復(fù)合材料沖擊損傷問(wèn)題的研究現(xiàn)狀

 
      本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料沖擊損傷問(wèn)題的研究情況，從沖擊損傷類(lèi)型，試驗(yàn)技術(shù)、影響因素、損傷機(jī)理、表征參數(shù)等五個(gè)方面作了簡(jiǎn)要的論述。著重討論了低速?zèng)_擊引起的復(fù)合材料層板內(nèi)部分層開(kāi)裂問(wèn)題。本文還介紹了筆者關(guān)于沖擊損傷問(wèn)題的研究結(jié)果。

       纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有很高的比剛度和比強(qiáng)度，是飛行器、汽車(chē)和體育器械等理想的結(jié)構(gòu)材料。目前影響這一技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題之一是損傷問(wèn)題。復(fù)合材料常常以板殼形式存在于結(jié)構(gòu)件中，很容易受到垂直于板面的載荷作用，沖擊載荷就屬于這類(lèi)載荷。由于復(fù)合材料層間強(qiáng)度的先天性不足，受到垂直板面的載荷作用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)基體開(kāi)裂、層間分層和纖維斷裂等多種形式的損傷。尤其是低速?zèng)_擊載荷引起的損傷，常發(fā)生在材料的內(nèi)部，外部卻無(wú)明顯的痕跡。損傷破壞了復(fù)合材料的整體性，導(dǎo)致了壓縮性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的下降。這就使得復(fù)合材料減重效能很難得到充分發(fā)揮。因此，復(fù)合材料的沖擊損傷問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料界關(guān)注的熱點(diǎn)。本文著重介紹近期關(guān)于沖擊損傷問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。

1．  沖擊損傷的種類(lèi)

      沖擊損傷按沖擊能量可分為三類(lèi)，即高能量、中等能量和低能量沖擊。高能量沖擊如子彈、甩出的渦輪和風(fēng)機(jī)葉片及其他外界物品造成的損傷，這種損傷往往是穿透性的并伴隨著一定范圍的分層；中等能量沖擊不會(huì)出現(xiàn)穿透損傷，但可能會(huì)在沖擊區(qū)產(chǎn)生一些局部損傷，包括內(nèi)部的分層和出現(xiàn)在背面沖擊作用點(diǎn)下方的纖維斷裂；低能量沖擊常指工具的掉落或撞擊，地面或空中飛行時(shí)的冰雹撞擊等，低能量沖擊可引起內(nèi)部分層、基體開(kāi)裂等損傷。高能量和中等能量的沖擊是可目測(cè)的，容易引起人們的重視并得到及時(shí)的修理。而低能量沖擊損傷難以被肉眼發(fā)現(xiàn)，常稱(chēng)之為“目視勉強(qiáng)可見(jiàn)沖擊損傷( BVID)。研究了BVID對(duì)石墨／環(huán)氧樹(shù)脂壁板靜強(qiáng)度和靜強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在壓縮載荷作用下材料性能的劣化比拉伸載荷下性能的劣化更令人擔(dān)心。把標(biāo)準(zhǔn)能量水平下沖擊后的試件與帶孔試件進(jìn)行了比較：①在拉伸情況下，沖擊損傷相當(dāng)于3mm直徑的孔；而在壓縮載荷作用下，沖擊損傷則相當(dāng)于25mm直徑的孔；②在對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞情況下，沖擊損傷試件低于帶孔試件；③沖擊后的壓縮強(qiáng)度降至原來(lái)的l／2～1／3。可見(jiàn)低能沖擊對(duì)復(fù)合材料性能影響很大，嚴(yán)重地威脅結(jié)構(gòu)的安全性。

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