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碳纤维增强聚合物（CFRP）因其优良的刚度、强度、疲劳和腐蚀性能，在最新一代的商用飞机中应用广泛，如“波音梦幻客机B787”和“空客A350”，机身和机翼结构均采用CFRP制造，分别占飞机总重量的50%和53%，然而，此结构易受到外部异物的冲击破坏，将可能导致飞机关键部件的重大结构损伤。美国联邦航空管理局（FAA）在2019年报告，从1990-2017年，发生了197833起鸟撞事件；在1996年时受到跑道碎片冲击破坏修复飞机结构的费用就已超过6000万美元。因此，CFRP的抗冲击损伤性能备受关注。 为了研究这一问题，伦敦帝国理工学院Jun Liu（第一作者）、John P. Dear教授（通讯作者）团队在《Applied Composite Materials》上发表了题为“The Impact Performance of Woven-Fabric Thermoplastic and Thermoset Composites Subjected to High-Velocity Soft- and Hard-Impact Loading”的文章，通过轻气炮实验研究了热塑性和热固性机织碳纤维复合材料分别在高速软硬冲击物作用下的冲击性能。 该论文对比研究了碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料和碳纤维增强环氧树脂（CF/epoxy）复合材料的冲击性能。首先将其加工成具有相同铺层厚度和近似相同密度的试样，在轻气炮实验中使用明胶弹丸和铝合金弹丸，模拟鸟撞和跑道碎片对复合材料的冲击，并评估其动态变形和弹道响应。 在高速明胶冲击试验中，通过3D DIC技术测定了CF/PEEK和CF/epoxy试样在不同冲击速度下的面外位移。图1和图2为明胶弹丸以100 m/s冲击速度撞击试样的结果，CF/epoxy试样的最大面外位移高出CF/PEEK试样约10%，且CF/epoxy试样回弹较慢，中心区域也出现了明显冲击损伤。
为了观察试样的不同损伤程度，对试样后表面进行了目视检查（图3）和C扫描检测（图4），仅在100 m/s速度下观察到CF/epoxy试样中有明显损伤。随后观察CF/PEEK试样的横截面无可见损伤（图5），而CF/epoxy试样出现了基体裂纹、分层和纤维断裂等损伤。因此，在受到模拟鸟撞的明胶弹丸高速冲击时，CF/PEEK复合材料比CF/epoxy复合材料具有更好的抗冲击损伤性能。
在使用铝合金弹丸的高速冲击试验中，选取冲击速度范围为30-77 m/s，比较不同冲击速度下试样后表面（图6），对比不同冲击能量下动能吸收（KEA）和损伤面积（DA）（图7），可以看出CF/PEEK试样产生的损伤面积比CF/epoxy试样小得多，且在吸收动能方面也更为有效，具有更好的抗冲击损伤性能。
在相同的冲击能量水平下，明胶弹丸在初始接触后会产生较大变形，增大弹丸与复合材料试样的接触面积，降低接触力。而铝合金弹丸硬度较大，产生较大接触力，复合材料试样损伤也就更大。进一步，在Abaqus中建立了有限元模型来模拟复合材料的软硬冲击，得到了弹丸与试样之间的接触力随时间的变化规律（图8），证实了以上结果。
参考文献：Liu, J., Liu, H., Kaboglu, C. et al. The Impact Performance of Woven-Fabric Thermoplastic and Thermoset Composites Subjected to High-Velocity Soft- and Hard-Impact Loading. Appl Compos Mater 26, 1389–1410 (2019). 本文由窦睿整理总结，感谢投稿。 |
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