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1 第 3 卷 第 7 期 07 年 7 月 CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH Vol. 3 No. 7 July 07 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 郭瑞彦 张国利 岳海亮 马欢 陈联云 天津工业大学复合材料研究所教育部先进纺织复合材料共建重点实验室天津 中航工业航宇救生装备有限公司襄阳 摘要对聚氨酯喷涂复合材料层板进行反复低速冲击试验和冲击后压缩试验, 研究了损伤程度 层板厚度和涂层厚度对聚氨酯喷涂复合材料层合板冲击后压缩强度的影响, 并通过数字图像相关 (DIC) 检测压缩过程分析了不同损伤程度试样的破坏过程和破坏模式 结果表明 : 随着冲击次数的增加冲击后压缩强度存在拐点, 随着层合板厚度的增加试样的冲击后压缩强度降低, 随着涂层厚度的增加含聚氨酯的试样冲击后压缩强度明显提高 ; 压缩破坏位置与损伤程度有关, 试样的损伤程度不同其压缩破坏过程也不同 关键词复合材料, 聚氨酯涂层, 层合板厚度, 冲击后压缩强度, 损伤拐点, 压缩破坏模式中图分类号 TB33 文章编号 (07) Evaluation of Compression after Impact on Composite Laminates Coated with PU GUO Ruiyan, ZHANG Guoli, YUE Hailiang, MA Huan, CHEN Lianyun Key Laboratory of Advanced Textile Composites, Tianjin and Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University, Tianjin , China AVIC Aerospace Life Support Industries, LED, Xiangyang, 44003, China Correspondent: ZHANG Guoli, Tel: (0) , guolizhang@tjpu.edu.cn Supported by the Planned Science and Technology Project of Tianjin (No. 6YFZCGX0090) and Tianjin City High School Science & Technology Fund Planning Project (No. 90ZD0) Manuscript received , in revised form ABSTRACT The tests of repeated low- velocity impact and compression after impact on composites laminates coated with PU were carried out, and mainly focused on the factors of damage degree,the thickness of composites and coating which could affect the compression strength after impact of composite laminates coated with PU. Moreover the process of compression after impact acting on laminated was tested via digital image correlation (DIC) which can gather the topography of specimens during testing in time, so the damage process and damage modes of specimens with various damage degrees were analyzed. Finally, the conclusions can be acquired:the damage inflection point exists by the increasing of impact numbers, and the compression strength decreased with increasing the thickness of composite laminates. In addition, the compression strength after impact of composite laminates coated with PU increased with increasing coating thickness. As for the specific damage position of different specimens, it is related with damage degree, which is also related with compression damage process. KEY WORDS composite, polyurethane coating, composite laminates thickness, compression strength after impact, damage inflection point, compression damage mode 资助项目天津市科技计划 (6YFZCGX0090) 和天津市高等学校科技发展基金计划 (90ZD0) 收稿日期 定稿日期 作者简介郭瑞彦, 女,990 年生, 硕士生通讯作者张国利, 研究员,guolizhang@tjpu.edu.cn, 研究方向为复合材料成型理论与制备技术 DOI 0.90/

2 7 期 郭瑞彦等 : 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 57 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 [] 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 [-6], 并提出了增加复合材料抗反复冲击性能的方 [7] 法 Adams 等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 /4 或者 /5 的高强聚乙烯纤 [8] 维 / 环氧树脂基层 Hart 等提出添加保护层, 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 [9-0] [9] 抗反复冲击的性能 Düring 等分别研究了具有 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 6%, 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 5% 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 7%~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 %~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 [0] 等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 3% 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 [-3] [] 强度的相关研究 Martins 等主要研究了具有 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 [3] 性 程小全等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 [4-5] 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 [6] 剩余压缩强度 Nettles 等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 [4, 5] [7] Bouvet 等研究的层板的结果类似 何为等研 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 5%~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

3 58 材料研究学报 3 卷 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 实验方法. 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 4. MPa 聚氨酯双组分喷枪 ;Instron Dynatup 950HV 落锤冲击试验机 ;SN-C3409 水浸超声扫描检测系统 ; 切割机 ;AR- AMIS 测试系统和 AG-50KN 型万能试验机. 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 MPa, 喷砂嘴距试样距离为 0 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 5 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 mm.5 mm 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 50 mm 00 mm 的冲击试样, 结构参数列于表.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 :mm.4 冲击后压缩试验.4. 试验标准本试验参照美国标准 ASTM D 737 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 F CAI = P max A 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.4. 试验装置实验用仪器是 ARAMIS 测试 系统和 AG-50KN 型万能试验机 图 给出了 AR- AMIS 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 所示.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 结果和讨论. 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 4 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 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, 表 试样的具体结构参数 Table Structure parameters of specimen Specimen Structure of Thickness of base Thickness of Thickness of number laminates plate/mm PU/mm specimen/mm A [0/90] 6 0 A [0/90] 6-PU(mm) 3 A [0/90] 6-PU(.5mm) A [0/90] 6-PU(mm) 4 A 4 [0/90] A 4 [0/90] 7-PU A 6 [0/90] A 6 [0/90] 8-PU.8 3.8

4 7期 郭瑞彦等: 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 59 图 冲击后压缩试验用 ARAMIS 测试系统 Fig. Testing facility for CAI (a) ARAMIS testing system and (b) universal testing machine 图 冲击后压缩夹具示意图和冲击后压缩试验图 Fig. Schematic diagram of fixture (a) and the test diagram (b) of CAI 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 在拐点之前不同冲击次数试样压缩初始阶段曲线基 体作为保护层是通过增大压缩破坏载荷阈值的方法 本重合 因为试样的压缩模量是相同的 过了拐点 提高层合板的使用寿命 后曲线斜率逐渐减小 随着冲击次数的增加试样出 不同冲击次数含聚氨酯涂层试件的冲击后剩余 现压缩破坏的位移也逐渐减小 如图 5a 所示 对于 压缩强度随损伤面积的关系曲线 如图 6 所示 从 [0/90]7 图 5b 给出了在第 次 第 3 次 第 6 次冲击后 图 6 可以看出 剩余压缩强度随着损伤面积的增加逐 压缩载荷 位移曲线 通过对比可以看出 裸板在 渐下降 未受冲击时试样的压缩强度为 0 MPa 对 冲击后压缩时曲线比喷涂聚氨酯的试样急剧 且当 于 9 次冲击 根据 Image Pro Plus 计算得出损伤面积 裸板试样发生弯曲破坏时的最大压缩载荷小于喷涂 为 9766 mm 曲 线 出 现 拐 点 试 样 的 压 缩 强 度 为 有聚氨酯最大压缩破坏载荷 这表明 聚氨酯弹性 97.0 MPa 压缩强度只下降了 0% 这表明 在反

5 530 材 料 研 究 学 3 卷 报 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) Ｃｏｍｐｒ ｅｓ ｓｉ ｏｎｌ ｏａｄ ｋｎ ４ ３ ＰＵ ７ Ｊ ａ ９ ７ ３ ６ ９ １２ １８ ２４ ３ ２ Ｃｏｍｐｒ ｅｓｓｉ ｏｎｌ ｏａｄ ｋｎ ６ ２ １ ２ １ １ ｂ ９ ７ Ｊ １ ７ ３ ６ １ １ ２ Ｄｅｆ ｌ ｅｃ ｔ ｉ ｏｎ ｍｍ ２ ３ １ １ Ｄｅｆ ｌ ｅｃｔ ｉ ｏｎ ｍｍ ２ 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 复冲击过程中出现拐点前试样的剩余压缩强度变化 穿 透 冲 击 损 伤 面 积 为 3458 mm 压 缩 强 度 为 很小 冲击 4 次后聚氨酯喷涂复合材料层合板完全 46.6 MPa 下降了 33.4% 这表明 拐点出现后

6 7 期 郭瑞彦等 : 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 53 随着损伤面积的增加压缩强度的下降明显加快. 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 A A 4 和 A 6 层合板和 A -PU A 4-PU 和 A 6-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 由图 7 可见, 未损伤的 A A 4 和 A 6 裸板试样的压 缩破坏载荷分别为 kn kn 和 59.5 kn, 压 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 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 缩强度分别为 5.8MPa 36.59MPa 和.6 MPa; 而 A -PU A 4-PU 和 A 6-PU 含聚氨酯涂层试样的压缩 破坏载荷分别为 kn 46.8 kn 和 5.88 kn, 压缩 强度分别为 7.35 MPa 9.83 MPa 和 MPa, 分别是对应裸板压缩强度的 85.98% 8.49% 和 89.4% 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 0% 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 从图 8 可见, 冲击穿透后 A A 4 A 6 的压缩强 度下降程度依次是 45.0% 50.54% 4.55% 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 A -PU A 4-PU A 6-PU 的下降程度依 次是 34.07% 9.9% 5.53%, 与对应的 A A 4 A 6 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 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

7 53 材料研究学报 3 卷 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.4 mm 和.8 mm 的下降程度都比 mm 的低, 尤其是厚度 为.4 mm 比 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.4 mm 厚的下降程度比 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.8 mm 厚的压缩强度变化程度比.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.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 mm 厚的压缩载荷 - 位移曲线中, 在位移为.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 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 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 图 0 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 A A -PU( mm) A -PU(.5 mm) 和 A - PU( mm) 的压缩强度分别为 5.8 MPa 7.35 MPa.35 MPa 和.55 MPa A 层合板的 压缩强度明显比其他三种的高, 而 A -PU( mm) A - PU(.5 mm) 和 A -PU( 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, A -PU( mm) A -PU(.5 mm) 和 A -PU( mm) 层合 板的压缩强度分别比 A 的压缩强度降低了 4.0% 6.00% 和 6.3% 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 根据图 0 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, 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 图 0 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.0 Peak load (a) and compression strength (b) of laminates with different thickness of PU at different stage

8 7 期 郭瑞彦等 : 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 533 下降程度 红色柱状图表明, 在出现冲击损伤拐点时 A A -PU( mm) A -PU(.5 mm) 和 A -PU( mm) 的压缩强度分别与未冲击时相比降低了 4.3% 6.89% 5.68% 和 0.40% 蓝色柱状图表明, 当发 生穿透后 A A -PU( mm) A -PU(.5 mm) 和 A - PU( mm) 的压缩强度分别与未冲击时相比降低了 45.0% 43.3% 8.% 和.5% 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 在红色和蓝色柱状图中,A -PU( mm) A -PU (.5 mm) 和 A -PU( 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 A 压缩强度的下降程度只提高了.79%,A - PU( mm) A -PU(.5 mm) 和 A -PU( mm) 都分别 提高了 6.4%.43%.% 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 图 与未冲击相比压缩强度的下降程度 Fig. The decline degree of laminates compared with impact before 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 mm.5 mm 和 mm, 压缩强度分别为 MPa 58.9 MPa MPa 和 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 mm.5 mm 和 mm 时其压缩强度分别为 39 MPa 43.3 MPa 73.9 MPa 和 87. 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.4 冲击后压缩破坏模式和破坏机理.4. 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 a 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 b 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 c 所示.4. 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 3 4 和 5 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 从图 3 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.5% 其原因是, 纤维的压缩模量远大于树脂, 树 图 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. Damage picture of specimen at matrix crack (a), at damage inflexion (b) and at penetration (c)

9 534 材 料 研 究 学 报 图 3 未冲击时试样压缩过程中的应变分布云图 Fig.3 Strain distribution nephogram of specimen without impact in the compression process 图 4 基体开裂时试样压缩过程中的应变分布云图 Fig.4 Strain distribution nephogram of specimen without matrix crack in the compression process 3 卷

10 7期 郭瑞彦等: 聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响 535 图 5 穿透时试样压缩过程中的应变分布云图 Fig.5 Strain distribution nephogram of specimen after penetration in the compression process 脂基体的应变大 而纤维方向的应变小 随着压缩载 有一条细长的红色区域 这些结果说明 整个面板 荷的继续增加位于夹持区域的上下两端应变增大 应变集中在冲击区域 使冲击处的红色区域沿着载 而位于中心的区域应变较小 近似呈菱形 两个应 荷加载方向延伸 后来 整个层合板变成应变为 0 变相差太大的区域 从菱形的边界处发生断裂 的深蓝色区域 原来沿着纵向的红色区域变成了十 从图 4 可见 基体开裂的聚氨酯喷涂复合材料 字交叉的区域 此时整个面板的应变集中在冲击处 试样在压缩开始阶段图像出现大量红色斑点(代表 释放 使原来的纵向红色长条变长 而且还沿着横向 较大的应变) 分布在试样右对角线附近 随着载荷 扩展 随着载荷的进一步增大层合板纵向的裂口不 的增加图像被分成两个明显不同的区域 位于左下 再增加 而是沿着横向裂纹一直扩展直到层合板完 角的黄色区域应变较大 位于右上角的蓝色区域应 全失稳而断裂 随着压缩变形持续增大 凹坑逐渐 变较小 随着压缩载荷的持续增加应变大的区域向 从试件中心横向贯穿试件 凹坑扩展造成较大的弯 图像的四个角转移 而应变小的区域向中央转移 并 曲变形 使凹坑区面板沿加载方向的变形超过面板 且在中心即冲击区域有深蓝色的细条型的裂缝 应 材料的最大压缩应变 最终导致受损伤的面板突然 变为零 断裂并造成夹层板的最终破坏 从图 5 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 3 结论 变为 3%的绿色区域 在冲击中心及其上方离散分布 () 聚氨酯喷涂复合材料层合板反复冲击后的 着应变较大的红色斑点 随着压缩载荷的增加沿着 剩余压缩强度随着冲击次数的增加而逐渐减小 而 载荷方向出现蓝色的线条 这表明 纤维沿着载荷 且冲击后剩余压缩强度随着冲击损伤面积的变化存 加载方向发生屈曲 接着整个面板又恢复成绿色区 在拐点 在拐点之前压缩强度下降缓慢 只下降了大 域 只是在冲击点附近的红色斑点聚集 在冲击点上 约 0% 在拐点之后压缩强度快速下降 最终穿透时 方出现应变为 4.5%的离散的黄色斑点 随着载荷继 剩余压缩强度下降了大约 50% 续增加整个层合板变成.5%的浅蓝色区域 中心处 () 随着层合板厚度的增加 层合板和含聚氨酯

11 536 材料研究学报 3 卷 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 0%; 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 参考文献 [] Du S Y. Advanced composite materials and aerospace engineering [J]. Acta Mater. Compos. Sin., 007, 4(): ( 杜善义. 先进复合材料与航空航天 [J]. 复合材料学报, 007, 4 (): ) [] de Morais W A, Monteiro S N, d ' Almeida J R M. Effect of the laminate thickness on the composite strength to repeated low energy impacts [J]. Compos. Struct., 005, 70: 3 [3] Aurrekoetxea J, Sarrionandia M, Mateos M, et al. Repeated low energy impact behaviour of self-reinforced polypropylene composites [J]. Polym. Test., 0, 30: 6 [4] Li J G. Composite material compression test after impact [J]. Fiber Compos., 03, 30(): 34 ( 李建国. 复合材料冲击后压缩强度试验 [J]. 纤维复合材料, 03, 30(): 34) [5] Andrew J J, Arumugam V, Saravanakumar K, et al. Compression after impact strength of repaired GFRP composite laminates under repeated impact loading [J]. Compos. Struct., 05, 33: 9 [6] Tooski M Y, Alderliesten R C, Ghajar R, et al. Experimental investigation on distance effects in repeated low velocity impact on fibermetal laminates [J]. Compos. Struct., 03, 99: 3 [7] Adams D F, Zimmerman R S. Static and impact performance of polyethylene fiber/graphite fiber hybrid composites [J]. SAMPE J., 986, : 0 [8] Hart W G J, Ubels L C. Impact energy absorbing surface layers for protection of composite aircraft structures [A]. Proceedings of the 8th European Conference on Composite Materials: Science, Technologies and Applications [C]. Naples, Italy: Woodhead Publishing, Ltd, 998 [9] Düring D, Weiß L, Stefaniak D, et al. Low-velocity impact response of composite laminates with steel and elastomer protective layer [J]. Compos. Struct., 05, 34: 8 [0] Stelldinger E, Kühhorn A, Kober M. Experimental evaluation of the low-velocity impact damage resistance of CFRP tubes with integrated rubber layer [J]. Compos. Struct., 06, 39: 30 [] Martins R D, Donadon M V, de Almeida S F M. The effects of curvature and internal pressure on the compression- after- impact strength of composite laminates [J]. J. Compos. Mater., 06, 50: 85 [] Zhang Y. Testing and data analysis of laminates subjected to quasistatic indentation and compressive ultimate loads [J]. Fail. Anal. Prev., 04, 9(): 5 ( 张颖. 层合板静压痕及压缩强度试验与其数据统计分析 [J]. 失效分析与预防, 04, 9(): 5) [3] Cheng X Q, Li Z N. Damage progressive model of compression of composite laminates after low velocity impact [J]. Appl. Math. Mech., 005, 6: 569 ( 程小全, 郦正能. 复合材料层合板低速冲击后压缩的损伤累积模型 [J]. 应用数学和力学, 005, 6: 569) [4] Petit S, Bouvet C, Bergerot A, et al. Impact and compression after impact experimental study of a composite laminate with a cork thermal shield [J]. Compos. Sci. Technol., 007, 67: 386 [5] Rahmé P, Bouvet C, Rivallant S, et al. Experimental investigation of impact on composite laminates with protective layers [J]. Compos. Sci. Technol., 0, 7: 8 [6] Nettles A T, Jackson J R, Hodge A J. Change in damage tolerance characteristics of sandwich structure with a thermal protection system (TPS) [J]. J. Compos. Mater., 0, 46: [7] He W, Guan Z D, Wang J. Experimental study on the low-velocity impact and compression after impact performances of composite laminates with a surface protection layer [J]. Acta Mater. Compos. Sin., 04, 3: 485 ( 何为, 关志东, 王进. 带表面防护层复合材料层板的低速冲击及冲击后压缩性能试验研究 [J]. 复合材料学报, 04, 3: 485) ( 责任编辑 : 吴岩 )