编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究 6页

第2卷第3期航空工程进展Vo1．2NO．32011年8月ADVANCESINAER0NAUTICAISCIENCEANDENGINEERINGAug．20l1文章编号：1674—8190(2011)03—27606编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究何可馨，郭伟国，张晓琼，鬲钰焯。，阎崇年，张文军(1．西北工业大学航空学院，西安710072)(2．中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，西安710089)摘要：为探讨由SW100／5228A玻璃纤维编织(GFRP)层板与CCF一1／5228A碳纤维复合材料(CFRP)层板以不同比例组成的功能梯度板的吸能性能，用重量80g直径23mm的弹丸对六种比例组成的功能梯度板进行r速度约70m／s的弹道试验。对弹击后的试样进行了损伤分析和剩余强度试验，通过c扫描发现，大积损伤往往发生在中间层。随着玻璃纤维编织层厚度比例的增加，梯度板的吸能性能有所提高。通过对比背板变形发现，玻璃板厚度比例占5的功能梯度板适合做结构的防弹装甲板材，而占3O比例的功能梯度板更适合作为人体防护板。关键词：复合材料；吸能；弹道冲击；剩余强度中图分类号：V214．8；V258+．5文献标识码：AStudyonAbsorbingEnergyCharacterofFunctionallyGradedPlateofGFRP／CFRPHeKexin，GuoWeiguo，ZhangXiaoqiong，GeYuzhuo，YanChongnian。，ZhangWenjun(1．SchoolofAeronautics，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)(2．TheFirstAircraftInstitute，AviationIndustryCorporationofChina，Xi’an710089，China)Abstract：InordertOinvestigatetheabsorbingenergycharacteroffunctionallygradedplateofGFRP／CFRPwithdifferentGFRPplyproportion，aseriesofballisticimpacttestsareperformedusingweight8Oganddiameter23mmbulletswithaspeedofabout70m／s．Impactdamageandresidualcompressivestrengthareanalysed，andthemaximalimpactdamageareaisfoundonthemidlayerwithaC～scandevice．WithGFRPplyproportionin—creased，theabsorbingenergycharacteroffunctionallygradedplatesisenhanced．Bycomparingdeformationofbackpanels，itisfoundthat，thefunctionallygradedplatewith5GFRPissuitedtobemadetOballproofar—morofstructure，butwith30GFRPiswellsuitedtObehumanprotectivearmor．Keywords：composite；absorbingenergy；ballisticimpact；residualstrength起研究者和工程人员的极大关注。研究其吸能性0引言能、失效破坏状况以及弹击后的剩余强度是目前一随着纤维增强复合材料在航空、航天等领域中个十分重要的课题。HosseinzadehR_】在落锤试的广泛应用，复合材料结构在各种碎片、弹丸、冰验中发现由玻璃纤维与碳纤维混杂，在高能量冲击雹、砂石等外来物以不同速度撞击下的性能研究引下混杂板的玻璃纤维的加入弥补了全碳纤维板易碎的缺点(纤维断裂与分层)；在低能量的冲击下混杂板的碳纤维的加入弥补了全玻璃纤维板强度不收稿日期：201011—13；修回日期：2010-12—27高的缺点，玻璃纤维与碳纤维混杂板显示出优异的基金项目：国防科技民用直升机抗鸟撞结构设计和试验技术(2007—1414)吸能性能。GowerH对Kevlar29和Kev—国防科技民用固定翼飞机抗鸟撞设计、分析验证(N6BM)lar129复合材料层合板进行了速度130～250m／s通信作者：郭伟国，weiguo@nwpu．edu．cn 第3期何可馨等：编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究277的弹道冲击试验与有限元模拟，发现Kevlar29具吸能效率等，由Kevlar纤维与碳纤维梯度或混杂有更小的背板板面变形，对板后人体的伤害更小，的抗弹结构同样吸引设计与研究者的极大关注。更适合做人体吸能梯度板。李永东[3分析了陶瓷目前为了抗击软体、橡胶碎片、冰雹、砂石等对结构面板与石墨／聚乙烯杂交纤维复合材料背板的材料的高速撞击和破坏，考虑到玻璃纤维编织复合材料参数、几何参数等对复合梯度板的吸能性能的影具有较低模量，良好的抗剪性能和较高的强度，结响。徐静怡分析了两种厚度Twaron／环氧四步合高韧性高模量的碳纤维复合材料层板优点，考虑法三维编织复合材料在300700m／s速度范围内到工程实际应用，本文对由玻璃纤维编织复合材料弹道冲击破坏的宏观形态和细观形态，发现复合材层板与碳纤维复合材料层板按照不同比例组成的料在受弹道冲击的入射面以纤维和基体剪切、压缩功能梯度板进行了等能量冲击下的吸能性能评估。破坏为主要破坏模式，背板以纤维拉伸破坏为主要包括对由Sw1()()／5228A玻璃纤维编织层板与破坏模式。梅志远讨论了层合板结构弹道冲击CCF一1／5228A碳纤维层板以不同比例组成的功能下破坏模式、弹体初始侵彻速度及面密度与吸能能梯度板进行系统弹道试验，对梯度板吸能行为、其力和吸能效率之间的关系，认为破坏模式反映了不组成成分对吸能的影响、损伤机理、准静态压缩剩同的吸能特性和纤维失效机理。熊杰提出了基余强度与组成成分的关系等进行了系统研究。于准静态侵彻测试结果的预测Twaron织物树脂1试验方法层压复合材料靶板剩余速度的简单能量模型。宫平通过对玻璃纤维复合材料力学性能和吸能性1．1材料及试样能的研究，通过分析影响玻璃纤维复合材料吸能性功能梯度板如图1所示，其正撞击面板材料为能的因素，得出制备玻璃纤维复合材料的最佳工艺SWlOO／5228A玻璃纤维编织复合材料板，背板为参数。WenHM、王元博等。。。通过系列弹道冲CCF一1／5228A碳纤维层合板，面板与背板固化在击试验，针对不同形状弹头弹丸侵彻复合材料层合一起。层合板的尺寸均为200mm×150mm×板，提出了估算侵彻阻力的近似方法，得到了试验8．7mm。玻璃纤维编织面板厚度占总厚度为值与预测值大致吻合的弹道极限速度。邱桂杰[15、10、15、20、25、30六种，功能梯度板等将4mitt厚的特种橡胶片置于复合材料之间复铺层如表1所示。合成型，发现弹性橡胶材料使弹头的侵彻发生了几毫秒的延迟，而在这个过程中，由于碳纤维复合材料的变形和橡胶的压缩，防弹材料已经吸收了相当t-swl00／5228A多的能量，其防弹效果明显提高。lCCF-1／5228A分析这些研究可知，为了提高复合材料结构板的抗弹与吸能能力，结构板正面(弹击面)常选用抗剪、抗压性能高的层板，背面应选用抗拉抗大变形图1sw100／5228A和CCF-1／5228A复合材料功能梯度板的层板。对于特殊应用，普遍采用正面为工程陶Fig．1FunctionallygradedplateofSW100／5228Aand瓷，背面为高模量碳纤维层板；为减轻重量和提高CCF一1／5228A表1各靶板的铺层顺序Table1Iayersequeceofcompositelaminate面板比例／％SW100／5228A 第3期何可馨等：编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究279为玻璃编织板裂纹最大长度与面板厚度百分比的冲击后压缩试验，所有试件的破坏均起始。试关系。随着玻璃编织板厚度的增加，破坏直径明显件的冲击点位置，沿垂直加载方向扩展破坏。压缩减小[1]。图6(b)为碳纤维背板裂纹长度与面板厚破坏时前后表面与侧面的的破坏形式如图7所示。度百分比的关系。可以发现背板裂纹长度远大于试件在受压过程中，分层扩展时层合板会发出声面板裂纹长度。随着面板厚度的增加，背板基体裂响，当载荷较低时，背面出现局部屈曲。继续加载纹长度减少并不明显，当面板厚度增加到2O％时，时，沿垂直载荷方向(90。方向)向两边扩展破坏，而背板基体裂纹长度有下降趋势。这是因为在面板在平行载荷方向(0。方向)不变。当载荷达到一定厚度小于20时，基体裂纹已达到试件的冲击边水平时，板的前后表面铺层纤维发生断裂，紧接着界。图6(c)为损伤面积(C一扫描测量)随着面板厚整个层合板发生最终破坏。从破坏后板的侧面进度百分比改变的变化规律。可见大面积内部损伤行观察，发现铺层已发生断裂。不同面板厚度冲击发生在碳纤维层。随着面板厚度的增加，层合板的后压缩剩余强度随着面板厚度的增加而逐渐下降，损伤面积扩大。从试件外观看，由于该系列试验的这是由于玻璃纤维复合材料层板刚度小强度低，在冲击能量较大，试件背板的铺层由于分层扩展被限制而出现纤维断裂。在相同的冲击能量冲击后，试增加玻璃纤维层后在总体厚度不变的情况下削弱件的损伤面积分散性还是比较大。了碳纤维铺层，导致整体强度下降。(a)面板损伤(b)背面(b)背板损伤(c)侧面图7层板冲击压缩后破坏形貌Fig．7Failureconfigurationoflaminatecompressionafterimpact3弹道极限速度弹道极限速度又称为穿透临界速度，即也可以(c)不同厚度处损伤面积图6损伤与面板的比例关系认为是弹丸嵌于靶内与击穿靶板的临界速度。不同面板比例的穿透试验结果如表2所示。 28O航空工程进展第2卷表2试验结果种方式吸收弹丸能量。随着玻璃板厚度的增加，层Table2Testresult合板刚度下降，由脆向韧转化，发生破坏应变的时间延长。5时破坏变形时间为0．4ms，30时破坏变形时间为0．75ms。可以认为在弹丸冲击玻璃编织板厚度大的板时，在碳纤维板受作用前弹丸有一个短暂“停留现象”，该现象可以引起软材料层卸载梯度材料内较早产生的拉伸波，从而在一定程度上阻止了弹丸对背板造成强烈的冲击载荷。延长冲击波在层合板内部的破坏变形时问，通过面板与背板对冲击波进行削弱，导致破坏变形时间长的试件在内部具有更大的破坏面积。观察破坏应变可以发现在面板厚度比例5时，背板破坏应变超过0．02应变。而随着面板比例的增加背板破坏应变降低到了0．01应变，且形成的不可恢复的塑性变形较前者减小了5O。由表2可以看出，T1-2，T2—1在70m／s的速度下都出现弹丸嵌住的情况(靶板厚度8．7mm，长度29mm的弹体有约24mm进入到了靶板)，一板001O一一板推测两者弹道极限速度可能就在70m／s附近。其0005、他靶板弹丸弹出。这是因为在面板比例5、100．．一10．5l0rj5202530时，碳纤维层数多，功能梯度板易发生脆性断裂。一0．005一一、，，一一0．010．而随着玻纤编织层板的增加，在同样速度下，抗拉-0．015、，性能好的织物层的增加与高强度碳纤维背板组合，·0．020可更有效的限制弹体对靶板的撕裂，同时也增加了．0．025侵彻阻力。所以增加编织玻璃层厚度有利于提高弹道极限速度。通过对试验后试样切开发现靶板0,015处于完全穿透破坏，并呈现贯穿的十字开裂，典型0．010．结果如图8所示。八0．005。0．．／。．．．．—、10．510tt,52．02．5～3．03-0．005、⋯、0．010／v一OO15，／mS图8试样横断面照片(b)30％面板Fig．8Photographofcross—section图9面板与背板面上应变一时间历程Fig．9Strain—timehistoryonfrontandback—sur{ace4结果分析从保护内部物来评判，在相同冲击速度下，玻作为防护梯度板，背板变形是必须考虑的因纤编织面板占5时内部分层损伤较小，剩余强度素。如作为人体防护板，背板塑性变形产生的断裂相对较高，但碳纤维复合材料背板破损严重，变形纤维对人体可能造成极大伤害。玻璃纤维板厚度大，吸能效果不好，对人体防护不利，适合做结构防为5与3O的面板与背板时间一应变曲线(取应冲击的保护。当玻纤编织面板比例增加，例如若为变平均值)如图9所示。在玻璃板厚度占5时，3O时，在同能量冲击下功能梯度板内部损伤大，层合板刚度较大。背板后部发生严重变形，通过此碳纤维复合材料背板变形小，表明吸能效果好，适 第3期何可馨等：编织玻璃纤维与碳纤维铺层功能梯度板吸能特性研究281gineering，2005，17(1)：11一l5．(inChinese)合做人体防护材料，当然也适合做为结构的抗冲击[6]熊杰，顾侗洪，王善元．Twaron织物树脂层压复合材料靶防护。板剩余速度的研究[J]．弹道学报，2002，14(1)：2026．XiongJie，GuBohong，WangShanyuan．Investigationonre5结论sidualvelocitiesoflaminatedcompositetargetssubjectedto(1)随着玻纤编织板厚度的增加，撞击面板层ballisticimpact[J]．JournalofBallistics，2002，14(1)：20—26．(inChinese)(玻纤编织板)损伤形状由方向圆转化；面板和背板E7]官平，乇慧军，李华，等．玻璃纤维复合材料吸能性能的研基体裂纹长度随面板厚度增加而降低；背板裂纹长究EJ]．高科技纤维与应用，2007，32(1)：l931．度大于面板裂纹长度。GongPing，WangHuijun，IiHua，eta1．Studyanti—bullet(2)表面损伤并不能反映梯度板的真正损伤情propertyofglassfibercomposites[J]．Hi—TechFiber&Appl况。随着面板厚度的增加，面板与背板损伤面积均ieation，2007，32(1)：1931．(inChinese)[8]WenHM．PredictingthepenetrationandperforationofFRP减小，而内部损伤面积逐渐变大。laminatesstrucknormallybyprojectileswithdifferentnose(3)在70m／s的情况下，玻纤面板厚度占5shapes~J]．CompositeStructures，2000(49)：321329．的功能梯度板适合做防弹支撑材料；玻纤面板厚度[9]WenHM．PenetrationandperforationofthickFRPlami—占3O的功能梯度板具有更低的背板破坏变形，nates[J]．CompositesScienceandTechnology，2001(61)：吸能效果更好，更适合做为人体防护吸能梯度板。11631172．[1O]王元搏，王肖钧，胡秀章，等．Kevlar层合材料吸能性能研究[J]．工程力学，2005，22(3)：7681．参考文献WangYuanbo，WangXiaojun，HuXiuzhang，eta1．Experi—[1]HosseinzadehR，ShokriehMM，LessardI．Damagebehavmentalstudyofballisticresistanceofkevlarlaminates[J]．ioroffiberreinforcedcompositeplatessubjectedtodropEngineeringMechanics，2005，22(3)：76—81．(inChinese)weightimpacts[J]．CompositesScienceandTechnology，[11]邱桂杰，王勇祥，杨洪忠，等．新型复合防弹装甲结构材料2006(66)：61-68．的研究_J]．纤维复合材料，2005(2)：12-15．[23GowerHL，CroninDS，PlumtreeA．BallisticimpactreQiuGuijie，WangYongxiang，YangHongzhong，eta1．Studyonsponseoflaminatedcompositepanels[J]．InternationalJour—thestructuresandmaterialsofanewbulletproofcompositesar—nalofImpactEngineering，2008(35)：10001008．rnor[J]．FiberComposites，2005(2)：1215．(inChinese)[3]李永东，张男，唐立强，等．Al。()s陶瓷石墨／超高分子量聚乙烯杂交纤维复合材料梯度板吸能性能研究[J_．弹道学作者简介：报，2003，26(2)：1115．何可馨(1984)，女，硕士研究生。主要研究方向：复合材料IAYongdong，ZhangNan，TangLiqiang，eta1．Studyon冲击。bulletproofpropertyofceramics／compositearmor[J]．Ord—郭伟国(1960一)，男，博导，教授。主要研究方向：结构动力学nanceMaterialScienceandEngineering，2003，26(2)：11—及动态破坏分析。15．(inChinese)张晓琼(1987一)，女，博士研究生。主要研究方向：复合材料[4]徐静怡，顾伯洪．编织复合材料弹道冲击破坏形态及模式冲击。[J]．弹道学报，2002，14(2)：3943．鬲钰焯(1983一)，男，硕仁研究生。主要研究方向：复合材料XuJingyi，GuBohong．Damagepatternandfailuermodeof冲击。3一Dbraidedcompositesunderballisticimpact[J~．Journalof阎崇年(1970)，男，高级工程师。主要研究方向：飞机结恂Ballistics，2002，14(2)：3943．(inChinese)设计。E5]梅志远，朱锡，任春雨，等．弹道冲击下层合板破坏模式及张文军(1975一)，男，高级工程师。主要研究方向：色机结构吸能性能试验研究[J]．海军工程大学学报，2005，17(1)：设计。1115．MeiZhiyuan，ZhuXi，RenChunyu，eta1．Researchofde—(编辑：蔺西亚)formationmodelandresistancecl1aracteristjcforlaminatesunderballisticimpact[J]．JournalofNavalUniversityofEn