雷升升、颜乐芳、程士孟
温州方圆检验认证有限公司 浙江省 温州市 325000
摘要：纺织结构复合材料一般是以纺织预成型体作为增强体, 以树脂作为基体固化形成的一类增强复合材料。纺织结构复合材料不但具有比强度大、重量轻、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性以及材料性能可设计的特点, 其中三维纺织结构复合材料还具有良好的层间、剪切强度和抗损伤容限性能; 具有较高的冲击能量吸收能力; 易于成型、制造成本低、重量轻的特点，其轻质高强的特点使该类材料在飞行器、高速车辆和弹道防护材料应用领域有较大的发展潜力。
关键词：纺织结构复合材料；冲击拉伸研究发展；
一、纺织结构复合材料
近几年来也从早期的长丝铺设发展到采用各种纺织品，使复合材料的加工更连续化、自动化，并且提高了复合材料的力学性能，降低了成本，利用纺织品作为增强结构与基体相复合形成的复合材料称为纺织结构复合材料。应用于复合材料基布的纺织结构一般包括机织物、针织物、三维编织物及非织造布等。其中针织物又分为纬编针织物和经编针织物两种。经编针织物具有尺寸较稳定和延伸率较小等特点，特别是双轴向和多轴向衬经衬纬经编针织物进一步优化了这种性能，经编多轴向衬纬织物是最有效的预设计增强织物，能够更合理的利用材料中每一个组成部分的优良性能，不管是从结构还是从性能来看，都表现出良好的特性，在目前是一种最理想的复合材料用纺织品，用它制成的复合材料具有比机织物复合材料更高的拉伸强度与模量。其编织技术、设备及复合材料在先进的工业国家竞相开展研究，其产品也广泛应用于军事、航天等各工业部门。
二、纺织结构复合材料冲击拉伸研究发展
1。纺织结构复合材料冲击拉伸研究意义。纺织结构增强复合材料现在已经越来越多地应用于航天、航空、防护和汽车等民用领域,在一系列实际应用时往往要承受着高速冲击拉伸、冲击压缩等冲击载荷(冲击加载) 作用研究显示大多数纺织结构增强复合材料在冲击加载下的性能与准静态下的力学性能完全不同， 纺织结构增强复合材料在承受静态或准静态载荷时, 由于载荷传播速率小, 应力在基体与纤维中有充分的时间传递分布并趋于平衡状态。但当外部加载作用时间很短即冲击加载下, 且受力物体在加载方向的尺寸又足够大时, 应力波效应在复合材料的应力传递分布中作用明由于应力波随增强材料的结构、组分、尺寸等的差异而导致传播速率不同, 应力短时间内在复合材料内的分布不平衡, 从而使复合材料发生难以预测的破坏。同时, 纺织结构复合材料存在结构上的各向异性, 使得同一方向的拉、压模量与拉、压强度不同, 造成纺织结构增强复合材料力学性能描述的困难。在冲击加载作用下, 其他各向同性材料(如金属) 是通过弹性和塑性变形来吸收冲击动能, 而纺织结构增强复合材料发生塑性变形能力有限, 一般通过产生大面积的裂纹使材料强度和刚度明显下降, 从而造成纺织结构增强复合材料的破坏。其破坏模式有纤维断裂、纤维抽拔、基体开裂与纤维基体间剪切破坏等多种形式, 在冲击加载作用下, 多种模式可能同时作用, 损伤机理十分复杂。 并且由于纺织结构增强复合材料本身的复杂性以及组分和制备工艺的多样性, 材料参数(如模量、强度) 等动态力学性能随应变率的变化也非常复杂。 因此了解纺织结构增强复合材料在冲击加载作用下的力学性能对于复合材料的抗冲击性能设计有非常重要的意义, 这也是复合材料动态力学性能研究的一个重要方向。
2.冲击拉伸装置发展历史与现状。
材料冲击拉伸性能已经越来越受到人们的重视, 同时冲击拉伸装置也在随着发展而改进。测试时所需要考虑的因素。纺织结构复合材料在承受准静态载荷时,由于载荷在材料中传播时间长, 应力有充分时间在纤维和基体中分布, 从而趋向于平衡态分布或使材料完全失效。 但当材料在受到高应变率应力作用时, 情况就会发生非常大的变化, 由于载荷在材料中传播速率非常快, 应力波在材料中来不及完全分布, 同时由于材料中纤维和基体分布不同, 应力波对材料内各个部分的作用也完全不同, 这种情况下, 材料的动态行为必须要通过应力波来实现。首次提出关于由爆炸或子弹冲击所产生压力的测量方法, 它是第一种测试瞬态脉冲的方法, 在此原理上形成了目前研究材料在高应变率效应下力学性质的Hopkin-son 杆装置。 用电容器和示波器首次得出压杆上的应力波传播信号。自此不但基于同一原理的各种冲击实验装置开始广泛用于研究材料在高应变率效应下的动态力学性能研究,而且在加载方式上由开始的单轴压缩向三轴拉伸或扭转方面发展。已经对纺织结构复合材料在高应变下的压缩、拉伸、剪切和扭转等力学性能展开了广泛而深入研究。
3.纺织结构复合材料冲击拉伸研究。压杆主要用于材料的冲击压缩性能测试, 较少测试材料的冲击拉伸性能。 一方面因为过去主要研究金属及其合金等韧性工程材料具有对称拉压特性, 只需研究冲击压缩性能即可。 另一方面因为冲击拉伸测试还有一定技术困难。 但是随着复合材料这些各向异性且拉压特性明显不同的材料的广泛应用, 测试复合材料冲击拉伸性能愈加重要。 目前对于纺织结构复合材料测试主要集中在3 个领域: 纤维束、织物与纺织结构复合材料的冲击拉伸。纤维尤其是高性能纤维以其优良的力学性能广泛用于复合材料的增强结构。除了纤维准静态下的拉伸模量、失效应变与失效应力这些复合材料设计需要最基本参数外, 冲击拉伸性能是纤维也是复合材料设计中需要的重要参数。 因为在高应变率冲击拉伸下, 纤维的力学性能与准静态下有巨大差异, 即材料的应变率效应。 相对于准静态下拉伸, 冲击拉伸时间很短, 测试结果在很大程度上会受到应力波传播效应、惯性效应与测试温度的影响, 因此冲击拉伸测试具有较大难度。 但是研究纤维材料冲击拉伸性能是分析纤维材料力学性能与构建纤维材料力学本构方程的前提, 也是研究纤维增强复合材料冲击拉伸下力学性能的基础, 因此对纤维材料冲击拉伸性能研究具有很重要的意义。
4.织物冲击拉伸研究进展。高性能纤维织物以其优良的能量吸收性能、高强度/质量比与抗高速冲击性能成为制备高性能工程系统的理想材料。 同时织物又是制作复合材料的重要增强体。 因此研究织物在准静态与冲击拉伸下的模量、失效应变与失效应力等基本参数不仅可以为织物的工程设计提供参数, 也可以为复合材料设计提供重要参数。 织物的冲击拉伸性能测试结果不仅很大程度上会受到应力波传播效应、惯性效应与测试温度的影响, 同时因为测试条件限制, 织物试样制备困难, 因此织物冲击拉伸性能研究目前进展缓慢。织物在高应变率下模量不具有应变率敏感性。材料具有显著应变率敏感性。分别研究碳纤维/环氧树脂复合材料与环氧树脂的冲击拉伸性能, 结果说明随着应变率增大, 碳纤维/环氧树脂拉伸强度增大了20%?40%, 弹性模量与失效应变增大了约20%; 环氧树脂拉伸强度增大了220%, 弹性模量增大了约100%, 这说明环氧树脂比碳纤维/环氧树脂复合材料具有更明显的应变率敏感性。结果表明随着应变率的增加, 复合材料拉伸强度、初始刚度与失效应变均显著增大, CWK 复合材料对应变率具有显著的应变率敏感性。 同时在准静态下破坏形态主要是纤维断裂, 在高应变率下是树脂碎裂与剪切破坏。
结束语：因此开发设计具有高冲击损伤容限, 强抗冲击性能的织物结构与纺织结构复合材料在冲击拉伸下的破坏机制将是以后的研究重点。
参考文献：
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