趙志彬，楊正偉，2，*，李胤，寇光杰，陳金樹(shù)，張煒

(1. 火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院，西安 710038； 2. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；3. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，綿陽(yáng) 621000)

近年來(lái)，復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高比強(qiáng)度和優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-2]。其中，碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（glass fiber reinforced plastics，GFRP）是最常用的2 種復(fù)合材料，長(zhǎng)期以來(lái)，CFRP 強(qiáng)度高但價(jià)格昂貴，GFRP 雖然價(jià)格低廉但性能往往無(wú)法滿足要求，因此，二者的混雜受到了廣泛關(guān)注[3-5]。通常，混雜后的復(fù)合材料可以提供較好的強(qiáng)度、剛度甚至斷裂韌性，同時(shí)使成本大大降低[6]，滿足了大量中等強(qiáng)度要求的場(chǎng)合?；祀s復(fù)合材料對(duì)沖擊載荷十分敏感，即使是低速的沖擊也會(huì)造成嚴(yán)重的內(nèi)部損傷，但表面無(wú)任何變化，這種目視不可見(jiàn)損傷會(huì)嚴(yán)重降低復(fù)合材料的剩余強(qiáng)度[7-8]，嚴(yán)重威脅著航空領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性。然而，由于復(fù)合材料的損傷模式多種多樣（基體開(kāi)裂、分層、脫黏、纖維斷裂等），且相互交織[9-10]，因此，復(fù)合材料低速?zèng)_擊過(guò)程的損傷機(jī)理和損傷演化研究仍是目前的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。最近，集檢測(cè)速度快、非接觸、檢測(cè)效果直觀等特點(diǎn)于一身的紅外熱成像技術(shù)受到了廣泛關(guān)注[11-13]，更重要的是其可以實(shí)現(xiàn)材料的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)研究航空領(lǐng)域復(fù)合材料低速?zèng)_擊損傷的起始和擴(kuò)展具有重要意義。

關(guān)于紅外熱成像的在線監(jiān)測(cè)，目前已被證實(shí)可以應(yīng)用于多種復(fù)合材料[14-15]。Krstulovic-Opara 等[16]使用紅外熱成像技術(shù)被動(dòng)檢測(cè)GFRP 沖擊過(guò)程的損傷擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)與熱彈性應(yīng)力分析方法觀察到的損傷一致，從而驗(yàn)證了紅外熱成像方法的可靠性。Jakubczak等[17]開(kāi)展了基于被動(dòng)熱成像的CFRP 層合板沖擊損傷檢測(cè)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明被動(dòng)熱成像可作為一種有效的監(jiān)測(cè)手段對(duì)沖擊損傷進(jìn)行評(píng)估，還發(fā)現(xiàn)沖擊過(guò)程中試件與沖頭之間的接觸力最大時(shí)試件表面的溫度最高。此外，Meola 等[18-22]在復(fù)合材料低速?zèng)_擊被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展了大量工作。2010年，Meola 和Carlomagno[18]研究了沖頭形狀對(duì)GFRP低速?zèng)_擊被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)的影響，分析了熱圖溫度與沖頭接觸面積之間的關(guān)系；通過(guò)監(jiān)測(cè)CFRP 層壓板的沖擊過(guò)程，分析了熱圖溫升與損傷模式之間的關(guān)系，指出纖維斷裂在其中起主導(dǎo)作用，同時(shí)，Meola等[19]認(rèn)為層壓板背部的局部破壞可使溫升達(dá)10 K以上，但其并未對(duì)各損傷模式造成的溫升進(jìn)行量化。且Meola 等[20-21]研究了不同纖維和基體對(duì)復(fù)合材料低速?zèng)_擊下的熱彈性效應(yīng)和熱塑性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)熱固性CFRP 的熱彈性效應(yīng)受沖擊能量大小影響較大，熱固性GFRP 次之，而熱塑性GFRP 的熱彈性效應(yīng)與沖擊能量無(wú)關(guān)且熱彈性效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)總結(jié)了不同材料的熱斑形狀，發(fā)現(xiàn)熱固性CFRP 熱斑呈長(zhǎng)條狀，熱固性GFRP 熱斑為亮點(diǎn)，而熱塑性復(fù)合材料呈現(xiàn)面積更大的圓狀熱斑，并且指出生熱的過(guò)程對(duì)應(yīng)著損傷的萌生、擴(kuò)展和形成。Meola 等[22]研究了載荷形式（沖擊載荷和彎曲載荷）對(duì)GFRP 熱成像監(jiān)測(cè)的影響，發(fā)現(xiàn)載荷形式的不同會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)得到的溫度變化不同，并討論了2 種載荷下的損傷起始點(diǎn)。另外，Boccardi 等[23]通過(guò)紅外熱成像監(jiān)測(cè)GFRP 的低速?zèng)_擊過(guò)程，對(duì)比了添加相容劑前后對(duì)被動(dòng)監(jiān)測(cè)材料熱現(xiàn)象的影響，發(fā)現(xiàn)相容劑的添加使材料韌性變差，更易發(fā)生纖維斷裂，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)熱斑面積減小但溫度增加，這與文獻(xiàn)[24]在玄武巖增強(qiáng)纖維復(fù)合材料低速?zèng)_擊的被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)中得到的結(jié)論一致。Boccardi 等[25]又分析了厚度對(duì)CFRP 沖擊熱現(xiàn)象的影響。Maierhofer 等[26]分別從正面和背面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)3 類不同GFRP（2 種熱固性基體和一種熱塑性基體）和CFRP的沖擊過(guò)程，并通過(guò)復(fù)合材料光學(xué)和熱物理特性從監(jiān)測(cè)的熱譜圖中計(jì)算出了沖擊時(shí)的絕對(duì)耗散能量，研究發(fā)現(xiàn)：層壓板的損傷類型、熱斑面積和耗散能量主要與纖維類型有關(guān)，基體類型對(duì)3 個(gè)指標(biāo)無(wú)明顯影響。由上述可知，以往的被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)研究主要針對(duì)CFRP、GFRP 或不同基體的復(fù)合材料，而關(guān)于混雜纖維的復(fù)合材料沖擊過(guò)程的被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)很少被關(guān)注；同時(shí)，復(fù)合材料低速?zèng)_擊下的損傷機(jī)理與被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)結(jié)果之間的聯(lián)系仍不夠明確，需要進(jìn)一步探索。

迄今為止，碳/?；祀s復(fù)合材料沖擊過(guò)程的被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及低速?zèng)_擊下的紅外輻射特征研究在國(guó)內(nèi)外均很少開(kāi)展。為對(duì)比分析低速?zèng)_擊載荷下碳/?；祀s復(fù)合材料與2 種非混雜材料（CFRP與GFRP）的紅外輻射特征，本文采用目視、超聲C掃描和光學(xué)顯微鏡等方法確定沖擊后層壓板的損傷模式，通過(guò)分析熱圖序列的時(shí)序變化特征和溫度分布特征，從而表征沖擊過(guò)程中的熱耗散效應(yīng)，建立起被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)熱圖特征與損傷模式之間的聯(lián)系。研究結(jié)果可進(jìn)一步擴(kuò)展紅外熱成像技術(shù)在復(fù)合材料損傷機(jī)理研究方面的應(yīng)用，同時(shí)也為飛行器用混雜復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料及試驗(yàn)研究

1.1 試樣制備

3 種層壓板試件依據(jù)ASTM D7136/D 7136M-12 標(biāo)準(zhǔn)[27]進(jìn)行制作，其中T800 級(jí)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料和E-玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料牌號(hào)分別為CF150/YH69 和GF150/YH69，碳/?；祀s復(fù)合材料由上述2 種材料預(yù)浸料鋪疊而成，碳纖維和玻璃纖維分別來(lái)自日本東麗公司和中國(guó)巨石集團(tuán)有限公司。采用熱壓罐工藝對(duì)鋪設(shè)好的預(yù)浸料進(jìn)行固化（兩類預(yù)浸料中纖維參數(shù)如表1所示），預(yù)浸料鋪設(shè)過(guò)程均在恒定的環(huán)境條件下進(jìn)行（溫度為（25±2）°C，相對(duì)濕度為（40±5）%）。使用水切割技術(shù)獲得150 mm×100 mm 的層壓板試件，試件鋪層配置及具體參數(shù)如表2 所示，其中碳/?；祀s復(fù)合材料采用交替鋪層方式。利用Rapid Scan 2型滾輪式超聲相控陣探傷儀進(jìn)行出廠檢測(cè)，結(jié)果顯示試件表面質(zhì)量良好，且內(nèi)部無(wú)分層、夾雜等缺陷。

表1 兩類預(yù)浸料纖維物理和力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of two prepreg fibers

表2 層壓板試件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of laminate specimens

1.2 低速?zèng)_擊在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

依據(jù)ASTM D7136/D 7136M-12 標(biāo)準(zhǔn)[27]，使用Instron Dynatup 9250HV 沖擊試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖1(a)）進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)由沖擊器，氣動(dòng)夾緊裝置，氣動(dòng)回彈制動(dòng)裝置和數(shù)字采集單元組成（見(jiàn)圖1(b)）。沖擊器質(zhì)量為12.527 kg，錘頭選用直徑為16 mm 的半球形錘頭。設(shè)置4 種沖擊能量水平10 ，20 ，30 ，45 J沖擊試件，期間將試件放置在中央具有150 mm×100 mm 敞開(kāi)窗口的相框固定架中，4 個(gè)圓柱狀橡膠頭用于固定試件，以防止試件沖擊過(guò)程中的顫動(dòng)。InfraTec Vhr 680 型紅外熱像儀（可探測(cè)紅外光譜范圍為7.5～14 μm，可測(cè)量溫度范圍為-40～+1 200 ℃，熱靈敏度在常溫狀態(tài)下<0.04 ℃，測(cè)量精度為±1.5 ℃（0～100 ℃室溫范圍內(nèi)）；被豎直放置在層壓板沖擊面背側(cè)，用于低速?zèng)_擊過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)較好的空間分辨率，將鏡頭平行于試件放置，同時(shí)將高度調(diào)整距試件表面約35 cm。為了盡可能完整地采集沖擊前后試件表面溫度場(chǎng)的變化，采集幀數(shù)設(shè)為1 000 幀，同時(shí)以50 Hz 的幀頻獲取熱圖序列。為使熱效應(yīng)相對(duì)于環(huán)境溫度的變化完全可視化，采集應(yīng)在撞擊前幾秒鐘開(kāi)始，并在撞擊后持續(xù)一段時(shí)間。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig. 1 Test equipment

2 結(jié)果與討論

由于熱圖序列分析需要結(jié)合層壓板宏微觀損傷特性去描述，因此，本節(jié)先對(duì)層壓板損傷特性進(jìn)行討論。

2.1 損傷特性分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，完成不同能量的沖擊試驗(yàn)后，對(duì)試件表面進(jìn)行目視檢查和超聲C 掃描，結(jié)果如圖2 和圖3 所示，其中標(biāo)尺為15 mm，標(biāo)尺是材料領(lǐng)域中常見(jiàn)的一種描述圖片尺寸與真實(shí)尺寸的一種標(biāo)度。

圖2 3 類層壓板不同沖擊能下的表面狀態(tài)Fig. 2 Surface states of three laminates under different impact energies

圖3 3 類層壓板不同沖擊能下的超聲C 掃描結(jié)果Fig. 3 Ultrasonic C-scan results of three laminates under different impact energies

從圖2 和圖3 中可以看出，隨著沖擊能量的增加，層壓板的損傷愈加明顯，主要以塑性變形產(chǎn)生的凹坑、基體開(kāi)裂和分層等模式為主。在相同沖擊能量水平下，C-G 試件產(chǎn)生比非混雜試件更為嚴(yán)重的表面損傷，這可能是由于碳/玻層間混雜纖維不同的表面?zhèn)鳠嵝阅苡绊懥斯袒^(guò)程中層壓板的黏附性所致，試件產(chǎn)生的表面損傷包括壓縮、剪切或彎曲引起的基體裂紋，這些裂紋主要平行于纖維（壓縮裂紋）和平行于沖擊面次表面層纖維（45°剪切裂紋），或垂直于靠近背面的次表面層（彎曲裂紋）[28]，如圖4 所示，標(biāo)尺為500 μm。與非混雜試件相比，混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)較高的卷曲度使得C-G 試件擁有較好的韌性[26]，因此，沖擊行為造成的碳/?；祀s復(fù)合材料鼓包更加明顯，如圖4（a）所示。

圖4 沖擊截面宏、微觀結(jié)果Fig. 4 Impact sections of macroscopic and microscopic results

3 類試件分層損傷面積變化如圖5 所示，與SIC 試件相比，C-G 試件在4 種沖擊能量下的分層損傷面積分別減少了8.2%、33.5%、38.5%、71.7%，這表明碳/玻纖維的層間混雜可有效提升復(fù)合材料的抗分層能力，而且隨著沖擊能量的增加，這種抗分層能力愈加明顯；而纖維層間混雜后碳纖維更大的剛性導(dǎo)致C-G 試件的分層損傷高于SI-G 試件。綜合來(lái)看，C-G 試件同時(shí)兼容較大的表面損傷和較小的分層損傷，這表明混雜復(fù)合材料有較好的損傷容限。

由于目視檢查會(huì)忽略許多內(nèi)部損傷細(xì)節(jié)，而超聲C 掃描只能觀察到層壓板的分層情況，因此，使用Aosvi M330 高倍金相顯微鏡對(duì)45 J 沖擊能量水平下3 類試件的凹坑截面進(jìn)行觀察。結(jié)果如圖4所示。從中可以觀察到3 類試件內(nèi)部明顯的分層損傷，損傷邊緣細(xì)長(zhǎng)且相對(duì)光滑，這與圖5 超聲C 掃結(jié)果一致。但不同的是與SI-G 相比，SI-C 和C-G試件內(nèi)部存在纖維斷裂損傷，損傷方向大體上垂直于纖維鋪層方向，同時(shí)，在損傷周圍還發(fā)現(xiàn)了部分基體開(kāi)裂損傷，事實(shí)上，纖維斷裂的同時(shí)通常都會(huì)伴隨基體開(kāi)裂的出現(xiàn)，這主要是因?yàn)樵趯雍习褰Y(jié)構(gòu)中基體包裹著纖維，基體強(qiáng)度又遠(yuǎn)低于纖維強(qiáng)度[28]。

圖5 層壓板不同沖擊能下的超聲C 掃描參數(shù)變化Fig. 5 Variation of C-scan parameters of laminates under different impact energies

由本節(jié)損傷檢測(cè)結(jié)果可知，3 種復(fù)合材料層壓板的抗沖擊性能有明顯差別。其中玻璃纖維層壓板因其良好的沖擊韌性而表現(xiàn)出較為優(yōu)異的抗沖擊性能，在相同沖擊能量下?lián)p傷最小；碳纖維層壓板由于剛性較大，層間易發(fā)生分層，因此，同一沖擊能量下分層面積最大。而在相同沖擊能量下碳/?；祀s層壓板分層損傷面積雖與玻璃纖維層壓板相近，但由于將碳纖維層作為表面層，試件表面剛度較大，同時(shí)其整體強(qiáng)度與非混雜碳纖維層壓板相比有所降低，因此，同一沖擊能量下抗沖擊性能較差，損傷也最為嚴(yán)重。

2.2 熱圖序列分析

結(jié)合2.1 節(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：試件受到?jīng)_擊后，其表面和內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生各種損傷，此外，沖擊作用在宏觀上還會(huì)引發(fā)試件的微幅振動(dòng)。因此，利用能量守恒定律，可得[18]

由式（1）可知，試件吸收的能量Ea主要用于3 個(gè)方面：損傷能Ed、塑性變形能Ep和振動(dòng)動(dòng)能Ev。Kang 和Kim[29]指出：在沖擊過(guò)程中，塑性變形能Ep和損傷能Ed是最主要的2 種能量吸收機(jī)制，而沖擊過(guò)程中物體振蕩非常輕微，相應(yīng)的振動(dòng)動(dòng)能Ev占整個(gè)吸收能量Ea的比重非常小，可以忽略。因此，沖擊過(guò)程中材料表面溫度的變化主要來(lái)自于損傷的產(chǎn)生。

如圖6 所示，在沖擊后的0.04 s，熱斑開(kāi)始以沖擊點(diǎn)為中心向周圍呈螺旋形擴(kuò)展，最后逐漸消退。沖擊能量越大，試件損傷程度越重，能量耗散增多，受沖擊部位的溫度越高，熱異常區(qū)域越大。但3 種材料的熱異常區(qū)域形狀并不相同，SI-C 試件熱區(qū)域整體呈橢圓形，SI-G 試件為近似圓形，C-G 試件為沿纖維方向的長(zhǎng)條形熱斑，這與各材料主要的損傷模式有關(guān)。與其他試件相比，C-G 試件熱區(qū)域較小但溫度較高，這說(shuō)明在深度方向其產(chǎn)生了更多的損傷。

圖6 層壓板沖擊過(guò)程被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)熱圖序列Fig. 6 Heat map sequence of passive thermal imaging monitoring during laminate impact

在20 J 沖擊能量水平下的熱圖序列中，沖擊發(fā)生后的0.2 s 內(nèi)，在沖擊點(diǎn)處出現(xiàn)了一個(gè)溫度低于周圍的暗斑，而且不同材料暗斑持續(xù)時(shí)間不同，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)閺?fù)合材料的熱彈性效應(yīng)，沖擊行為使得層壓板背部受到一定的拉應(yīng)力，背面的張緊狀態(tài)會(huì)吸收外界能量從而使區(qū)域溫度降低[30]，當(dāng)沖頭反彈后，該區(qū)域溫度逐漸恢復(fù)正常。然而，在45 J 沖擊能量水平下的熱圖序列中，沖擊點(diǎn)處溫度明顯高于周圍亮斑，這是由于試件在對(duì)應(yīng)沖擊點(diǎn)背面出現(xiàn)的基體開(kāi)裂或內(nèi)部的大量分層甚至纖維斷裂，導(dǎo)致熱耗散高，引起局部溫度顯著上升。

為進(jìn)一步直觀地表征沖擊過(guò)程中的熱耗散效應(yīng)，本文對(duì)3 類試件表面溫度的變化過(guò)程進(jìn)行分析。為消除環(huán)境干擾和試件表面特性對(duì)表面溫度的影響，利用表面溫差來(lái)分析不同沖擊能量下表面溫度的時(shí)序變化特征，如下：

從圖7 中可以看出，在1 s 以前，試件表面溫差基本為0 ℃，這是由于試件還未受到?jīng)_擊，沒(méi)有熱量耗散；而在1 s 后，試件受到?jīng)_擊產(chǎn)生損傷釋放熱量，從而引起試件表面局部溫差突然上升；隨后，由于熱量不斷向外界環(huán)境耗散，試件表面溫度場(chǎng)將會(huì)趨于平衡，相應(yīng)的表面溫差也在逐漸下降。但3 種材料熱量的耗散趨勢(shì)不同，其中SI-C 試件溫度耗散最迅速，C-G 試件次之，而SI-G 沖擊后溫度耗散變化不明顯，這可能是由于玻璃纖維的熱導(dǎo)率較差，熱阻較高，從而阻礙了損傷能量的耗散。

圖7 3 類層壓板試件表面溫差隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 Surface temperature difference curves of three laminate specimens over time

如圖8 所示為不同沖擊能量下3 類試件的最大表面溫差（最大表面溫差為沖擊過(guò)程中試件表面某一點(diǎn)處最大溫差）。從圖8 中可以看出，在沖擊能量小于20 J 時(shí)，3 類試件最大表面溫差變化較小，約為1～3 ℃，而當(dāng)沖擊能量大于30 J 時(shí)，SI-C 和C-G試件表面溫差上升顯著，在10 ℃以上。結(jié)合2.1 節(jié)的超聲C 掃描和微觀檢測(cè)結(jié)果分析，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是隨著沖擊能量的增加，試件中的主要損傷模式發(fā)生了變化，而SI-G 試件整體呈近似線性關(guān)系，試件之間的最大表面溫差變化不大，在1～6 ℃之間。這說(shuō)明20 J 沖擊能量以下的SI-C、C-G 試件及4 種沖擊能量下的SI-G 試件的沖擊損傷主要為基體開(kāi)裂和分層，而30 J 沖擊能量以上的SI-C 和C-G 試件的損傷除了基體開(kāi)裂和分層，還出現(xiàn)了大量纖維斷裂。從而進(jìn)一步推斷出基體開(kāi)裂和分層損傷的形成產(chǎn)生的能量耗散較少，而纖維斷裂則伴隨著較大的能量耗散，這與Meola 等[21,31]所觀察到的現(xiàn)象一致。因此，在沖擊損傷的被動(dòng)熱成像檢測(cè)中，溫升效應(yīng)可作為表征損傷模式的一種有效途徑：在沖擊作用下，弱溫升效應(yīng)可表明試件產(chǎn)生了基體開(kāi)裂和分層，強(qiáng)溫升效應(yīng)則表明試件產(chǎn)生了纖維斷裂損傷。同時(shí)，通過(guò)與Meola 等[21,31]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，試件最大表面溫差的大小除了與試件損傷程度相關(guān)外還可能與材料本身的纖維和基體類型相關(guān)，在復(fù)合材料的基體和纖維類型不同時(shí)，即使損傷模式和損傷程度相同，其造成的最大表面溫差也有可能不同。對(duì)于分別由T800 級(jí)碳纖維（牌號(hào)CF150）和E-玻璃纖維（牌號(hào)GF150）增強(qiáng)，環(huán)氧樹(shù)脂（牌號(hào)HY69）為基體的3 種復(fù)合材料，基體開(kāi)裂和分層所導(dǎo)致的最大表面溫差范圍在1～6 ℃之間，纖維斷裂所導(dǎo)致的最大表面溫差在10 ℃以上。

圖8 3 類層壓板試件不同沖擊能量下的最大表面溫差Fig. 8 Maximum surface temperature differences of three laminate specimens under different impact energies

對(duì)于同一沖擊能量下表面溫度的分布特征，鑒于試件在不同的沖擊能量下?lián)p傷模式不盡相同，分別以3 類層壓板20 J 和45 J 沖擊能量下的被動(dòng)熱成像檢測(cè)結(jié)果為例，對(duì)其表面溫度的分布特征進(jìn)行分析。在試件沖擊損傷區(qū)域和背景區(qū)域標(biāo)記6 個(gè)像素點(diǎn)，如圖9 第1 列圖像所示，a1 為沖擊位置的像素點(diǎn)，a2～a5 為沖擊損傷區(qū)域的像素點(diǎn)，a6 為背景區(qū)域的像素點(diǎn)，之后提取各像素點(diǎn)的溫度時(shí)序變化曲線，從圖9 第2 列圖像可以看出，試件在受到?jīng)_擊后，沖擊損傷區(qū)域溫度瞬時(shí)上升直至最大，但各像素點(diǎn)上升速率不同。圖9 第3 列圖像分別給出了試件在受到?jīng)_擊后0.1 s 內(nèi)各像素點(diǎn)的溫度變化曲線。對(duì)于20 J 沖擊時(shí)的3 種試件和45 J 沖擊時(shí)的SI-G 試件，像素點(diǎn)a1 的溫升速率明顯低于像素點(diǎn)a2，相應(yīng)的像素點(diǎn)a1 的溫度比像素點(diǎn)a2 的溫度低；而對(duì)于45 J 沖擊時(shí)的SI-C 和C-G 試件，由于纖維斷裂的產(chǎn)生致使沖擊點(diǎn)處的熱耗散高于其他區(qū)域，故像素點(diǎn)a1 的溫升速率高于其他區(qū)域，這進(jìn)一步證實(shí)了熱圖序列中20 J 沖擊SI-G試件沖擊點(diǎn)處暗斑與45 J 沖擊SZ-G 試件沖擊點(diǎn)處亮斑的分析結(jié)果。

圖9 標(biāo)記像素點(diǎn)表面溫度隨時(shí)間變化曲線及其局部變化曲線Fig. 9 Time variation curve and local variation of surface temperature of marked pixels

為進(jìn)一步分析損傷區(qū)域與背景區(qū)域的熱差異，分別以3 類試件在0.04 s 時(shí)刻后的熱圖為例，在熱圖中定義了2 條測(cè)溫線，其中一條l1通過(guò)沖擊點(diǎn)的測(cè)溫線；另外一條l2通過(guò)背景區(qū)域，如圖10 第1 列圖像所示，依次提取測(cè)溫線l1和l2上的溫度數(shù)據(jù)，然后作差，得到2 條測(cè)溫線的溫差，結(jié)果如圖10 第2 列圖像所示。

從圖10 中可以清楚地看到，3 類層壓板在損傷區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)溫度值大于在背景區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)溫度值。對(duì)于20 J 沖擊時(shí)的3 類試件，l1和l2的溫差曲線均呈雙峰狀，存在2 個(gè)極大值和一個(gè)極小值，這也說(shuō)明了暗斑的存在；而對(duì)于45 J 沖擊時(shí)的試件，溫差曲線雖然均呈單峰狀，只有一個(gè)極大值，但三者在沖擊點(diǎn)處溫升效應(yīng)卻并不同，SI-C 和C-G試件是因纖維斷裂損傷而帶來(lái)的強(qiáng)溫升，而SI-G試件此時(shí)是弱溫升，卻依然出現(xiàn)了單峰測(cè)溫線，通過(guò)圖4(c)微觀結(jié)果可知SI-G 試件雖然并沒(méi)有大量纖維斷裂，但出現(xiàn)了大量分層和基體開(kāi)裂。

圖10 試件測(cè)溫線及其溫差曲線Fig. 10 Temperature measurement lines and temperature difference curves of specimens

通過(guò)熱圖序列和溫度演化分析可得：結(jié)合沖擊處的暗斑、弱溫升效應(yīng)、雙峰測(cè)溫線可以表征基體開(kāi)裂和較小分層的出現(xiàn)，結(jié)合亮斑、弱溫升效應(yīng)、單峰測(cè)溫線可以表征大量基體開(kāi)裂、分層的出現(xiàn)，結(jié)合亮斑、強(qiáng)溫升效應(yīng)、單峰測(cè)溫線可以表征纖維斷裂的出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展碳/?；祀s和2 種非混雜復(fù)合材料沖擊過(guò)程的被動(dòng)熱成像監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1) 碳/玻璃纖維的層間混雜可有效提升CFRP復(fù)合材料的抗分層能力，隨著沖擊能量增加其抗分層能力愈加明顯，同時(shí)沖擊后的碳/?；祀s復(fù)合材料兼具較大的表面損傷和較小的分層損傷，擁有較好的損傷容限。

2) 紅外熱成像技術(shù)非常適合于監(jiān)測(cè)低速?zèng)_擊下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的損傷過(guò)程，并且從中可以區(qū)別材料的損傷模式：結(jié)合沖擊處的整體溫度、溫升曲線和測(cè)溫線之間的差異可判斷復(fù)合材料基體開(kāi)裂、分層和纖維斷裂損傷的嚴(yán)重程度。

3) 不同類型復(fù)合材料的沖擊熱斑區(qū)域形狀不同，SI-C 熱斑整體呈橢圓形，SI-G 為近似圓形，C-G復(fù)合材料為沿纖維方向的長(zhǎng)條形熱斑。不同的損傷模式造成的溫升也不同，其中纖維斷裂所導(dǎo)致的溫升要明顯高于分層和基體開(kāi)裂。對(duì)于纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，基體開(kāi)裂和分層損傷時(shí)的最大表面溫差在1～6 ℃之間，纖維斷裂損傷時(shí)的最大表面溫差要高于10 ℃。