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三维正交机织玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂复合材料
的高应变率压缩性能1
牛智林，孙宝忠
东华大学 纺织学院 上海(201620)
E-mail niuzhilin@mail.dhu.edu.cn 摘 要：为了研究三维正交机织玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂复合材料在不同应变率下的压缩性能及压缩破坏模式，本文采用分离式Hopkinson杆（SHPB）装置对实验材料进行动态同时测试了准静态载荷下实验材料的压压缩性能的测试，选择的应变率范围为800-3500s-1，缩性能。结果表明：三维正交机织玄武岩纤维/不饱和聚酯树脂复合材料为应变率敏感材料，其拉伸模量和失效应力都随着应变率的增加而增加，而相应的失效应变减小。 关键词：三维正交机织复合材料，玄武岩纤维，SHPB装置，压缩性能，应变率 中图分类号：TB302.3
1. 引 言
随着三维机织技术的发展，三维机织物三维机织复合材料的应用越来越广泛，这是由于其独特的结构特征和优良的物理机械性能。三维机织物可以织成近似网状结构，仿形能力高
[1]
；可以承受较高的弹道冲击损伤以及低速冲击损伤 [2]；而三维机织复合材料作为层合板替
代品被广泛应用于火箭和导弹发动机壳体，飞机结构件等。玄武岩纤维作为一种高性能纤维，具有优良的物理机械性能，目前主要应用于复合材料的增强体，但此方面的研究工作还很匮乏[3-5]。尤其针对三维机织玄武岩纤维复合材料的高应变率力学性能尚未见文献报道。本文采用分离式Hopkinson杆测试三维机织复合材料在高应变率下的压缩性能，同时采用MTS810.32型材料测试机测试材料在准静态下的压缩性能，以作比较。
2. 分离式SHPB原理
SHPB主要由撞击杆、输入杆、输出杆、2个应变片、超动态应变仪、数据采集卡和计算机组成。撞击杆、输入杆和输出杆在制作上选用与纤维增强复合材料阻抗较匹配的材料，一般以弹簧钢制作；应变片是采用半导体应变片，用于测试到冲击加载过程中产生的以杆中纵波速度传递的应变波信号；超动态应变仪将应变片上的电阻变化转化为电压信号并放大；高速数据采集卡采集储存放大后的电压信号。该装置测试原理如图1 所示。
1
本课题得到博士点基金（新教师基金，项目名称：三维正交机织复合材料在冲击加载下的应变率效应和
频率响应特征，项目编号：200802551003）的资助。
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气枪 输入杆 试样 输出杆 吸收杆 应变片撞击杆 阻尼器 超动态应变仪 高速数据采集卡 电脑
图1 分离式Hopkinson压杆装置测试原理图 Fig.1 Schematic of split Hopkinson pressure bar
当气枪中的撞击杆发射时，与输入杆撞击,在撞击面产生压缩脉冲，并通过界面进入输入杆，所以输入杆的入射脉冲的长度是撞击杆长度的2倍。入射波传播通过试件，试样发生高速塑性变形，并相应地在透射杆中传播一透射弹性波，而在入射杆中则反射回一反射弹性波。在输入杆和输出杆上贴有应变片,于是可从输入杆的应变片上测得入射波应变值εi(t)和反射波应变值εr(t)，从输出杆的应变片上测出透射波应变值εt(t)。又因为在大多数情况下输入杆和输出杆均采用材料相同、截面积相等的两根杆，依据一维应力波理论及试件中应力、应变均匀性假设，可导出应变、应变率和应力方程[6]：
c0t
(εt−εi)dt (1) ∫0l0c0
ε′=−2(εt−εi) (2)
l0A0
σ=Eεt
A (3)
式中c0为杆中的弹性纵波波速；l0为试样的原始长度；εi、εt分别为作用在试样上的
ε=−2
入射波和透射波的应变值，A0和A分别为杆和试样的初始横截面积，E为弹性杆的模量。
3. 试样规格
试验所用三维正交机织物规格如表1所示。织物增强体的实物照片如图2所示。三维机织物增强体与不饱和聚酯树脂、过氧化甲乙酮和辛酸钴等经真空辅助成型树脂传递模塑工艺
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如图3所示。
表1玄武岩无捻粗纱织成的织物其参数规格 Table 1 Main parameters of 3-D orthogonal woven fabric
纱线 经纱 纬纱 Z纱
种类
细度
层数
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复合成型。成型后的复合材料加工成10mm×10mm×5mm矩形试样后进行压缩测试。试样
密度(根/10cm)
50 36 --
玄武岩无捻粗纱 400tex 玄武岩无捻粗纱 600tex 玄武岩纺织用纱 64tex
3 4 --
1mm
图2 三维正交织物实物照片 Fig.2 3-D orthogonal woven fabric
1mm
(a)
(b)
图3 试样(a)正面(b)侧面
Fig.3 Front face (a) and cross-section (b) of 3-D orthogonal woven composites
4. 结果与讨论
试验在不同应变率下对三维正交机织复合材料的三个方向进行压缩测试，经纬向动态压缩应变率分别为800、1500、2100s-1 ，厚度方向动态压缩应变率分别为1500、2800、3500s-1，三个方向的准静态压缩应变率均为0.001s-1。每个应变率下的试验次数以取得3个重复性较好
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的试验结果为准。图4给出了动态压缩试验的典型原始波形。
4003002001000-100-200-300
-200-1000100200300http://www.paper.edu.cn
intput wave output waveVoltage(mv)400time(10s)
-6
图4 动态压缩试验的典型原始波形
Fig. 4 Typical signals of input wave and output wave of 3-D orthogonal woven composites
图中入射脉冲信号的波形反应子弹传递过来的能量，波宽反映了碰撞的时间，波幅反映了输入杆上应力的大小。波形为方波时才能保证破坏时的应变率近似的恒定，才会是基于一维假设的计算值满足于实际值。反射脉冲反映试样在动态压缩过程中应变率的变化(反射波受影响的因素很多，实际计算中采用入射波和透射波的差值计算，即二波处理法理论)。反射脉冲在有效的时间内(试样加载到试样破坏)的面积反映试样的应变。反射脉冲是入射脉冲在输入杆和试样接触界面上经过反射产生，很大程度上受到二维效应的影响。本实验在试验大小设计时选择加工试样为10 mm×10mm×5mm的矩形板为了与输入杆的面积相匹配(输入杆直径为14.5mm)，从而减少试验是产生的二维效应。入射脉冲和反射脉冲在短时间内由零增加到最大，然后不断波动，最后降为零。透射脉冲反映了压缩过程中应力随时间的变化，透射脉冲上升到最大值的时间比较大。
600500400Stress(MPa)300 3500/s 2800/s 1500/s 0.001/s20010000510152025303540Strain(%)
(a) 厚度方向
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250http://www.paper.edu.cn
200 2100/s 1500/s 800/s 0.001/sStress(MPa)15010050002468Strain(%)
(b) 经向
300250200Stress(MPa) 2100/s 1500/s 800/s 0.001/s15010050002468101214Strain(%)
(c) 纬向
图5 三维正交机织复合材料不同应变率下的压缩应力-应变曲线
Fig. 5 Stress-strain curve in the thickness (a), weft (b) and warp (c) direction for 3-D orthogonal woven composites
at different strain rates
550500450400
Peak Stress(MPa)35030025020015010050
05001000150020002500-1
厚度方向 经向 纬向300035004000Strain rate(s)
(a) 失效应力
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厚度方向经向 纬向Failure Strain(%)1412108642005001000150020002500-1
300035004000Strain rate(s)
(b) 失效应变
161412 厚度方向 经向 纬向Stiffness(MPa)1086420050010001500200025003000-1
35004000Strain rate(s)
(c )压缩刚度
图6 正交机织复合材料三个方向不同应变率下失效应力、失效应变和压缩刚度
Fig.6.Failure stress (a), failure strain (b) and compression stiffness (c) of 3-D orthogonal woven fabric composites
at various strain rates
图5给出了在不同应变率下三维正交机织复合材料三个方向的压缩应力-应变曲线。图6分别是该复合材料三个方向的失效应力-应变率曲线，失效应变-应变率曲线和压缩刚度-应变率曲线。具体分析如下：
4. 1 三维正交机织复合材料失效应力
从图6(a)可以看出，相同应变率下，厚度方向失效应力大于纬向，纬向大于经向。随着应变率的增加，三个方向的失效应力近似线性增加，可以用以下三个公式分别拟合厚度方向、经向和纬向的失效应力-应变率的关系：
σmax=0.018ε′+443.47 σmax=0.029ε′+104.44 σmax=0.045ε′+196.36
4.2 三维正交机织复合材料失效应变
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从图6(b)可以看出，失效应变的变化趋势与失效应力相反随着应变率的增加，三个方向的失效应变逐渐减小，应变率越高，失效应变减小的速度越慢，但仍可以用以下三个公式分别拟合厚度方向、经向和纬向的失效应变-应变率的关系：
εmax=−0.0039ε′+20.17 εmax=−0.0013ε′+3.51 εmax=−0.0007ε′+4.19
4.3 三维正交机织复合材料压缩刚度
图6(c)可以看出, 随着应变率的增加，三个方向的压缩刚度近似线性增加，可以用以下三个公式分别拟合厚度方向、经向和纬向的应变率-压缩刚度的关系：
E=0.0024ε′+2.31 E=0.0014ε′+4.06 E=0.0032ε′+6.17
4.4 复合材料的破坏形态
图7-9分别给出了不同应变率下复合材料三个方向的压缩破坏形态，可以看出，随着应变率的增大，复合材料的破坏程度加大。另外，复合材料面外的破坏模式和面内的破坏模式存在着显著的不同，复合材料在压缩破坏时面外主要的破坏模式为层间剪切；而面内测试时，试样前端(靠近输入杆端)有一定的分层破坏，后端损伤较小，这与三维正交织物的结构有关。三个方向压缩破坏，都伴随着基体的脆性破坏，纤维的断裂和纤维与基体的分裂。 1mm
a: 0.001/s b: 1500/s
c: 2800/s d: 3500/s
图7 三维正交机织复合材料厚度方向在不同应变率下的压缩破坏
Fig. 7 Compressive failure of 3-D orthogonal woven composite in the thickness direction at various strain rates
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1mm
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a: 0.001/s b: 800/s
c: 1500/s d: 2100/s
图8 三维正交机织复合材料纬向在不同应变率下的压缩破坏
Fig. 8 Compressive failure of 3-D orthogonal woven composite in weft direction at various strain rates
1mm
a: 0.001/s b: 800/s
c: 1500/s d: 2100/s
图9 三维正交机织复合材料纬向在不同应变率下的压缩破坏
Fig. 9 Compressive failure of 3-D orthogonal woven composite in the warp direction at various strain rates
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5. 结论
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通过比较三维正交机织复合材料的各个方向不同应变率下的应力-应变曲线，得出三维正交机织复合材料为应变率敏感材料，随着应变率增加，材料的压缩失效应力和压缩刚度线性增加，而压缩失效应变线性减小。通过比较试样压缩破坏照片，得出复合材料在面外主要受横向剪切的作用, 而在面内方向由于Z纱的捆绑作用，在一定程度上减少了分层破坏。 参考文献
[1] Mouritz, AP, Bannister, MK, Falzon, PJ, et al. Review of applications for advanced three-dimensional fibre
textile composites[J]. Composites: Part A-Applied science and manufacturing, 1999(30):1445–1461.
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[3] Wang, X, Hu, B, Feng, Y, et al. Low velocity impact properties of 3D woven basalt/aramid hybrid composites
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[4] Chen, W, Shen, HB, Auad, ML, et al. Basalt fiber–epoxy laminates with functionalized multi-walled carbon
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composite [J]. Composites: Part B-Engineering, 2009(40):572-583.
[6] Meyers M C. Dynamic Behavior of Materials [M]. New York: John Wiley &Sons, Inc, 1995.
High Strain Rate Compression Behavior OF 3-D Orthogonal
Woven Basalt Fiber/Unsaturated Resin Composites
Niu Zhilin, Sun Baozhong
Textile College, Donghua University, Shanghai, PRC, (201620)
Abstract
The compressive properties of 3-D orthogonal basalt fiber/unsaturated polyester woven composites at quasi-static and high strain rates loadings have been investigated to evaluate the compressive failure mode at different strain rates. The compressive properties at high strain rates from 800 to 3500 s - 1 were tested using the split Hopkinson bar (SHPB) technique. Compressive properties at quasi-static strain rate were also tested and compared with those in high strain rates. The results indicate that the stress strain curves are rate sensitive, and compressive modulus, maximum failure stress and maximum failure strain are also sensitive to the strain rate. The maximum failure stress of 3-D orthogonal basalt fiber/unsaturated polyester woven composites is linearly increased with the strain rate. With increasing of the strain rate, the compressive failure of 3-D orthogonal basalt/unsaturated polyester woven composite specimens has a tendency of transition from ductile failure to brittle failure.
Keywords: 3-D orthogonal woven composites, basalt fiber, split Hopkinson bar, compressive property, strain rate
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