劉 鵬，蔡應(yīng)龍，顧佳輝，羅 維，張 超

（1. 西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072；

2. 成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610073）

復(fù)合材料因其比強(qiáng)度高、比剛度大等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域。其中，編織復(fù)合材料因其成型便捷、抗損傷擴(kuò)展性能優(yōu)異，以及相比傳統(tǒng)層合板更優(yōu)異的抗沖擊性能，近年來(lái)已經(jīng)被廣泛地用于制造大型飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)部件。飛機(jī)及其發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過(guò)程中不可避免地會(huì)遭受各類沖擊載荷作用，包括工具掉落、地面碰撞等低速?zèng)_擊載荷。低速?zèng)_擊后的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，表面往往沒(méi)有可見(jiàn)損傷或只有輕微壓痕，但材料內(nèi)部可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的分層或基體開(kāi)裂等損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降，是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一大挑戰(zhàn)。因此有必要對(duì)復(fù)合材料在低速?zèng)_擊載荷下的損傷機(jī)理進(jìn)行研究，以有效預(yù)估不同低速?zèng)_擊載荷下結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

復(fù)合材料層板低速?zèng)_擊和沖擊后壓縮（compression after impact, CAI）的試驗(yàn)方法比較成熟，常見(jiàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D7136和ASTM D7137、ISO 18352—2009和GB/T 21239—2007等，損傷主要由落錘低速?zèng)_擊造成，低速?zèng)_擊后的分層損傷主要通過(guò)C 掃描來(lái)測(cè)量。目前有學(xué)者通過(guò)材料加載過(guò)程中的溫度變化來(lái)標(biāo)定損傷情況，受基體性能的影響，樹(shù)脂基復(fù)合材料往往存在一定的塑性行為，而塑性功會(huì)導(dǎo)致一定的溫升現(xiàn)象；此外，復(fù)合材料在破壞的瞬間，應(yīng)變能耗散也會(huì)導(dǎo)致溫度升高。而紅外熱成像技術(shù)恰好能夠捕捉材料表面的溫度波動(dòng)，目前已經(jīng)有不少學(xué)者將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于材料測(cè)試中，劉永貴等將紅外瞬態(tài)測(cè)溫裝置引入分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了沖擊下Al 合金和TiNi合金試樣的實(shí)時(shí)表面溫度；李濤等利用高速攝像機(jī)和高速紅外熱像儀，對(duì)2 種典型高聚物黏結(jié)炸藥的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和溫升效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)；對(duì)于復(fù)合材料而言，Tuo 等采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了復(fù)合材料鋪層板在低速?zèng)_擊過(guò)程中試樣的溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)溫度場(chǎng)與材料損傷之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性；Johnston等進(jìn)行了三維編織復(fù)合材料受高速?gòu)楏w沖擊的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在沖擊瞬間溫度超過(guò)252 ℃，這高于其基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

目前針對(duì)傳統(tǒng)鋪層復(fù)合材料的低速?zèng)_擊試驗(yàn)較多，李茜針對(duì)3 種不同鋪層方式的層合板進(jìn)行了落錘試驗(yàn)，討論了鋪層方式對(duì)損傷分布的影響；朱煒垚等對(duì)復(fù)合材料鋪層板進(jìn)行了低速?zèng)_擊、CAI 以及沖擊后疲勞試驗(yàn)研究，討論了沖擊能量與損傷面積和沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度的關(guān)系，分析了含沖擊損傷層合板在壓縮載荷及壓壓疲勞載荷下的主要破壞機(jī)制。關(guān)于編織復(fù)合材料，目前也有少量的研究，嚴(yán)實(shí)等進(jìn)行了三維五向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂編織復(fù)合材料低速?zèng)_擊及其CAI 試驗(yàn)研究，表征了不同編織結(jié)構(gòu)對(duì)抗沖擊性能和沖擊后剩余強(qiáng)度的影響；劉麗敏等研究了4 種不同編織結(jié)構(gòu)的芳綸/炭混編三維編織復(fù)合材料CAI 性能，發(fā)現(xiàn)加入韌性芳綸纖維能夠增強(qiáng)復(fù)合材料抗壓縮破壞性能。

作為一種富有潛力的織物復(fù)合材料，二維三軸編織復(fù)合材料（two-dimensional triaxially braided composite, 2DTBC）在航空航天和汽車等領(lǐng)域已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，但其復(fù)雜的編織結(jié)構(gòu)給材料應(yīng)用帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，目前已經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)2DTBC 進(jìn)行了力學(xué)行為研究，Roberts 等和Pereira 等研究了2DTBC 靶板在高速?gòu)楏w沖擊下的響應(yīng)；Liu 等使用鈦合金圓柱彈體沖擊2DTBC 靶板，分析了該材料在高速?zèng)_擊載荷下的破壞模式；Cheng使用明膠彈體對(duì)3 種不同2DTBC 平板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，對(duì)比了不同沖擊速度下的破壞機(jī)理。

目前，尚未有關(guān)于2DTBC 低速?zèng)_擊和CAI 試驗(yàn)研究的報(bào)道。因此，首先開(kāi)展2DTBC 層板在不同沖擊能量下的低速?zèng)_擊試驗(yàn)，并采用C 掃描表征和對(duì)比分析分層損傷情況。然后，開(kāi)展沖擊后試樣的CAI 試驗(yàn)，采用工業(yè)相機(jī)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation, DIC）技術(shù)測(cè)量加載過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)分布。在低速?zèng)_擊和CAI 試驗(yàn)中，采用紅外熱像儀同步記錄試樣的溫度場(chǎng)變化情況，以更好地闡明2DTBC 的低速?zèng)_擊損傷和CAI 損傷失效特性。最后，通過(guò)量化分析不同低速?zèng)_擊能量下試樣的分層損傷面積以及剩余壓縮強(qiáng)度，討論DIC 和紅外熱成像在損傷監(jiān)測(cè)方面的差異性。

1 材料和試驗(yàn)

1.1 材料和試樣

所研究的2DTBC 層板由成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司提供，如圖1(a)所示，0°方向?yàn)檩S向纖維束，偏軸纖維束分別沿±68.5°方向繞軸向纖維束周期性地交織穿插。0°纖維束呈直線狀，對(duì)應(yīng)材料的軸向方向，將面內(nèi)垂直于軸向方向定義為橫向方向，垂直于軸向和橫向組成的平面方向定義為厚度方向。2DTBC 的幾何構(gòu)型如圖1(b)所示，圖中藍(lán)色纖維束為軸向纖維束，紅色和綠色纖維束分別為2 個(gè)不同角度的偏軸纖維束，將單胞在橫向方向上的長(zhǎng)度定義為每隔一根軸向纖維束的距離，在軸向方向上的寬度定義為相鄰偏軸纖維束的距離。

圖1 2DTBC 試樣及其編織構(gòu)型Fig. 1 2DTBC specimen and its braided architecture

2DTBC 層板厚度為4.5 mm，試樣面內(nèi)尺寸為(100±0.25) mm×(150±0.25 ) mm，共4 個(gè)試樣，試樣質(zhì)量均約為103 g，所受的落錘沖擊能量分別為5、10、20 和30 J，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 試樣信息和沖擊能量Table 1 Sample information and impact energy

1.2 低速?zèng)_擊和CAI 試驗(yàn)

低速?zèng)_擊和CAI 試驗(yàn)分別參考ASTM D7136和ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。本試驗(yàn)中的低速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置如圖2 所示，采用Instron 公司生產(chǎn)的9250HV 落錘試驗(yàn)機(jī)作為加載裝置，試驗(yàn)機(jī)的加載精度為±1%，配備有防止二次沖擊的裝置，沖頭選用直徑為16 mm 的半球狀鋼頭，其質(zhì)量共計(jì)5.71 kg。試樣被放在100 mm×150 mm 的剛性框中，底部配有寬度為25 mm 的支撐夾具，留下75 mm×125 mm 的沖擊區(qū)域；試樣撞擊面的4 個(gè)角上有對(duì)稱分布的橡膠頭，用于夾緊試樣，在試樣的上方配有測(cè)速裝置和激光觸發(fā)器；將FLIR-A655SC 紅外熱像儀放置在試樣底部，用于記錄沖擊過(guò)程中背面的溫度場(chǎng)，該熱像儀的測(cè)溫范圍為?40～650 ℃，誤差為±2 ℃，分辨率為640×480，在此分辨率下的幀率為50 Hz，通過(guò)以太網(wǎng)線輸出信號(hào)，結(jié)合計(jì)算機(jī)和專用軟件能夠記錄被拍攝對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度變化。

圖2 低速?zèng)_擊試驗(yàn)裝置Fig. 2 Low-velocity impact test machine

低速?zèng)_擊試驗(yàn)完成后，利用ICS-Ⅱ型超聲波C 掃描儀對(duì)沖擊后試樣進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，記錄材料分層損傷分布投影圖。CAI 試驗(yàn)中采用ASTM D7137標(biāo)準(zhǔn)推薦的夾具對(duì)沖擊后的試樣進(jìn)行約束，如圖3 所示；在試樣表面噴涂散斑，結(jié)合MER-2000-19U3M/C 大恒光學(xué)相機(jī)和DIC 技術(shù)測(cè)量試樣沖擊背面位移場(chǎng)；同時(shí)采用FLIR-A655SC 紅外熱像儀記錄散斑面的溫度場(chǎng)；加載過(guò)程在PLD 250 電液伺服動(dòng)靜疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)機(jī)以0.009 mm/min 的速度開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，直至試件破壞，數(shù)據(jù)采集速率為2 Hz。為了更好地對(duì)比沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度和剛度模量，參考ASTM D6641 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了3 組無(wú)缺口直邊壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)性良好，得到其平均模量為80.02 GPa，平均強(qiáng)度為338.67 MPa。

圖3 沖擊后壓縮試驗(yàn)裝置Fig. 3 Compression-after-impact test machine

2 基于紅外表征的低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究

2.1 力學(xué)響應(yīng)和C 掃描檢測(cè)

通過(guò)分析不同能量沖擊下試樣的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)比對(duì)應(yīng)的分層區(qū)域大小，結(jié)合紅外熱像儀記錄的實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)分布情況，能夠較好地分析材料在沖擊載荷下的損傷機(jī)理和破壞程度。2DTBC 試樣在5、10、20 和30 J 的能量沖擊下力-時(shí)間曲線、能量-時(shí)間曲線和力-位移曲線分別如圖4(a)、(b)和(c)所示。圖4(a)中，在這4 種能量沖擊下試樣的反作用力峰值分別為4.12、5.40、8.54 和10.60 kN，整個(gè)沖擊過(guò)程都在6 ms內(nèi)完成。圖4(b)中，4 種載荷下試樣最終吸收的能量分別為2.37、4.99、9.59 和15.82 J。圖4(c)中，4 種情況下力-位移曲線在初始段為線性，斜率十分接近，隨著試樣開(kāi)始出現(xiàn)損傷，線性段的力到達(dá)峰值后開(kāi)始下降，線性段峰值力隨著沖擊能量的增加而增大，力-位移曲線在加載段路徑重合性良好，加載點(diǎn)位移峰值分別為2.12、3.07、4.27 和5.43 mm，且在卸載段都出現(xiàn)殘余變形，這主要是由于試樣發(fā)生了塑性變形，且殘余變形隨著沖擊能量的增加而增大。

圖4 4 種載荷下試樣的力學(xué)響應(yīng)Fig. 4 Mechanical responses of specimens under four kinds of loads

對(duì)在5、10、20 和30 J 能量沖擊下的2DTBC 試樣采用超聲C 掃描檢測(cè)得到的分層損傷分布如圖5 所示，根據(jù)測(cè)量，4 種情況下試樣的損傷面積分別為221.76、524.52、1066.32 和1604.79 mm2。由圖4(b)和圖5 可以看出，在5、10、20 和30 J 能量沖擊下，試樣的分層面積與其吸收的能量大致成比例增大，此時(shí)分層損傷是重要的能量吸收方式。從圖5 可以看出，隨著沖擊能量的增加，分層損傷分布輪廓逐漸向橢圓形過(guò)渡，這主要是受邊界條件的影響，越靠近支撐夾具，試樣越難以產(chǎn)生變形，內(nèi)部應(yīng)力越小，越難以產(chǎn)生分層。

圖5 不同沖擊能量下試樣分層損傷分布Fig. 5 Delamination distribution of specimens under impact with different energies

2.2 溫度場(chǎng)分析

低速?zèng)_擊時(shí)，紅外相機(jī)采用窗口模式拍攝，分辨率為320×320，幀率能達(dá)到330 Hz，即每3 ms 拍攝一張圖片。溫度場(chǎng)測(cè)試圖片的選取標(biāo)準(zhǔn)為溫度云圖達(dá)到最大輪廓且沒(méi)有發(fā)生溫度擴(kuò)散現(xiàn)象的第1 張圖片，由于溫度場(chǎng)傳遞速度遠(yuǎn)慢于應(yīng)力場(chǎng)，所以此圖片可以看作試樣達(dá)到最大沖擊載荷時(shí)刻的溫度分布情況。2DTBC 試樣在10、20 和30 J 能量沖擊瞬間的溫度場(chǎng)如圖6 所示，室溫為27.2 ℃左右，圖中溫度下限為27 ℃，上限為40 ℃，由于在5 J 的沖擊能量下，溫升現(xiàn)象不明顯，這里沒(méi)有考慮。圖6(a)中存在沿著偏軸纖維方向且呈直線狀的高溫區(qū)，這主要是偏軸纖維束的基體變形和開(kāi)裂導(dǎo)致的；同時(shí)圖6(a)中存在與偏軸纖維束有較大夾角的高溫區(qū)域，這主要是偏軸纖維束的纖維斷裂導(dǎo)致。在10 J 能量沖擊下，試樣的纖維斷裂集中在撞擊區(qū)域；而在20 和30 J 能量沖擊下，非撞擊區(qū)域也存在纖維斷裂。圖6 中結(jié)果表明：試樣溫升區(qū)域的面積隨著沖擊能量的增加而明顯增大，溫度也隨之升高；在30 J 能量沖擊下，試樣表面存在溫度超過(guò)40 ℃的區(qū)域，溫升現(xiàn)象明顯。為了更好地對(duì)比不同能量的溫度場(chǎng)，在各試樣的沖擊點(diǎn)附近選取相同大小的區(qū)域，如圖6 所示，接下來(lái)詳細(xì)分析所選取區(qū)域的溫升現(xiàn)象。

圖6 3 種不同沖擊能量下試樣溫度分布Fig. 6 Temperature distribution in specimens after impact with three energy levels

不同沖擊能量的低速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，從圖7 中可以明顯看出，低速?zèng)_擊時(shí)試樣的峰值力、吸收的能量、C 掃描的分層損傷和選取區(qū)域的平均溫度與沖擊能量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，其中平均溫度為沖擊瞬間的平均溫度，即為圖6 所示區(qū)域的平均溫度，此外發(fā)現(xiàn)試樣吸收的能量大致為沖擊能量的一半。選取區(qū)域的平均溫度-時(shí)間歷程如圖8 所示，在10 和20 J 能量沖擊下，平均溫升為2～5 ℃，在沖擊瞬間后，溫度迅速下降然后保持穩(wěn)定。在30 J 能量沖擊后，選取區(qū)域溫度在沖擊瞬間快速上升，隨后又迅速下降一定幅度，接著緩慢上升。這主要是因?yàn)?，?0 J 能量沖擊下，試樣內(nèi)部存在較多損傷，而紅外熱像儀只能記錄材料表面溫度，試樣內(nèi)部的耗散能在沖擊后傳導(dǎo)至試樣表面，導(dǎo)致選取區(qū)域溫度的二次上升。試樣在10 和20 J 能量沖擊下，最高溫度為35～38 ℃，兩者差別不大；而在30 J 能量沖擊下，試樣表面出現(xiàn)了溫度為56.25 ℃的區(qū)域，主要原因是試樣背面出現(xiàn)了明顯的纖維斷裂現(xiàn)象，纖維斷裂會(huì)釋放大量應(yīng)變能，從圖6 中也能觀察到此現(xiàn)象。

圖7 低速?zèng)_擊下試樣的力學(xué)響應(yīng)Fig. 7 Mechanical responses of specimens under low-velocity impact

圖8 低速?zèng)_擊下試樣的溫度響應(yīng)Fig. 8 Temperature response of specimens under low-velocity impact

3 基于紅外表征的CAI 試驗(yàn)研究

3.1 力學(xué)響應(yīng)和位移場(chǎng)分析

通過(guò)測(cè)量材料沖擊后的剩余壓縮強(qiáng)度，量化沖擊能量與剩余壓縮強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)合溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)，分析受到不同能量沖擊的材料在壓縮載荷下的損傷機(jī)理。結(jié)合工業(yè)相機(jī)和DIC 技術(shù)得到試樣表面的全局應(yīng)變場(chǎng)，輸出加載方向的平均應(yīng)變；同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試樣的力載荷；控制工業(yè)相機(jī)和試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集頻率一致，數(shù)據(jù)同步性通過(guò)破壞時(shí)刻來(lái)統(tǒng)一。4 種能量沖擊下，2DTBC 試樣CAI 試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞前瞬間的切應(yīng)變?、橫向應(yīng)變?分布分別如圖9～12 所示，圖中應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的陰影部分為無(wú)缺口直邊壓縮試驗(yàn)得到的3 組數(shù)據(jù)。

圖9 在5 J 能量沖擊下2DTBC 試樣CAI 試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其破壞前瞬間應(yīng)變分布Fig. 9 Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 5 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

圖10 在10 J 能量沖擊下2DTBC 試樣CAI 試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其破壞前瞬間應(yīng)變分布Fig. 10 Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 10 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

圖11 在20 J 能量沖擊下2DTBC 試樣CAI 試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其破壞前瞬間應(yīng)變分布Fig. 11 Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 20 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

圖12 在30 J 能量沖擊下2DTBC 試樣CAI 試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其破壞前瞬間應(yīng)變分布Fig. 12 Stress-strain curves of 2DTBC specimens under the impact with the energy of 30 J in CAI tests and strain distributions at the moment before destruction

試樣在4 種能量沖擊后壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體呈現(xiàn)出線彈性和脆性斷裂的特性；在5、10、20、30 J 能量沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度分別為307.8、278.3、249.8 和223.0 MPa，破壞應(yīng)變和剩余壓縮強(qiáng)度都隨著沖擊能量的增大而減??；而4 種試樣的模量幾乎一致，分別為83.03 GPa （5 J）、84.57 GPa （10 J）、85.18 GPa（20 J）和80.91 GPa （30 J），不同的分層損傷對(duì)材料CAI 試驗(yàn)剛度影響不大。在5 J 能量沖擊的試樣中，沖擊點(diǎn)的切應(yīng)變集中現(xiàn)象不明顯，而在10、20 和30 J 能量沖擊的試樣中，切應(yīng)變集中區(qū)域隨沖擊能量的增加而擴(kuò)大，同時(shí)在橫向應(yīng)變分布輪廓中也能觀察到這一現(xiàn)象。在橫向應(yīng)變分布輪廓中還觀察到呈條狀且沿軸向擴(kuò)展的應(yīng)變集中帶，這主要是由于材料編織結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，此處為偏軸纖維束交織區(qū)域，沒(méi)有軸向纖維束，纖維體積分?jǐn)?shù)較低，剛度較小，會(huì)導(dǎo)致更明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象。

3.2 溫度場(chǎng)分析

CAI 試驗(yàn)中試樣破壞瞬間的溫度場(chǎng)和光學(xué)成像對(duì)比如圖13 所示，圖13(a)、(b)、(c)和(d)分別為5、10、20 和30 J 能量沖擊后試樣壓縮加載情況，室溫約為23.2 ℃。從圖13(a)可以看到，試樣的破壞區(qū)域經(jīng)過(guò)沖擊點(diǎn)沿試樣軸向擴(kuò)展，破壞區(qū)域中部觀察到明顯的纖維壓潰現(xiàn)象，此區(qū)域的溫升現(xiàn)象也更明顯；在纖維壓潰附近，存在沿偏軸纖維束方向的條狀溫升帶，這主要是此區(qū)域偏軸纖維束發(fā)生了基體開(kāi)裂，由于編織結(jié)構(gòu)的限制，條狀溫升帶在接觸到相鄰另一方向的偏軸纖維束時(shí)便停止擴(kuò)展。對(duì)比4 種能量沖擊下試樣的溫升現(xiàn)象，觀察到隨著沖擊能量的增大，溫升區(qū)域和幅度都隨之減小，這主要是因?yàn)樵嚇拥氖Ｓ鄰?qiáng)度隨沖擊能量增大而降低，而試樣儲(chǔ)存的應(yīng)變能隨著強(qiáng)度的降低而減少，因而溫升現(xiàn)象也隨之減弱；同時(shí)在光學(xué)成像圖中也能觀察到這一趨勢(shì)。溫升輪廓相比光學(xué)成像圖能更明顯地顯示出試樣的破壞位置和破壞程度，特別是對(duì)于基體破壞，損傷程度不明顯，而通過(guò)紅外相機(jī)觀察試樣破壞時(shí)能量耗散導(dǎo)致的溫升現(xiàn)象能較好地捕捉到破壞位置。在30 J 能量沖擊下試樣在破壞前時(shí)刻的溫度場(chǎng)如圖14所示，從圖14 中溫升區(qū)域可以看出，試樣損傷開(kāi)始出現(xiàn)在中部沖擊點(diǎn)，并沿著軸向方向逐漸擴(kuò)展至試樣邊緣，最終導(dǎo)致試樣破壞。為了更好地分析溫升現(xiàn)象，此處沿著損傷路徑也選取了相同大小的區(qū)域，如圖13 所示。

圖13 CAI 試驗(yàn)中試樣溫度場(chǎng)（上）和光學(xué)成像（下）Fig. 13 Temperature fields (up) and optical images (down) of specimens in CAI tests

圖14 在30 J 能量沖擊下2DTBC 試樣不同時(shí)刻的溫度分布Fig. 14 Temperature distribtuon at different times in 2DTBC specimens under the impact with the energy of 30 J

沖擊后壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示，沖擊后剩余壓縮強(qiáng)度與沖擊能量呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)，對(duì)比該材料的標(biāo)準(zhǔn)壓縮強(qiáng)度，試樣在5、10 、20 和30 J 能量沖擊后壓縮強(qiáng)度分別剩余90.9%、82.2%、73.8%和65.8%；在5～30 J 能量沖擊下，沖擊后壓縮模量在80～85 GPa，與材料壓縮模量80.02 GPa 差別不大。而選取區(qū)域在沖擊瞬間的平均溫度總體上隨沖擊能量的增大而降低，這在前文中已經(jīng)解釋過(guò)，主要是由壓縮強(qiáng)度決定的。選取區(qū)域平均溫度的時(shí)間歷程如圖16 所示，在4 種能量沖擊下試樣選取區(qū)域的平均溫度在破壞瞬間快速上升，隨后保持穩(wěn)定，主要是由于試樣破壞，大量應(yīng)變能耗散為熱能，熱量難以迅速傳導(dǎo)至周圍物體，所以溫度能保持一段時(shí)間。在5 J 能量沖擊下試樣的溫升結(jié)果與在10 J 能量沖擊下試樣的溫升結(jié)果接近，在20 J 能量沖擊下試樣的溫升結(jié)果與30 J 能量沖擊下試樣的溫升結(jié)果較接近，而兩者之間變化顯著，這是因?yàn)榈退贈(zèng)_擊造成試樣的損傷模式不同。從圖6 可以看出，在10 J 能量沖擊下，試樣背面基體損傷較明顯，纖維損傷很少，在5 J 能量沖擊下試樣溫升不明顯，試樣背面沒(méi)有出現(xiàn)纖維損傷；而在20 和30 J 能量沖擊下，試樣出現(xiàn)了較多的纖維損傷區(qū)域，Tuo 等也觀察到類似現(xiàn)象。沖擊損傷的不同會(huì)導(dǎo)致壓縮試驗(yàn)中試樣破壞模式不同，圖13 溫度云圖中，在5 和10 J 能量沖擊下，試樣存在明顯的纖維斷裂等現(xiàn)象，相比較而言，在20 和30 J 能量沖擊下，試樣基體開(kāi)裂現(xiàn)象更明顯。纖維斷裂比基體開(kāi)裂釋放更多的能量，將導(dǎo)致更嚴(yán)重的溫升現(xiàn)象。此外，在30 J 能量沖擊下試樣在壓縮過(guò)程中表面的最高溫度達(dá)到78.2 ℃，而樹(shù)脂基體對(duì)溫度有較高的敏感性，因而復(fù)合材料受載時(shí)的溫升現(xiàn)象對(duì)其力學(xué)性能的影響需要加以考慮。

圖15 CAI 試驗(yàn)試樣的力學(xué)響應(yīng)Fig. 15 Mechanical responses of specimens in CAI tests

圖16 CAI 試驗(yàn)試樣的溫度響應(yīng)Fig. 16 Temperature responses of specimens in CAI tests

4 結(jié) 論

基于紅外熱像儀監(jiān)測(cè)了2DTBC 試樣在低速?zèng)_擊和CAI 試驗(yàn)過(guò)程中的溫升現(xiàn)象，研究了2DTBC 試樣在5、10、20 和30 J 能量沖擊下的損傷機(jī)理及在CAI 試驗(yàn)中的破壞模式；采用超聲波C 掃描儀測(cè)量了沖擊后試樣的分層面積，對(duì)比了不同沖擊能量下試樣的剩余壓縮強(qiáng)度；采用工業(yè)相機(jī)結(jié)合DIC 技術(shù)測(cè)量了壓縮過(guò)程中試樣的全場(chǎng)應(yīng)變，對(duì)比了紅外熱成像技術(shù)、DIC 技術(shù)和光學(xué)成像對(duì)材料損傷情況的監(jiān)測(cè)效果。得到的結(jié)論如下。

(1)隨沖擊能量的增加，2DTBC 試樣吸收的能量和分層損傷面積也大致成比例增加，分層損傷是重要的能量吸收方式，試樣吸收的能量約為沖擊能量的一半。

(2)低速?zèng)_擊下試樣背面的偏軸纖維束在沖擊區(qū)域存在纖維斷裂現(xiàn)象，并隨著沖擊能量的增加而加劇，同時(shí)在沖擊點(diǎn)附近還伴隨著明顯的基體開(kāi)裂現(xiàn)象；在10 和20 J 能量沖擊下，試樣最高溫度為35～38 ℃，而在30 J 能量沖擊下，試樣表面存在56.25 ℃的區(qū)域。

(3)在10、20 和30 J 能量沖擊下，試樣背面溫度在沖擊瞬間快速上升，隨后又迅速下降；但在30 J 能量沖擊下，試樣背面溫度存在二次上升的現(xiàn)象，主要是由于在30 J 能量沖擊下，試樣內(nèi)部損傷過(guò)多，熱量傳導(dǎo)至試樣表面導(dǎo)致溫度再次上升。

(4)在5、10、20 和30 J 能量沖擊后，2DTBC 試樣的壓縮強(qiáng)度分別剩余90.9%、82.2%、73.8%和65.8%，模量對(duì)沖擊能量不敏感；在壓縮加載過(guò)程中沖擊點(diǎn)出現(xiàn)了應(yīng)變集中現(xiàn)象，并隨著沖擊能量的增加而加劇。

(5)相比光學(xué)成像，溫度場(chǎng)能更有效地表征材料破壞位置，而根據(jù)破壞形貌和溫度幅值可以清晰地分辨破壞模式。CAI 試驗(yàn)的溫升現(xiàn)象隨著沖擊能量的增加而減弱，在30 J 能量沖擊下試樣的溫度場(chǎng)顯示出試樣損傷由沖擊點(diǎn)開(kāi)始，逐漸向邊界擴(kuò)展，最終導(dǎo)致試樣破壞。