玻璃纤维增强聚碳酸酯复合材料的动态拉伸力学行为特征及其失效机理

为了探明由不同方向玻璃纤维增强的聚碳酸酯(polycarbonate,PC)复合材料在宽应变率范围内的拉伸力学行为特征及其失效机理,使用材料实验机、中应变率实验机和分离式Hopkinson杆实验装置,对玻璃纤维质量分数为20%、纤维方向不同(0°、45°及90°)的PC复合材料开展了0.001~1 000 s^(-1)应变率范围内的拉伸实验研究,并通过扫描电镜对加载后的3种试件断口进行了微观分析。实验结果显示,当加载应变率由0.001 s^(-1)增加至1 000 s^(-1)时,玻璃纤维方向为0°、45°和90°的3种试件的拉伸强度分别增加57.5%、58.2%和49.4%,破坏应变分别增加74.1%、125.1%和129.1%,说明玻璃纤维增强PC复合材料具有显著的应变率效应。玻璃纤维方向为0°的试件的拉伸强度高于其他两种试件,而其破坏应变低于其他两种试件。在应变率为0.001 s^(-1)的准静态加载下,玻璃纤维增强PC复合材料呈现出纤维拔出、纤维断裂、基体脆性断裂以及纤维与基体脱粘4种失效模式;在1 000 s^(-1)的高应变率加载下,玻璃纤维增强PC复合材料呈现出纤维拔出、纤维断裂、基体塑性变形、基体塑性断裂以及纤维与基体脱粘5种失效模式。高应变率加载下,玻璃纤维增强PC复合材料的破坏强度和破坏应变相较于准静态加载下大幅增加的主要原因是:绝热温升效应导致玻璃纤维增强PC复合材料内的PC基体软化,PC复合材料产生塑性变形,基体/纤维界面黏附力增强。

薄层碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板的高速冲击性能

为了增强碳纤维复合材料的韧性并提升其高速冲击性能,提出一种组分材料分别为30μm厚薄层碳纤维预浸料和50μm厚不锈钢极薄带的新型纤维金属层板——薄层碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板(CUSFML)。在金属体积含量(MVF)为0.250~0.625的范围内,制备了3类薄层CUSFML。利用空气炮在45~120 m/s速度范围内对纯碳纤维层板和3类薄层CUSFML开展了高速冲击实验研究,并结合修正后的三维Hashin失效准则在ABAQUS/Explicit软件中对薄层CUSFML的高速冲击响应进行了数值仿真。系统分析了高速冲击下MVF数值变化对薄层CUSFML的动态响应特征和能量吸收的影响规律。研究结果表明:薄层CUSFML在高速冲击下的性能较传统碳纤维复合材料有显著提升。经实验数据分析及数值计算可知,所制备的薄层CUSFML的比吸能最高可达8.51 J·m2/kg,较纯碳纤维层板提升19.2%;冲击承载最高可达6713 N,约为纯碳纤维层板的2.5倍。提高薄层CUSFML中不锈钢极薄带的体积含量在一定范围内可增强金属层塑性变形和断裂在能量吸收中的主导作用,提升层板的高速冲击性能。但随着MVF数值的持续增加,薄层CUSFML的比吸能会出现小幅下降。对比各类层板的动态响应特征后发现薄层CUSFML在MVF为0.455附近的抗冲击性能及吸能性能最为优异。