复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震型好、破损安全性好以及性能可设计等优势,在航空航天、军事国防、建筑工业、生物医疗等高科技领域得到了广泛的应用^[1]。但是,飞机在服役过程中会遭受冰雹、碎石和工具坠落等各种情况的冲击,船艇在服役过程中受到海浪、潮水、岩礁的不断冲击,虽然这些冲击能量并不大,但是多次冲击造成的损伤会显著降低复合材料的强度尤其是压缩强度。为此,很多学者研究了复合材料层合板在反复冲击过程中的损伤机理及冲击损伤容限^[2-6],并提出了增加复合材料抗反复冲击性能的方法。Adams等^[7]研究了高强聚乙烯纤维/环氧树脂基复合材料层合板抗反复冲击性能,发现随着层数的增加试样吸收的能量在不断增加,抗反复冲击性能明显提高。这样的结论也适用于碳/环氧树脂基复合材料层合板。但是这种层合板为了完全吸收相同的能量,必须增加1/4或者2/5的高强聚乙烯纤维/环氧树脂基层。Hart等^[8]提出添加保护层,这种保护层由充满环氧基树脂的玻璃微珠覆盖在一层或多层铝网上构成。研究证明,在表面添加保护层可提高复合材料结构抵抗冲击破坏的能力。

在复合材料层合板的表面添加保护层可提高其抗反复冲击的性能^[9-10]。Düring等^[9]分别研究了具有钢和弹性保护层的复合材料层合板在低速冲击下的响应效果。结果表明,在钢的保护下冲击凹坑深度略有增加但是对损伤面积几乎没有影响;在弹性橡胶的保护下损伤阈值提高了16%,而且在达到损伤阈值前弹性形变使层合板内外部损伤降低了50%,但吸收能量也降低了15%。达到损伤阈值后在层合板较上层和弹性保护层上会在冲击中心区域产生较大的局部变形,导致凹坑深度加深了27%~40%左右,但是较上层的变形分散了局部冲击能量,使下层的结构损伤降低了12%~36%左右。这两者作用的鲜明对比说明,弹性保护层能提高特殊情况下的冲击性能。Stelldinger等^[10]研究了含有橡胶层的碳纤维增强塑料管的低速冲击性能,包括两种不同的橡胶位于层压板的三种位置的冲击试验。多次试验结果表明：抵抗冲击能量主要取决于橡胶材料,且柔软的橡胶能够提供更高的抗冲击破坏性;损伤载荷的临界值主要取决于橡胶层的位置,当其位于最外层时损伤载荷临界值较大。因此,位于最外层的柔软橡胶抗冲击破坏性最好,损伤载荷临界值平均能够都提升31%。

但是增加保护层不仅影响低速冲击响应,也影响低速冲击后的压缩强度。目前国内外关于此问题的研究比较少,大部分是关于层合板的冲击后压缩强度的相关研究^[11-13]。Martins等^[11]主要研究了具有一定弧度的复合板材的冲击后压缩性能,分析板材的弯曲率和冲击能量对CAI值的影响,且利用基于Mar-Lin和 Whitney-Nuismer 失效准则的分析建模方法对冲击后压缩强度进行预测。根据预测结果与最终实验结果的比较,判断具有弧度的复合板材其冲击后剩余压缩强度严重受板材弯曲率和面内压力的影响。张颖^[12]用标准静压痕及冲击后压缩强度试验方法研究了工程中两类典型的碳纤维及玻璃纤维树脂基复合材料层合板的静压痕及压缩强度,并用数理统计方法处理试验数据给出了冲击后有效弹性模量及压缩极限强度的分散性表征及其拟合分布,计算了A、B基准值。结果表明：冲击后两类复合材料层合板的有效模量与强度特性仍遵从正态分布的概率推断,但是比玻璃纤维增强的树脂基复合材料层合板和碳纤维增强复合材料表现出更明显的脆性。程小全等^[13]为了分析复合材料层合板低速冲击后的压缩性能,先用三维动态有限元素法对两种层合板进行低速冲击损伤模拟计算,以此作为冲击后压缩(CAI)层合板的初始损伤用三维静态有限元法计算含损伤的层合板进行压缩破坏模拟和剩余强度,从而实现了层合板从冲击损伤到压缩破坏损伤全过程的模拟。结果表明,损伤投影面积和CAI强度的计算值与试验结果有较好的一致性。Bouvet等^[14-15] 研究了带表面热防护层或机械防护层的复合材料层板的低速冲击及冲击后压缩性能,并与裸板进行了对比。结果表明,防护层明显提高了层板的冲击阻抗以及相同冲击能量下的剩余压缩强度,但是改变了内部损伤形态,使不可见的纤维断裂在分层之前出现,从而降低了在出现较明显的分层之前的剩余压缩强度。Nettles等^[16]则研究带热防护层的复合材料的夹层结构,比较了裸板和带热防护层的夹层结构的仪器冲击、热成像仪的记录、视觉上破坏形态和CAI值。结果表明,热防护层的确能提高夹层结构的大部分冲击特性。由裸板和带有热防护层的实验件不同的损伤形态证明了,虽然热防护层会对夹层结构造成相对较大的损伤区域,但是带有热防护层实验件拥有相对较高的剩余压缩强度。这与Bouvet等^{[14, 15]}研究的层板的结果类似。何为等^[17]研究了增加表面防护层的碳纤维板的低速冲击和冲击后压缩性能。发现冲击后压缩性能与内部分层情况具有较大的关联,相同冲击能量下的分层面积啊较小的各组带表面防护层板,其冲击后压缩强度和破坏应变比裸板提高了15%~50%。而在凹坑深度相同的情况下,二者的冲击压缩强度和破坏应变相差不大。

本文在复合材料层合板表面喷涂一层聚氨酯弹性体,研究聚氨酯弹性体对复合材料冲击后压缩强度的影响。对不同冲击次数的聚氨酯喷涂试件以及相应的未冲击的试件进行冲击后压缩试验,分析损伤程度、层合板厚度和聚氨酯弹性体厚度对试样冲击后压缩强度的影响。并通过ARAMIS非接触式三维应变测量系统得到聚氨酯喷涂复合材料试件压缩过程的应变云图及失效模式,以揭示聚氨酯喷涂复合材料层合板冲击后的失效机理。

1 实验方法

1.1 实验用原材料和设备

碳纤维环氧树脂预浸料,树脂含量为40%;聚氨酯, NR-95LVHS,抗拉强度是24.1 MPa。聚氨酯双组分喷枪; Instron Dynatup 9250HV 落锤冲击试验机;SN-C3409水浸超声扫描检测系统;切割机;ARAMIS测试系统和AG-250KN型万能试验机。

1.2 试样的制备

使用模压成型工艺制备碳纤维复合材料层合板,用表面喷砂处理技术提高聚氨酯涂层和复合材料层合板的界面结合强度。所用石英砂为46目,喷砂压力为1 MPa,喷砂嘴距试样距离为10 cm。喷涂聚氨酯弹性体时,将聚氨酯A、B组分在50℃烘箱内放置15 min,取出后装在喷枪上,喷涂压力为0.4 MPa,喷嘴距试件距离为30 cm。反复喷涂三遍,使涂层的厚度分别为0 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm,喷涂30 min后聚氨酯完全固化。最后将试样用切割机裁剪成尺寸为150 mm×100 mm的冲击试样,结构参数列于表1。

1.3 超声波C扫描

对冲击后复合材料层合板进行超声C扫描检测,得到不同冲击次数后试样的超声波C扫描图像,以观察层合板内部损伤状况。使用Image Pro Plus计算试样的损伤面积,单位：mm²。

1.4 冲击后压缩试验

1.4.1 试验标准 本试验参照美国标准 ASTM D 7137《Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event》。压缩时的加载速度均为0.5 mm/min。

根据测试数据按公式

FCAI=PmaxA

计算出试件冲击后剩余压缩强度,其中P_max为压缩破坏载荷,A为试样压缩承载的横截面积,F^CAI是剩余压缩强度。

1.4.2 试验装置 实验用仪器是ARAMIS测试系统和AG-250KN型万能试验机。图1给出了ARAMIS非接触式测量系统的仪器图,其中光学测量系统主要用于对采集的图像数据进行分析和处理。冲击后压缩试验夹具,如图2所示。

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图1   冲击后压缩试验用ARAMIS测试系统

Fig.1   Testing facility for CAI (a) ARAMIS testing system and (b) universal testing machine

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图2   冲击后压缩夹具示意图和冲击后压缩试验图

Fig.2   Schematic diagram of fixture (a) and the test diagram (b) of CAI

1.4.3 试验过程 为了应用ARAMIS非接触式测量系统对被测试件压缩全程采集应变,需对聚氨酯喷涂层合板的碳纤维表面进行喷漆加斑点处理,图3给出了喷斑处理前后的试件表面。

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图3   试样喷斑处理前后表面的对比

Fig.3   Comparison of specimen before (a) and after (b) spraying spot dealing

2 结果和讨论

2.1 冲击次数的影响

为了研究聚氨酯涂层对不同损伤程度的复合材料层合板剩余压缩强度的影响,选取7.5 J冲击能量分别对[0/90]₇-PU和[0/90]₇试样进行反复冲击,其中裸板试样冲击6次完全穿透,而含聚氨酯涂层的试样冲击24次完全穿透。用超声波C扫描仪测试冲击后试样的损伤面积,图4a和4b分别给出了[0/90]₇和[0/90]₇-PU试样不同冲击次数后的损伤面积。

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图4   [0/90]₇和[0/90]₇-PU试样反复冲击直至穿透后的超声波C扫图

Fig.4   C-scan images of damage progression of repeatedly impacted on [0/90]₇ (a) and [0/90]₇-PU (b)

对于[0/90]₇-PU试样,未受冲击时的压缩载荷-位移曲线基本是一条直线,直到发生压缩破坏;而受冲击后试样的冲击载荷-位移曲线出现明显的拐点, 在拐点之前不同冲击次数试样压缩初始阶段曲线基本重合。因为试样的压缩模量是相同的,过了拐点后曲线斜率逐渐减小。随着冲击次数的增加试样出现压缩破坏的位移也逐渐减小,如图5a所示。对于[0/90]₇,图5b给出了在第1次、第3次、第6次冲击后压缩载荷—位移曲线。通过对比可以看出,裸板在冲击后压缩时曲线比喷涂聚氨酯的试样急剧,且当裸板试样发生弯曲破坏时的最大压缩载荷小于喷涂有聚氨酯最大压缩破坏载荷。这表明,聚氨酯弹性体作为保护层是通过增大压缩破坏载荷阈值的方法提高层合板的使用寿命。

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图5   [0/90]₇-PU和[0/90]₇试样在不同次数冲击后的压缩载荷-位移曲线

Fig.5   Load-deflection curves for CAI of [0/90]₇-PU (a) and [0/90]₇ (b) on different impact number

不同冲击次数含聚氨酯涂层试件的冲击后剩余压缩强度随损伤面积的关系曲线,如图6所示。从图6可以看出,剩余压缩强度随着损伤面积的增加逐渐下降,未受冲击时试样的压缩强度为220 MPa。对于9次冲击,根据Image Pro Plus计算得出损伤面积为9766 mm²,曲线出现拐点,试样的压缩强度为197.01 MPa,压缩强度只下降了10%。这表明,在反复冲击过程中出现拐点前试样的剩余压缩强度变化很小,冲击24次后聚氨酯喷涂复合材料层合板完全穿透,冲击损伤面积为13458 mm²,压缩强度为146.62 MPa,下降了33.4%。这表明,拐点出现后,随着损伤面积的增加压缩强度的下降明显加快。

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图6   不同次数冲击后的压缩强度-损伤面积曲线

Fig.6   Compression stress-damage area curve after different impact number

2.2 层合板厚度的影响

为了进一步研究聚氨酯涂层对不同层合板厚度试样的冲击后压缩强度的影响,分别记录A₁₂、A₁₄和A₁₆层合板和A₁₂-PU、A₁₄-PU和A₁₆-PU聚氨酯喷涂层合板在不同损伤状态下进行冲击后压缩试验的结果,如柱状图7所示。

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图7   不同结构层合板在不同损伤状态下的破坏载荷和压缩强度

Fig.7   Fracture load and compression strength of different structure laminates on different damage stage

由图7可见,未损伤的A₁₂、A₁₄和A₁₆裸板试样的压缩破坏载荷分别为50.56 kN、56.79 kN和59.25 kN,压缩强度分别为252.81 MPa、236.59 MPa和211.61 MPa;而A₁₂-PU、A₁₄-PU和A₁₆-PU含聚氨酯涂层试样的压缩破坏载荷分别为43.47 kN、46.28 kN和52.88 kN,压缩强度分别为217.35 MPa、192.83 MPa 和188.84 MPa,分别是对应裸板压缩强度的85.98%、81.49%和89.24%。与没有损伤的复合材料层合板比较,增加聚氨酯涂层明显降低了层合板的压缩强度,大约降低了10%。其原因是,层合板和涂层在压缩过程中受力发生变形,复合材料层合板的刚度远大于聚氨酯涂层,聚氨酯发生形变向内凹陷,层合板受涂层的拉扯作用,垂直作用力作用于层合板,从而导致层合板也发生凹陷。此时压缩载荷并非作用在一个平面内造成层合板失稳,因此未损伤时含聚氨酯涂层的试样比裸板试样压缩强度小。

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图8   不同结构层合板冲击后压缩强度下降的程度

Fig.8   Decline degree of CAI of laminates with different structure

从图8可见,冲击穿透后A₁₂、A₁₄、A₁₆的压缩强度下降程度依次是45.02%、50.54%、41.55%。这些结果表明,这三种厚度的裸板的冲击后压缩强度的下降幅度基本上一直。其原因是,在冲击前和冲击后的压缩破坏过程中,力在面板中的传播途径和厚度使传播速度发生的变化是相同的。因此,虽然裸板的厚度不同,但是冲击前后压缩强度的下降程度是相同的。而A₁₂-PU、A₁₄-PU、A₁₆-PU的下降程度依次是34.07%、19.19%、25.53%,与对应的A₁₂、A₁₄、A₁₆的降低程度相比,涂有聚氨酯涂层的下降程度大幅度下降。其原因是,聚氨酯涂层的作用使底板的刚度远大于聚氨酯涂层,在压缩破坏过程中随着压缩载荷的增大聚氨酯发生形变向内凹陷对底板产生一定的作用力,抑制了由冲击破坏区向外进行力的传播,大大降低了载荷传播速度,使其远小于裸板的传播速度,最终增加了压缩破坏载荷,显著提高了复合材料层合板冲击后剩余压缩强度。

另外,底板的厚度不同则涂覆聚氨酯层的层合板压缩强度下降程度也不同。裸板厚度为2.4 mm和2.8 mm的下降程度都比2 mm的低,尤其是厚度为2.4 mm比2 mm的下降程度小了几乎一半。其原因是,在冲击穿透后压缩破坏过程中,主要破坏是由冲击处向载荷方向和垂直载荷方向发生裂纹扩展。底板厚度增大则与聚氨酯涂层的刚度差别也会增大,对裂纹扩展的抑制作用越强,则破坏载荷会增大,因此2.4 mm厚的下降程度比2 mm厚的低。但是,因为聚氨酯涂层与底板的界面粘结性能是一定的,随着厚度的继续增大底板的刚度远大于聚氨酯层,在冲击处随着破坏载荷的增大对聚氨酯涂层产生剥离作用,从而加快裂纹的扩散速度,使最大破坏载荷降低,因此2.8 mm厚的压缩强度变化程度比2.4 mm的高。因此在这三种底板的厚度范围内,聚氨酯涂覆层合板冲击后的压缩强度随着底板厚度的增大先降低后增大。

2.3 聚氨酯涂层厚度的影响

图9给出了不同聚氨酯涂层厚度的试样在冲击穿透时压缩载荷-位移曲线。图9表明,含聚氨酯涂层的试样压缩破坏载荷明显大于裸板试样的,其压缩破坏位移也小于裸板试样的。这表明,无聚氨酯涂层复合材料层合板的断裂应变最小,与其他含聚氨酯涂层的层合板试样相比表现出明显的脆性破坏。随着聚氨酯厚度的增加,试件完全穿透后压缩破坏载荷逐渐增加;随着聚氨酯厚度的增加,载荷随位移的变化逐渐呈非线性的增加。其中在聚氨酯涂层为2 mm厚的压缩载荷-位移曲线中,在位移为1.4 mm左右时压缩载荷达到极限后出现了先降低又增大的趋势。其原因是,较厚的聚氨酯涂层对层合板产生一定的弹性保护,在压缩载荷达到最大时试件并没有立刻断裂而是聚氨酯涂层缓冲了试件压缩破坏的速度,从而出现载荷有一定程度的卸载,即压缩载荷在达到极限后出现先降低后增大的现象。因此由图9可见,随着聚氨酯厚度的增加含聚氨酯涂层层合板的冲击后压缩强度增大。

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图9   穿透时不同涂层厚度复合材料的压缩载荷位移曲线

Fig.9   Compression load-deflection curve of composite with different thickness of PU at penetration

图10给出了不同涂层厚度下复合材料层合板在不同损伤状态下压缩强度的柱状图。蓝色柱状图表明,试样未受冲击时A₁₂、A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和A₁₂-PU(2 mm)的压缩强度分别为252.81 MPa、217.35 MPa、212.35 MPa和211.55 MPa。A₁₂层合板的压缩强度明显比其他三种的高,而A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和 A₁₂-PU(2 mm)三种层合板的压缩强度相差无几,但依次有微弱的降低。再结合计算结果,A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和A₁₂-PU(2 mm)层合板的压缩强度分别比A₁₂的压缩强度降低了14.02%、16.00%和16.32%。这些结果表明,对于没有损伤的层合板,聚氨酯的涂覆明显降低了复合材料层合板的压缩强度,但是聚氨酯涂层厚度对未损伤试样的压缩强度影响并不明显。

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图10   不同涂层厚度层合板在不同损伤状态下载荷峰值和压缩强度

Fig.10   Peak load (a) and compression strength (b) of laminates with different thickness of PU at different stage

根据图10中四种层合板在不同损伤状态下压缩强度的数据制作出图11,其中四种层合板在损伤拐点和穿透后分别与未冲击状态相比下压缩强度的下降程度。红色柱状图表明,在出现冲击损伤拐点时A₁₂、A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和 A₁₂-PU(2 mm)的压缩强度分别与未冲击时相比降低了42.23%、26.89%、15.68%和10.40%。蓝色柱状图表明,当发生穿透后A₁₂、A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和A₁₂-PU(2 mm)的压缩强度分别与未冲击时相比降低了45.02%、43.31%、18.11%和11.51%。对比这两组数据,可见在损伤拐点处裸板压缩强度的下降程度明显比有聚氨酯涂层的都高很多,但是发生穿透后并无这样的现象。这些结果表明,聚氨酯涂层厚度对损伤的聚氨酯喷涂复合材料层合板试样的压缩强度有显著的影响。

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图11   与未冲击相比压缩强度的下降程度

Fig.11   The decline degree of laminates compared with impact before

在红色和蓝色柱状图中,A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和A₁₂-PU(2 mm)的下降程度分别依次降低。即在损伤程度大致相同的情况下,随着聚氨酯涂层厚度的增加试样的压缩强度下降逐渐减小,则剩余强度逐渐增大。另外,比较红色和蓝色柱状图,可见A₁₂压缩强度的下降程度只提高了2.79%,A₁₂-PU(1 mm)、A₁₂-PU(1.5 mm)和A₁₂-PU(2 mm)都分别提高了16.42%、2.43%、1.11%。这表明,对于裸板,冲击穿透和出现冲击拐点的试样的剩余压缩强度相差很小。而对于含聚氨酯涂层的试样,随着涂层厚度的增加冲击穿透试样与出现拐点的试样剩余压缩强度逐渐减小,即聚氨酯涂层越厚其冲击后压缩强度越大。

对于损伤的试样,当聚氨酯涂层厚度分别为0 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm,压缩强度分别为146.05 MPa、158.9 MPa、179.05 MPa和189.55 MPa,与未损伤的试样相比,压缩强度都降低了;对于发生穿透的试样,厚度分别为0 mm、1 mm、1.5 mm和2 mm时其压缩强度分别为139 MPa、143.3 MPa、173.9 MPa和187.2 MPa,与未损伤的试样相比压缩强度都降低了。

在损伤程度大致相同的情况下,随着聚氨酯涂层厚度的增加试样的剩余压缩强度逐渐增大。对于裸板,冲击穿透和出现冲击拐点的试样的剩余压缩强度相差很小;而对于含聚氨酯涂层的试样,随着涂层厚度的增加冲击穿透试样与出现拐点的试样剩余压缩强度逐渐减小。

2.4 冲击后压缩破坏模式和破坏机理

2.4.1 破坏模式 不同冲击损伤程度的聚氨酯喷涂复合材料层合板的冲击后其压缩破坏位置不同,破坏模式也不同。当试样未损伤或者只有基体裂纹损伤时,冲击后压缩试样的破坏位置出现在试样的夹持部位附近,如图12a所示;当试样出现损伤拐点后,试样冲击后压缩破坏位置沿着纤维断裂末端横向扩展,如图12b所示;当试样穿透时,冲击后压缩试样的破坏位置沿冲击中心横向贯穿,如图12c所示。

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图12   基体损伤时试样、拐点时试样和穿透试样的压缩破坏照片

Fig.12   Damage picture of specimen at matrix crack (a), at damage inflexion (b) and at penetration (c)

2.4.2 破坏机理 未损伤、基体开裂和穿透这三种情况下聚氨酯喷涂复合材料层合板压缩过程中应变云图,分别如图13、14和15所示,其中正值表示层合板向外凸起,负值表示层合板向里凹陷。

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图13   未冲击时试样压缩过程中的应变分布云图

Fig.13   Strain distribution nephogram of specimen without impact in the compression process

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图14   基体开裂时试样压缩过程中的应变分布云图

Fig.14   Strain distribution nephogram of specimen without matrix crack in the compression process

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图15   穿透时试样压缩过程中的应变分布云图

Fig.15   Strain distribution nephogram of specimen after penetration in the compression process

从图13可以看出,未受冲击的试样在压缩开始阶段应变是随机分布的,随着压缩载荷的增加整个层合板的应变为3%,而沿着载荷方向的应变为1.5%。其原因是,纤维的压缩模量远大于树脂,树脂基体的应变大,而纤维方向的应变小,随着压缩载荷的继续增加位于夹持区域的上下两端应变增大,而位于中心的区域应变较小,近似呈菱形。两个应变相差太大的区域,从菱形的边界处发生断裂。

从图14可见,基体开裂的聚氨酯喷涂复合材料试样在压缩开始阶段图像出现大量红色斑点(代表较大的应变),分布在试样右对角线附近。随着载荷的增加图像被分成两个明显不同的区域,位于左下角的黄色区域应变较大,位于右上角的蓝色区域应变较小。随着压缩载荷的持续增加应变大的区域向图像的四个角转移,而应变小的区域向中央转移,并且在中心即冲击区域有深蓝色的细条型的裂缝,应变为零。

从图15可以看出,对于冲击穿透的聚氨酯喷涂复合材料试样,在压缩的初始阶段整个层合板呈应变为3%的绿色区域,在冲击中心及其上方离散分布着应变较大的红色斑点,随着压缩载荷的增加沿着载荷方向出现蓝色的线条。这表明,纤维沿着载荷加载方向发生屈曲,接着整个面板又恢复成绿色区域,只是在冲击点附近的红色斑点聚集,在冲击点上方出现应变为4.5%的离散的黄色斑点,随着载荷继续增加整个层合板变成1.5%的浅蓝色区域,中心处有一条细长的红色区域。这些结果说明,整个面板应变集中在冲击区域,使冲击处的红色区域沿着载荷加载方向延伸。后来,整个层合板变成应变为0的深蓝色区域,原来沿着纵向的红色区域变成了十字交叉的区域,此时整个面板的应变集中在冲击处释放,使原来的纵向红色长条变长,而且还沿着横向扩展。随着载荷的进一步增大层合板纵向的裂口不再增加,而是沿着横向裂纹一直扩展直到层合板完全失稳而断裂。随着压缩变形持续增大,凹坑逐渐从试件中心横向贯穿试件。凹坑扩展造成较大的弯曲变形,使凹坑区面板沿加载方向的变形超过面板材料的最大压缩应变,最终导致受损伤的面板突然断裂并造成夹层板的最终破坏。

3 结论

(1) 聚氨酯喷涂复合材料层合板反复冲击后的剩余压缩强度随着冲击次数的增加而逐渐减小,而且冲击后剩余压缩强度随着冲击损伤面积的变化存在拐点,在拐点之前压缩强度下降缓慢,只下降了大约10%,在拐点之后压缩强度快速下降,最终穿透时剩余压缩强度下降了大约50%。

(2) 随着层合板厚度的增加,层合板和含聚氨酯涂层的层合板的压缩强度都呈下降的趋势。当冲击穿透时,随着层合板厚度的增加层合板剩余压缩强度下降幅度基本不变,而含聚氨酯涂层的层合板剩余压缩强度的下降幅度会先降低后增大。

(3) 对于未冲击的试样,聚氨酯涂层降低了复合材料层合板压缩强度的10%;试样冲击损伤后聚氨酯涂层显著提高了复合材料层合板的压缩强度,且随着聚氨酯涂层厚度的增加试样的剩余压缩强度逐渐增大。

(4) 聚氨酯喷涂复合材料层合板在不同冲击损伤状态下,其压缩破坏模式不同。当试样未损伤或只有基体开裂时在夹持部位应变较大,最后的破坏位置一般出现在夹持区域附近;当试样出现损伤拐点后,试样冲击后压缩破坏位置一般沿着纤维断裂末端横向扩展;对于穿透的试样,试样冲击后压缩破坏位置大多在冲击损伤区域,纤维裂纹沿着垂直于压缩载荷方向扩展并贯穿整个试样。

The authors have declared that no competing interests exist.