碳纤维复合材料冲击实验研究

1 引言

碳纤维复合材料具有优异的物理和化学性能，在航空航天、军事装备、光学仪器、汽车制造、医疗器械和电子产品等众多领域拥有十分广阔的应用前景[1]。因此，研究碳纤维复合材料的力学性能，尤其是冲击载荷下的动态力学性能和损伤失效机理，对提高碳纤维复合材料的的加工工艺和工程应用意义重大[2]。

分离式霍普金森压杆试验（SHPB）是研究材料在高应变率下动态力学性能的重要试验装置[3]。该试验装置最早由 Hopkinson 于1914 年提出，用于测量冲击载荷下的脉冲波形，1949 年 Kolsky 对该试验装置进行了改进，将压杆由原来的一个改成2 个，并将被测材料放在2 个压杆之间，成为现在广泛使用的分离式霍普金森压杆试验装置[4]。学者们使用 SHPB 试验装置对复材、陶瓷、混凝土等工程材料进行了许多富有成效的研究工作。Zhi等[5]通过 SHPB 试验装置研究了碳化硅在冲击载荷下的塑性变形机理和损伤演变过程；Li 等[6]通过 SHPB 试验装置研究了 C/SiC 复合材料在高应变率下的微观结构和力学性能；K Rahmani 等[7]通过 SHPB 试验装置研究了Mg/SiC 复合材料在不同温度和应变率下的极限抗压强度；张盛等[8]通过SHPB 试验装置研究了不同尺寸砂岩的动态力学性能和应力平衡性与试件尺寸的关系。

本文对碳纤维复合材料进行动态压缩试验，研究应变速率对碳纤维复合材料力学性能的影响，定量研究动态加载不同应变下增塑机制演变规律。

2 实验原理及过程

2.1 高速动态压缩测试设备

分离式霍普金森压杆实验装置主要由压杆系统（包括撞击杆、入射杆、透射杆和吸收杆）、测试系统（撞击杆速度测试系统和应变测试系统）和数据处理系统三部分组成如图2-1 所示：

图 2-1 分离式霍普金斯压杆实验装置示意图

2.2 测试过程

参照 GB/T 37783-2019 、GB/T34108-2017 等标准，采用霍普金森杆压杆技术测试碳纤维复合材料在高强冲击载荷下的动态力学相应行为及破坏机制。

首先，借助霍普金森杆压杆，选取圆柱型试样开展测试，对应的应变速率3 种 2000s^-1 、 2000s^-1 、 3000s^-1 ），应变速率误差不大于300s-1，开展不同冲击载荷下材料动态力学响应行为的研究，获取在高应变速率加载条件下的屈服强度、压缩强度、失效应变等力学性能参数，得出材料在不同应变速率下的动态压缩应力-应变曲线。

3 实验结果与分析

试验试件选择圆柱型试样进行测试，预期应变速率为1000s-1、 2000s^-1 、 3000s^-1 ，应变速率误差不大于300s-1。

得到如下结果。

图2-2 不同应变率下应力应变曲线图

图 2-2 为碳纤维复合材料不同应变率下应力应变曲线。结果显示，冲击载荷未达到试样的屈服强度，没有发生明显破坏，并且曲线有回滞趋势。而随着应变率的增大，整体上该试件的压缩强度越来越大，冲击试件的压缩强度从401Mpa（1000s-1）增大到490Mpa（3000s-1）。随应变率提高，材料的屈服应力逐渐增加，在相同应变下，对应的应力逐渐增大，可知材料具有明显的应变率相关性。高应变率下的屈服应力上升到 490MPa ，而屈服应变随高应变率的增大而增大。

4 结论

本文开展了碳纤维复合材料高应变率下的压缩试验，研究了其动态力学性能主要结论如下：（1）碳纤维复合材料具有明显的应变率效应，在应变率为1000 s^-1～3000s^-1 ，内，随应变率的增高，流动应力不断增大。

（2）碳纤维复合材料是敏感材料，随应变率提高，材料屈服应力逐渐增大；屈服应变在高应变率下表现出一定韧性；为材料在冲击、爆炸等高应变率下的计算仿真提供参考。

参考文献：

[1] 王辉，琚伟伟，刘香茹，等.半导体SiC 材料研究进展及其应用 [J].科技创新导报，2008（1）：8-9.

[2] 宫辉，张志刚，练敏隆，等.碳纤维反射镜柔带磨削方案设计与验证[J].飞控与探测，2022，5（2）：62-6

[3] 王礼立，胡时胜.应力波基础[M].3 版.北京：国防工业出版社， 2023.

[4] 卢芳云，陈荣.霍普金森杆实验技术[M].北京：科学出版社， 2013.

[5] ZHI Y W，PEI F L，WEI D S. Inelastic deformation micromechanism and modified fragmentationmodel for silicon carbide under dynamic compression，Materials and Design， 2018：244-250.

[6] LI T ， FAN D ， LU L ， et al. Dynamic fracture of C/SiC composites under highstrain -rate loading：microstructures and mechanisms[J].Carbon，2015（91）：468-478.

[7] RAHMANI K ， MAJZOOBI G H，ATRIAN A.Simultaneous effects of strain rate and temperature onmechanical responseof fabricated Mg-SiC nanocomposite [J]. Journal of Composite Materials，2019：1-10.

[8] 张盛，王峥，张旭龙，等.不同尺寸砂岩动态力学性质和应力平衡性的试验研究[J].爆炸与冲击，2022，

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本文 项目名称：强动载荷下含能结构材料动态力学响应及破坏机制研究-航天化学能源全国重点实验室