湿热效应对石墨/环氧复合材料的动态压缩性能的影响外文翻译资料

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湿热效应对石墨/环氧复合材料的动态压缩性能的影响

摘要：采用Split Hopkinson压力杆装置研究了温度和湿度对石墨/环氧复合材料高应变率渗透载荷响应的影响。结果表明：在极端温度、湿度和复合湿度和温度条件下，材料的抗压强度、弹性模量和能量吸收均呈指数级下降。随着温度的升高，粒子的速度和应变随温度的增加呈线性增加，但与含水率无关。温度和湿度对损伤过程的综合效应比温度或湿度单独作用效应更明显。在相同的冲击能量下，结果表明，失效特性对应变速率十分敏感，其中吸收的能量随着在低温下的应变速率线性增加并且在高温下保持相对恒定。压缩屈服强度随着应变速率（高温或低温下）的增加而增加，而极限强度（最大强度）随着应变率略微降低。

关键词：湿度、冲击行为、热性能、Split Hopkinson压力杆、聚合物基质复合材料（PMCs）

介绍

材料的温度和含水量可决定材料的弹性和热塑性。温度和湿度的增加，本质上增加了材料的分子运动，可以很容易地改变材料的形状和体积。当材料在更高的应变速率加载条件下，这种改变将更加复杂。了解复合材料结构的水分和温度的影响，在航空航天，军事和民用应用中是必要的，因为许多复合结构部件和军事设施处于湿度高伴随着高低温变化的情况下。失效特性响应，如开裂，强度损失和水分膨胀，不利于设计的完整性。在低温条件下，材料往往变得硬和脆，许多脆性材料由于温度变化引起的体积的快速变化往往会产生裂纹。复合材料通常被认为在在纤维方向上比在拉伸方向上具有较低的抗压强度。随着温度的降低，合金的硬度、屈服强度和弹性模量增加，而断裂韧性、热膨胀系数和比热则趋于降低。研究表明，如果延长颗粒的形状，降低最大可达到的颗粒体积分数将增加复合材料的硬度和强度。石墨或环氧复合材料在很宽的温度范围内具有很高的刚度和低的热膨胀性。由于增加拉伸应力，温度下降时观察到在石墨/环氧树脂层压材料中产生裂纹。另一方面，温度的升高会降低引起裂纹闭合的应力水平。dutta已经表明，一个预先存在的裂纹在正常的温度不会扩展，而在较低的温度下可以自行传播传播，并可能导致结构失效。因此，复合材料的温度效应是重要的设计参数，需要进一步调查。

当暴露在潮湿环境中时，复合材料因吸湿而获得约百分之三的重量。看来，水分主要降低矩阵控制的属性，并以一种类似于温度的影响的方式使聚合物的粘弹性响应产生时间移位。Hague和Hossain最近的研究中，在23℃到204℃范围内，温度和湿度对编织复合材料的高应变响应的影响表明，当沿着厚度方向加载时加载时，压缩破坏强度，应变和动态模量随应变速率增加。他们观察到，最大应变率效应发生于玻璃化转变温度121℃。胡和孙表明，当聚合物复合材料是高于其玻璃化转变温度，该聚合物可以瞬间达到热力学平衡，可以被视为物理老化的衡量办法。在这个玻璃化转变温度以下，认为是聚合物的周期，通过不断变化的分子和材料的性质达到热力学平衡。

本文研究的目的是探讨在在80℃到160℃范围内和玻璃化转变温度下，温度和湿度在高应变速率下对层状石墨环氧树脂复合材料综合或单独作用的影响。本文通过扩展Hague和Hossain在恒定应变速率下低温范围内的研究对当前复合材料的湿热作用的理论状态做出了重大贡献。该研究除由其他人报告的应力-应变行为外还提供了一份完整的破坏过程中的波形，颗粒速度和吸收能量的分析。产生的特征波形增加了一个独特维度的动态破坏响应的分析，并可以形成一种材料特性退化的无损表征。

2、理论思考

2.1应变应变速率和应力测量方法

在材料的动态行为的研究中Split Hopkinsony压力杆（SHPB）的基本理论和有效性是有据可查的，并且Hashin总结过，包括最小色散，杆件的弹性条件，板状材料中的均匀应力状态和无量纲的单轴应力。进一步假设，试样应变远大于杆件和试样夹具总应变。在Nwosu的文章中，这些假设被仔细地研究并且一再重复得以满足。

波形传播的简化示意图如图1所示

Fig. 1. Schematics illustration of wave propagation.

复合板的动态载荷是由锤杆的纵向冲击载荷提供的,由此产生一个入射杆的单轴应力脉冲： (1)

是杆件中脉冲波的速度，是粒子速度，是锤杆材料的密度。在动态冲击研究中，

脉冲波的准确测量是很重要的，因为颗粒扰动和震动以波列形式传播。一个横截面面积为的试样，放置在试样夹具上，并且在切面面积为的输入和输出杆件上夹紧，在每个界面（输入杆件和穿透器具，穿透器具头部和试样，试样和夹具，夹具和输出杆件）力和速度均连续。通过输入和输出杆件上的应变仪测量，可以知道入射，反射和传输的应变。输入和输出条界面位移表示为：

= (2)

在分界面上加载：

入射杆件—样品界面的位移： (3)

同样的，在发射杆件上的位移是：

= (4)

在分界面上加载，=

传输杆与试样分界面的位移是： (5)

对于通过薄试样的均匀应力，假定界面上的载荷相等（,=）,样品应力，应变和应变速率可分别定义为：

(6)

当试样应变远大于杆件夹具和穿透器头部的应变时，是棒端部之间的有效长度，等于样品的长度。

Fig. 2. Experimental set up showing the sample fixture and penetrator head

2.2能量测量

假设由入射杆和穿透器传递的能量等于用于穿透过程的总消耗能量，由传播的压缩波传递到复合板的能量导出为： (7)

Fig. 3. (a) Specimen temperature as a function of exposure and moisture contents Temperature with soaking time. (b) Striker impact energy and velocity as a function of compressor pressure.

其中是净压缩载荷力，并且净板位移被简化为

(8)

可以作为力-位移曲线在波的持续时间上的积分面积获得。将表达式从等式(8)变成(7)，用于损伤生成过程所消耗的净能量加上对固定装置的能量损失表示为：

(9)

因此，(9)给出分解为板吸收的能量（）和弹性应变能（）的总能量吸收曲线。数值积分以时间零开始，并且所有三个波在相同时间开始并且持续相同的持续时间t。这是通过将应变计放置在输入和输出杆件的中点与样品相同的距离来证明的。

所提出的P-SHPB方法的有效性可以是合理的，因为对于确定粒子速度，位移和能量吸收仅需要对输入和输出杆以及杆件和样品的几何形进行应变测量。然而，连续性假设的缺点是，试样夹具和穿透器头的能量损失将会降低在输出杆件中点处量规的相对应变。这将导致(9)过度估计能量测量。通常用由实验确定的校正因子（穿透器和固定装置的总能量损失造成的）用来最小化由于损耗引起的误差。虽然该误差可能降低P-SHPB方法对材料性质的绝对测量的准确性，但是P-SHPB仍然是用于更好地理解经受高应变速率负载的复合材料的穿透/穿孔力学和动态失效行为的可靠工具。

Fig. 5. Stress waveform at (a) -80℃ low temperature, (b) 24℃ room temperature, (c) 120℃glass transition temperature, and (d) 160℃ high temperature for 32-ply dry specimen at 110 J striker bar impact energy.

Fig. 6. Stress waveform at (a) dry (0.0% moisture), (b) 0.15% moisture, and (c) 0.37% moisture at room temperature for 32-ply dry specimen at 110 J striker bar impact energy.

2.3复合材料能量吸收过程中的水分和温度变化

与Fick方程中描述的厚度方向z上的材料的水分扩散相关的方程为：

= (10)

由于边界条件的限制：

，在 (11)

其中c表示作为复合材料的干质量分数的水分含量，h是复合材料的厚度，是扩散系数。在足够长的时间内，复合材料将达到最终平衡浓度c1。因此方程(10)受到方程(11)边界条件的影响，在方程(12)(13)中详细讨论，产生定义为：

] (12)

将水分含量定义为平均水分浓度：

(13)

当

当 (14)

将方程(12)代入(13)，并且使用(14)足够长的时间，(12)可以近似为(13)，因此

] (15)

在较短时间，初始含水量：

(16)

扩散系数可以从的线性部分的斜率相对于来自方程(15)的曲线估计得到：

(17)

由此，可被定义为：

(18)

Fig. 7. Stress waveform at (a) 24℃ and 0% moisture, (b) 10℃ and 0.37% moisture, (c) 24℃ and 0.37% moisture, and (d) –24℃ and 0.37% moisture for 32-ply dry specimen at 110 J striker bar impact energy.

3、实验考虑

3.1材料

目标层压板是（IM7/8551-7）石墨/环氧复合材料，由IM7石墨纤维和Hercules增韧树脂基体组成，具有表1所示的性能。

图2展示出了用于穿透/穿孔Hopkinson压杆装置。Hopkinson杆件的样品和配合端被封闭在由铝制成的特殊设计的冷却室内，其中具有泡沫衬里以保持室冷却并具有最小泄漏。通过将氮气循环到室中来进行冷却。

3.2系统校准

系统校准的目的是获得施加到系统的压缩压力和传递到入射杆件的撞击器速度与在碰撞之前使用红外光门控检测器传递到入射杆件的能量之间的关系。

使用光栅极检测器和具有0.023mu;m的长度的标志来测量光栅极检测器中的阻挡时间的持续时间。在光电栅极检测器中测量的时间被划分为标志的长度以确定速度。光闸门检测器定位到冲击杆的末端以测量刚好在冲击之前的冲击速度。为了测量冲击杆速度，将标志附接到冲击杆的端部。一旦施加压力，具有标志的杆朝向入射杆移动，就在撞击之前阻挡光门探测器中的红外光束。阻挡时间从连接到光电门探测器的软件程序获得(Data Studio)。然后将阻挡时间划分为标志的长度，以确定刚好在撞击之前的撞击杆速度。传递到系统的冲击能量等于冲击杆的动能，并且可以表示为：

= (8)

其中是撞击杆的质量。最后，可以根据撞击器速度与施加的压力和相应的能量与施加的压力数据，获得校准曲线。图3b给出了表示冲击器速度和施加压力之间存在非线性关系的校准曲线。

在所提出的情况下采用了一种替代但近似的技术。这涉及在单独的冷却或烘箱室中冷却或加热样品。 一旦获得所需的温度，在进行实验之前将其设置为稳定至少15分钟。在渗透实

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