Обзор Технологии: Динамические Испытания Композитов При Высоких Скоростях

Принципы динамического нагружения композитов

Динамические испытания композиционных материалов при высоких скоростях деформации представляют собой критически важную задачу для прогнозирования поведения конструкций в условиях ударных нагрузок. Область скоростей деформации выше 100 с⁻¹ характеризуется существенными отличиями в механизмах разрушения и деформирования по сравнению с квазистатическим нагружением.

Основным отличием динамического отклика является влияние вязкоупругих свойств полимерной матрицы, которая при высоких скоростях нагружения демонстрирует повышение модуля упругости и прочности. Волокнистые наполнители, обладающие преимущественно упругим поведением, проявляют меньшую чувствительность к скорости деформирования, однако их взаимодействие с матрицей определяет общий отклик композита.

Установка Split Hopkinson Pressure Bar

Установка Гопкинсона, также известная как стержень Кольского, является наиболее распространенным методом определения динамических характеристик материалов в диапазоне скоростей деформации от 10² до 10⁴ с⁻¹. Принцип действия основан на анализе распространения упругих волн в длинных стержнях, между которыми размещается испытуемый образец.

Конфигурация системы

Классическая установка SHPB включает падающий стержень, нагружающий стержень и передающий стержень, изготовленные из материалов с известными упругими характеристиками. Для испытаний композитов применяют стержни из титановых сплавов Ti-6Al-4V диаметром от 12 до 20 мм, обеспечивающие согласование волнового импеданса. При работе с низкомодульными композитами рекомендуется использование алюминиевых или полимерных стержней для улучшения передачи сигнала.

Ударник разгоняется газовой пушкой до скоростей от 8 до 50 м/с в зависимости от требуемой скорости деформации. Длина ударника определяет длительность нагружающего импульса и варьируется от 100 до 400 мм. Измерение деформаций осуществляется тензорезисторами, установленными на падающем и передающем стержнях, с частотой регистрации не менее 500 кГц для обеспечения достаточного разрешения.

Влияние скорости деформации на свойства

Экспериментальные исследования углепластиков и стеклопластиков демонстрируют закономерное увеличение прочностных характеристик при росте скорости деформации. Для однонаправленных углепластиков на эпоксидной матрице наблюдается повышение предела прочности при растяжении на 10-25% при переходе от квазистатического нагружения к скоростям 10³ с⁻¹, при этом конкретные значения зависят от типа волокон, матрицы и направления нагружения.

Механизмы упрочнения

Основной вклад в повышение динамических характеристик вносит матрица композита. Эпоксидные и винилэфирные смолы при высоких скоростях деформирования демонстрируют возрастание модуля упругости на 5-15% и предела прочности на 20-40% по сравнению с квазистатическими условиями. Модуль упругости композита возрастает пропорционально усилению матрицы, при этом деформация разрушения может незначительно снижаться.

Энергия поглощения до разрушения демонстрирует существенный прирост, достигающий 20-50% при скоростях деформации порядка 10³ с⁻¹ по сравнению со статическим нагружением. Данный эффект объясняется активацией дополнительных механизмов диссипации энергии, включая межслоевое разрушение и растрескивание матрицы.

Методика проведения испытаний

Подготовка образцов для динамических испытаний требует повышенной точности изготовления. Торцевые поверхности цилиндрических образцов должны быть параллельными с отклонением не более 0.01 мм, а шероховатость обработки не должна превышать Ra 0.32 мкм. Для предотвращения преждевременного разрушения в зонах контакта применяют смазку на основе дисульфида молибдена.

Формирование импульса

Техника формирования импульса предусматривает размещение медных или алюминиевых накладок толщиной 0.5-2 мм на торце падающего стержня. Деформация накладки при ударе создает плавный фронт нагружающей волны, обеспечивая постоянную скорость деформации в образце и минимизируя высокочастотные осцилляции сигнала. Выбор материала и толщины накладки осуществляется итерационно на основе численного моделирования.

Обработка экспериментальных данных

Расчет напряжений σ(t) и деформаций ε(t) в образце выполняется на основе анализа падающей, отраженной и прошедшей волн деформации в стержнях. Динамическое напряжение определяется как произведение модуля упругости передающего стержня, его площади поперечного сечения и зарегистрированной деформации прошедшей волны, отнесенное к площади образца.

Скорость деформации вычисляется через разность скоростей перемещения торцов образца, получаемую из отраженной и прошедшей волн. Интегрирование скорости деформации по времени дает текущую деформацию образца. Корректность расчетов контролируется выполнением условия динамического равновесия, при котором сумма напряжений на входном и выходном торцах образца остается постоянной.

Баллистические приложения

Данные динамических испытаний при высоких скоростях деформации являются необходимой основой для расчета баллистической стойкости композитных конструкций. Численное моделирование проникания снарядов через многослойные панели требует определения зависимости механических свойств от скорости деформации в диапазоне до 10⁴ с⁻¹.

Параметры для моделирования

Для верификации конечно-элементных моделей баллистического воздействия используют характеристики, полученные на установках SHPB: динамические кривые напряжение-деформация, критерии разрушения при различных скоростях, энергию межслоевого разрушения. Гибридные композиты с чередующимися слоями углеродных и стеклянных тканей демонстрируют баллистический предел V50 промежуточный между монокомпонентными структурами.

Применение арамидных волокон в наружных слоях повышает сопротивление проникновению за счет высокой прочности при растяжении и способности к значительным деформациям. Экспериментальные баллистические испытания со скоростями удара 100-800 м/с подтверждают применимость данных SHPB для прогнозирования повреждений при высокоскоростном ударе, хотя требуется дополнительная калибровка моделей.