艦船碳纖維復合材料抗砂石沖擊測試技術研究

董珠琳， 周少偉， 景 偉

(1.海軍裝備部裝備審價中心，北京 100071； 2.中國艦船設計研究中心，湖北 武漢 430064；3.上海船用柴油機研究所，上海 201108)

碳纖維復合材料具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕和可設計性好等特點，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶及海洋工程等行業[1]。隨著艦船技術的發展，對上艦材料的輕量化提出了明確需求，而碳纖維復合材料輕質高強的特點能夠較好地滿足這一需求，可應用在艦船上層建筑、動力系統、舾裝件、艙內結構件和管道系統等對減重和防腐要求較高的部位。碳纖維復合材料在艦船上應用之前，要對艦船環境的適應性進行考核研究，包括鹽霧、霉菌、顛振、高低溫和沖擊等[2]。艦船環境適應性測試技術作為考核研究的重要一環，對于充分研究碳纖維復合材料上艦可行性具有重要的意義[3]。基于上述背景，選取碳纖維復合材料在艦船上的典型應用場景，主要開展碳纖維復合材料結構件抗砂石沖擊測試技術研究，以支撐碳纖維復合材料的艦船環境適應性研究。碳纖維復合材料在遭受外物沖擊時，容易產生基體開裂、分層和纖維斷裂等形式的損傷[4]。這些損傷通常情況下為目視不可見，但會明顯削弱復合材料的強度性能，威脅到復合材料構件安全[5]。在海洋灘涂環境中存在大量的砂石，艦船復合材料構件在這樣的工作環境下容易遭受砂石沖擊，特別是對于高速旋轉的復合材料傳動部件，受到砂石沖擊后出現的損傷會對結構安全造成不良影響。因此，開展碳纖維復合材料抗砂石沖擊測試技術研究，對于推動碳纖維復合材料在艦船行業的應用具有重要意義。

劉菲菲等[6]采用高分辨率超聲成像方法實現復合材料沖擊損傷的無損檢測。鄔冠華等[7]對碳纖維復合材料板沖擊損傷進行計算并對試驗后的結果進行了超聲檢測，超聲檢測的結果與計算結果具有很好的一致性。高騰龍等[8]通過高速攝像機對沖擊載荷下飛機風擋材料進行了強度分析，成功捕獲到了外物沖擊飛機風擋瞬間的速度，從而計算得到沖擊的能量。周春蘋等[9]對玻璃纖維復合材料抗砂石沖擊進行了數值模擬與試驗研究，其主要集中于數值方法和損傷機理的研究，而對于試驗測試方法的研究較少。綜上所述，目前針對碳纖維復合材料抗沖擊性能的研究集中于一定沖擊能量下的損傷性能及損傷機理，而對于實際砂石條件下碳纖維復合材料抗沖擊性能及防護的試驗研究較少[10]。碳纖維復合材料的抗砂石沖擊性能設計通常會在碳纖維復合材料易受砂石沖擊的部位施加金屬防護,但是，金屬防護存在結構質量大、不耐腐蝕和易脫落等缺點[11]。彈性涂層則可以與碳纖維復合材料基材之間緊密結合為一體，且具有不會明顯增加結構質量、防止電化學腐蝕和隔絕碳纖維與海洋環境的直接接觸等優點[12]。

目前，針對砂石沖擊損傷試驗測試，有研究人員采用噴砂機對被試件進行噴砂的試驗方法[13]。試驗過程中發現噴砂機存在試驗壓力波動較大、砂石出口速度難以確定等問題。為了克服噴砂機噴砂的砂石沖擊試驗方法存在的問題并對彈性涂層的抗砂石沖擊性能進行研究，筆者基于壓縮空氣炮系統、高速攝像機和超聲探傷儀，建立了一套碳纖維復合材料抗砂石沖擊的測試技術，基于碳纖維復合材料進行砂石沖擊試驗，證明了該技術的可行性。

1 試驗材料及設備

1.1 試驗材料

碳纖維復合材料層合板采用國產T700級碳纖維增強樹脂基復合材料制備，鋪層順序為[±45°]25，試驗件厚度為10 mm，彈性涂層厚度為1 mm，制備的試驗件如圖1和圖2所示。在試驗件表面采用標記筆進行了區域的劃分，用于區分在試驗過程中不同沖擊能量彈丸的彈著點。

圖1 碳纖維復合材料層合板基材

圖2 帶彈性體涂層的碳纖維復合材料試樣

考慮到海洋環境中同時存在砂石和沙粒，參考ASTM G76—2013中沙塵沖擊試驗的沙塵粒徑[14]，選用了粒徑為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm的海洋砂石來考查海洋環境中不同粒徑砂石的沖擊行為，試驗用砂石如圖3所示。

圖3 試驗用砂石

1.2 試驗設備

壓縮空氣炮沖擊試驗系統由儲氣室、電磁閥、炮管、測速探頭、止托器和試件夾持裝置構成。通過控制氣源壓力，能夠實現速度約為50～300 m/s的彈丸沖擊，壓縮空氣炮沖擊試驗系統如圖4所示。試驗采用高速攝像機記錄沖擊過程，高速攝像機型號為IX750,如圖5所示，最高拍攝頻率為10 f/s。

試驗后采用超聲探傷設備對復合材料基材受沖擊區域進行超聲探傷，試驗過程中采用Olympus OmniScan MX2相控陣超聲探傷儀，如圖6所示。利用超聲波來檢測焊縫及探測金屬、復合材料、塑料和陶瓷等材料中的隱藏裂縫、空隙、分層、多孔性及其他內部不規則性[15]。

圖4 壓縮空氣炮沖擊試驗系統

圖5 高速攝像機

圖6 相控陣超聲探傷儀

試驗件采用單邊加持固定在試驗夾具上，最后將試驗夾具安裝在沖擊試驗平臺上(螺栓連接固定)，確保夾具與氣炮系統垂直，試驗件平板平面與地面垂直。試驗采用氣炮系統發射彈丸對試件施加沖擊載荷，試驗體加載方式如圖7所示。沖擊試驗時，選用粒徑為1～6 mm的砂石，通過調節氣源壓力，采用大致相同的沖擊速度對3種類型試驗件進行沖擊試驗，模擬砂石等對涂層和碳纖維復合材料層合板基材的沖擊。

圖7 試驗件加載方式

2 復合材料層合板砂石沖擊試驗

2.1 測試設備的調試

測試設備調試時，通過選用不同粒徑的砂石進行沖擊試驗，確定在該粒徑下沖擊加載系統使得砂石達到預設速度的氣體壓力值，同時調整測試設備使其處于良好的測試狀態。

根據碳纖維復合材料實際產品的運轉速度，確定試驗時砂石速度不低于170 m/s。為此，在測試設備調試過程中，首先通過精密電子天平測量并記錄不同粒徑砂石的質量。隨后通過調整發射氣壓，對同一粒徑下的砂石進行速度定標。定標過程中采用高速攝像機獲取砂石在特定壓力下的沖擊速度和砂石與彈托的分離狀態，確保彈托與砂石完全分離。通過不斷調節壓縮空氣炮的壓力值，使得高速攝像機測量得到的砂石沖擊速度不低于170 m/s，并記錄此時的壓力值。圖8為砂石沖擊碳纖維復合材料的過程動畫截圖，從圖8中可以看出此時彈托與砂石完全分離，可以準確判定砂石沖擊在試驗件上的位置，排除了彈托碎片的沖擊對試驗結果的影響。

圖8 砂石沖擊碳纖維復合材料的過程動畫截圖

通過測試設備的調試，記錄得到了不同粒徑砂石的試驗氣壓參考值，如表1所示，該氣壓即可作為后續正式試驗的氣炮發射氣壓。

表1 不同粒徑砂石發射氣壓參考值

2.2 砂石沖擊正式試驗

在確保試驗件安裝狀態、氣炮系統、測速系統和高速攝像系統工作正常后進行砂石沖擊的正式試驗，試驗過程中使用精密電子天平直接測量彈體直徑、彈托質量和彈丸彈托總質量等，并采用高速攝像機測量沖擊過程中砂石的速度，計算出彈丸質量、沖擊能量等數據。

試驗記錄到不同粒徑砂石沖擊無涂層復合材料層合板損傷結果，如圖9所示。由圖9可知，伴隨著沖擊砂石粒徑的增大，碳纖維復合材料層合板表面出現纖維斷裂損傷，并且損傷面積逐漸增加。

圖9 不同粒徑砂石沖擊無涂層復合材料平板損傷結果

為定量描述沖擊過程中砂石沖擊能量與損傷情況之間的關系，計算得到試驗過程中所使用的沖擊能量，如表2所示。得到的沖擊能量與碳纖維復合材料層合板損傷情況如圖10所示。由圖10可以看出，在沖擊能量為0.5 J時，沖擊區域表面出現了纖維斷裂，伴隨著沖擊能量的加大，纖維斷裂情況加劇。

表2 碳纖維復合材料層合板基材砂石沖擊能量

圖10 不同沖擊能量的碳纖維復合材料層合板損傷情況

對沖擊后的試驗件進行超聲探傷，探傷結果表明：在層合板內部未出現明顯分層，證明復合材料層合板在砂石沖擊狀態下易出現的損傷形式為表層纖維斷裂。

計算得到不同粒徑砂石沖擊含涂層復合材料層合板沖擊能量，如表3所示，得到沖擊能量與碳纖維復合材料層合板表面涂層的損傷情況，如圖 11所示。

圖11 不同沖擊能量碳纖維復合材料彈性涂層損傷情況

表3 含涂層碳纖維復合材料層合板砂石沖擊能量

試驗結果表明：當砂石沖擊能量達到1.13 J時，在復合材料層合板涂層表面出現了較為明顯的劃痕，但是涂層未被破壞。伴隨著沖擊能量的提高，涂層的劃痕加重。當沖擊能量達到2.23 J時，涂層出現了剝離破壞，此時的復合材料沖擊區域表面未出現纖維斷裂現象。

對沖擊后的復合材料基材進行超聲探傷，未發現層間分層現象的出現，證明碳纖維復合材料表面防護涂層對于碳纖維復合材料在遭受砂石沖擊時能夠起到很好的保護作用。

3 結束語

建立了艦用碳纖維復合材料抗砂石沖擊測試技術，基于該測試技術對碳纖維復合材料基材進行了砂石沖擊試驗。試驗結果表明：

① 筆者提出的測試技術能夠解決傳統試驗方法中使用噴砂機進行艦用復合材料抗砂石沖擊試驗存在的噴槍壓力不穩定、砂石沖擊速度無法準確測量的缺點，能夠獲得準確的砂石沖擊能量，模擬船舶登灘時的砂石沖擊工況。

② 采用該測試技術對制備的艦用碳纖維復合材料試樣進行抗沖擊性能測試。試驗結果表明，當砂石沖擊能量大于0.5 J時，碳纖維復合材料表面易出現纖維斷裂損傷，采用彈性涂層能夠有效地提高碳纖維復合材料抗砂石沖擊性能(抗沖擊能量提高到2.33 J)，測試結果與實船應用情況一致。

③ 建立的砂石沖擊測試技術能夠有效解決傳統測試技術的不足，可以很好地用于艦船碳纖維復合材料抗砂石沖擊性能的研究。