碳纤维复合材料的分离式霍普金森压杆试验研究

一、引言

分离式霍普金森压杆（SHPB）实验可获得材料在102～104 s-1 应变率范围内的冲击力学性能，广泛应用于金属、混凝土等材料动态冲击力学性能的测试[1][2]。为了确保试验结果的准确性，试验过程中需要满足恒应变率加载及试件内部应力均匀等基本条件。本研究拟进行碳纤维复合材料的高应变率下的霍普金森压杆试验，分析高应变率下碳纤维复合材料的动态力学性能。

二、分离式霍普金森压杆实验

2.1 实验假定

结合弹性波控制理论对分离式霍普金森压杆动态系统进行三个基本假设，包括：（1）应力波的一维性;（2）试件在加载过程中内部应力均匀;（3）测试过程中试件内恒应变率。针对含能材料试件的基本物理参数，对霍普金森压杆动态系统系统各部分参数进行合理的设计以匹配被测试件。

2.2 实验设备

本实验采用分离式霍普金森压杆试验机，该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1 所示：压杆系统通过高压氮气驱动，调节压缩氮气压力使撞击杆获得不同的速度撞击入射杆，入射杆中会产生不同强度的冲击波（入射波）并传播至待测试样处，对试样进行冲击加载，为试件提供不同应变率的载荷；接着入射波会从试样的两个端面分别向入射杆中传播反射波，向透射杆中传播透射波；撞击杆速度测试系统采集撞击杆速度，由动态应变仪及粘贴在入射杆和透射杆上的应变片组成的应变测试系统采集应变随时间的变化情况，获得入射波、反射波、以及透射波的波形，数据处理系统通过试样变形前后入射、反射、投射信号的波形分析，获得材料在不同应变速率下动态压缩应力-应变曲线；剩余的透射波能量被吸收杆吸收。该设备子弹直径为20mm、长度为 500mm，入射杆和透射杆的直径均为20mm、长度为1500 mm。采用不锈钢杆，其弹性模量为210GPa，密度为7.85g/cm³. 。人射杆和反射杆上的应变片灵敏度系数为2.1。此外，使用千分尺或游标卡尺来测量试件的尺寸。

2.3 实验试件及实验环境

分离式霍普金森压杆动态压缩试验采用直径 8mm ，厚度 4mm 圆柱试件，试件直径小于波导杆直径，符合标准[4][5]规定。所有实验均需在标准温度和压力环境下进行。

2.4 实验步骤

样品准备：按要求制作试件，确保表面平整、尺寸标准。

安装样品：固定含能试件于试验机，确保对齐无松动或偏差。

加载过程：逐步增加充气压强，监测应力应变。

实验结束：记录实验时间，实验速度，实验应力、实验应变，实验应变能等数据。

数据处理：输入数据分析系统，处理数据。

三、分离式霍普金森压杆实验结果与分析

3.1 实验结果

对材料进行气压为0.45Mpa 的冲击实验，得到应力与应变曲线、应变率与时间曲线，其结果如下图2。

3.2 实验结果分析

图 2 中数据清晰地展示了在 0.45Mpa 气压冲击下，材料的应力应变响应。应力应变曲线明显呈现出塑性变形阶段，而应变率随时间的变化则准确反映了材料在动态载荷下的行为特征。这些数据是深入探究材料动态力学性质的关键信息。

图 3 表示在进行冲击试验时，试件产生火花的现象通常是由于材料在受到高速冲击或撞击的过程中，表面与空气或其他物体发生剧烈摩擦所导致的。这种摩擦会产生大量的热能，当温度达到材料的燃点或其杂质的燃点时，就会引发火花。

此外，某些材料本身具有较高的硬度和脆性，在冲击过程中容易产生碎屑，这些碎屑在高速运动中与空气摩擦也会产生火花。

当试验中的应变率较高时，试件在受到冲击的过程中会产生更多的火花。这 一 现 象 可 能 是 由 于 高速 冲 击 使 得 材 料 内 部 的 能 量 得 到 了 迅 速 而 集 中 的 释 放 ，从 而 导 致 了 更 为 剧 烈 的 火花 现 象 。

（七）结论

本文选取了试件直径小于波导杆直径碳纤维复合材料试件，在标准温度和压力环境下进行了冲击实验，得到如下结论：

1 初期应力随着应变线性增大，在中期材料出现塑性变化，应力缓慢上升。

2 应变率先上升后下降。

3 应变率达到一定数值时，高 速 冲 击 使 得 材 料 内 部 的 能 量 得 到 了 迅 速 而 集 中 的 释 放 ，从 而 导 致 了 更 为 剧 烈 的 火 花 现 象 。

参 考 文 献

1 王礼立，胡时胜.应力波基础[M]第3 版.北京：国防工业出版社， 202

2 卢芳云，陈荣.霍普金森杆实验技术[M].北京：科学出版社， 2013.

3 韩亚威，杨璐，彭磊等．高温高应变率下LY315 钢材动态力学性能研究[J]建筑结构学报，2023，44（319—412.

4 GB／T 34108 2017，金属材料高应变速率室温压缩试验方法[S]．北京：中圈标准出版社，20175 杨海峰．表征镁合金各向异性屈服行为和应变率影响的本构模型研究[D]．北京：北京交通人学，2019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