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摘要

復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于爆炸和彈道撞擊等領(lǐng)域，被認(rèn)為是吸收爆炸能量的有效材料。聚脲作為一種減震材料，在復(fù)合材料中的應(yīng)用是一個(gè)相對(duì)較新的思路。本研究以聚脲（PU）和E-玻纖乙烯基酯（EVE）復(fù)合材料為研究對(duì)象，進(jìn)行了層狀和夾層復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究。使用激波管評(píng)估有效的抗爆震能力。平編織復(fù)合材料和層狀復(fù)合材料的矩形板，沿兩側(cè)簡(jiǎn)支，其它兩條邊自由排列，受爆破沖擊。在爆炸沖擊引起的動(dòng)態(tài)彎曲過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀察了板的自由端。結(jié)果表明，聚脲層的加入大大提高了沖擊面的防爆能力。此外，將聚脲夾在兩者之間制備的三明治材料，與層狀和復(fù)合板材相比，具有最好的抗爆炸性能。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維復(fù)合材料；聚脲；分層夾層結(jié)構(gòu)；抗爆震性；結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1·介紹

復(fù)合材料在海防結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，隨著在服役和常規(guī)作戰(zhàn)演習(xí)中對(duì)這些結(jié)構(gòu)的無(wú)數(shù)次爆炸攻擊的出現(xiàn)，對(duì)爆炸響應(yīng)和阻力的正確認(rèn)識(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新材料和新方法以提高結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力至關(guān)重要。本文研究了整體板和傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)對(duì)爆炸荷載的響應(yīng)，并對(duì)均質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。但是，爆炸作用下復(fù)合材料和層狀結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀察有限，近年來(lái)，研究人員提出了在建筑物和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行聚合物基涂層以提高抗爆震能力。除了能量吸收外，各種研究都致力于減少抗爆炸荷載所需的材料數(shù)量。在傳統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上噴涂或應(yīng)用聚脲是一種類(lèi)似的方法。聚脲的加入給復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)帶來(lái)了復(fù)雜性，其原因包括材料的非線性行為和聚脲中的色散波傳播。聚脲的速率敏感行為一直是人們研究的熱點(diǎn)，并表明聚脲的材料行為與其組成、加載速率和溫度有關(guān)。在前人的工作中，作者對(duì)不同邊界條件下平紋編織復(fù)合材料的抗爆震性能進(jìn)行了表征，研究了聚脲在常規(guī)復(fù)合材料上的分層動(dòng)態(tài)響應(yīng)和結(jié)構(gòu)單元的抗爆震性能。用分離式Hopkinson壓桿進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性表征，用激波管研究了爆炸響應(yīng)。除了這些分層材料，也對(duì)三明治材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2·材料

2.1 乙烯基酯（E -玻璃復(fù)合材料板）

所用樹(shù)脂體系為陶氏化學(xué)公司的derakane 510 A-40型，選用玻璃纖維工業(yè)公司（FGI）提供的編織纖維電子玻璃，其面積為610 g/m2，結(jié)構(gòu)不平衡，經(jīng)向和填充方向的纖維含量分別為59%和41%，可在相關(guān)文獻(xiàn)中找到進(jìn)一步的詳細(xì)資料。

2.2 聚脲

聚脲是一種交聯(lián)的非晶態(tài)異氰酸酯單體或預(yù)聚物與聚胺曲線。要將其歸類(lèi)為聚脲，該化合物必須含有至少80%的多胺。

聚脲有兩種基本類(lèi)型：芳香族和脂肪族。國(guó)際工程聚合物公司提供的一種芳香型聚脲被用于這項(xiàng)研究。聚脲通常具有100%固體，低出氣，低抗?jié)袷湛s能力，并能與許多基材（混凝土、塑料和鋼）很好地結(jié)合。固化體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可在-60～480°之間。聚脲具有極強(qiáng)的抗熱震性和抗爆炸作用。當(dāng)火焰從表面去除時(shí)，聚脲也是自熄滅的。EP Js具有20.34MPa的拉伸強(qiáng)度，延展率350%，模量為11.16 MPa和87.5kn/m撕裂強(qiáng)度。

2.3 聚脲層狀?yuàn)A層復(fù)合板制造VARTM板

VARTM制造的面板是由玻璃纖維工業(yè)提供的一種平紋玻璃纖維織物型布FIG-1854制造的?？椢锸且粋€(gè)由14層的玻璃纖維在真空環(huán)境壓實(shí)成厚度為6.35毫米面積為0.965×0.965米的結(jié)構(gòu)板。溴化雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂，由Ashland化學(xué)公司提供的derakane 510A-40由CONAP，2，4-p和mEKP催化。乙烯基酯樹(shù)脂在736.6 mm HG（2900 Hg）下進(jìn)行脫氣，在室溫下用635 mm（2500）hg真空浸漬到織物中。在真空袋中固化6小時(shí)后取出，纖維體積分?jǐn)?shù)為0.605。

第二個(gè)面板的7層平衡/對(duì)稱鋪層厚度為6.35mm面積為0.965×0.482米復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。

第三個(gè)面板由4層單向板制成用于機(jī)械特性的測(cè)試。。用水冷的方法將固化板切成所需的尺寸。聚脲涂層鑄造基材用金剛石鋸片。

2.3.1 三明治板

根據(jù)材料供應(yīng)方的建議，制造了厚度分別為6.35mm和3.18mm的聚脲涂層的樣件，然后按照設(shè)計(jì)（單面、兩側(cè)和夾有復(fù)合板）將這些樣件復(fù)合在所需尺寸的面板上形成復(fù)合板，有關(guān)這些復(fù)合板的更詳細(xì)的信息在第3.2節(jié)中敘述。

2.4 動(dòng)態(tài)特性（霍普金斯桿）

采用分離式霍普金森壓桿（Shpb）裝置對(duì)平紋編織復(fù)合材料、聚脲和層狀材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)表征。圖1中示出了設(shè)置的基本原理圖。有關(guān)SHPB實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析的詳細(xì)資料可在文獻(xiàn)中找到。實(shí)驗(yàn)中使用的棒徑為5cm，試樣直徑為3.8 cm。平編織復(fù)合材料和層狀材料的厚度分別為5c m和1cm。分層材料由0.5cm平紋編織復(fù)合材料和聚脲組成。對(duì)平紋編織復(fù)合材料、聚脲和聚脲復(fù)合材料進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，并對(duì)聚脲材料進(jìn)行了沖擊棒面和平編織復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

圖1 霍普金斯桿試驗(yàn)的基本原理

圖2，圖3分別給出了普通編織復(fù)合材料和聚脲復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。聚脲樣品的應(yīng)變率為800/s ，復(fù)合樣品的應(yīng)變率為1900/s 。聚脲材料在1%應(yīng)變下，流動(dòng)應(yīng)力為10 MPa，應(yīng)變維持在4%以上，在4%應(yīng)變范圍外，應(yīng)變硬化效應(yīng)幾乎呈線性增長(zhǎng)，應(yīng)變水平達(dá)到8%，復(fù)合材料在3-4%應(yīng)變下出現(xiàn)350 MPa的峰值壓縮應(yīng)力。

圖2聚脲在動(dòng)載條件下的 應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)

圖3高應(yīng)變率下普通復(fù)合材料的 應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)

圖4中顯示了層狀材料在應(yīng)變速率為1100/ S時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變行為。層狀試樣在動(dòng)態(tài)壓縮作用下，峰值壓縮應(yīng)力不具有單一點(diǎn)的特征，其最大強(qiáng)度低于普通復(fù)合材料，但高于聚脲試樣。

在1.3-1.5%、5.3%~5.5%和14.5%~14.7%的應(yīng)變水平上觀察到峰。最大強(qiáng)度出現(xiàn)在第三個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)于107和PU/EVE和EVE/PU分別為99 MPa。結(jié)果表明，沖擊載荷方向?qū)訝畈牧系捻憫?yīng)影響不大。無(wú)論聚脲是面對(duì)入射桿還是變送器桿，兩種情況下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)都非常接近。雖然這在SHPB測(cè)試中是正確的，但這種行為在結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序中并不明顯，如稍后顯示。

圖4.高應(yīng)變率下EVE/PU和PU/EVE層狀復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變

3.試驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)方案由矩形板的平面編織復(fù)合材料、層狀材料和夾層材料承受不同強(qiáng)度、不同形式的爆炸載荷組成。爆炸載荷可以通過(guò)各種方式產(chǎn)生。炸藥被廣泛應(yīng)用于爆炸氣體和產(chǎn)品膨脹帶來(lái)的伴隨壓力加載的快速加載率，控制爆炸載荷的速率并獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。爆炸是實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)，需要適當(dāng)?shù)陌踩僮?。激波管是一種更易受控制的方法，可以獲得類(lèi)似的爆炸加載效果。由于沒(méi)有實(shí)際燃燒材料，所以比爆炸更加清潔，試樣中所造成的破壞僅限于突然膨脹造成的壓力。

3.1 沖擊波載荷

以最簡(jiǎn)單的形式，激波管由一個(gè)長(zhǎng)的剛性圓筒組成，分為一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)段和一個(gè)低壓驅(qū)動(dòng)部分，由一個(gè)隔膜隔開(kāi)，通過(guò)加壓高壓段來(lái)操作，直到聚酯隔膜上的壓差達(dá)到臨界值并破裂。這種氣體的快速釋放產(chǎn)生了沖擊波，通過(guò)管道傳播到試樣上的空氣爆炸載荷。

圖5  擊波管設(shè)施圖

圖5顯示了羅德島大學(xué)激波管設(shè)施的照片。本研究中的激波管裝置的總長(zhǎng)度為8m。并分為1.82米驅(qū)動(dòng)段、3.65米驅(qū)動(dòng)段和最后2.53米炮口段。驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)截面的直徑為0.15米。與試件接觸的槍口段的最終直徑為0.07m。驅(qū)動(dòng)氣體是氦，驅(qū)動(dòng)氣體是環(huán)境空氣。由于驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)部分之間產(chǎn)生壓差，聚酯薄膜破裂，在測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生并驅(qū)動(dòng)沖擊波降低壓力和反射壓力。在傳感器位置獲得的典型壓力剖面如圖6所示。壓力傳感器（PCBA 23）在槍口端部測(cè)量沖擊壓力。信號(hào)的第一個(gè)峰值是“輸入沖擊壓力”，第二個(gè)峰值是“反射壓力”。對(duì)于給定數(shù)目的聚酯薄膜，輸入沖擊壓力保持不變，而反射壓力則取決于沖擊所依據(jù)的材料。對(duì)激波管進(jìn)行了校準(zhǔn)，以獲得給定數(shù)目的聚酯薄膜的輸入激波壓力，可在相關(guān)文獻(xiàn)中找到。表1總結(jié)了本研究中所測(cè)試材料的輸入和反射沖擊壓力值。沖擊測(cè)量采用具有合適觸發(fā)機(jī)制和高速記錄設(shè)備采集記錄數(shù)據(jù)。

圖6 傳感器測(cè)量沖擊波壓力曲線

3.2 板的幾何尺寸與邊界條件

表1 實(shí)測(cè)沖擊和反射壓力

制作了尺寸為0.23m、0.102 m的矩形板，該板沿兩條邊（短邊）簡(jiǎn)支于0.152 m以上，其余兩條邊是自由的，爆炸荷載覆蓋了一個(gè)直徑為76 mm的圓形區(qū)域，如圖7所示。

平面編織復(fù)合材料的表面厚度為6mm，層狀復(fù)合材料的標(biāo)稱厚度為12 mm，包括6mm平面編織復(fù)合材料和6mm聚脲涂層。

1. ＰＵ側(cè)面對(duì)沖擊波

2.ＥＶＥ側(cè)面對(duì)沖擊波

在爆炸荷載作用下研究了兩種夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。雖然有一個(gè)軟核（PU）夾在兩個(gè)硬皮之間（EVE），另一個(gè)有硬芯（EVE）夾在兩個(gè)柔軟的皮膚（PU）之間。夾層復(fù)合材料及其尺寸如下：

1. 3mmＥＶＥ+６ｍｍＰＵ+３ｍｍＥＶＥ（ＥＶＥ/ＰＵ/ＥＶＥ三明治結(jié)構(gòu)）

2. ３ｍｍＰＵ+６ｍｍＥＶＥ+３mmＰＵ（ＰＵ/ＥＶＥ/ＰＵ三明治結(jié)構(gòu)）

圖７在激波管末端保持在簡(jiǎn)支狀態(tài)下的實(shí)際試樣和描述載荷和邊界區(qū)域的標(biāo)本草圖

3.3 高速影像

采用高速相機(jī)記錄材料在爆炸載荷作用下的變形情況。從側(cè)面用IMCON高速攝影機(jī)觀察平板的一個(gè)自由端。該相機(jī)能以高達(dá)2億幀/秒的速度拍攝16張照片，曝光時(shí)間低至5毫秒。典型的爆炸載荷事件約為2-6毫秒，并在響應(yīng)過(guò)程中使用攝像機(jī)記錄板的變形情況。通過(guò)對(duì)這些圖像的后期分析，給出了變形過(guò)程中板材中心點(diǎn)的變形時(shí)程，并以此為參數(shù)比較了這些材料在不同爆破加載條件下的性能。

4.結(jié)果與討論

4.1 爆炸結(jié)果檢查

采用宏觀表觀檢查、顯微觀察和實(shí)時(shí)測(cè)量三個(gè)主要參數(shù)對(duì)防爆性能進(jìn)行了表征。宏觀和微觀研究包括識(shí)別不同的損傷模式和損傷程度。

4.1.1 表觀檢查

如圖9所示，EVE面板的損壞主要集中在中部地區(qū)（使用底部光源拍攝的照片）。層狀和夾層的宏觀視覺(jué)損傷也表現(xiàn)為中央?yún)^(qū)域的損傷程度（圖1）。10和11）。當(dāng)永久變形超過(guò)厚度的2.5倍時(shí)，面板被視為‘完全失敗’。由于兩個(gè)主要因素，即使在層狀和夾層材料系統(tǒng)中，這個(gè)參數(shù)也是正確的。

1.在所有情況下，復(fù)合材料的體積和凈重是相同的。

2. 聚脲的模量（5~10在應(yīng)變速率為1000 S-1），比復(fù)合材料的模量低。

圖9 玻璃纖維/乙烯基酯復(fù)合板在不同強(qiáng)度爆炸載荷下的損傷

4.1.1.1 PU/EVE層狀復(fù)合材料在入射沖擊壓力為0.62 MPa時(shí)失效，而PU/EVE層狀復(fù)合材料在入射沖擊壓力為0.76MPa的情況下失效，而PU/EVE層狀復(fù)合材料的損傷過(guò)程非常相似（圖10）。在EVE中損傷的級(jí)數(shù)，但在層狀復(fù)合材料的情況下，引起相同程度損傷所需的壓力較高。

圖10 玻璃纖維/乙烯基酯復(fù)合材料和層狀板在相同強(qiáng)度爆炸荷載作用下的損傷

4.1.1.2 EVE/PU分層材料

在相反的情況下（EVE/PU），當(dāng)EVE在沖擊面上時(shí)，由于在板中觀察到的廣泛損傷，特別是在由玻璃復(fù)合材料構(gòu)成的沖擊面，EVE的較弱的壓縮強(qiáng)度（與拉伸強(qiáng)度相比）。EVE/PU材料的沖擊面具有較高的分層面積，在圖20中表示為亮白色區(qū)域。

4.1.1.3 EVE/PU/EVE三明治結(jié)構(gòu)

如圖11所示，EVE/PU/EVE夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷最小。爆炸載荷不斷增加的情況下，面板上的這些最小損傷主要出現(xiàn)在沖擊面上，在后表面沒(méi)有明顯的外部損傷。從宏觀上看，盡管這些三明治夾層板承受的壓力比普通編織復(fù)合材料高85%，比PU/EVE層狀材料高33%，但在EVE/PU/EVE夾層體系中沒(méi)有出現(xiàn)損傷。圖11同時(shí)顯示了夾層板在爆炸荷載作用下的側(cè)視圖，沒(méi)有因爆炸載荷而引起的明顯損傷或變形。

圖11 四個(gè)不同的EVE/PU/EVE三明治板在不同爆炸壓力作用下的狀態(tài)

三明治軟芯復(fù)合結(jié)構(gòu)（EVE/PU/EVE）的損傷特性不同于硬芯夾層材料（PU/EVE/PU）。在相同的加載（1.17MPa）狀態(tài)下，PU/EVE/PU板在沖擊面出現(xiàn)皺紋，芯材出現(xiàn)剪切破壞（圖12）。雖然硬芯夾層結(jié)構(gòu)的性能確實(shí)優(yōu)于單片復(fù)合材料，但由于這種結(jié)構(gòu)的性能相對(duì)于軟芯結(jié)構(gòu)較弱，因此進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)，并將注意力集中在軟芯復(fù)合材料上，而非硬芯三明治結(jié)構(gòu)。

圖12 PU/EVE/PU層狀?yuàn)A層板在沖擊（1.17MPa）載荷作用下的側(cè)視和沖擊面狀態(tài)

4.1.2 微觀檢驗(yàn)

采用Nikon SMZ顯微鏡對(duì)未損壞的材料和損壞材料的標(biāo)本進(jìn)行無(wú)損微觀分析（圖13） ，標(biāo)記為纖維和基體的區(qū)域表示縱向和橫向纖維方向，其中也包含不同比例的基體聚合物。

4.1.2.1 EVE復(fù)合

爆炸載荷下平編復(fù)合材料的損傷模式包括纖維斷裂和界面破壞。這些復(fù)合材料的拉伸性能優(yōu)于壓縮性能，這說(shuō)明了沖擊側(cè)的起裂和破壞方式，主要是在壓縮下。如圖14所示，縱向纖維的破碎和解理在這些板中觀察到。在圖中觀察到的縱向纖維束的直解理表明，纖維束在加載初期被壓縮擠壓，隨后由于后表面的反射波拉力，導(dǎo)致縱向和橫向纖維區(qū)域之間的界面破壞。

圖13 a PU-EVE復(fù)合結(jié)構(gòu)未損傷界面區(qū)的微觀觀察b 復(fù)合結(jié)構(gòu)中纖維基體區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)

4.1.2.2 PU/EVE復(fù)合結(jié)構(gòu)材料

PU層的加入提供了額外的損傷模式，因此增加了能量耗散機(jī)制。除了橫向和縱向纖維方向之間的界面層狀材料也具有與這些方向的PU界面，在顯微鏡下觀察到PU/EVE層狀材料的主要損傷模式是：纖維拉伸失效；基體方向失效（觀察到通過(guò)拉伸分離而產(chǎn)生的空洞）；界面失效。在PU/EVE中觀察到的損傷模式主要是拉伸破壞模式，在爆炸作用下，聚脲與橫向?qū)拥慕Y(jié)合比聚脲與縱向纖維方向的結(jié)合要弱。

圖14 沖擊爆炸壓力為0.45 mpa的EVE復(fù)合材料損傷區(qū)的微觀觀察

圖15 PU/EVE層狀復(fù)合材料在0.62 MPa沖擊沖擊波作用下?lián)p傷區(qū)域的微觀觀察

4.1.2.3 EVE/PU復(fù)合結(jié)構(gòu)

當(dāng)載荷直接作用在EVE時(shí)，觀察到以復(fù)合材料為主的破壞模式（纖維破碎）（圖16）。此外，聚脲與纖維橫向的界面比聚脲與縱向的界面弱。在這些層狀材料中，微觀破壞模式以橫向和縱向纖維破碎等壓縮破壞模式為主。宏觀破壞模式也對(duì)應(yīng)于復(fù)合材料板面的壓剪破壞。

層狀復(fù)合材料的強(qiáng)化或增強(qiáng)爆破性能可歸因于以下因素：聚脲層非線性和高速率特性引起的能量耗散；破壞聚脲復(fù)合界面的耗能。

但是，觀察特定取向（PU/EVE）的更好性能的解釋需要進(jìn)一步理解。在Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀察到，無(wú)論聚脲面對(duì)沖擊還是復(fù)合材料面臨沖擊，在單軸加載時(shí)，應(yīng)力響應(yīng)沒(méi)有顯著性差異。但是，在分層板的爆炸加載中，當(dāng)加載導(dǎo)致多維應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，還涉及一種額外的強(qiáng)化機(jī)制。聚脲層在沖擊面上時(shí)，與聚脲層直接接觸的復(fù)合板具有抗壓、抗剪破壞的加固作用。因此，該層的損傷起始將需要爆破的額外能量。當(dāng)復(fù)合層直接面對(duì)初始爆炸時(shí)，情況就不是這樣了。沖擊面，其中第一層膜暴露于一個(gè)嚴(yán)重的壓縮區(qū)，就開(kāi)始了。隨著爆炸荷載的增加，結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度逐漸降低，由于聚脲的加固是在拉伸區(qū)，而不是在壓縮區(qū)，這些層狀復(fù)合材料的爆破性能的提高要比聚脲面對(duì)爆炸荷載時(shí)要低得多。

這些結(jié)論在層狀復(fù)合材料中復(fù)合材料側(cè)的宏觀視覺(jué)（圖20） 和觀察到的微觀失效模式（圖5）15和16） 上得到了進(jìn)一步的證明。

4.2 實(shí)時(shí)測(cè)量

高速數(shù)字成像提供了爆炸荷載作用下復(fù)合材料、層狀和夾層板的實(shí)時(shí)撓度。這些照片典型的幀時(shí)在100到250微秒之間，曝光范圍從500到1000毫秒不等。（圖17-19）顯示了平織復(fù)合材料、EVE/PU和PU/EVE材料的實(shí)時(shí)撓度。平紋編織復(fù)合材料在0.6 MPa的入射壓力下失效，EVE/PU在0.76 MPa時(shí)失效，PU/EVE發(fā)生了相當(dāng)大的視覺(jué)損傷，但沒(méi)有完全失效。

圖17 普通編織復(fù)合板在爆炸荷載作用下的典型實(shí)時(shí)形變（0.60MPa）

圖18 PU/EVE層狀復(fù)合板在爆炸荷載（0.75 MPa）作用下的典型實(shí)時(shí)形變

圖19 EVE/PU層狀復(fù)合板在爆炸荷載（0.75 MPa）作用下的典型實(shí)時(shí)形變

4.2.1 中心點(diǎn)的形變

用高速圖像計(jì)算了板的中心點(diǎn)撓度。圖21-23顯示了平面編織復(fù)合材料、層狀復(fù)合材料和夾層復(fù)合材料的撓度時(shí)間歷程。每種材料的輸入壓力都在圖例中引用。這些圖顯示，在層狀和夾層結(jié)構(gòu)中所觀察到的撓度低于預(yù)期的平面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的撓度。從這些圖形可以觀察到撓度的定量估計(jì)。需要注意的是，與層狀結(jié)構(gòu)和夾層結(jié)構(gòu)相比，普通復(fù)合材料的輸入爆破壓力要低得多。

圖20 圖中所示板為圖17-19中結(jié)構(gòu)爆炸后圖在層狀材料中顯示了EVE復(fù)合材料的一面。

圖24a和24b提供了平面復(fù)合材料、層狀材料和夾層材料在相同或可比輸入爆炸荷載下單位厚度的歸一化撓度曲線。對(duì)于普通復(fù)合材料，“失效”點(diǎn)（撓度等于厚度的2.5倍）比在同等輸入爆炸荷載下的分層系統(tǒng)產(chǎn)生的時(shí)間要早。此外，對(duì)于聚脲面，也是在相同的輸入爆炸荷載下產(chǎn)生“破壞”點(diǎn)（撓度等于厚度的2.5倍）。爆破、破壞點(diǎn)根本沒(méi)有觀測(cè)到，板的宏觀損傷也證實(shí)了觀察到的實(shí)時(shí)趨勢(shì)，Vis-a-vis，PU/EVE結(jié)構(gòu)顯示出比EVE/PU結(jié)構(gòu)更低的損傷面積。

在相同的輸入爆炸荷載作用下，夾層結(jié)構(gòu)的歸一化撓度小于1，很好地滿足了板的彈性極限。這里再次觀察到，與EVE/PU配置相比，PU/EVE配置在較晚的時(shí)間階段達(dá)到了失效點(diǎn)。延遲實(shí)現(xiàn)其中，分層結(jié)構(gòu)之間的失效點(diǎn)可歸因于PU/EVE體系中存在的內(nèi)部強(qiáng)化機(jī)制。

圖21 不同輸入爆破壓力下普通復(fù)合材料（EVE）的中心點(diǎn)變形

圖22 不同輸入爆破壓力下層狀材料的中心點(diǎn)變形

圖23 不同輸入爆破壓力下夾層材料的中心點(diǎn)變形

（A）平面和層狀復(fù)合材料 （B）分層和夾層復(fù)合材料

圖24 在相同爆破載荷下歸一化中心點(diǎn)形變

結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)研究了聚脲/玻璃纖維復(fù)合材料制備的平面編織、層狀和夾層復(fù)合材料的抗沖擊性能和損傷行為，采用激波管對(duì)上述材料的簡(jiǎn)支矩形板施加沖擊沖擊載荷，用高速數(shù)字圖像實(shí)時(shí)記錄了板的響應(yīng)，并在這些高速圖像中觀察了板的撓度和損傷行為。通過(guò)目視觀察、顯微觀察和詳細(xì)的尸檢分析，對(duì)沖擊后損傷進(jìn)行了表征，觀察到具有軟層的玻璃纖維復(fù)合材料具有較好的抗爆震性能，當(dāng)軟材料面對(duì)爆炸時(shí)，這種抗爆炸性能的增強(qiáng)更為明顯。首先，實(shí)驗(yàn)觀察到，在不同材料結(jié)構(gòu)中，夾層材料采用夾軟層（PU）。在機(jī)織復(fù)合皮（EVE）之間具有最好的防爆性能。同時(shí)，層狀復(fù)合材料和夾層復(fù)合材料的重量比純復(fù)合材料高出60%。但是當(dāng)聚脲面對(duì)爆炸時(shí)，層狀材料的性能提高了25%左右，夾層復(fù)合材料（EVE/PU/EVE）的爆炸性能提高了100%以上。

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