玄武巖纖維/鋁合金層合板的力學性能研究

劉偉鵬，馬小敏，李 鑫，吳桂英

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，太原 030024；2.南京大學 現代工程與應用科學學院，江蘇 南京 210000)

纖維金屬層合板是一種在航天航空海洋等方面具有廣泛應用的復合材料，且因為它設計的靈活性，在海軍和裝甲部件等方面也有應用。在第二次世界大戰后用于航空軍事用途的復合材料進入民用領域。1950年，荷蘭福克航空航天公司發現，層合結構比單一材料更能防止快速疲勞裂紋的增長。20世紀80年代，Delft大學對FML(fibre metal laminate)薄片進行了優化改進，將其命名為ARALL(aramid fibre reinforced aluminium laminate)。1987年，為解決ARALL壓縮性能不佳的缺陷，GLARE(glass fibre reinforced aluminium laminate)作為第二代FML被開發面世[1-6]。GIN BOAY CHAI et al[7]對纖維金屬復合材料在低速沖擊下的響應做了回顧并總結了基于幾何參數和材料參數對復合材料力學性能的影響。LI et al[8-9]進行了高速沖擊實驗確定了鈦合金纖維復合材料的抗沖擊性能并研究了不同表面處理對鈦合金玄武巖纖維復合材料的性能影響，結果表明與使用CFRP(carbon fiber reinforced plastic)作為芯材相比，在FML夾層復合材料中加入UHMPWE(ultra-high molecular weight polyethylene)纖維層具有更好的抗沖擊性能。彭雄奇等[10]研究了考慮纖維排布的玻璃纖維增強PP復合材料的拉伸性能，得到了玻纖增強注塑儀表板的力學性能是各向異性的，其沿厚度方向纖維大致可分為三層。與其他高性能纖維相比(碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等)，玄武巖纖維除了具有高強度、高模量外，還具有優異的耐高溫、較低的熱傳導系數、良好的化學穩定性、良好的電絕緣、較低的吸濕性和絕熱隔音等諸多優點，是綜合性能優異、性價比極高的纖維[11-12]。KHALILI et al[13]對在環氧樹脂中加入MGP(micro glass powder)的玄武巖纖維復合材料進行了力學性能分析。朱德舉等[14]通過靜態拉伸試驗研究了不同體積摻量的短切碳纖維、鋼纖維、耐堿玻璃纖維及預應力對5層玄武巖織物增強水泥基復合材料(BTRC)拉伸性能的影響。與傳統的玻璃纖維相比，玄武巖纖維有著不遜于玻璃纖維的高比強度、高比剛度；與碳纖維相比，有著更大的失效應變，更好的抗爆炸沖擊加載性能，以及良好的環境友好性[15]。

目前，關于玄武巖纖維金屬復合材料的研究相對較少，而研究玄武巖纖維金屬層合板的力學性能可以更好地服務于我國的航空航天、新能源開發等領域。為此，本文對于玄武巖纖維/鋁合金層合板的拉伸、三點彎曲以及抗侵徹性能進行了研究。實驗采用真空輔助成型技術制作了所需的樣品，用水刀對試件進行切割得到所需尺寸。拉伸實驗對0°、45°和90°各進行了兩到三次重復實驗，因為0°和90°鋪層相同，屬于重復實驗所以后文將放在一起分析。三點彎曲實驗進行三次重復實驗。子彈沖擊實驗中，用四組不同速度的子彈對樣品進行沖擊。重復實驗數據均取平均值并給出誤差。

1 實驗過程

1.1 材料及制備

實驗中采用真空輔助成型法制備樣品。首先將環氧樹脂與固化劑按照10∶3的質量比均勻攪拌混合5 min，隨后放入真空干燥箱中處理20 min以抽除樹脂混合液中的氣泡。將鋁板和玄武巖纖維布進行疊層鋪設，樹脂均勻涂抹在每層中，在真空袋中進行抽真空去除多余的樹脂，并進行24 min常溫固化，隨后放入80 ℃恒溫箱中進行16 h后固化，對試件進行水切割得到實驗所需樣品尺寸。玄武巖纖維為2D編織的平紋纖維布，復合方式如圖1所示。所用鋁合金及玄武巖纖維材料屬性如表1所示。

圖1 樣品示意圖Fig.1 Diagram of fiber direction

表1 材料屬性Table 1 Mechanical property of materials

1.2 實驗裝置

研究中分別進行了標準拉伸實驗、三點彎曲實驗和子彈沖擊實驗，樣品取向如圖1所示。拉伸實驗在INSTRSON 5985試驗機上進行，拉伸速率為1 mm/min，試件尺寸為250 mm×25 mm×1.9 mm.實驗分為兩組進行：0°/90°單向拉伸以及45°面內拉伸剪切。三點彎曲試驗在INSTRON5544試驗機上進行，樣品尺寸為120 mm×25 mm×1.9 mm，跨距為90 mm，加載速率為2 mm/min.為保證數據有效每組實驗進行了至少3次重復實驗。根據得到的數據給出了平均值及誤差。子彈沖擊實驗的樣品尺寸為100 mm×100 mm×1.9 mm。采用直徑為12 mm的鋼珠進行侵徹實驗，圖2為實驗裝置及示意圖。子彈在經過空氣槍加速后由激光測速儀測定加載速度，利用側面的高速攝像頭及鏡面反射記錄下碰撞前后樣品的變形/失效的過程。

圖2 實驗裝置及示意圖Fig.2 Experimental equipment and schematic diagram

2 實驗結果與分析

2.1 拉伸及剪切性能

圖3中給出了纖維金屬層合板在0°單向拉伸和45°剪切拉伸時的應力應變曲線以及變形失效模式。實驗中得到0°單向拉伸及45°剪切拉伸數據見表2.由圖3(b)可以看出，0°單向拉伸時材料出現了纖維層和金屬層局部脫粘及分層，部分區域產生塑性變形。玄武巖纖維層合板受拉時，因鋁合金層與纖維層拉伸模量不同，纖維層在相同應變時所受應力大于鋁合金層。玄武巖纖維及鋁合金的斷裂應變分別為3.1%與12%。層合板拉伸時纖維層率先受到破壞，當纖維層拉斷之后鋁層也迅速被拉斷。剪切拉伸時纖維層與鋁合金同樣出現嚴重分層，粘合層失效，金屬撕裂并出現嚴重的塑性大變形。由于層合板剪切拉伸時纖維不承受拉伸載荷，導致其剪切強度顯著降低，同時層合板受拉時形變較大導致鋁層發生面內屈曲。

表2 實驗結果總結Table 2 Summary of experimental results

圖3 (a)應力-應變曲線 (b)材料破壞模式Fig.3 (a)Stress-strain curve; (b)material failure modes

2.2 彎曲性能

圖4和圖5分別給出了三點彎曲時的位移載荷曲線及樣品形變過程，從圖中可以看出樣品在最初加載階段力和位移呈線性變化，隨后進入非線性屈服階段并達到最大載荷。變形過程如圖5所示，(a)為初始狀態，此時試件并未受到載荷；(b) (c)為試件經過彈性階段后進入屈服階段，產生塑性變形；(d)為材料的最終狀態，此時材料經過彈性階段、屈服階段后產生了較大的塑性變形。同時可以看到，彎曲實驗中纖維層與鋁合金層之間并未發生明顯的分層失效，表明所制備樣品質量較好。實驗中分別計算了層合板的彎曲彈性模量以及彎曲強度：

彎曲彈性模量：

(1)

彎曲強度：

(2)

式中：Δp為載荷-撓度曲線上初始直線段的載荷增量，N；Δs為與載荷增量Δp對應的跨距中點處的撓度增量，mm；p為破壞載荷，N；l為跨距，mm；h為試樣厚度，mm；b為試樣寬度，mm。通過計算得到層合板沿纖維方向彎曲強度及彎曲模量見表2.

圖4 位移載荷曲線Fig.4 Displacement load curve

圖5 層合板三點彎曲變形過程圖及材料破壞圖Fig.5 Three-point bending deformation process diagramand material failure diagram of laminated plate

2.3 層合板抗沖擊性能

對層合板分別進行了速度為52 m/s，98 m/s，133 m/s以及167 m/s的侵徹實驗，圖6給出了不同速度下層合板的變形失效過程。當侵徹速度為52 m/s時，因速度并未達到彈道極限，子彈撞擊樣品中心產生最大撓度后開始回彈，樣品中央撞擊區域出現凸起變形；速度為133 m/s時，此時速度超過彈道極限，子彈將穿透試件并導致結構的破壞；圖7給出了侵徹后層合板前后面板的變形失效模式，可以看到當速度為52 m/s時，層合板中心出現明顯的局部塑性大變形；當速度提升至98 m/s時塑性變形程度明顯加劇，背側的鋁合金出現裂痕但層合板仍未被擊穿。當速度達到133 m/s時層合板被擊穿，纖維層及鋁合金層局部斷裂明顯，因為纖維的正交性質，背面鋁合金層出現近似菱形撕裂。侵徹速度167 m/s時的情況和133 m/s時相似，但整體變形較小。

圖6 子彈入射圖Fig.6 Bullet incidence diagram

圖7 試樣破壞模式Fig.7 Specimen failure modes

在試驗中，彈丸與復合材料的彈性變形所耗散的能量，以及各部件之間的摩擦在吸收的總能量中所占的比例相對較小。因此，假設子彈損失的動能完全由層合板的失效所耗散，即：

(3)

式中：Ei為子彈初始動能，Er為子彈殘余動能，m、vi和vr為子彈質量、入射速度和剩余速度。當vr=0時，vi=vbl，其中vbl為彈道極限。因此：

(4)

此時式(3)可寫為：

(5)

經計算得子彈低速沖擊穿透試件時的彈道極限為97.9 m/s。能量吸收能力是評價纖維金屬層合板抗沖擊性能的重要參數。所計算的吸收能量如表3所示。當面板沒有穿孔時，能量吸收隨著碰撞速度的增加而增加，在擊穿面板后能量吸收量有所回落。這是因為層合板的整體變形是由低速沖擊產生的。然而，在高速沖擊下，變形是局部的，導致能量吸收更少。

表3 沖擊實驗結果總結Table 3 Summary of impact experimental results

圖8給出了不同速度下層合板背面的變形輪廓圖。可以看出當入射速度為52 m/s時鋁層并未被擊穿，產生了4 mm的殘余撓度；當入射速度達到98 m/s時，塑性變形幅度明顯增加，鋁層接近被擊穿；入射速度提升至133 m/s時層合板已被擊穿，出現明顯的裂層和缺口，缺口附近的層合板出現塑性變形；入射速度為167 m/s時層合板的變形輪廓圖和133 m/s的相似，此時因為層合板已被擊穿，局部変形程度相似，但因沖擊速度增大導致變形更加局部化。

圖8 纖維鋁合金層合板背面鋁層變形輪廓圖Fig.8 Deformation profile of aluminum layer on the back of fiber aluminum alloy laminate

3 結論

本文利用實驗研究了玄武巖纖維金屬層合板的力學性質及抗沖擊性能。結果表明在拉伸載荷作用下層合板將出現纖維層與鋁合金分層，纖維、金屬的拉伸斷裂以及基質失效等，而在彎曲載荷作用下除了塑性大變形，并沒有出現明顯的宏觀破壞，同時實驗結果表明所制備層合板具有良好的拉伸和彎曲力學性能。侵徹實驗表明子彈沖擊下面板沒有穿孔時，能量吸收隨著入射速度的增加而增加，在擊穿面板后結構的能量吸收有所回落。隨著入射速度增加，擊穿后變形輪廓圖局部変形程度相似，但變化范圍會更加集中。在12 mm子彈沖擊載荷作用下所研究的玄武巖纖維/鋁合金層合板具有較好的抗沖擊性能，其彈道極限為97.9 m/s.