论文部分内容阅读
抗冲击侵彻复合材料在复合特征上与一般结构复合材料有很大的不同。1.树脂基体含量正常在20％以下；2.纤维与树脂以弱界面结合，纤维集合体内部的大量纤维未与基体复合。而很难准确地对这种复合材料在高速冲击下的力学性能进行表征和预报，鉴于此，组分材料的应变率效应研究得到重视，尤其是纤维的高应变率响应行为研究对抗冲击侵彻复合材料研究具有针对性。分离式Hopkinson拉/压杆是研究材料在应变率范围为102/s～105/s下动态本关系的主要手段。本文分别对纤维和树脂组分进行了大的应变率范围内的拉伸和压缩试验，并探讨了它们在高速冲击下的破坏机理和能量吸收特性。
首先简单介绍了用于纤维束和纤维复合材料高应变率下力学性能测试的杆-杆型冲击测试装置—分离式Hopkinson杆，描述该测试装置的主要硬件构成、信号采集和分析计算。本论文即通过这种测试装置，进行了纤维的动态拉伸及树脂的动态压缩试验。
利用分离反射式Hopkinson拉杆(Split-HopkinsonTensileBar简称SHTB)对芳纶和高()聚乙烯纤维束在高应变率下(Technora.450/s～3500/s，UHMWPE：2200/s～2500/s)进行了冲击拉伸试验，获得在不同应变率下纤维束完整的应力应变曲线，结果表明：它们的应力和模量都随应变率提高而有不同程度的提高，破坏应变和断裂应变能密度先提高后在应变率大于1750/s时开始下降。根据纤维统计强度理论，用双Weibull分布函数建立了芳纶纤维束在各个应变率下的动态统计本构方程，发现与试验结果有很好的拟合，可以很好地描述这种纤维束动态拉伸的应力应变关系。
在纤维的力学性能测试和纤维断口观察的基础上，分析了纤维力学性能和抗冲击侵彻性能之间的关系，抗侵彻复合材料纤维组分应具有高比强度、高比模量和适中的断裂伸长。在研究的应变率范围内，芳纶纤维断口的SEM照片呈现的塑性流动、轴向劈裂和原纤化说明该纤维是一种强韧性的材料。轴向劈裂和原纤化可吸收能量，阻断裂缝扩展，这符合防弹装甲的需要。
利用电子万能试验机和分离式Hopkinson压杆(Split-HopkinsonPressureBar简称SHPB)对乙烯基树脂进行了大的应变率范围下(10-4/s～5.8×103/s)的压缩试验，考察了试样压缩失稳和破坏的形貌。结果表明：在准静态加载下(3.3×10-4/s～6.6×10-3/s)，材料呈现韧性破坏，失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高而提高，失稳应变随应变率的提高而降低；在高应变率下(950/s～5800/s)，材料呈脆性破坏，失稳应力、失稳应变能密度均随应变率的提高呈现出增加的趋势，而失稳应变也随应变率的提高而提高，这与准静态的情况不同，在高应变率下，材料发生了“强迫高弹形变”的缘故。
本文提出的纤维束应变率相关的统计本构方程和相应的确定方程中力学参量的方法也适用于其它纤维，有一定的普遍意义。本文得到的纤维与树脂动态条件下的本构关系可以用于复合材料的性能分析和冲击现象的数值模拟。