基于3D-DIC技術的老化UHMWPE無緯布準靜態拉伸性能研究

羅小豪，李國成，張曉宇，王哲，張佳瑤，王鐸

基于3D-DIC技術的老化UHMWPE無緯布準靜態拉伸性能研究

羅小豪，李國成，張曉宇，王哲，張佳瑤，王鐸*

（杭州智元研究院有限公司，杭州 310024）

通過研究老化后的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）無緯布力學特性，了解防彈衣在自然環境下的抗老化性能，為防彈裝備使用和存儲提供科學指導。采用三維數字圖像相關技術（3D-DIC）和萬能材料試驗機開展了其準靜態拉伸力學性能測試。十年自然老化后的UHMWPE無緯布應力應變曲線仍呈近似線性特征，但平均拉伸模量僅為18.0 GPa。結合試驗過程中的全場應變變化過程，分析了UHMWPE無緯布試件的變形特性，發現拉伸過程中應變在分析區域內的分布較均勻。十年自然老化后的UHMWPE無緯布軟質防彈衣平均拉伸模量明顯降低，防彈性能無法滿足使用要求。

超高分子量聚乙烯；拉伸；應力應變；3D-DIC

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維具有密度低、比強度高、能量吸收性能好等優點，同時超高分子量聚乙烯無緯布的結構特性相較于其他復合結構具有更高的抗彈性能。因此，UHMWPE無緯布被廣泛用于防彈衣的制作，是目前世界上最為先進的防彈衣材料[1-3]。防彈衣由于其本身應用場景的原因往往會面臨長期儲存的問題，而長期儲存后防彈衣的防彈性能直接關系到防彈衣能否繼續使用。因此，防彈復合材料的老化問題一直被廣泛關注，UHMWPE防彈材料的防護性能的核心影響因素包括壓縮、剪切、拉伸、分層和彎曲性能[4-5]，因此，在對老化UHMWPE 防彈材料的防彈性能影響研究過程中，其壓縮、剪切、拉伸、分層和彎曲性能是首要關注點。Kartikeya等[6]提出了一種新的UHMWPE纖維增強復合材料拉伸試驗方法，設計了一種用于拉伸試驗的夾具，并通過準靜態拉伸試驗獲得了UHMWPE纖維增強復合材料的應力應變曲線。Manikandan等[7]研究了短劍麻纖維增強聚苯乙烯復合材料的吸水性能和老化對其力學性能的影響，試驗結果表明老化使得復合材料的拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率都有所降低，這進一步說明，老化會對纖維增強復合材料的材料力學性能產生多方面的削弱。Cheng等[8-10]開展了UHMWPE纖維和樹脂對其復合材料防彈性能影響以及纖維和樹脂老化機理研究，結果表明UHMWPE復合材料的老化不僅僅是纖維或者樹脂基體的單方面老化造成的，纖維與基體的力學耦合特性也會隨著纖維與基體的老化而產生嚴重的降低，這為UHMWPE復合防彈材料老化研究提供了一定的指導。黃獻聰等[11]通過傅里葉變換紅外光譜儀等測試方法研究了超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料的熱氧老化機理，全面分析了老化溫度等因素對UHMWPE纖維及其復合材料的結構和熱性能、界面性能、力學強度和防彈性能的影響，結果表明，老化后的UHMWPE纖維材料力學性能顯著下降。孫非等[12]通過對UHMWPE復合防彈層進行溫度、濕度、紫外線等人工加速老化處理，然后進行打靶測試，得到不同老化情況下的復合防彈層防護性能變化情況，并采用線性回歸方程進行防護性能的預測，為老化UHMWPE復合防彈層的防護性能評估提供了較為有力的支撐。孟國龍[13]參考ASTM超高分子量聚乙烯加速老化標準對UHMWPE及其復合材料進行了不同時間的加速老化試驗，通過對老化后試樣的材料形態進行觀測，發現老化會使超高分子量聚乙烯試樣表面出現裂紋。通過對不同老化超高分子量聚乙烯試樣的力學性能測試發現隨著老化時間的增加，超高分子量聚乙烯試樣的硬度呈現先增大后減小的變化規律。

目前纖維增強復合材料準靜態拉伸試驗測量應變大多采用應變片或引伸計，只能測量某一位置或給定標距的應變信息，無法獲得試件變形過程中的全場應變信息。數字圖像相關（DIC）方法是一種基于數字圖像處理技術的現代光測力學手段，通過跟蹤試件變形前后表面散斑的位置變化來計算試件表面各點的位移與應變信息，與傳統的電阻式應變測量法相比具有非接觸、全場測量等優越性[14]。彭奕涵等[15]針對DIC測試設備應用于拉伸試驗的可靠性進行了系統的分析，結果表明DIC測試方法比應變儀具有更為廣泛的實用性、數據采集更為全面、測試精度更高。目前暫未有報道采用3D-DIC測試方法對自然老化后的UHMWPE無緯布力學性能進行研究，無法全面獲得自然老化后的UHMWPE無緯布力學性能參數。本文采用3D-DIC技術對一組自然老化十年后的UHMWPE無緯布進行拉伸試驗，獲得拉伸過程中試件表面全場應變信息，計算得到材料的彈性模量、泊松比等數據，并分析材料的破壞特征，有助于為防彈裝備使用和存儲提供科學指導。

1 基于3D-DIC的準靜態拉伸試驗

1.1 3D-DIC原理

3D-DIC方法[16-17]是一種基于數字圖像處理技術的現代光測力學手段，其測試原理如圖1所示。首先通過左右兩相機的標定來構建空間點的三維坐標，然后3D-DIC測試系統通過相機拍攝被測物體變形前后的散斑圖，并將這些散斑圖以灰度值的矩陣形式存儲在計算機中，此時圖像中每個像素點都是一個具有灰度值的數據點。最后在3D-DIC后處理軟件中，系統對變形前后2張數字圖像中相同的像素點數據選擇合適的算法進行相關性匹配計算，得出待測點的位移和變形情況。

圖1 DIC技術基本原理

1.2 試驗方案

測試系統組成如圖2所示。為了方便相機的拍攝，將UHMWPE無緯布拉伸試件面向相機夾持在萬能試驗機夾頭上，UHMWPE無緯布拉伸試件距離相機大約1 m。2臺相機分別放在UHMWPE無緯布拉伸試件兩側（夾角約為20°），拍攝試件表面散斑區域的變形過程。2臺相機曝光時間設為10 ms，相機拍攝方式設為等時間間隔，每隔1秒拍攝1張照片。為保證在拍攝過程中圖片的清晰，采用一個直流LED強光源射向試件表面，以保證充足的照明。

UHMWPE無緯布拉伸力學測試在萬能拉伸試驗機（CMT6503）上進行，在試件加載過程中，利用3D-DIC方法對試件進行實時監測。為了保證DIC測試系統在試驗過程中得出較為精確的試驗數據，在3D-DIC測試系統的架設過程中，注意以下4個事項：保證兩相機的光軸相交于同一點；兩相機的夾角至少為15°，至多為60°；保證試件約占畫幅3/4以上；確保試件的離面運動在相機景深范圍以內。測試系統的搭建如圖3所示。

圖2 測試系統示意圖

圖3 測試系統搭建圖

1.3 試樣制備

本文取某經過十年自然老化后的軟質防彈衣上的單層UHMWPE無緯布為測試對象（厚度為0.1 mm），測量其老化后的拉伸力學性能（圖4）。由于UHMWPE無緯布厚度較薄，因此本文使用剪刀剪出所需的試件。UHMWPE無緯布的拉伸試件尺寸如圖4所示。

由于UHMWPE無緯布的抗拉強度極高，單層UHMWPE無緯布的厚度僅有0.1 mm，在萬能試驗機上裝夾難度較大，因此在試件兩端分別黏接長度為40 mm的硬質塑料加強片。另外，使用3D-DIC技術進行試件全場應變測量，需要在拉伸試件的中間區域添加人工散斑，但UHMWPE無緯布表面光滑，使用常規噴漆法制作的散斑容易在試件拉伸的過程中脫落。因此，本文采用水轉印紙的方法將預先計算設計好的人工散斑附著在拉伸試件的表面，保證了試驗過程中人工散斑附著的可靠性。帶有人工散斑的拉伸試件如圖5所示。

1.4 試驗過程

首先進行3D-DIC系統的標定，選擇大小為拍攝畫幅80%左右的標定板，在盡量靠近UHMWPE無緯布拉伸試件的位置做大幅度的3個自由度平動和3個自由度的轉動。確保在標定過程中，標定板上的所有點都在相機視場之內。拍攝40組以上的圖像后在DIC分析軟件中進行三維坐標計算，為后續試件表面變形運動分析奠定基礎（圖6）。

萬能試驗機的加載速率為5 mm/min，采樣頻率為150 Hz，3D-DIC測試系統采集圖像頻率為1 Hz。通過萬能試驗機記錄載荷-時間數據，3D-DIC系統記錄的全場位移、應變信息。同時對3D-DIC系統的時間進行標定，使其與萬能試驗機時間完全對應。本文一共進行4組試驗，試驗過程中隨著拉力的增加，試件從夾持部位脫出，4組試驗中試件均未被拉斷，可能是基體老化導致對纖維的黏接力下降導致的。

圖4 老化后單層UHMWPE無緯布及其拉伸試件

圖5 帶有人工散斑的拉伸試件

圖6 三維坐標計算界面

2 結果與分析

2.1 應力-應變曲線

在3D-DIC分析軟件中建立標距為50 mm的虛擬引伸計，獲得材料在拉伸過程中的應變信息。試驗結果如圖7所示，從圖7中可以看到4組試驗的結果具有很好的一致性。試件在破壞前應力應變曲線基本保持為直線，這說明老化后的UHMWPE無緯布在準靜態拉伸載荷作用下表現出線性特征。在0.01的應變下，老化后UHMWPE無緯布試件的平均應力為207.8 MPa；在0.02的應變下，老化后UHMWPE無緯布試件的平均應力為356.7 MPa。根據應力應變曲線可得，老化后的UHMWPE無緯布試件平均彈性模量為18.0 GPa，這說明自然老化十年后的UHMWPE無緯布拉伸性能出現了明顯下降。因此，UHMWPE無緯布在儲存過程中要保證良好的儲存條件，并確定科學的使用年限，避免使用中出現老化失效而危及穿戴人員生命。由于老化導致基體對纖維的黏接力下降，試驗過程中試件極易從夾頭中滑脫，在兩端粘貼加強片后還是不能將試件拉斷，因此本文未能測出試件的拉伸強度等信息。在未來對老化后UHMWPE無緯布拉伸性能研究的過程中應注意解決試件的裝夾問題，保證試件在拉伸過程中不會脫落，以便測出試件的拉伸強度、斷裂伸長率等材料性能參數。

圖7 工程應力應變曲線

2.2 全場應變

第3組試驗中老化UHMWPE無緯布試件在不同拉伸載荷下表面Mises應變分布情況如圖8所示。由圖8可得，在整個分析區域中應變分布較為均勻。拉力為100 N時，試件上的平均應變為0.009，200 N時平均應變為0.023，比100 N時增大了2.6倍，300 N時平均應變為0.036，比200 N時增大了1.6倍。試件表面Mises應變分布沒有突變區域，說明在準靜態拉伸過程中，UHMWPE無緯布試件中部（標距區域）不存在應力集中的現象，試件受力較為均勻。但是在試件邊緣仍然有一些變形不均勻區域，這些區域的應變值誤差較大。這是因為這些區域在試件制作和人工散斑添加的過程中產生了一些毛刺。3D-DIC軟件散斑質量評估也表明在試件邊緣一些區域散斑質量相對較低，因此造成試件邊緣的應變誤差較大。因此數據提取和處理中，應該盡量靠近試件中部區域。

2.3 泊松比

在3D-DIC后處理軟件中提取試件中部區域沿著拉伸方向2個點和垂直拉伸方向2個點的平均應變隨時間變化曲線（圖9）。隨著載荷的增大，沿著拉伸方向的應變呈線性增長的趨勢，增加較為迅速。由于泊松效應，垂直拉伸方向的纖維和基體產生了微小的收縮。在拉伸過程中，沿著拉伸方向的纖維束承受主要的拉伸力并伸長，垂直拉伸方向纖維在基體的帶動下相應的發生一定程度的收縮。

通過沿著拉伸方向和垂直拉伸方向的平均應變曲線可得到泊松比隨拉力變化的曲線（圖9）。從圖9中可以看出，泊松比隨拉力的增大先逐漸減小后增加。當載荷為50 N時，垂直拉伸方向的應變為?0.04%，沿著拉伸方向的應變為0.4%，此時泊松比為0.10；當載荷為148 N時，垂直拉伸方向的應變為?0.08%，沿著拉伸方向的應變為1.3%，此時泊松比最小，僅為0.062；當載荷為260 N時，垂直拉伸方向的應變為?0.3%，沿著拉伸方向的應變為2.3%，此時泊松比增大到0.13。

圖8 第3組試驗中老化UHMWPE無緯布試件在不同拉伸載荷下表面應變場分布

圖9 第3組試驗中老化UHMWPE無緯布試件表面的應變及泊松比變化歷程

3 結語

本文采用萬能試驗機配合3D-DIC技術，測試了老化后的UHMWPE無緯布在準靜態拉伸載荷下的力學特性。主要結論如下：

1）老化后的UHMWPE無緯布試件在拉伸載荷作用下，應力應變曲線仍呈近似線性，平均拉伸模量為18.0 GPa。

2）3D-DIC分析得出的不同載荷下的全場應變云圖表明，老化后的UHMWPE無緯布在分析區域內應變分布較為均勻，隨著載荷增大無緯布試件應變逐漸增大，且增大的趨勢在逐漸減小。

3）獲得了老化后的UHMWPE無緯布沿拉伸方向和垂直拉伸方向的應變隨載荷變化曲線，進而得到了材料在拉伸過程中泊松比隨載荷的變化情況。泊松比隨載荷的增加呈先減小后增大的趨勢。泊松比從最大值0.137開始逐漸減小，當載荷為148 N時減小到最小值0.062；當載荷增大到260 N時，泊松比增大到0.13。

[1] CROUCH I G C. Body Armour-New Materials, New Systems[J]. Defence Technology, 2019, 15(3): 214-253.

[2] REDDY P R S, REDDY T S, SRIKANTH I, et al. Development of Cost-Effective Personnel Armour through Structural Hy-Bridization[J]. Defence Technology, 2020, 16(6): 1089-1097.

[3] 何業茂, 焦亞男, 周慶, 等. 彈道防護用先進復合材料彈道響應的研究進展[J]. 復合材料學報, 2021, 38(5): 1331-1347.

HE Y M, JIAO Y N, ZHOU Q, et al. Research Progress on Ballistic Response of Advanced Composite for Ballistic Protection[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2021, 38(5): 1331-1347.

[4] MO G L, MA Q W, JIN Y X, et al. Delamination Process in Cross-Ply UHMWPE Laminates under Ballistic Penetration[J]. Defence Technology, 2020, 17(1): 278-286.

[5] NGUYEN L H, RYAN S, ORIFICI A C, et al. A Penetration Model for Semi-Infinite Composite Targets[J]. International Journal of Impact Engineering, 2020, 137: 103438.

[6] KARTIKEYA K, HEMANT C, AISHA A, et al. Determination of Tensile Strength of UHMWPE Fiber-Reinforced Polymer Composites[J]. Polymer Testing, 2020 , 82(1): 106293.

[7] MANIKANDAN N K C. Effect of Ageing on the Mechanical Properties of Short Sisal Fibre Reinforced Polystyrene Composites[J]. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2003, 16(3): 249-271.

[8] CHENG B X, DUAN H T, CHEN S, et al. Effects of Thermal Aging on the Blend Phase Morphology and Tribological Performance of PI/UHMWPE Blend Composites[J]. Wear, 2021, 477: 203840.

[9] BELOTTI L P, VADIVEL H S, EMAMI N. Tribological Performance of Hygrothermally Aged UHMWPE Hybrid Composites[J]. Tribology International, 2019, 138: 150-156.

[10] SHEN Z W, HU D, YANG G, et al. Ballistic Reliability Study on SiC/ UHMWPE Composite Armor Against Armor-Piercing Bullet[J]. Composite Structures, 2019, 213: 209-219.

[11] 黃獻聰, 來悅, 李常勝, 等. 超高分子量聚乙烯纖維及其復合材料的熱氧老化行為[J]. 兵工學報, 2022, 43(12): 3211-3220.

HUANG X C, LAI Y, LI C S, et al. Thermo-Oxidative Aging Behavior of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fiber and Its Composites[J]. Acta Armamentarii, 2022, 43(12): 3211-3220.

[12] 孫非, 曲一, 徐誠. 超高分子量聚乙烯材料軟質防彈衣抗彈性能老化衰減規律研究[J]. 兵工學報, 2018, 39(11): 2249-2255.

SUN F, QU Y, XU C. Research on Attenuation Law of Elastic Resistance of UHMW PE Material Soft Bulletproof Vest[J]. Acta Armamentarii, 2018, 39(11): 2249-2255.

[13] 孟國龍. 加速老化作用下UHMWPE復合材料的雙軸拉伸力學性能研究[D]. 天津: 天津大學, 2021.

MENG G L. Study on Biaxial Tensile Mechanical Properties of UHMWPE Composites under Accelerated Aging[D]. Tianjin: Tianjin University, 2021.

[14] SUN Y, HUANG J, HAN C C, et al. Comparison of In-Plane Mechanical Properties of 2D and 3D Woven Composites[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 428267.

[15] 彭奕涵, 孫新楊. DIC測試設備應用于拉伸試驗的可靠性分析[J]. 中國科技縱橫, 2018(8): 64-66.

PENG Y H, SUN X Y.Reliability Analysis of DIC Testing Equipment Applied in Tensile Testing[J]. China Science & Technology Panorama Magazine, 2018(8): 64-66.

[16] 張華俊. 基于圖像特征匹配技術的數字圖像相關法研究[D]. 合肥: 安徽大學, 2014.

ZHANG H J. Research on Digital Image Correlation Method Based on Image Feature Matching Technology[D]. Hefei: Anhui University, 2014.

[17] 余尚江, 陳晉央, 楊吉祥, 等. 基于數字圖像相關的非接觸測量技術及其應用[J]. 防護工程, 2014, 36(6): 69-78.

YU S J, CHEN J Y, YANG J X, et al. Digital Image Correlation Based Non-Contacting Measurement System and Its Application[J]. Protective Engineering, 2014, 36(6): 69-78.

Tensile Properties of Aged Unidirectional UHMWPE Sheets Based on 3D-DIC Technology

LUO Xiaohao, LI Guocheng, ZHANG Xiaoyu, WANG Zhe, ZHANG Jiayao, WANG Duo*

(Hangzhou Zhiyuan Research Institute, Hangzhou 310024, China)

The work aims to study the mechanical properties of aged unidirectional UHMWPE sheets, and learn the aging resistance of body armors in natural environment and provide scientific guidance for the use and storage of bullet-resisting equipment. The quasi-static tensile mechanical properties of UHMWPE were tested by 3D-DIC and a universal material testing machine. The experimental results showed that the stress-strain curve of unidirectional UHMWPE sheets after ten years of natural aging was still approximately linear, but the average tensile modulus was only 18.0 GPa. The deformation characteristics of unidirectional UHMWPE sheets specimens were analyzed based on the whole field strain variation process in the test process. It was found that the strain distribution in the analysis area was uniform during the tensile process. After ten years of natural aging, the average tensile modulus of unidirectional UHMWPE sheet soft body armor is obviously reduced, and the bullet-resisting performance cannot meet the requirements of use.

UHMWPE; tensile; stress and strain; 3D-DIC

TB33

A

1001-3563(2024)07-0254-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.031

2023-11-24

通信作者