复合材料动态拉伸力学性能研究进展

聚合物基复合材料动态拉伸力学性能研究进展摘要阐述了国内外对于纤维增强聚合物基复合材料动态拉伸力学性能的研究进展，主要包括：应变率相关和温度相关的宏观与细观统计本构理论，玻璃纤维和纤维束动态力学量之间的关系等。并介绍了旋转盘式杆杆型与反射式SHPB型实验装置。对目前复合材料力学性能研究中存在的问题提出了建议，并对其研究前景进行了展望。关键词复合材料；动态拉伸；力学性能；应变率1前言聚合物基复合材料以其比强度高、比模量大以及优异的耐腐蚀性能，在航空、航天、国防军工以及交通运输、化工和建筑等领域占据着不可替代的巨大市场。近年来，对于纤维复合材料在动态载荷下的力学性能、变形和破坏机理的研究愈来愈受到工程界和学术界的关注[1-3]，日益成为研究热点。2研究现状夏源明[17]等自行研制了旋转盘式杆杆型冲击拉伸实验装置,旋转盘式杆杆型冲击拉伸试验装置及其试验原理的示意图见图1。在此实验装置上成功地实施了单向玻璃纤维/环氧树脂复合材料、碳纤维/环氧树脂复合材料的冲击拉伸实验，并获得了应变率为1000/s的应力-应变曲线。碳纤维/环氧树脂复合材料的冲击拉伸实验结果表明，碳纤维/环氧树脂复合材料是与应变率无关的材料，冲击加载时仍然为脆性（简称高速脆性）。玻璃纤维/环氧树脂复合材料是应变率相关材料，冲击加载时仍然为韧性（简称高速韧性）。在更大的应变率范围内，对单向玻璃纤维/环氧树脂复合材料的动态力学性能进行了进一步研究，发现当应变率大于1300/s时，玻璃纤维/环氧树脂复合材料的高速韧性又向脆性发生转化。在进一步改进上述实验技术的基础上，袁建明[18]等对玻璃纤维束进行了较大应变率范围的冲击拉伸实验，获得纤维和纤维束动态力学量之间的关系，提出用纤维束的冲击拉伸实验来确定纤维动态模量和动态强度参数的方法。王镇[19]等对玻璃纤维束实施不同应变率和不同温度下的冲击拉伸实验，建立了纤维和纤维束力学性能的应变率相关、温度相关的统计本构方程，为研究单向复合材料冲击拉伸断裂机理提供了理论依据。在分析复合材料的冲击拉伸实验结果，特别是卸载实验结果和瞬态温升试验的结果基础上，夏源明[20]等提出了完整的复合丝束模型，描述单向复合材料应变率相关的力学性能，推出了复合材料在冲击拉伸载荷下的一维本构方程：设复合丝束的模量为E0，C点的割线模量为E0c，复合丝束的合力为Pc，则有)(nNAPfFCC(1)NnNNAPFCfCBC)((2)或0011EENnCFCBC(3))1(00NnEECCCBC(4)(4)式即为复合丝束模型所确定的基本本构方程。韩小平[21]等以CFRP和GFRP两种复合材料为例，研究正交复合材料在冲击载荷作用下的拉伸力学性能。推导了应力-应变的计算公式。对CFRP、GFRP层合板进行了冲击拉伸实验研究，得到不同加载率下两种层板的应力-应变(σ-ε)曲线，以及断裂强度、拉伸模量、断裂应变随加载速率的变化规律，并获得对冲击拉伸载荷下复合材料层合板动态力学行为和变形、破坏机理的初步认识。张子龙、程小全[22]等对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤，以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究，采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量，并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后层合板的压缩强度进行了比较。结果表明：在横向压缩过程中存在分层损伤起始压缩载荷值或压入深度值，以及横压载荷极限值；小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式，与SACMA的CAI试验标准的情况相异。姚学锋、杜慧英[23]等人利用实验模态分析方法对碳纤维/环氧树脂编织复合材料的动态力学特性进行了初步的实验研究，确定了编织复合材料梁和复合材料管的振动模态参数与传递函数，并与钢质梁和钢质管的动态性能相比较。结果表明，在冲击脉冲载荷作用下，先进编织结构复合材料与传统金属材料相比，编织复合材料具有较高的固有频率和阻尼比，比刚度大、稳定性好、对冲击脉冲载荷作用的减震效果良好。这为进行编织复合材料的冲击拉伸实验奠定了一定基础。沈军[24]等为对纤维缠绕聚合物基复合材料（FWRP）压力容器进行可靠性设计和安全测评，引入可靠性理论；应用统计学原理，以同一失效概率为标准进行FWRP压力容器结构设计，以取代目前应用的传统安全系数法设计。通过大量实验研究获得纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。GFWRP压力容器结构可靠性设计值（纤维缠绕壁厚）与实验结果基本吻合，并明显小于传统安全系数法设计值。通过对不同纤维强度随机分布下，可靠性分析结果的比较，确知纤维强度的离散程度是FWRP压力容器可靠性设计的重要影响因素。可靠性设计实现了安全性与经济性的有效统一。Kawata[25]和Harding[26]几乎同时在自行改制的冲击拉伸试验装置——分离式压杆装置（SHPB）上分别得到了应变率为1000/s的纤维织物增强和单向碳纤维增强复合材料的应力应变曲线，并进行了复合材料动态力学性能的研究。后来，经改装过的SHPB广泛应用于复合材料的冲击拉伸实验上。J.Harding[27]认为复合材料冲击拉伸实验所面临的困难是：试样尺寸在适合实验装置的同时难以避免应力集中效应的出现，并利用实验数据对实验中观察到的破坏状态建立三维网格模型，以分析复合材料在冲击拉伸载荷下的应力分布。IS.Chocron[28]通过SHPB装置和数据自动采集卡，分别获得芳纶和聚乙烯纤维增强复合材料的应力-应变、应力-应变率、应变-应变率曲线，实验结果表明这些复合材料的拉伸强度随应变率的上升而变大，最大应变却随之减小。C.T.Sun[29]等通过冲击拉伸实验建立模型，用来预测热塑性复合材料层合板的应变率相关力学响应。利用SHPB装置，基于有限元理论建立三维粘弹性模型来描述玻璃纤维/聚合物基对称层合板的高应变率力学响应。并在应变率达到1000/s时，将模型分析所得结果与实验结果进行对比分析，得出低应变率粘弹性模型同样适用于高应变率响应分析的结论，这为深入研究复合材料层合板的动态力学行为提供了实验依据。反射式SHPB装置的试验原理基于以下两个基本假设[30]。（1）平截面假设假设输入杆、输出杆和试样的任意横截面在波的传播过程中始终保持平面，即在输入杆、输出杆和试样中传播单向应力状态的一维应力波。假设输入杆和输出杆中的应力波为一维线弹性波。此假设实际上忽略了输入杆、输出杆和试样中质点的横向惯性效应。（2）试样中应力、应变沿轴向均匀性假设试样中应力、应变沿轴向均匀,忽略了试样中质点的纵向惯性效应，也就是忽略了波在试样中的传播效应，使细杆的动力学方程简化为一维杆的动力学平衡方程,即一维线弹性应力波方程。依据一维应力波理论可导出试样应变率、应变和应力方程依次如下：)]()([2)(0ttLctti(5)dtttt)()(0(6))()(tAEAtts(7)式中A、E、c依次为杆(装置中撞击杆、输入杆和输出杆横截面积及材料性质都相同)的横截面积、杨氏模量和冲击杆速度；而L0、As分别是试样测试长度和横截面积；εi(t)和εt(t)分别是作用在试样上的入射波和透射波的应变值，分别通过输入杆和输出杆上的应变片得到。3前景及展望综上所述，国内外学者专家所进行的大量实验研究已较好地描述了纤维增强聚合物基复合材料的宏观动态力学性能，并建立起了复合丝束模型一维本构方程。但大部分工作只对单向复合材料和复合材料对称铺设层合板在动态拉伸载荷下的力学性能进行了研究，对正交铺层和其他任意铺层复合材料层合板的冲击拉伸性能研究报道甚少。众所周知，树脂基复合材料的力学性能存在诸多影响因素[31-32]，如纤维与树脂基体的匹配性、成型工艺中的质量控制、参数优化等。而上述研究无论是从复合丝束模型，还是从弹脆性材料的损伤模型来看，大多数研究只限于宏观上的表述，并未涉及细观分析，故有待于进一步从细观力学和显微观测等方面来进行深化。另外，作为先进复合材料的增强材料，纤维的表面结构与表面改性及其对于动态力学行为影响的相关性研究必将受到越来越多的关注。立足前人的研究成果，对纤维增强聚合物基复合材料的动态力学行为进行更加深入系统的研究，对于进一步阐明复合材料的动态力学行为机理，拓展复合材料在航空航天以及船舶海洋的应用前景具有深远而重要的意义。