廣泛應(yīng)用的玻璃鋼材料在使用中經(jīng)常要承受沖擊載荷，如火車開(kāi)車停車時(shí)承受的沖擊，汽車相撞時(shí)車體的受撞變形等。玻璃鋼由于其較高的強(qiáng)度和低廉的價(jià)格而廣泛用于汽車工業(yè)中，特別是制作保險(xiǎn)杠和車身。汽車的這些零部件的抗沖擊性能是衡量其力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。復(fù)合材料在使用過(guò)程中受到低能沖擊時(shí)，大部分情況并沒(méi)有明顯的目視損傷，但卻在層合表面會(huì)生成不可視的淺表面分層，從而形成潛在的危險(xiǎn)，內(nèi)部損傷的存在可造成復(fù)合材料在強(qiáng)度和剛度上的很大損失。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)復(fù)合材料層合板的低能量沖擊損傷機(jī)理及特點(diǎn)作了廣泛深入的研究。Giuseppe Sala和Dai Gil Lee[2，3]等在這方面做了很多工作。國(guó)內(nèi)的一些研究人員也做了相類似的工作，取得了一些成果。對(duì)復(fù)合材料鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究也比較多，但就鋪層方式對(duì)復(fù)合材料耐沖擊性能的影響方面的研究卻不多。為設(shè)計(jì)生產(chǎn)出更加安全穩(wěn)定的玻璃鋼產(chǎn)品，本研究對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料采用不同的鋪層工藝進(jìn)行了低能量沖擊性能的比較分析。

    1、實(shí)驗(yàn)部分
    1.1、原材料與試劑

    增強(qiáng)材料：天津合成材料廠生產(chǎn)的無(wú)堿玻璃纖維(E玻璃纖維)平紋布，有關(guān)物理參數(shù)見(jiàn)表1。
    樹(shù)脂基體：天津合成材料廠生產(chǎn)的不飽和聚酯樹(shù)脂196s；促進(jìn)劑E：環(huán)烷酸鈷，紫藍(lán)色液體；固化劑M(MEKP)：過(guò)氧化甲乙酮溶液；由于樹(shù)脂固化受外界溫度的影響較大，實(shí)驗(yàn)基體配比比例隨溫度變化而變化，在本次研究進(jìn)行過(guò)程中，結(jié)合工作環(huán)境的溫度狀態(tài)，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了樹(shù)脂基體的最佳原料配比為：樹(shù)脂100g，環(huán)烷酸鈷1.25g，過(guò)氧化甲乙酮1.05g。
       
 
       1.2、復(fù)合材料層合板的制備

       織物鋪層方向的改變可能會(huì)影響增強(qiáng)纖維在層合板受力時(shí)的承載情況，從而使層合板的力學(xué)性能發(fā)生變化。
       層合板是由若干層織物以不同方向疊合而成。如果各層主方向都沿一個(gè)方向則稱為單向?qū)雍习?，各層主方向不同則稱為多向?qū)雍习?。若鋪層纖維方向與層合板X軸方向重合，該層就叫0°鋪層；若鋪層纖維方向與層合板X軸方向垂直則為90°鋪層。整個(gè)層合板中只有0°和90°鋪層，稱為正交鋪設(shè)層合板，如圖1。若鋪層方向只有+Φ和-Φ兩種則稱斜交(角交)鋪設(shè)層合板，如圖2。

      本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)材料為玻璃纖維布，所以選取經(jīng)紗方向與層合板X軸方向的夾角標(biāo)記層合板的鋪層方向，即：當(dāng)織物鋪設(shè)角為θ時(shí)，2層玻璃布經(jīng)紗間的角度為θ。在本研究中設(shè)計(jì)了4種鋪層方式分別為0°/0°/0°/0°、0°/90°/0°/90°、0°/+45°/+45°/0°和+45°/0°/-45°/90°。

       本實(shí)驗(yàn)采用真空輔助樹(shù)脂注塑(vacuum assisted resin infusion，VARI)成型技術(shù)對(duì)玻璃纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂層合板進(jìn)行試樣的復(fù)合。VARI是一種新型的低成本的玻璃纖維增強(qiáng)材料大型構(gòu)件的成型技術(shù)。它是在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，通過(guò)樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進(jìn)行固化，形成一定纖維/樹(shù)脂比例的工藝方法。

       層合板的尺寸為300mm×300mm，根據(jù)沖擊實(shí)驗(yàn)要求，試樣裁剪成95mm×95mm的試件。

       1.3耐沖擊性能測(cè)試

        在實(shí)驗(yàn)中保持落錘的沖頭質(zhì)量固定不變，為5.7806kg。按需要設(shè)定沖擊速度，從而獲得不同落錘高度。根據(jù)能量守恒定律，落錘瞬時(shí)最大沖擊動(dòng)能為：

       式中，m為落錘的質(zhì)量；Vi為落錘沖擊的瞬時(shí)速度。材料損傷時(shí)吸收的能量為：
       式中，Vf為落錘被板反彈后瞬時(shí)最大反向速度；為落錘由于層合板受沖擊后彈性變形能釋放而獲得的動(dòng)能。
      沖擊過(guò)程中，沖擊載荷計(jì)算公式為：
      式中，m為落錘的質(zhì)量；Vi為落錘沖擊的瞬時(shí)速度。材料損傷時(shí)吸收的能量為
   
      式中，Vf為落錘被板反彈后瞬時(shí)最大反向速度；為落錘由于層合板受沖擊后彈性變形能釋放而獲得的動(dòng)能。
      沖擊過(guò)程中，沖擊載荷計(jì)算公式為 
      式中，V(t)為速度對(duì)時(shí)間的曲線。
      測(cè)試儀器：美國(guó)INSTRON公司生產(chǎn)的Dynatup92型材料沖擊儀。
      沖頭形狀：為子彈頭狀。
       將95mm×95mm方形試件放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的支持面上，對(duì)不同鋪層的試樣進(jìn)行沖擊。共分4組，每組5個(gè)試件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取5個(gè)試樣的平均值。每組試件選取能使試件產(chǎn)生較大變形的入射能量的沖擊速度v。由于每次人工調(diào)零的操作誤差及機(jī)器本身在沖擊過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦誤差，使得v在設(shè)定的基礎(chǔ)上出現(xiàn)一定的偏差，范圍在0。8～0。9m/s之間，從而得出不同的沖擊載荷-時(shí)間及能量-時(shí)間的關(guān)系。

       2結(jié)果與分析
       2.1幾種板材耐沖擊性能的比較

       按照同樣的樹(shù)脂配方和同一規(guī)格的玻璃布，對(duì)不同鋪層方式的試樣進(jìn)行低速?zèng)_擊測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采集5個(gè)參數(shù)，分別是載荷峰值、載荷峰值處能量、載荷峰值處位移及出現(xiàn)載荷峰值的時(shí)間(數(shù)據(jù)如表2所示)，并結(jié)合材料的破壞情況分析影響玻璃纖維/不飽和聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料對(duì)沖擊能量吸收的能力。其中，載荷峰值處的位移表示試樣在最大載荷時(shí)的變形量，變形大則說(shuō)明材料韌性較好；出現(xiàn)載荷峰值的時(shí)間表示材料發(fā)生初始斷裂的時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)說(shuō)明材料的承載能力較大。

       從表2中看出，2#試樣的各項(xiàng)參數(shù)值都大于另外3種鋪層方式，說(shuō)明出現(xiàn)最大載荷時(shí)，其對(duì)能量的吸收較好；同時(shí)由于彈性性能有所增加，剛度略顯不足，導(dǎo)致抵抗變形的能力稍差；但又因?yàn)槌霈F(xiàn)載荷峰值時(shí)的時(shí)間明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明其強(qiáng)度較高，承載能力優(yōu)于另外3種鋪層試樣。

       由于所測(cè)板材厚度較小(0。58～0。64mm)，在本研究沖擊測(cè)試條件下，復(fù)合材料的沖擊損傷主要為板材的穿透性破壞，形成永久變形。對(duì)0°/90°/0°/90°鋪層試樣的沖擊載荷-時(shí)間、能量-時(shí)間曲線進(jìn)行分析，如圖3所示。

       由圖3可見(jiàn)，由于沖擊力作用在試樣上并與試樣有相互作用發(fā)生，在載荷-時(shí)間信號(hào)的疊加過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振蕩，形成圖中的波動(dòng)曲線形式[10]。載荷開(kāi)始時(shí)呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵跊_擊損傷初期，樹(shù)脂基體受壓破裂造成應(yīng)力集中的緣故。分層起始于樹(shù)脂破裂的臨界點(diǎn)，隨著分層的增加形成大量的微觀破壞，而此時(shí)增強(qiáng)纖維受到?jīng)_擊拉伸但未斷裂而繼續(xù)承載；由于破壞形式復(fù)雜，當(dāng)一些纖維、布層破斷時(shí)，沖擊載荷達(dá)到峰值后開(kāi)始下降；當(dāng)應(yīng)力重新分布時(shí)，其他纖維和布層繼續(xù)承載，沖擊載荷有所上升，直至擊穿時(shí)載荷下降趨于零。

       2.2鋪設(shè)角度對(duì)沖擊性能的影響

       采用一元方差分析法對(duì)試件在最大載荷時(shí)的能量吸收進(jìn)行方差分析。分析結(jié)果見(jiàn)表3。
       在取顯著水平!=0.05時(shí)，F(xiàn)0.05(3，16)=3.24，F(xiàn)>F0.05(3，16)，可見(jiàn)鋪層方式對(duì)最大載荷時(shí)的能量的吸收有顯著影響。

       從表2中可以看出，2#試樣在損傷時(shí)對(duì)能量的吸收最好，3#試樣則最差。當(dāng)織物鋪層角度不同時(shí)，由于織物經(jīng)緯向密度和經(jīng)緯向拉伸強(qiáng)度的不同，織物抵抗應(yīng)力破壞的水平也不同。當(dāng)織物鋪層角度為0°時(shí)，織物抵抗應(yīng)力破壞主要由經(jīng)向的纖維承受，造成應(yīng)力失衡；當(dāng)織物呈正交鋪設(shè)時(shí)，0°與90°層達(dá)到平衡，織物抵抗應(yīng)力破壞由經(jīng)向與緯向的纖維共同承受；當(dāng)在0°層之間用+45°層隔開(kāi)時(shí)，+45°有利于載荷的擴(kuò)散，但由于沒(méi)有-45o與之平衡，使得織物承受沖擊載荷的能力嚴(yán)重削弱；而當(dāng)織物呈均衡鋪設(shè)時(shí)(如4#試樣鋪層方式)，其對(duì)能量的吸收比3#試樣有所改善。

      另外就單向板而言，90°單向板的起裂韌性比0°單向板的起裂韌性高，從表2中可以看出，2#試樣載荷峰值處的位移和出現(xiàn)載荷峰值的時(shí)間都大于1#試樣，說(shuō)明2#試樣的韌性和強(qiáng)度都比較高，這便造成了2#試樣對(duì)沖擊能量吸收的能力好于1#試樣的現(xiàn)象。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，鋪層方式為0°/90°的復(fù)合材料力學(xué)性能是0°/45°復(fù)合材料的3倍以上[11]。在本實(shí)驗(yàn)中，0°/90°正交鋪層板對(duì)沖擊能量的吸收性能約為0°/45°對(duì)稱斜交鋪層板的1.13倍。從表2中看出，3#試樣和4#試樣這2種鋪層板的各項(xiàng)沖擊參數(shù)性能均低于2#試樣。這是因?yàn)樵趯优c層的交界處，特別是斜向纖維層與正向纖維層(如0°或90°與±45°之間)處有比較大的層間應(yīng)力，是脫層的易發(fā)處。這說(shuō)明3#試樣、4#試樣的鋪層方式使耦合效應(yīng)較大，從而使抗沖擊性能下降。

       3結(jié)束語(yǔ)

       本文采用VARI成型工藝制備4種不同鋪層方式的4層玻纖/不飽和聚酯復(fù)合材料板，并對(duì)各試樣進(jìn)行低能量沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，鋪層方式對(duì)最大載荷時(shí)的能量的吸收有顯著影響，鋪層方式為0°/90°/0°/90°的試樣沖擊能量吸收性能優(yōu)于其他3種鋪層方式，說(shuō)明層合板的0°和90°層對(duì)層合板沖擊承載能力的影響比較大；90°層的加入對(duì)層合板的沖擊性能有所改善；當(dāng)層合板中含+45°層時(shí)，應(yīng)有-45°層與之對(duì)應(yīng)，盡量形成均衡鋪設(shè)，當(dāng)遭受沖擊載荷時(shí)能夠均勻擴(kuò)散載荷，從而提高耐沖擊性能。