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，如火車開車停車時承受的沖擊，汽車相撞時車體的受撞變形等。玻璃鋼由于其較高的強度和低廉的價格而廣泛用于汽車工業(yè)中，特別是制作保險杠和車身。汽車的這些零部件的抗沖擊性能是衡量其力學性能的重要指標之一。復合材料在使用過程中受到低能沖擊時，大部分情況并沒有明顯的目視損傷，但卻在層合表面會生成不可視的淺表面分層，從而形成潛在的危險，內(nèi)部損傷的存在可造成復合材料在強度和剛度上的很大損失。國內(nèi)外已經(jīng)對復合材料層合板的低能量沖擊損傷機理及特點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。對復合材料鋪層優(yōu)化設(shè)計方面的研究也比較多，但就鋪層方式對復合材料耐沖擊性能的影響方面的研究卻不多。為設(shè)計生產(chǎn)出更加安全穩(wěn)定的玻璃鋼產(chǎn)品，本研究對玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料采用不同的鋪層工藝進行了低能量沖擊性能的比較分析。

    1、實驗部分
    1.1、原材料與試劑

    增強材料：天津合成材料廠生產(chǎn)的無堿玻璃纖維(E玻璃纖維)平紋布，有關(guān)物理參數(shù)見表1。
    樹脂基體：天津合成材料廠生產(chǎn)的不飽和聚酯樹脂196s；促進劑E：環(huán)烷酸鈷，紫藍色液體；固化劑M(MEKP)：過氧化甲乙酮溶液；由于樹脂固化受外界溫度的影響較大，實驗基體配比比例隨溫度變化而變化，在本次研究進行過程中，結(jié)合工作環(huán)境的溫度狀態(tài)，經(jīng)過大量實驗確定了樹脂基體的最佳原料配比為：樹脂100g，環(huán)烷酸鈷1.25g，過氧化甲乙酮1.05g。
       
 
       1.2、復合材料層合板的制備

       織物鋪層方向的改變可能會影響增強纖維在層合板受力時的承載情況，從而使層合板的力學性能發(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方向則稱為單向?qū)雍习澹鲗又鞣较虿煌瑒t稱為多向?qū)雍习濉Ｈ翡亴永w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。

      本實驗增強材料為玻璃纖維布，所以選取經(jīng)紗方向與層合板X軸方向的夾角標記層合板的鋪層方向，即：當織物鋪設(shè)角為θ時，2層玻璃布經(jīng)紗間的角度為θ。在本研究中設(shè)計了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°。

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

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

       1.3耐沖擊性能測試

        在實驗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，落錘瞬時最大沖擊動能為：

       式中，m為落錘的質(zhì)量；Vi為落錘沖擊的瞬時速度。材料損傷時吸收的能量為：
       式中，Vf為落錘被板反彈后瞬時最大反向速度；為落錘由于層合板受沖擊后彈性變形能釋放而獲得的動能。
      沖擊過程中，沖擊載荷計算公式為：
      式中，m為落錘的質(zhì)量；Vi為落錘沖擊的瞬時速度。材料損傷時吸收的能量為
   
      式中，Vf為落錘被板反彈后瞬時最大反向速度；為落錘由于層合板受沖擊后彈性變形能釋放而獲得的動能。
      沖擊過程中，沖擊載荷計算公式為 
      式中，V(t)為速度對時間的曲線。
      測試儀器：美國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方形試件放在實驗臺的支持面上，對不同鋪層的試樣進行沖擊。共分4組，每組5個試件，試驗數(shù)據(jù)取5個試樣的平均值。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)零的操作誤差及機器本身在沖擊過程中產(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-時間及能量-時間的關(guān)系。

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

       按照同樣的樹脂配方和同一規(guī)格的玻璃布，對不同鋪層方式的試樣進行低速沖擊測試。實驗采集5個參數(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/不飽和聚酯樹脂復合材料對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的變形量，變形大則說明材料韌性較好；出現(xiàn)載荷峰值的時間表示材料發(fā)生初始斷裂的時間，時間長說明材料的承載能力較大。

       從表2中看出，2#試樣的各項參數(shù)值都大于另外3種鋪層方式，說明出現(xiàn)最大載荷時，其對能量的吸收較好；同時由于彈性性能有所增加，剛度略顯不足，導致抵抗變形的能力稍差；但又因為出現(xiàn)載荷峰值時的時間明顯延長，說明其強度較高，承載能力優(yōu)于另外3種鋪層試樣。

       由于所測板材厚度較小(0。58～0。64mm)，在本研究沖擊測試條件下，復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0°/90°/0°/90°鋪層試樣的沖擊載荷-時間、能量-時間曲線進行分析，如圖3所示。

       由圖3可見，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-時間信號的疊加過程中會產(chǎn)生振蕩，形成圖中的波動曲線形式[10]。載荷開始時呈上升趨勢，這是因為在沖擊損傷初期，樹脂基體受壓破裂造成應(yīng)力集中的緣故。分層起始于樹脂破裂的臨界點，隨著分層的增加形成大量的微觀破壞，而此時增強纖維受到?jīng)_擊拉伸但未斷裂而繼續(xù)承載；由于破壞形式復雜，當一些纖維、布層破斷時，沖擊載荷達到峰值后開始下降；當應(yīng)力重新分布時，其他纖維和布層繼續(xù)承載，沖擊載荷有所上升，直至擊穿時載荷下降趨于零。

       2.2鋪設(shè)角度對沖擊性能的影響

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

       從表2中可以看出，2#試樣在損傷時對能量的吸收最好，3#試樣則最差。當織物鋪層角度不同時，由于織物經(jīng)緯向密度和經(jīng)緯向拉伸強度的不同，織物抵抗應(yīng)力破壞的水平也不同。當織物鋪層角度為0°時，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；當織物呈正交鋪設(shè)時，0°與90°層達到平衡，織物抵抗應(yīng)力破壞由經(jīng)向與緯向的纖維共同承受；當在0°層之間用+45°層隔開時，+45°有利于載荷的擴散，但由于沒有-45o與之平衡，使得織物承受沖擊載荷的能力嚴重削弱；而當織物呈均衡鋪設(shè)時(如4#試樣鋪層方式)，其對能量的吸收比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)載荷峰值的時間都大于1#試樣，說明2#試樣的韌性和強度都比較高，這便造成了2#試樣對沖擊能量吸收的能力好于1#試樣的現(xiàn)象。有文獻報導，鋪層方式為0°/90°的復合材料力學性能是0°/45°復合材料的3倍以上[11]。在本實驗中，0°/90°正交鋪層板對沖擊能量的吸收性能約為0°/45°對稱斜交鋪層板的1.13倍。從表2中看出，3#試樣和4#試樣這2種鋪層板的各項沖擊參數(shù)性能均低于2#試樣。這是因為在層與層的交界處，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

       本文采用VARI成型工藝制備4種不同鋪層方式的4層玻纖/不飽和聚酯復合材料板，并對各試樣進行低能量沖擊實驗，結(jié)果表明，鋪層方式對最大載荷時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，說明層合板的0°和90°層對層合板沖擊承載能力的影響比較大；90°層的加入對層合板的沖擊性能有所改善；當層合板中含+45°層時，應(yīng)有-45°層與之對應(yīng)，盡量形成均衡鋪設(shè)，當遭受沖擊載荷時能夠均勻擴散載荷，從而提高耐沖擊性能。