Dynamic response and damage of fiber metal interpenetrating composite plate under low-velocity impact
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摘要:
纤维增强金属复合材料受到冲击时容易发生金属与纤维分层从而影响力学性能，为了缓解此类现象，将金属板冲孔，使用碳纤维和芳纶纤维交替穿编，制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(Fiber Metal Interpenetrating Composite Plate，FMICP)。进行了低速冲击试验，研究了FMICP在不同冲击速度、冲击面积和冲孔样式下的力学性能。研究表明：当冲击速度在35.19~78.08 m/s之间时，FMICP发生了贯穿破坏，吸收了39.78~70.67 J的冲击能量；受到恒定49 J冲击能量时，冲击面积为491 mm2的FMICP最高能够吸收42.77 J能量；随着冲击面积的增大，FMICP中受到拉伸的纤维数量增多，冲击造成的冲切破坏和局部损伤减小；冲孔类型改变了FMICP中金属基的占比和应力传递方式，椭圆冲孔FMICP (41.11 J)相对矩型冲孔FMICP (34.08 J)能够起到更好的吸收能量的作用。本研究结果可为FMICP的推广应用提供参考。
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关键词:
- 低速冲击 /
- 能量吸收 /
- 三维穿编 /
- 纤维金属互穿式复合板 /
- 动力响应
Abstract:Fiber reinforced metal composites are prone to delamination of metal and fibre when subjected to impact, thus affecting the mechanical properties, in order to alleviate such phenomena, a three-dimensional composite Fiber Metal Interpenetrating Composite Plate (FMICP) was prepared by punching the metal plate and alternately threading it with carbon fibres and aramid fibres. Low-speed impact tests were conducted to investigate the mechanical properties of FMICP at different impact velocities, impact areas and punching styles. The study shows that: when the impact velocity is between 35.19 and 78.08 m/s, the FMICP undergoes penetration damage and absorbs 39.78 J to 70.67 J of impact energy; when subjected to a constant 49 J of impact energy, the FMICP with an impact area of 491 mm2 is able to absorb a maximum of 42.77 J of energy; as the impact area increases, the number of fibers subjected to stretching in the FMICP increases, which decreases the punching damage and local damage caused by the impact; the type of punching changes the percentage of metal base in the FMICP and the mode of stress transfer, the elliptical punched FMICP (41.11 J) is able to absorb energy more effectively compared to the rectangular punched FMICP (34.08 J). The results of this study can provide a reference for the promotion and application of FMICP.
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随着全球经济的发展和化石燃料的消耗剧增，全球石油的需求量在逐年增加，多次采油技术得到了更广泛应用[1]，原油采出液的含水率也在逐年增加，正在给中国这一世界最大石油进口国带来严峻的挑战。同时，随着海上油气开发向深海迈进，深海平台的油水分离、采油井井底油水分离等都迫使人们探索新的油水分离技术。
工业生产运输过程中的各类不溶性有机物的泄露和排放导致了各种严重的环境问题[2-5]。例如石油加工和运输过程中的原油和成品泄露导致的水污染。皮革处理、食品加工、冶金、化工等工业生产过程中排放的含油废水。这些含油废水如不经处理直接排放，会对生态系统、农业生产构成严重破坏，危及人类健康，因此需要有效的油水分离技术来解决分离问题。目前主要的油水分离形式包括重力分离、离心、吸附和膜分离等[6-9]。将含油废水进行油水分离后，对废水的后续的处理难度和成本将会大大降低。膜分离技术作为一种先进的水净化技术，由于其经济、节能、易于操作的特点，已经成为一种不可或缺的选择[10-12]。然而，面对愈加复杂的含油污水(轻/重油和水的混合物、水包油乳液和油包水乳液的混合体系)以及不同酸碱环境，单一的除油型、除水型分离材料无法实现按需、高效和可持续的分离。因此，开发先进的智能油水分离材料是解决世界水环境恶化和石油短缺问题的迫切需要。
对某种外界刺激敏感并产生特殊反应的现象称为智能响应。具有可转换润湿行为的人工智能响应界面材料引起了人们越来越多的兴趣[13-15]。研究表明，可转换润湿行为通常可通过调节pH值[16]，改变光源[17]、温度[18]、磁场强度[19]等方式实现。pH响应材料可定义为在其结构中包括弱酸性或碱性基团的聚电解质，酸性或碱性基团如羧基、吡啶、磺酸、磷酸盐、叔胺等通常被称为pH响应基团，这些基团响应于pH的变化。基团会随着环境pH变化而接受或释放质子，导致结构和性质的变化，从而实现材料的pH响应。例如，Liu等[20]合成了一种基于分子印迹聚合物的pH响应型纳米药物，该纳米药物在的模拟肿瘤微环境中表现出良好的 pH 响应性，可通过特定的分子印迹位点选择性地从前列腺肿瘤中螯合睾酮。Surapaneni等[21]合成了一种具有温度和 pH 双重刺激响应的聚N-乙烯基己内酰胺和聚赖氨酸的嵌段共聚物，该共聚物可在两种刺激单独或共同作用下增加细胞对聚合物囊泡的渗透性，用于增强细胞内化和溶酶体靶向药物运送。
光作为一种低成本、绿色环保的刺激方法，使含有光响应基团的材料具有非接触式的遥控特性。光响应性能可以通过引入光响应基团来实现，该基团在特定波长的照射下发生结构变化，从而导致材料的性能发生变化[22-24]。目前常用的光响应基团是偶氮苯及其衍生物。偶氮化合物有两种异构体，一种是稳定态的反式结构，另一种是亚稳态的顺式结构。偶氮苯官能团经紫外线照射后，反式的非极性异构体可以转化为顺式的极性异构体，并且这一过程具有可逆性。由于偶氮苯反式构象的极性较弱，顺式构象的极性较强，在顺反异构体转变的过程中会导致材料的极性发生变化，其亲疏水性也随之变化，可以利用这一特性制备光响应智能转换油水分离材料，因为偶氮苯顺反异构体转换的可逆性，所以亲疏水性能的变化过程也是可逆的[25-28]。Yang等[29]利用偶氮苯聚合物作为衬底，制备一种可光切换的超疏水表面，该表面可受紫外和可见光的影响，使聚合物膜发生亲水到疏水的可逆改变。Du等[30]制备了一种功能化的偶氮苯聚合物，制备的偶氮苯溶液在紫外和可见光交替暴露下表现出偶氮苯的光异构化转变以及亲水到亲油的可逆变化。偶氮苯衍生物因其良好的化学稳定性和多功能性在光响应材料的制备和应用中具有广阔的发展前景[31]。
本文采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)一步聚合法，制备得到了具有pH/光刺激响应性能的三元无规共聚物，并将其与无纺布相结合，得到了具有智能化可逆响应性能复合织物的油水分离膜。这种油水分离膜在油水分离、工业复杂废水处理等方面具有巨大的应用潜力。
1. 实验材料及方法
1.1 原材料
四氢呋喃(THF)、盐酸(35%)、甲醇，西陇科学公司；二硫代苯甲酸异丙酯(CDB)，阿拉丁生物技术有限公司；无纺布，深圳瑞都净化公司；偶氮二异丁腈(AIBN)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)、对氨基苯甲酸、苯酚、氢氧化钠、亚硝酸钠、三乙胺、丙烯酰氯，麦克林公司。上述试剂均是分析纯，实验用水为去离子水。
1.2 样品表征
傅里叶红外光谱仪(VERTEX 70 Bruker)、 超导核磁共振波谱仪(BRUKER 500 MHz AVANCE NEO)、紫外可见分光光度计(UV-3600 Plus，日本岛津)、扫描电子显微镜(ZEISS GeminiSEM 500，德国卡尔蔡司) 、视频光学接触角测试仪(OCA25 Eastern-Dataphy)。
1.3 智能响应油水分离材料的合成
合成主要分为4个步骤：(1)重氮化-偶联反应；(2)酯化反应；(3)酯水解反应；(4)聚合反应。合成路线见图1。
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图 1 偶氮苯单体及聚合物的合成路线：((a), (b))中间体；(c)单体；(d)聚合物Figure 1. Synthetic route of azobenzene monomer and polymer: ((a), (b)) Intermediate; (c) Monomer; (d) PolymerTEA—Tetrahydrofuran; THF—Triethylamine; AIBN—2, 2'-azobis(2-methylpropionitrile); CDB—Cumyl dithiobenzoate1.3.1 4-(4'-羟基)苯偶氮基苯甲酸的合成
通过重氮化-偶联反应制备4-(4'-羟基)苯偶氮基苯甲酸。将35%的盐酸12 mL与等体积的蒸馏水混合，缓慢滴加到装有对氨基苯甲酸(4.10 g，30 mmol)的烧瓶中搅拌均匀后，将30 mL的NaNO2水溶液(1 mol/L)缓慢滴入烧瓶反应30 min后加300 mL冰水稀释。然后滴加20 mL苯酚(2.94 g，31 mmol)和NaOH (1.72 g，31 mmol)水溶液。0~5℃下反应2 h，用NaOH调节pH至5~6。过滤收集固体，蒸馏水洗涤，得到4-(4'-羟基)苯偶氮基苯甲酸(中间体a)的橘黄色固体6.97 g，产率85%。
1.3.2 丙烯酸-4-((4-(丙烯氧基)苯基)二氮基)苯甲酸酐的合成
将1.3.1制得的偶氮苯(2.42 g，10 mmol)与三乙胺(1.47 mL，10 mmol)溶于25 mL THF并滴加丙烯酰氯(0.8 mL，10 mmol)，室温下反应24 h。滤去生成的盐，浓缩滤液并滴入甲醇中沉淀，得到丙烯酸-4-((4-(丙烯氧基)苯基)二氮基)苯甲酸酐黄色固体1.67 g (中间体b)，产率57%。
1.3.3 4-((4-(丙烯氧基)苯基)二氮基)苯甲酸的合成
将1.3.2中制备的偶氮苯1.51 g溶解在20 mL THF中，用10%的氢氧化钠水溶液调节pH至7~8，室温反应24 h，后用5%的盐酸水溶液调节pH至2~4，过滤并用蒸馏水洗涤，得到橙色固体1.24 g (单体c)，产率83%。
1.3.4 智能双响应聚合物的制备
采用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)，一步反应制得智能响应聚合物。这种聚合也被称为“活性”/可控自由基聚合。由于其反应条件温和、单体选择范围广、分子设计能力强等优点，已发展成为最通用、最强大的聚合技术之一。
将1.3.3中的产物(1.55 g，5 mmol)与 DMAEMA(0.339 g，2.16 mmol)、HEMA (0.280 g，2.16 mmol)溶于THF后通氮排氧，温度升至70℃后加入AIBN (0.08 g，0.5 mmol)、CDB (0.2 g，0.2 mmol)反应48 h，旋蒸去除溶剂，甲醇洗涤后，干燥，得到橘红色聚合物1.84 g (聚合物d)，产率85%。
1.4 智能响应涂层的制备
将1.3.4中得到的聚合物均匀地涂膜在载玻片上，60℃下真空干燥，用于测量接触角。
1.5 智能油水分离膜的制备
将直径5 cm的无纺布用无水乙醇浸泡并超声清洁表面灰尘和油脂后，浸入未干燥的聚合物中，使聚合物均匀地涂在无纺布表面，60℃下真空干燥48 h，得到智能双响应油水分离膜。
2. 结果与讨论
2.1 表征与形貌
合成的各中间体、单体和聚合物的红外谱图如图2所示。
3452 cm−1处的吸收峰为偶氮苯中苯环上不饱和C—H键的伸缩振动，1606 cm−1为苯环骨架的C=C伸缩振动，807 cm−1为苯环上的C—H面外弯曲振动峰。a、c、d 在2942 cm−1处的吸收峰为羧基的O—H伸缩振动峰；b、c在1721 cm−1处存在C=C的伸缩振动；b在1786 cm−1处存在酸酐的C=O伸缩振动；聚合物d在3250 cm−1左右处存在DMAEMA中叔胺甲基上C—H伸缩振动峰和HEMA中的O—H伸缩振动峰。![]()
图 2 中间体a、b，单体c和聚合物d的傅里叶红外图谱Figure 2. FTIR spectra of azobenzene intermediates a, b, monomer c and polymer d图3为偶氮苯单体及聚合物的1H NMR图，图3(a)中，8.13×10−6、8.01×10−6、7.45×10−6和5.88×10−6处的峰对应单体c结构中为A、B、C和D的氢。图3(b)中，1.13×10−6和1.26×10−6处的氢对应于聚合物d中F和G相应位置的氢，A、B、C和D的氢与单体结构中的峰位置基本一致。
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图 3 偶氮苯单体(a)和聚合物(b)的核磁共振氢谱图Figure 3. 1HNMR spectra of azobenzene monomer (a) and polymer (b)将偶氮苯溶于DMF (0.15 g·L−1)中，用365 nm紫外灯(20 W)照射2 h，使溶液中的单体转化为顺式结构后，分别检测不同照射时间的UV-Vis吸收光谱，吸收光谱随时间变化的关系如图4所示。其中，图4(a)为用LED灯(445 nm，20 W)对溶液进行照射，直至吸光度不再变化的吸收光谱。图4(b)为继续用365 nm紫外灯对溶液进行照射后的吸收光谱。偶氮苯特征吸收峰主要是330~380 nm处的π-π*吸收峰和420~500 nm的n-π*吸收峰。从图4中单体在365 nm和445 nm光照射下吸收光谱的变化情况可以看出，365 nm和445 nm的光照下，随照射时间的增加，单体在溶液中π-π*吸收峰的位置几乎不发生移动，而吸光度会逐渐变化。n-π*特征峰处的吸光度和吸收峰的位置均变化很小。吸光度的变化归因于紫外-可见光照射引起的偶氮苯从顺式到反式的异构化。对比图4(a)与图4(b)中吸收光谱变化，可以看到偶氮苯的顺反异构化是一个可逆的过程。
未经处理的无纺布(图5(a))纤维表面相对光滑。经过涂膜的无纺布(油水分离膜，图5(b))，可以观察到纤维表面及相邻纤维间粘附的聚合物，作为基底的无纺布具有多孔结构和交错的纤维，有利于聚合物的粘附并为油水分离提供了必要的空间。无纺布的柔性还使油水分离膜具有良好的柔韧性，可以承受多次折叠而不损坏。
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图 5 (a)无纺布的SEM图像；(b)油水分离膜的SEM图像Figure 5. (a) SEM image of blank non-woven fabric; (b) SEM image of oil-water separation membrane2.2 智能响应及油水分离测试
将聚合物均匀地涂抹在载玻片上烘干后，分别在自然条件、pH=3的缓冲溶液浸泡、紫外-可见光照射、缓冲溶液浸泡后继续用紫外-可见光照射等情况下进行接触角测量实验，每次滴液的量为5 μL，接触角变化如图6所示。
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图 6 聚合物d的载玻片涂层在不同条件下的接触角变化：(a)自然条件下；(b)经pH=3缓冲溶液浸泡后；(c)经pH=10缓冲溶液浸泡后；(d)经365 nm光照射后；(e)经445 nm光照射后；(f)经pH=3缓冲溶液浸泡并用365 nm紫外光照射后Figure 6. Contact angle variation of polymer d slide coatings under different conditions: (a) The natural state; (b) After immersion with pH=3 buffer solution; (c) After immersion in pH=10 buffer solution; (d) After exposure to 365 nm light; (e) After exposure to 445 nm light; (f) After immersion in pH=3 buffer solution and irradiation with 365 nm ultraviolet light图6显示了聚合物涂层在不同条件下的接触角的变化情况，该变化能够反映涂层材料的智能响应特性。在自然条件下的接触角143.7°，见图6(a)。将其在pH=3的缓冲溶液中浸泡1 h后烘干，接触角变化至109.9°，见图6(b)。该过程的接触角是由聚合物中DMAEMA单元和偶氮苯上羧基质子化共同作用导致的。随后将涂层置于pH=10的缓冲溶液中浸泡1 h后烘干，其接触角恢复至142.2°，见图6(c)，将烘干后的涂层在365 nm (20 W)紫外灯下照射5 min，接触角变化至48.4°，见图6(d)。用LED灯照射15 min后，其接触角恢复至139.3°，如图6(e)所示。该过程接触角的变化是由于聚合物中偶氮苯单元经过紫外-可见光照射后发生构型转化使涂层的润湿性发生转变。最后将涂层置于pH=3的缓冲溶液中浸泡1 h后烘干，然后将其置于365 nm (20 W)紫外灯下照射15 min，该过程由pH响应单元与光响应单元共同作用，其接触角由139.3°变化至19.0°，见图6(f)。
上述过程证明了涂层具有良好的刺激响应能力。以相同的方法重复进行上述实验，接触角的变化如图7所示。实验结果表明，经过多次刺激响应，聚合物涂层发生亲水和疏水的多次转换，且接触角仍可恢复到初始状态，证明了涂层的转换润湿能力具有良好的可逆性。其中，光在转化过程中具有更加显著的效果，这也在随后的油水分离试验中得到证实，切换时间也与偶氮苯单体吸收光谱的转化时间基本对应。由于光照可以在没有物理接触的情况下实现转化，这增强了材料的实际应用的便利性。
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图 7 聚合物d的载玻片涂层在不同pH和光照下的接触角的可逆变化情况Figure 7. Contact angle reversible variation of polymer d slide coatings under different pH and light conditions为了测试光/pH双响应油水分离膜的分离效果，将柠檬黄染色的水100 mL与石油醚以2∶1的体积比混合后倒入滤杯中进行油水分离实验。为加快油/水的分离速度，在0.005 MPa的压力下用抽滤的方法模拟油水分离系统 (图8)。图8(a)中，抽滤30 s后，无色的石油醚被抽滤下来，不再有液体从上方流下，染色的水保留在上方滤杯中。在图8(b)中，用365 nm光照射分离膜12 h，以相同的方法进行油水分离，抽滤25 s后，染色的水被抽滤下来，石油醚被保留在上方。
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图 8 聚合物d无纺布涂层的油水分离实验Figure 8. Oil-water separation experiment of non-woven coating with intelligent response polymer d分别测量分离后上方滤杯中的油或水的体积，计算得到分离效率分别为96.3% (图8(a))和95.8%(图8(b))。实验结果证明了分离膜具有良好的智能转换油水分离能力。
3. 结 论
(1)以合成的偶氮苯、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)为原料，采用可逆加成-断裂链转移(RAFT)法一步聚合，制得光和pH智能双响应三元无规共聚物。该聚合物以偶氮苯作为光响应单元，DMAEMA作为pH响应单元，HEMA使聚合物具有良好的柔性附着性能，FTIR和1HNMR谱图说明了聚合物的成功合成。
(2)通过在不同条件下的润湿性实验，验证了聚合物涂层的可转换润湿性。紫外线的照射导致偶氮苯单元的分子构型发生转变，结构上的变化导致聚合物的润湿性和渗透性的变化。在仅有pH=3的缓冲溶液浸泡后其最大接触角转变达到33.8°，仅有紫外光照射下其最大接触角转变达到93.8°，而在光和pH的共同作用下，其最大接触角变化可达到120.3°。说明了涂层在光照和pH的刺激下具有优异的刺激响应性。经过亲水与疏水的多次转换实验后，接触角仍可恢复到初始状态，证明了涂层对水的润湿能力切换具有可逆性。
(3)偶氮苯的引入使聚合物对光具有良好的响应性，DMAEMA上含有的叔胺基团和偶氮苯上的羧基共同增强了涂层的pH响应性和抗酸性，可以使涂层应对一些复杂情况下的油水分离，油水分离实验证明涂层在光照下的极性转变，单次分离效率分别达96.3%和95.8%。
综上，通过一步RAFT聚合制备得到的光/pH双响应的聚合物材料，可用来制备智能光/pH双响应油水分离膜，该膜具有优异的可逆刺激响应性能。
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图 1 纤维金属互穿式复合板(FMICP)结构示意图
Figure 1. Schematic diagram of Fiber-Metal Interpenetrating Composite Plate(FMICP) structure
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图 4 冲击试验装置图：(a)轻气炮示意图；(b)发射系统及采集系统；(c)夹具
Figure 4. Diagram of the impact test setup: (a) Schematic diagram of the light air cannon; (b) Launching system and acquisition system; (c) Fixture
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图 10 不同冲孔FMICP的破坏模式：(a)椭圆型；(b)圆矩型；(c)矩型
Figure 10. Damage modes of different punched FMICPs: (a) Elliptical; (b) Circular-rectangular; (c) Rectangular
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图 11 A1-1(1)~A1-5 FMICP冲击前后对比图：(a)速度；(b)能量
Figure 11. A1-1(1)~A1-5 FMICP comparison before and after impacts: (a) Velocity；(b) Energy
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图 12 A2-1(1-3)~A3-1(1-3) FMICP冲击前后对比图：(a)速度；(b)能量
Figure 12. A2-1(1-3)~A3-1(1-3) FMICP comparison before and after impacts: (a) Velocity；(b) Energy
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图 13 A1-1(1-3)~C1-1(1-3) FMICP冲击前后对比图：(a)速度；(b)能量
Figure 13. A1-1(1-3)~C1-1(1-3) FMICP comparison before and after impacts: (a) Velocity；(b) Energy
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图 15 A1-1(1)~A1-5 FMICP变形损伤：(a)变形区域面积；(b)等效变形轮廓图
Figure 15. A1-1(1)~A1-5 FMICP deformation Damage: (a) Area of deformed; (b) Equivalent deformation contours
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图 16 A2-1~A3-1 FMICP变形损伤：(a)变形区域面积；(b)等效变形轮廓图
Figure 16. A2-1~A3-1 FMICP deformation damage: (a) Area of deformed; (b) Equivalent deformation contours
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图 17 A1-1~C1-1 FMICP变形损伤：(a)变形区域面积；(b)等效变形轮廓图
Figure 17. A1-1~C3-1 FMICP deformation damage: (a) Area of deformed; (b) Equivalent deformation contours
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图 18 A1-1(1)~A1-5 FMICP截面挠曲线图：(a) A截面；(b) C截面
Figure 18. A1-1(1)~A1-5 FMICP section deflection curve: (a) A-section; (b) C-section
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图 19 A2-1(1-3)~A3-1(1-3) FMICP截面挠曲线图：(a) A截面；(b) C截面
Figure 19. A2-1(1-3)~A3-1(1-3) FMICP section deflection curve: (a) A-section; (b) C-section
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图 20 A1-1(1-3)~C1-1(1-3) FMICP截面挠曲线图：(a) A截面；(b) C截面
Figure 20. A1-1(1-3)~C1-1(1-3) FMICP section deflection curve: (a) A-section; (b) C-section
表 1 纤维金属互穿式复合板(FMICP)制备材料力学性能
Table 1 Mechanical properties of Fiber-Metal Interpenetrating Composite Plate(FMICP) prepared materials
Material Density/
(g·cm−3)Tensile
strength/MPaYield
strength/MPaElastic
modulus/GPaFiber
diameter/μmElongation
at break/%Aluminium alloy 2.68 230 170 70 — 14 Carbon fibre 1.76 3530 — 230 7 1.5 Aramid fiber 1.45 1750 — 440 15 3.1 Epoxy resin 0.95 75 — 2.0 — 8.7 
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表 2 FMICP试件参数
Table 2 FMICP specimen parameters
Number Thickness/mm Quality/g Punch type Punch shape/mm AC/AL-A1-1(1) 2.93±0.10 41.0 Elliptical 
Elliptical
Circular-rectangular
RectangularAC/AL-A1-1(2) 2.90±0.10 40.7 AC/AL-A1-1(3) 2.94±0.10 41.2 AC/AL-A1-2 3.32±0.10 48.4 AC/AL-A1-3 2.78±0.10 40.2 AC/AL-A1-4 3.16±0.10 47.0 AC/AL-A1-5 2.91±0.10 40.9 AC/AL-A2-1(1) 2.99±0.10 43.8 AC/AL-A2-1(2) 2.95±0.10 42.9 AC/AL-A2-1(3) 2.97±0.10 43.1 AC/AL-A3-1(1) 2.94±0.10 42.9 AC/AL-A3-1(2) 2.89±0.10 42.0 AC/AL-A3-1(3) 2.97±0.10 43.1 AC/AL-B1-1(1) 2.84±0.10 39.7 Circular-rectangular AC/AL-B1-1(2) 2.91±0.10 40.1 AC/AL-B1-1(3) 2.93±0.10 40.3 AC/AL-C1-1(1) 3.09±0.10 43.3 Rectangular AC/AL-C1-1(2) 2.98±0.10 42.1 AC/AL-C1-1(3) 3.04±0.10 42.9 Notes:AC/AL is an aramid fibre (A) and carbon fibre (C) reinforced aluminum based (AL) FMICP; The three numbers in A1-1 differentiate between the type of punch, the impact area, and the impact velocity of the specimen, the specimen numbers in the article are abbreviated versions.
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表 3 弹体及弹托力学性能
Table 3 Mechanical properties of Bullet and Shell casing
Parts Material Density/(g·cm−3) Tensile
strength/MPaCompressive
strength/MPaYield
strength/MPaElastic
modulus/GPaBullet Alloy Steel SKD11 7.80 2000 2800 1700 210 Shell casing Nylon 1.15 75 90 70 2.9
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表 4 FMICP冲击试验结果汇总
Table 4 Summary of FMICP impact test results
Number Initial
velocity/(m·s−1)Residual
velocity/(m·s−1)Impact
area/mm2Initial
energy/JResidual
energy/JAbsorbs
energy/JEnergy absorption rate/% AC/AL-A1-1(1) 35.19 11.94 314 44.96 5.18 39.78 88.49 AC/AL-A1-1(2) 36.94 13.76 49.55 6.88 42.68 86.12 AC/AL-A1-1(3) 35.93 12.86 46.89 6.01 40.88 87.19 AC/AL-A1-2 49.95 35.28 90.58 45.19 45.39 50.11 AC/AL-A1-3 65.15 51.93 154.13 97.90 56.22 36.48 AC/AL-A1-4 68.86 56.52 172.15 115.98 56.17 32.63 AC/AL-A1-5 78.08 64.42 221.34 150.67 70.67 31.93 AC/AL-A2-1(1) 47.54 29.64 177 45.43 17.67 27.77 61.11 AC/AL-A2-1(2) 49.67 28.77 49.58 16.64 32.94 66.44 AC/AL-A2-1(3) 49.02 29.94 48.30 18.02 30.28 62.70 AC/AL-A3-1(1) 30.62 15.59 491 53.85 13.97 39.89 74.07 AC/AL-A3-1(2) 29.74 16.19 50.80 15.05 42.77 73.96 AC/AL-A3-1(3) 30.18 15.84 52.32 14.41 38.58 72.81 AC/AL-B1-1(1) 37.55 23.42 314 51.21 15.15 36.06 70.42 AC/AL-B1-1(2) 36.96 21.33 49.59 16.51 33.08 66.70 AC/AL-B1-1(3) 37.89 20.97 52.11 15.96 36.16 69.39 AC/AL-C1-1(1) 36.81 21.36 49.20 16.57 32.63 66.32 AC/AL-C1-1(2) 38.42 22.87 53.58 18.99 34.60 64.57 AC/AL-C1-1(3) 37.99 21.89 52.39 17.39 35.00 66.80
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表 5 不同冲孔FMICP参数
Table 5 Different punching FMICP parameters
Number Punch type Single punching area/mm2 Metal based ratio/% Metal based quality/g AC/AL-A1-1(1-3) Elliptical 12.56 81.91 22.12 AC/AL-B1-1(1-3) Circular-rectangular 15.14 78.19 21.11 AC/AL-C1-1(1-3) Rectangular 16 76.96 20.78 Notes: Metal based ratio is the proportion of base metal after punching to the mass of base metal before punching.
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目的
纤维增强金属复合材料在冲击作用下往往会出现冲击损伤及破坏，主要表现在纤维断裂、树脂基体碎裂脱落、金属基延性损伤以及层间的分层脱胶等，进而导致材料宏观力学性能及抗冲击性能下降。为了减小材料层间开裂脱胶程度从而增强材料的抗冲击性能，本研究通过将金属板冲孔，使用碳纤维和芳纶纤维交替穿编后在真空高温下与环氧树脂基体进行浸润固化，制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(FMICP)。本研究利用轻气炮冲击设备进行冲击试验研究FMICP在低速冲击下的力学响应过程。
方法本研究首先利用真空辅助成型工艺对试验材料进行加工处理，得到了制备成型的FWMIP，之后通过轻气炮冲击设备、速度测量设备、高速图像采集设备进行了试件的冲击试验，基于高速图像采集设备得到了不同冲击速度下的试件冲击变形过程以及弹体的冲击路径变化情况；采用高速水流切割的方法得到了试件变形破坏横截面图像；使用在试件同等变形处取点位后平滑连接的方法得到了试件在不同变形程度的变形区域；利用图像处理软件，提取不同变形区域的像素点后计算出各相应区域的变形面积；通过测量试件横截面的变形得到不同截面的挠度曲线，研究分析了FMICP在不同冲击速度、不同冲击面积和冲孔样式下的宏观力学性能。
结果通过研究分析不同冲击速度、不同冲击面积和冲孔样式下FWMIP试件的冲击响应过程、试件不同变形区域与试件横截面变形效果图可以发现：（1）FMICP在低速冲击下的破坏模式可分为整体面板塑形变形和冲击中心区域的局部变形，主要包括金属板的剪切破坏，纤维的拉伸断裂，树脂基体的损伤裂缝、断裂和剥落。试件未出现穿透前，能量吸收方式主要为整体塑形变形和树脂基体裂缝的开展；穿透后，能量耗散的方式为局部剪切冲塞破坏和试件的反复振动。（2）通过拟合计算得出FWMIP试件的理论弹道极限速度在33.85m/s，冲击速度增大后试件被贯穿导致试件的刚度会急剧下降。冲击速度从35.19m/s增加至78.08m/s时，纤维发挥桥接拉伸作用逐渐显著，吸收能量从30.78J增加至70.67J，发生贯穿的面积仅仅增加126.94mm，通过对比和分析变形损伤面积可知，FMICP整体变形对速度敏感性较低，贯穿边界处的局部变形受速度影响较大。（3）弹体冲击面积对能量吸收的影响较大，随着冲击面积的减小，FMICP冲切破坏逐渐明显，纤维拉伸耗能逐渐减小。在相同能量49J冲击作用下，当冲击面积较小时，等效变形轮廓图较为密集，FMICP产生的局部破坏较明显。冲击面积从177mm增加至491mm后，吸收能量增加了10.08J。（4）金属板冲孔类型对试件吸能能力有较大的影响，冲孔类型改变了应力传播路径和金属基所占比例。圆矩型和椭圆型的孔洞边缘较为平滑，矩型的孔洞边角容易发生应力集中，因而矩型的吸能能力较差；矩型和圆矩型的胞元孔洞面积为15.14mm和16mm，高于椭圆型孔洞20.54%和27.39%，使椭圆型孔洞FMICP有较高的金属板质量占比，椭圆型(41.11J)相比于圆矩型(35.10J)和矩型(34.08J)因此有较好的吸能能力。
结论三维复合材料纤维金属互穿式复合板是将使用穿编后固化的方法，使得纤维之间首先形成初步自锁，在固化之前与金属基互锁进一步增强纤维-金属整体性，最终通过固化的方式再次加强材料的整体连接性，减小复合材料在冲击作用下的分层脱胶程度，从而增强其抗冲击性能；纤维金属互穿式复合板具有轻质、耐腐蚀以及抗冲击整体性能较好的特点，可以通过改变材料类型、冲孔数量等应用于不同的场景。
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纤维增强金属复合材料除了有高比强度和高比模量、良好的耐热性能以外还具有良好的抗疲劳性、抗冲击性和损伤容度，受到广泛的关注和研究。然而由于纤维层和金属层之间的界面粘结强度受不同材料的影响，在冲击荷载作用下容易发生金属层和纤维层分层从而严重影响复合材料的力学性能。
本研究的创新点和亮点主要有三点：(1)试件设计：碳纤维在荷载作用下裂纹增长率较低，芳纶纤维抗疲劳损伤性能较好，铝合金板轻质高强，通过将铝合金板冲孔，碳纤维和芳纶纤维双向交替穿编的方法，制备了一种三维复合材料纤维金属互穿式复合板(FMICP)，使纤维与金属两种材料形成互锁，增强FMICP整体性和抗冲击性能。(2)试件制备：纤维通过平纹穿编成型，穿编过程中能够通过纤维预应力张拉进行纤维应力调控；铝基合金板为纤维提供了穿编基体，能够进行二次加工冲孔，可控调节冲孔尺寸、样式以及数量。(3)研究方法：利用轻气炮冲击系统进行了低速冲击试验，研究了FMICP在不同冲击速度、不同冲击面积、不同金属板冲孔类型变量下的动态力学响应。通过研究发现，FMICP在不同冲击速度下都没有出现大面积的脱胶现象，仅在冲击点附近出现微小的树脂剥落；冲击面积的增大使参与拉伸作用的纤维数量增多，降低了FMICP的局部变形程度，吸收了更多的冲击能量；椭圆形孔洞FMICP的吸收能量的能力更优。
不同冲击速度下FMICP的能量吸收能力
不同冲孔类型FMICP的截面挠曲线
计量
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