卒气或氯气．通过控制气宣压力和亍弹在炮管中的位置来调节子弹的韧速度．气炮将带有子弹的弹托发射后．弹托由子弹弹托分离装簧拦下，子弹继续飞行．经激光测谴后撞击试件，穿透试件后由撇光铡速系统测量剃采速度，激光测遥系统数据经数据采集幕统采集并传至计算机存储和处理。

高速冲击试骁技术的难点在于如何位子弹和弹托分离及子弹剩余速度的女４量。课题组设计的弹托（如图９）．

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目１０冲击ｉ验结颦

配合分离装置可咀在保证不降低子弹速度的前提下将弹

托拦下，有效解决分离难题：剩余速度的测量经常受到

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试件碎片的干扰，测速系统采用片光源连续测速可以很好的解决子弹剩余速度测盘问题。

本文将在子弹速度为Ｏ～２７０ｍ向的范围内对４５。板和Ｏ。板进行冲击试验，子弹直径１２７删，总长２ｌ

３５

曲，头部为半球形，质量ｉ９９．层台扳厚度２』曲ｒ尺ｑ为１００衄ｘ加０ｍｍ的方形板。为了方便，定义参数

——帔能损失速度ｈ：

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式中ｈ，ｖ１分别为子弹的韧速度和剩余速度

３

２试验结果

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图１０为冲击试验结粜，可以看出４５。扳和Ｏ。板在１９ｇ直径１２．７Ⅲｍ的子弹的撞击下，牯弄穿透速度均为５０ｍ艟芏右，吸能撮失速度ｈ随子弹初速度的上升而增大，层合板的复合材料的抗冲击性能受冲击速度影响较大，存在明显的速度效应．铺层顺牟对层台板的抗冲击性能影响桓小，两种层合扳衷现出摹奉相同的抗冲击特性。

圈ｌｌ为高速冲击试验中的子弹撞击层合扳州个典型时刻的图片．四幅图片清楚的描述了层台板的破坏过程，子弹穿透后．纤维碎片在板的弹性回复力作用下从弹孔喷射出来，两种板的撞击正面破坏形式相同，均没有出现丹层现象，弹孔断口较平整，为瞻性断裂，ｄｌ于碳纤维和树脂基体枯接报强且性脆，可以认为这是种拉伸破坏模式。图１２为两种板的背面破坏形式，从圈１２中可咀看出．两种扳均出现层裂现象－由于铺层顺序不同４５。扳的开裂表层为４５。方向，Ｆ层为碳纤维断裂．ｆｍ０。扳可以看到０。和４５。方向的升层现象，这和珲论上的现象相ｌｑ。背面的分层现象是ｌ“于子弹冲击层台板是产生的压缩应力被在板的背面发射，形成批忡应力

第’万届仝ｌ卡ｌ躁炸／Ｊ学实蟛７技术。节术会议论文集

波，将层合板ｒｆｌ的不Ｉ卅铺层扎开所敛。

４．结论

（１）碳纤维复合利料层合板仃一定的应变率效心，但１ｉ显著。０。板的强度明显高于４５。板，铺层顺序对

层合板力学性能的影响非常人。

（２）４５。板和０。板存１９ｇ直径１２．７ｍｍ的了弹的冲击下。临界穿透速度均为５０ｒｒ以左右。

（３）层合板的复合制料的抗冲击性能受冲击速度影响较大，存在明显的速度效应，吸能损失速度Ｋ随子弹初速度的．卜．升而增大。铺层顺序对层合板的抗冲击性能影响很小，两种层合板表现出基本相同的抗冲击特性。

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Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ：０２９ ８８４９４８５９

碳纤维层合板动态拉伸与抗冲击性能研究

作者：作者单位：

汤忠斌， 郭伟国， 李玉龙， 徐绯， 赵燕

汤忠斌,郭伟国,徐绯,赵燕(西北工业大学 航空学院,陕西 西安 710072)， 李玉龙(西北工业大学航空学院,陕西 西安 710072)

本文链接：http:///Conference_7143187.aspx

授权使用：华东理工大学图书馆(hdlgdxtsg)，授权号：84349f69-461c-4bdb-aea2-9e4600d78cd5

下载时间：2010年12月8日