高强度Kevlar纤维机织织物被广泛应用于能量吸收领域,针对其高速冲击特性、力学行为与数值分析方法已经开展了大量研究。近年来,剪切增稠液体(Shear thickening fluid, STF)被发现可以有效增强Kevlar织物的防弹及防刺性能,减少织物层数,用于人体防护装甲中,可使其更薄,柔韧性与弹性更好,具有良好的应用效果[1]。
2000年,文献[2, 3]参考美国防弹标准对STF-Kevlar织物复合材料的防弹特性进行了研究,结果表明STF能有效增加织物的防弹性能,随着浸入STF溶液体积增加,在Kevlar织物层数相同的情况下,Kevlar织物的防弹性能也随之增加,而且STF-Kevlar织物在厚度和柔软性方面都优于相同条件下的纯Kevlar织物;同时,在STF-Kevlar织物受到高速冲击后,STF的中的SiO2纳米粒子能够防止纱线在高速冲击下导致的相对滑移,从而使得纱线中的更多纤维通过拉伸变形吸收能量。文献[4, 5]中研究了STF-Kevlar织物的防刺性能,试验发现在面密度相同的情况下,12层的STF-Kevlar织物的防刺性能优于15层的纯Kevlar织物。文献[6]中研究了STF-Kevlar织物的变形形式和能量吸收机制,试验研究发现纯Kevlar织物只有那些和弹片接触的纱线吸收了冲击的能量,由于纱线的相对滑移,织物的其他部分并未被扰动,所以导致能量吸收较低;然而,在STF-Kevlar织物中, STF在高速冲击中变成像固体一样的形态,使织物从网状结构变成像基体一样的整体结构,使得整个STF-Kevlar织物都吸收冲击带来的能量,冲击失效更多的表现为纱线中的纤维断裂,基于此STF-Kevlar织物的能量吸收更高。文献[7]对STF-Kevlar织物开展了冲击速度在1 000~2 000 m/s条件下的高速冲击试验,STF可以显著增加Kevlar织物对冲击能量的吸收,其能量吸收能力提高大约70%,研究表明5层STF-Kevlar织物与8层纯Kevlar织物吸收能量相同,因此将STF-Kevlar运用在软壁机匣包容上是对其包容能力及减重性能的提升,具有广阔的应用前景。
对纤维增强复合材料来说, 纤维是主要承载者, 纤维的力学性能强烈地影响着复合材料的力学性能。在这些应用中常会遇到冲击拉伸及高速应变等问题,因此它们的冲击拉伸力学性能也就是高应变率下的力学响应越来越受到人们的重视[8]。
通过准静态拉伸试验,文献[9]发现:在静态载荷作用下,复合材料表现为线弹性特征,直到试样断裂;而在反复载荷作用下, 复合材料的刚度随着加载次数的增加而增加。文献[10]对从编织织物中抽取出的不同长度的Kevlar49纱线进行静态拉伸试验,获得需要的动静摩擦系数。
文献[11]对Kevlar49纤维增强复合材料在1.8×10-4,10和1 000 s-1这3种应变率下的拉伸性能进行了测试。发现极限应变随着应变率的增加而增加,在应变率小于10 s-1时拉伸强度与应变率无关,均约为400 MPa。当应变率为1 000 s-1时,拉伸强度有约25%的提高。文献[12]分别采用MTI微型拉伸试验机和MTS微机控制电子万能试验机对纤维丝和纤维束进行了单向拉伸试验,发现纤维丝和纤维束的力学性能与试样的标距及结构尺度存在很大相关性,试样的拉伸强度会随着其标距的增加和结构尺度从纤维丝增大到纤维束而降低;随后,按照Weibull分布对试验数据进行统计分析,量化了不同标距下纤维丝和纤维束拉伸强度的随机变化程度,研究出不同尺度下Kevlar49单丝(微观)和单束(细观)的拉伸力学性能。
文献[13]成功地进行了纤维束在应变率为50~200 s-1范围内的冲击拉伸实验,获得了纤维束应力应变曲线。文献[14]中使用霍普金森杆在150,400和1 500 s-1这3个应变率下对Kevlar49酚醛树脂复合材料进行了拉伸试验,发现随着应变率的增加,弹性模量和拉伸强度均有所增加,同时给出了弹性模量拉伸强度与应变率的函数关系。2016年,朱德举等[15]研究了Kevlar49芳纶纤维布增强环氧树脂复合材料在高应变率作用下的力学响应和断裂行为,发现在相同温度25 ℃下,随着应变率的增加, 弹性模量和拉伸强度均先增大(初始应变率介于25~50 s-1范围内)后减小(初始应变率介于50~200 s-1范围内),极限应变则呈现出相反的变化趋势,而韧性随应变率的变化幅度不大。
单根纤维束由于质量轻、体积小和力学性能弱而难以获取其参数,本文设计了一种与霍普金森拉杆系统适配的新型夹具,对不同浓度STF强化的Kevlar纤维束开展准静态与动态拉伸试验,获取其力学性能。对比分析了准静态和动态试验材料力学性能和破坏形态的区别,并得出不同浓度STF溶液对Kevlar织物性能的影响。
1 STF-Kevlar准静态拉伸试验为了得到不同浓度STF强化的Kevlar纤维束准静态条件下的力学性能,在MTS370-2.5材料试验机上开展室温(20 ℃)下0.000 1和0.001 s-1两种不同应变率的拉伸试验。试验件的有效试验长度为40 mm,用两种拉伸速度即0.004和0.04 mm·s-1,对纯Kevlar及15%,20%,25%三种质量浓度STF强化的纤维束试验件进行准静态拉伸试验。每组试验得到了至少两组有效数据。
1.1 试件及试验仪器本文中试验材料为江苏天鸟股份有限公司制造的纯Kevlar49芳纶纤维,这是芳香族聚酰胺家族中的一种有机纤维,具有独特的高韧性、高模量、高强度以及热稳定性,是一种优质的航空航天和现代工业材料,现已广泛应用在众多行业中。Kevlar49平纹织物由纤维束编织而成,纤维束由纤维丝组成。纯Kevlar49纱线的典型性质如下:纱线Denier为1 490 g/9 000 m,纤维根数为768根,纤维丝直径为12 μm,密度为1.44 g/cm3。由于SFT并不改变织物的几何参数,其参数与纯Kevlar织物相同,每根纤维束的横截面积为0.115 mm2[16]。
配制STF过程中采用性质较为稳定的、无毒无害的650 nm SiO2作为分散相粒子,由于当分散相粒子的粒径小于1 μm时,形成的悬浮液较为稳定,不易产生沉淀,可以保证流体悬浮的稳定性。分散剂采用两种分子量分别为200和400的聚乙二醇(PEG)复配得到,这类分散介质的沸点高于200 ℃,凝固点低于-12.6 ℃,可以满足各种气候条件的使用。在室温条件下,称取适当质量的SiO2和PEG(PEG200:PEG400=1:2)机械搅拌混合,充分混合后,直到肉眼可见悬浮液中质地均匀,之后将样品放在25 ℃的真空干燥箱中真空除泡24 h,制备得到不同SiO2质量浓度(15%,20%,25%)的STF溶液,其制备过程和制作成品如图 1,2所示。
为了使STF在Kevlar织物中获得渗透均匀的效果,采用无水乙醇对STF进行稀释,将稀释后的STF悬浮液搅拌均匀,直到观测不到明显颗粒状的黏性STF为止,之后将用无水乙醇稀释后的STF溶液倒入盛放织物的托盘中进行浸渍,最后将放入混合液中浸渍后的织物取出后晾干,从而得到STF-Kevlar织物。
试验材料选用机织的纯Kevlar49织物和3种不同浓度的STF浸渍后的Kevlar49织物(后文中用SK表示),如图 3所示。试验件的尺寸为200 mm×100 mm,为了准确地确定纤维束在实际使用中的真实强度,需要考虑织造过程中造成的损伤,因此测试用纤维束试样均为间隔相同距离直接从织物中抽取得到。
首先从不同浓度STF强化过后的Kevlar中沿径向间隔相同距离抽取多根纤维束备用,接着用AB胶将两个铝质加强片按照标距40 mm夹持在纤维束两端,最后去除两端多余纤维,用记号笔在40 mm标距两端做记号作为检验试件滑移与否的标准,在室温环境下放置20 h。准静态试验中,其压紧压力为5 MPa,在MTS材料试验机上的夹持效果图如图 4所示。
1.2 试验结果及分析
处理试验所得的力和位移数据,试验编号中SK指的是STF强化Kevlar,随后的数字代指STF溶液的质量浓度, “-”之后的数字代表试验的组号。如“SK15-1”指15%质量浓度STF溶液强化Kevlar第一组准静态拉伸试验。得到的纯Kevlar拉伸试验两种应变率下的应力位移曲线如图 5所示。
15%STF强化Kevlar试件在两种应变率下拉伸试验的应力位移曲线如图 6所示。
20%STF强化的Kevlar试件在两种应变率下拉伸试验的应力位移曲线如图 7所示。
25%STF强化的Kevlar试件在两种应变率下拉伸试验的应力位移曲线如图 8所示。
纤维束的破坏应力σb(最大应力)和失稳位移Xb(与最大应力对应的位移)在各组应变率下的平均值见表 1。
对比分析试验件准静态试验破坏形态图如图 9所示,发现纯Kevlar比较蓬松,且纤维束中的纤维丝存在明显的断裂情况。STF强化Kevlar由于加入STF产生了束捻现象,纤维丝之间充斥的SiO2等微观粒子使摩擦增大,准静态拉伸过程中内部断裂的纤维丝贴在未断裂纤维丝上,所以观察不到明显的断裂情况。黑色标记仍然在试验件两端位置,可见夹持方式达到无滑移要求,加载过程中由于部分纤维丝断裂无法继续承载而开始卸载,所以试验件并没有完全拉断。
(1) 纤维束的应力位移曲线是非线性的,这是由于纤维的强度是统计分布的。当应力达到破坏应力σb时,纤维束中已经有相当数量的纤维丝发生破坏,使得整个纤维束不能继续承载,造成失稳破坏,所以准静态条件下试验件均没有完全拉断。
(2) 纯Kevlar随着应变率的升高,破坏应力与失稳位移均呈现下降趋势,而且从曲线中可以看出,试验过程中出现了突然卸力现象,这是由于位移控制方式使得纤维丝断裂导致应力急剧下降而导致的。
(3) STF强化的Kevlar随着应变率的升高,破坏应力与失稳位移均呈现上升趋势,表现出了应变率强化效应。对于相同应变率试验,20%浓度STF强化Kevlar失稳位移最大,25%浓度的次之,15%浓度的最小。
2 动态拉伸试验 2.1 试验设备及原理反射式霍普金森拉杆装置如图 10所示。
试验中气枪发射套筒式子弹以一定速度沿轴向撞击转接头,转接头连接入射杆与吸收杆。
入射杆中产生入射应力波脉冲,在输入杆与试件的界面上,部分应力波传入试件,而另一部分经过反射回到了入射杆中;同样,一个透射应力波传入透射杆。通过在入射透射杆上粘贴应变片采集变形电信号,该信号经超动态应变仪放大后输入示波器,最后输入计算机中进行数据处理。
试验中认为波导杆为弹性变形并且波导杆和试件均处于一维应力状态,假设试件中应力保持均匀。因此,通过对波导杆上入射波、反射波和透射波的测试,以一维应力波理论作为分析基础,运用式(1)[17],可求得试件中的平均应力、平均应变和平均应变率,进而得到试件材料在某一应变率下的动态拉伸工程应力-应变曲线。
$ \left\{ \begin{array}{l} {\varepsilon _s} =-\frac{{2{C_0}}}{{{l_0}}}\int_0^t {{\varepsilon _R}{\rm{d}}t} \\ {{\dot \varepsilon }_s} = \frac{{{\rm{d}}{\varepsilon _s}}}{{{\rm{d}}t}} =-\frac{{2{C_0}}}{{{l_0}}}{\varepsilon _R}\\ {\sigma _s} = \frac{{{F_1} + {F_2}}}{{2{A_s}}} = \frac{{{E_{{\rm{杆}}}}A}}{{{A_s}}}{\varepsilon _T} \end{array} \right. $ | (1) |
本套试验装置具体参数为:入射杆、透射杆及套筒式子弹的材料均为钢,直径均为14.5 mm,弹性模量为206 GPa,密度ρ=7 850 kg/m3。所以, 式中弹性纵波波速C0= 5 122 m/s,l0为试验件的标距,Eg为波导杆的弹性模量,A为波导杆的横截面积,As为试件的横截面积,εr,εt分别为反射波和透射波引起的应变。其中入射杆为电阻应变片,灵敏系数K1=2.22,透射杆为半导体应变片,灵敏系数K2=110。工程应力和工程应变可通过式(2)转换成真实应力和真实应变
$ \left\{ \begin{array}{l} {\sigma _t} = {\sigma _s}\left( {1 + {\varepsilon _s}} \right)\\ {\varepsilon _t} = \ln \left( {1 + {\varepsilon _s}} \right) \end{array} \right. $ | (2) |
式中:σs, εs分别为工程应力和工程应变;σt, εt分别为真实应力和真实应变。
2.2 夹具与试样设计考虑到单束Kevlar纤维的质量很轻,在霍普金森拉杆试验装置上的普通夹具不能满足试验要求,需要设计新的夹具,其UG图如图 11所示。
入射杆与投射杆连接处有M8的内螺纹,所以夹具主体由两部分组成:M8×1的外螺纹和连接块。夹具的压块部分即为主体的连接块部分,两者是对称分布的,通过两个螺钉连接。连接块正中央有带斜面的凹槽,用于夹持加强片连接的试验件。加强片为厚度为2 mm的铝片,其中一个短边设有30°的斜面,用于增大与夹具之间的摩擦,避免夹持好的试验件从夹具中滑脱。
首先从不同浓度STF强化过后的Kevlar织物中沿径向间隔相同距离抽取多根纤维束备用,接着用AB胶将2 mm厚带斜槽的铝质加强片按照标距40 mm夹持在纤维束两端,用记号笔在40 mm标距两端做记号作为检验试件滑移与否的标准,最后去除两端多余纤维,在室温环境下放置20 h。根据霍普金森拉杆试验装置要求设计的动态拉伸试验件如图 12(a)所示,杆上夹持好的试验件如图 12(b)所示。
2.3 试验结果及分析
图 13给出了STF强化Kevlar单束纤维动态拉伸试验测得的典型波形图(SKDT0-1),CH1通道采集的是入射波与反射波,CH2通道采集的是透射波,均为电压信号。试验编号中SK代指的是STF强化Kevlar,DT代指的是动态拉伸,随后的数字代指STF溶液的浓度, “-”之后的数字代表试验的组号。如“SKDT15-1”指15%浓度STF溶液强化Kevlar第一组动态拉伸试验,“SKDT0”指纯Kevlar。对SHTB试验的数据进行处理,即可获得相应应变率下的真实应力应变曲线。
通过试验得到不同浓度STF强化的Kevlar纤维束在准静态条件下的真实应力-应变关系,通过曲线发现每组应力值从500 MPa到最大值之间近似满足线性,拟合线性关系,斜率即为材料初始弹性模量。纤维束的初始弹性模量E、破坏应力σb(最大应力)和失稳应变εb(与最大应力对应的应变)在各组应变率下的值见表 2。
不同应变率的真实应力应变曲线如图 14所示。不同浓度STF强化Kevlar织物的弹性模量如图 15所示,每种浓度下均有4组试验。不同浓度STF强化Kevlar织物的破坏应力如图 16所示,每种浓度下均有4组试验。将得到的弹性模量、失效应力及失效应变去除最大最小值以后取平均值,其力学参数如表 3所示。
纯Kevlar和不同浓度STF强化Kevlar单束纤维试验件的破坏形态如图 17所示。对动态拉伸后的纤维束试验件进行SEM扫描电镜观测,得到的细观纤维丝图如图 18所示。
根据图 17, 18得到,动态拉伸试验中,高压力下所有的试验件均完全断裂,且黑色标记在试验件两端,达到了无滑移要求。比较纯Kevlar和STF强化Kevlar织物后发现,纯Kevlar断裂后更分散,纤维丝之间没有接触,而加了STF后的织物,纤维丝断裂后仍然会黏在一起,产生束捻现象,这是由于STF和纤维丝之间的摩擦增加导致的。SEM电镜中放大2 000倍可以明显观测到纤维丝,纯Kevlar纤维丝的表面光滑,且断面不断收缩;加入STF后的Kevlar纤维丝表面可以看到STF溶液,且观测不到明显的断面收缩现象。
(1) 动态试验中,纤维束的应力应变曲线是非线性的,得到的动态力学性能参数为STF强化Kevlar织物的动态冲击响应提供参考;高应变率下纤维束均完全断裂,纯Kevlar表面光滑,断裂后很分散;而STF-Kevlar纤维束由于加入STF后纤维丝摩擦增加,导致其断裂后仍然会黏在一起,产生束捻现象。
(2) 由于STF在Kevlar织物中分布的不均匀性、试验件的束捻及制作过程中纤维丝的断裂等因素,所以数据有一定的离散性。动态试验中,纯Kevlar弹性模量最大,其破坏应力与准静态试验结果接近,都在2 GPa左右。
(3) 相同发射压力对应相同的应变率范围,300 s-1应变率附近,20%浓度STF强化的Kevlar的破坏应力较小,抗拉强度较弱。而15%和25%浓度STF强化的Kevlar与纯Kevlar的动态力学性能参数较为接近。分析认为,STF溶液强化Kevlar织物通过将SiO2粒子充斥在纤维丝中,所以对力学性能的影响不大,而是主要体现在纤维间的摩擦上,这也是其吸收能量方式的主要区别。
3 结论本文通过在MTS材料试验机开展准静态试验和霍普金森拉杆上对STF强化Kevlar织物开展单束纤维动态拉伸试验,得到结论如下:
(1) 准静态试验中,试验件未完全断裂前即开始卸载,且位移控制方式会导致应力急剧下降。随着应变率的升高,纯Kevlar的破坏应力与失稳位移均呈现下降趋势;而STF强化Kevlar织物的破坏应力与失稳位移均呈现上升趋势,表现出了应变率强化效应。对于相同应变率试验,20%浓度STF强化Kevlar失稳位移最大,25%浓度的次之,15%浓度的最小。
(2) 准静态试验条件有限,无法获取准确的应变,应力则与动态试验趋于一致。准静态与动态条件下试件破坏形态方面截然不同:由于纤维丝之间充斥的SiO2等微观粒子而摩擦增大,准静态拉伸过程中内部断裂的纤维丝贴在未断裂纤维丝上,观察不到明显的断裂情况;而动态条件下由于加载的迅速性,纤维束均完全断裂。
(3) 动态拉伸试验中,试验件在高发射压力且完全夹紧状态下均完全断裂,破坏形态与准静态截然不同。20%浓度STF强化Kevlar的破坏应力较小,抗拉强度较弱。其余浓度STF强化Kevlar动态力学性能参数较为接近,所以分析认为,STF溶液对Kevlar织物的增强并不是在力学性能参数上,而是主要体现在纤维间的摩擦上,这也是其吸收能量方式的主要区别。高应变率下STF-Kevlar的力学行为与准静态下有较大区别,为以后的高速冲击数值仿真分析提供参考。
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