碳纤维层合板动态拉伸与抗冲击性能研究

时间：2025-03-07

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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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