复合材料低速冲击损伤研究现状

宋宗寒

摘要：本文对复合材料低速冲击损伤研究现状进行了探讨。复合材料具有轻质高强、优异的力学性能，广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。然而在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。主要通过应用失效准则对复合材料面板损伤进行判断，最终确定了损伤材料性能对复合材料蜂窝夹芯板力学性能影响的机理。综上，本文的研究为复合材料低速冲击损伤研究提供了新的思路和方法，也为工程实际中复合材料的设计和应用提供了指导。

关键词：复合材料；低速冲击损伤；研究现状

引言：复合材料因具有轻质高强、优异的力学性能，而被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工业领域。然而，在低速冲击作用下，复合材料易产生各种损伤和破坏，导致其强度和性能下降。因此，对复合材料低速冲击损伤进行研究具有重要的应用和学术价值。目前，国内外学者对于复合材料低速冲击损伤的研究已经取得了一定进展，但是，在低速冲击加载下，复合材料的损伤机理比较复杂，尚需深入研究。此外，由于复合材料作为一种新型材料，其应用领域较为广泛，因此研究其低速冲击损伤机理对于其在工程实际中设计和应用具有重要意义。

一、复合材料冲击试验方法

1.1试验方法分类

复合材料冲击试验方法主要有：冲击测试法，拉伸测试法，压缩测试法和弯曲测试法。冲击强度是一个用来衡量物质对撞击的抵抗能力，或判定物质的脆性与韧度的物理量[1]。材料冲击性能测试属于动态力学测试，其吸波函数可以直接反映出材料的冲击韧度。其中，冲击实验是一种很好的测试方法，可以用来测试材料在较低速度下的耐冲击性能。由于其自身的结构特征，当前国内外对其耐低速撞击性能的研究主要有两种方式：一种是利用多个落锤对试样进行多次撞击，然后记录每次撞击的下坠过程；二是采用落锤式实验装置，对试样进行多次撞击，记录每次撞击的下落情况，以测试材料的低速撞击强度。

1.2试验拉伸强度公式

在一定的气温、相对湿度和拉伸温度等情况下，可以要求给标准规格的哑钟形试样施以最大拉伸压力，当材料发生了被拉断的现象时，试样所受到的最大载荷P值和试样的最大横截面积（bd）之比，就是材料的最大拉伸强度：

（1）

因为在拉伸过程中，试样的宽度和厚度也在不断地改变中，而横截面积存有数值变化，故通常可通过试样初始的宽度来测算拉伸厚度。

1.3材料试验条件

试验需要置于常温条件下，保持准静态加载，试验设备为材料试验机，试件需要遵循GB6397-86《金属拉伸试验试样》，拉伸试件为，压缩试件为。

1.4材料试验步骤

（1）准备试样工具——准备标距、测量尺寸；

（2）用夹具来夹持试样材料；

（3）选定科学合理的试验量程和拉伸速度，并准备材料试验；

（4）记录相应的试验数据；

（5）计算试验材料的强度冲击结果。

综上，虽然复合材料抗低速冲击性能试验方法有很多种，但目前国内外常用的冲击试验设备主要有：1）落锤式低速冲击试验机；2）红外热像仪；3）电涡流传感器；4）超声波探伤设备等。该类材料因其高硬度、高脆性、高耐磨性，导致其切削加工性较差，且对零部件的加工性要求较高，常规工艺及刀具难以实现。这不仅依赖于原材料，也依赖于复合材料的设计，更依赖于工艺方法、工艺参数和规范，而且也很难对工艺参数进行准确的控制，从而确保工艺的一致性。

二、复合材料冲击损伤分析理论

复合材料结构的力学性能主要取决于材料的强度和刚度，因此其低速冲击损伤问题是复合材料结构设计中一个重要的课题[2]。目前，复合材料结构的低速冲击损伤分析主要采用三维非线性有限元方法、多尺度方法和层合理论等，其中，三维非线性有限元方法已成为研究复合材料低速冲击损伤问题的重要手段。有限元法是一种数值分析方法，通过求解问题的微分方程组获得材料或结构的应力、应变、位移和强度等力学参数。数值法具有计算效率高、求解速度快等优点，但其算法复杂，需要一定的数学知识。因此，数值法还存在一些问题，如：算法复杂、计算量大、需要编写相应的程序等。因此，为了更好地对复合材料结构进行设计分析，应考虑数值法的这些缺点，拉伸试验中的主要术语如下：

拉伸强度——拉伸强度试验直至断裂为止所承受的最大拉伸伸应力；

拉伸弹性模量——应力－应变曲线上直线部分的斜率；

定伸强度——应力－应变曲线偏离原定轨道之后到达规定应变百分数时的拉伸应力

屈服强度——在拉伸应力－应变曲线上屈服点处的拉伸应力

2.1纤维损伤

纤维断裂损伤主要表现为纤维断裂，材料分层或结构破坏。在复合材料中，纤维的损伤往往是随机发生的，没有明显的规律可循。当材料处于低应变率的状态下，纤维的断裂损伤就会产生。对于不同材料、不同尺度和不同织构的复合材料，其破坏模式是不一样的，所以其失效准则也是不相同的。

对于纤维断裂损伤的研究，目前还没有成熟完善的理论。国际上现有的一些研究成果主要集中在碳纤维和玻璃纤维这两种常用纤维上，而对于碳纤维、玻璃纤维这两种高性能纤维以及它们复合体系的研究较少。但对于碳纤维和玻璃纤维复合体系在低速冲击下的损伤机理和失效准则等方面已经取得了一些成果。目前，国内外对碳纤维和玻璃纤维桥接复合材料冲击损伤已有研究。

2.2基体损伤

基体损伤主要包括纤维断裂和基体分层，在复合材料层合板的失效过程中，基体起到了非常重要的作用。复合材料在受到低速冲击时，基体首先发生损伤，随后纤维发生断裂。此外，对于多层结构复合材料来说，由于层间损伤是分层的主要原因，因此对复合材料的抗冲击性能研究也主要集中在层合板的分层上。通过试验研究了各种材料及铺层方式下复合材料受冲击后的性能。碳纤维增强树脂基复合材料在受到冲击后破坏形式主要是纤维断裂，分层损伤占比较小。金属基复合材料的分层损伤主要发生在基体上，分层的类型有两种：一是基体与纤维的分层；二是基体与纤维的层间分层。对于金属基复合材料，影响金属基复合材料冲击后力学性能主要是由基体强度决定，而决定基体强度的主要因素有两个：一是材料性质；二是铺层方式。

三、复合材料低速冲击后压缩剩余强度分析

本项目拟开展 HVAC树脂基复合材料的低速冲击后残余强度分析，重点关注低冲击能量时的低冲击后残余强度，为更好地发挥其抗层间强度、抗压缩性能、抗热压缩性能等特点，开展 HVAC树脂基复合材料的低速冲击后残余强度实验，并结合损伤理论，建立其冲击后残余强度分析模型[3]。应用此模型，对不同的冲击能下的复合材料进行了冲击后压缩后的残余强度及破坏形式进行了预测。碳纤维复合材料的强度很高，但也不是没有缺陷。它最大的缺陷之一，就是它的抗冲击性能。

航空复合材料在制造、服役及维护等过程中，由于外部因素的影响，会对其造成一定程度的损伤，如设备坠落、跑道碎石、冰雹等。但其最大的缺陷就是对外界环境的冲击敏感，而外界因素对其造成的冲击可能会导致其性能和强度下降。这种冲击在表面上看起来很难被发现，但是在内部却会产生分层、基体裂纹、纤维断裂等现象，使材料或部件的强度下降到原来的50%，甚至更少。因此，早在20世纪80年代，国外就采用了落锤法，对材料进行量化损伤，再检测其剩余压缩强度，以此来评价其抗冲击能力，也就是 CAI （Compression after Impact）测试的起源。CAI试验在航空复合材料试验中已成为一种标准化试验，但至今还没有一套通用的试验方法标准，因此， CAI试验的出台将弥补这一空白。

其中，主要就包括了 ASTMD7136/7137, GB/T 21239，空中客车AITM1.0010，波音公司的BSS7260以及其他的一些标准。例如 ASTMD7136，它对特殊的固定装置构造和材料要求采用100毫米×150毫米的长方形试样进行了说明。建议试件厚度 h为4-6 mm，采用具有60-62 HRC硬度，总质量5.5±0.25 kg的半球型平滑撞击头，以6.7 J/mm× h （试件厚度）的能量对试件进行撞击，为防止冲头多次撞击试件时对试件造成的二次伤害，还需要设置抗二次撞击的装置。按照有关的产品规范要求，对设计试件进行一次测试，并将测试结果写成测试报告。最后，对撞击前后的破坏情况进行了分析，并在通用材料试验机上进行了加压试验。

在 INSTRON落锤仪上，我们期望它能准确地测量出撞击过程中的每一个细节。表 1 INSTRON落锤仪的设备参数如下表1所示。就像下面一个典型的 CAI冲击曲线一样，从位移和载荷的曲线中可以看出，在开始阶段，样品的变形属于弹性弯曲，因此，变形量也是随着冲击载荷呈单调上升的。在达到初始失效载荷后，试样发生了破坏，并有轻微的波动；随后是基体持续开裂、层间裂纹扩展，出现峰值载荷、载荷下降等一系列过程，这些也都很直观地反映在测试结果曲线上。通过能量－时间关系图，可以清晰地显示出炸药的能量、吸收能量以及炸药的各项参数。这一切都可以很容易地用 INSTRON的蓝山植入软件来获得。从拉伸力学性质的角度，可以清晰地反映出材料在不同阶段的变形情况及特征。

表 1 INSTRON落锤仪的设备参数

项目名称	技术参数	备注
有效冲击高度	0-2000mm	可选
冲击能量	100J—1000J	可选
冲击速度	0-10m/S	可选
锤头定位精度	±1mm
冲击力值传感器载荷范围	10KN-250KN	选配
实验动态误差	<2%
试验区空间	600mm×550mm×450mm
砝码质量规格	1.0kg、2kg、5kg、10  kg
冲击锤头直径	D16、D12、D12.5、D20(±0.1mm)
锤体及砝码质量偏差	≤±0.5%
锤头硬度	HRC60～65
试样加持	气动加持
夹具开孔尺寸	75X75mm、75X125mm、075mm
锤头夹持	气动
防二次冲击	防止对试样进行二次冲击
升降速度	匀速升降
锤头零点	自动归零
冲击方式	冲击能量、冲击高度、冲击速度三种方式可选
数据导出	可导出和保存电子数据
数据成像	可生成二维/三维图像

五、结语

（1）复合材料在冲击过程中损伤类型可分为纤维断裂和基体损伤两种，复合材料冲击损伤的研究对象与金属材料有所不同。但目前大多数复合材料低速冲击损伤研究仍以复合材料拉伸和压缩两种模式为主，而在冲击过程中纤维断裂和基体断裂这两种形式的损伤相对较少。因此，应重点研究复合材料冲击损伤的机理。

（2）在研究复合材料低速冲击损伤过程中，应加强对不同形式的损伤的研究，并找到一些有代表性的失效模式，建立相应的失效准则。同时，应重点关注材料低速冲击损伤后剩余强度与冲击能量之间的关系，并进一步研究剩余强度与纤维断裂和分层这两种形式损伤之间的关系。

（3）在研究复合材料低速冲击损伤过程中，应加强对复合材料冲击损伤后剩余强度与不同形式损伤之间的关系研究，并进一步研究这些参数与材料剩余强度和分层长度之间的关系。

（4）目前，关于复合材料低速冲击损伤研究还缺乏相关的标准规范和统一评价体系，应加强对相关标准规范和统一评价体系的建立和完善工作，为复合材料低速冲击损伤研究提供科学依据。

参考文献

[1]杜江涛. 复合材料层合板低速冲击损伤表征与开孔分析[D].郑州大学,2017.

[2]赵勇. 复合材料船体低速冲击损伤研究[D].哈尔滨工业大学,2014.

[3]宋恒旭. 复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用[D].清华大学,2012.