纤维增强复合材料的应变率效应探析

材料力学特性的主要参量有压缩、拉伸、剪切和弯曲性能等，相对于金属材料的各向同性，复合材料具有正交各向异性特点，使得对其的力学特性研究十分困难，并且绝大多数复合材料还具有明显的应变率相关特性。文献［245，246］给出了玻璃纤维和芳纶纤维在不同加载条件下应力和应变率的关系，如图4.3所示。

由图4.3可见：

①对于玻璃纤维材料，在相同试验条件下，只提高MTS试验机拉伸速率，其抗拉强度提高了20%；采用霍普金森杆拉伸方式，当应变率提高到103 s-1时，其抗拉强度比静态/准静态提高了55%；采用膨胀环拉伸法，应变率提高到104 s-1时，其抗拉强度比静态/准静态提高了70%以上，达到了750 MPa。

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图4.3　玻璃纤维和芳纶纤维在不同加载条件下应力和应变率的关系

（a）玻璃纤维复合材料；（b）芳纶纤维复合材料

②对于芳纶纤维材料，在提高MTS试验机拉伸速率条件下，即应变率在10-2～100 s-1范围内，材料的抗拉强度变化不明显，约为510 MPa；当应变率提高到103 s-1量级时，材料的抗拉强度提高了14%，约为580 MPa；当应变率提高到104 s-1量级时，材料的抗拉强度提高了30%，约为660 MPa。

综上所述，在高应变率下，玻璃纤维和芳纶纤维都具有敏感的特性。相对而言，玻璃纤维较芳纶纤维在高应变率下更为敏感，在104 s-1量级时，抗拉强度提高了70%以上，芳纶纤维的抗拉强度只提高了30%左右。因此，对于高速（500～1 300 m/s）的弹体侵彻，玻璃纤维抗破片侵彻能力更强；对于低速（小于500 m/s）的侵彻，芳纶纤维抗弹体侵彻能力更强。所以，在复合材料板设计时，要么采用纯芳纶，依靠前置合金钢靶板将破片的侵彻速度降至500 m/s以下；要么采用玻璃纤维与芳纶纤维复合的组合方式，并且玻璃纤维在前，通过玻璃纤维抗高速破片侵彻，后置的芳纶纤维防护低速破片。