碳纤维增强聚合物(CFRP)具有较优的力学性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能[1]，目前广泛应用在飞机、汽车和建筑工程等领域[2-3]。然而，CFRP在制造和使用过程中容易承受低速冲击和压缩，导致层压板的完整性和结构强度降低[4-6]。研究CFRP冲击特性对于材料的安全使用具有重要意义。国内外很多研究学者对复合材料的低速冲击和压缩特性开展研究，在低速冲击测试过程中，可以观察到典型的损伤模式，包括基体开裂、分层、纤维断裂和缩进[7-9]。一般基体裂纹通常是撞击过程中出现的第一种损伤形式，基体裂纹尖端作为分层损伤和纤维断裂的起裂点[10-11]；进一步加载下分层损伤和纤维断裂的起裂和扩展显著影响复合材料的局部和全局刚度，甚至导致次层压板在压缩载荷作用下的局部弯曲[12-14]。除了亚层压板的屈曲外，残余压缩强度还可能受到明显的基体裂纹、冲击表面基体和纤维微裂纹的影响[15]。此外，有限元方法已被证明可以有效地实时描述冲击和压缩强度实验过程中发生的复杂现象[16-17]。通过解决CFRP复合材料的层间和层内破坏问题，有限元模拟也可以用于预测CFRP复合材料的动态响应和压缩强度特性[18-19]。刘志明等[20]建立了纤维增强复合材料的有限元模型，分析了材料在内聚力作用下的材料特性。王荣惠等[21]通过有限元模型分析了纤维增强复合材料在外力作用下的分层损伤破坏模式，能够为材料的防护提供理论依据。杨青等[22]制备了环氧树脂改性聚双环戊二烯及其碳纤维复合材料，对改性复合材料的力学性能进行研究。祁献超等[23]通过不同热压工艺制备了环氧树脂复合材料，探究不同工艺条件下复合材料的拉伸强度、弯曲强度等力学特性。然而，当前研究工作主要集中在普通环氧树脂方面[24-26]。本实验制备碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层合板，探究层合板的抗冲击性能和残余压缩强度性能。1实验部分1.1主要原料斜纹编织碳纤维织物，T300-3K，2×2斜纹，面密度为330 g/m2，厚度为0.22 mm，威海光威复合材料股份有限公司；斜纹玻璃纤维织物，面密度为400 g/m2，厚度为0.18 mm，河南昶宇新材料科技有限公司；环氧树脂，E51，广州市忠高化工有限公司。1.2仪器与设备落锤试验机，9340，美国INSTRON公司；描电子显微镜(SEM)，Apreo HiVac，美国FEI公司。1.3样品制备碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板(CF_G)制备过程[27-28]：将环氧树脂和碳纤维织物结合制成预浸料，环氧树脂质量分数为39%~41%，预浸料采用0°和90°交替铺设制备层压板，铺层方式为[CC]2s。在制备过程中，将斜纹编织碳纤维预浸料铺放至模具中，导入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒，加工温度为200~210 ℃，螺杆转速为180 r/min，得到碳纤维增强环氧树脂复合材料。在90 ℃下、固化48 h后，得到CF_G。CF_G的厚度为4.90 mm。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层压板(GF_G)制备过程[29-31]：将环氧树脂和玻璃纤维织物结合制成预浸料，环氧树脂质量分数为39%~41%，预浸料的两侧为4层碳纤维，而中间采取2层碳纤维和2层双轴向玻璃纤维相互交替方式制备层压板，铺层方式为[CCGC]s。将斜纹玻璃纤维织物预浸料铺放至模具中，导入双螺杆挤出机中熔融挤出、造粒，加工温度为210~220 ℃，螺杆转速为180 r/min，得到玻璃纤维增强环氧树脂复合材料。在70 ℃的模具中进行真空脱气，在90 ℃下、固化48 h后，得到GF_G。GF_G的厚度为4.20 mm。1.4性能测试与表征低速冲击试验：按ASTM D7136/D7136M进行测试。使用直径为16 mm半球形冲击器，配重块总质量5.337 kg。选取10、20和30 J冲击能级，进行低速冲击测试。SEM测试：对样品进行喷金处理，观察样品的表面形貌。2结果与讨论2.1碳纤维增强环氧树脂复合材料层压板的特性研究2.1.1冲击响应特性图1为不同冲击能级下CF_G的冲击力与时间关系曲线。从图1可以看出，在2.5 J的冲击能级下，CF_G的力与时间曲线均比较光滑，表明面板没有明显损坏。随着冲击能的增加，CF_G的冲击波动时间逐渐延长。当冲击能级增至10 J时，层压板的力与时间曲线明显下降，可能是由于层压板上发生了冲击损伤。接触力达到最大值后，冲击能级从10 J增至30 J，曲线上出现更大的振荡时间，表明低速冲击的渐进式损伤。加载历史曲线没有出现第二次突然下降，这是由于CF_G的韧性相对较高。当冲击能级为20 J时，CF_G的接触力最大，说明在相同低速冲击条件下，CF_G试样能够承受较高的冲击能级。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F001图1不同冲击能级下CF_G的冲击力与时间关系曲线Fig.1The relationship between impact force and time of CF_G under different impact energy levels图2为不同冲击能级下CF_G的冲击力与位移的关系曲线。从图2可以看出，在2.5 J的冲击能级下，层压板主要表现为近似线性加载和卸载阶段。当冲击能为10 J时，层压板的第一接触力峰值达到5 751 N。因为CF_G在线性阶段结束前具有较高的韧性，可以得出，由低速冲击加载引起的相对较低的变形在相对较小的接触力下产生损伤。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F002图2不同冲击能级下CF_G的冲击力与位移关系曲线Fig.2The relationship between impact force and displacement of CF_G under different impact energy levels2.1.2冲击损伤形态对层压板在不同冲击能级下损伤区域进行扫描，当冲击能级为2.5 J时，扫描装置未检测到明显的损伤，因此本文不对其冲击损伤形态进行分析，仅对10、20和30 J的冲击能级下层合板的损伤形态进行分析。图3为CF_G在不同冲击能级下的损伤形貌。从图3可以看出，层压板在正面表现出压痕，而在背面则表现出不可逆的菱形损伤。此外，随着冲击能级的增大，正面压痕更加突出，背面的菱形损伤面积也随之增大。冲击能级为30 J时，层压板表现出相同的损伤模式。正面存在一个相对较小的圆形损伤区域；在背面，十字形的裂纹完全沿着纤维方向裂开，而且纤维断裂通常发生在层压板表面经纬束的交叉处。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F003图3CF_G在不同冲击能级下的损伤形貌Fig.3The damage morphology of CF_G under different impact energy levels当冲击能级从20 J增至30 J，在CF_G的撞击点附近出现微小、集中的损伤点，由于CF_G的第一峰值力明显增大，说明CF_G具备一定的耐冲击性能。图4为CF_G在30 J冲击能级下断面的SEM照片。从图4可以看出，CF_G试样中存在裂纹，表明CF_G的耐冲击性能较弱。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F004图4CF_G在30 J冲击能级下断面的SEM照片Fig.4SEM image of cross section of CF_G under 30 J impact energy level2.2玻璃纤维增强环氧树脂复合材料层压板特性研究2.2.1冲击响应特性为了对比CF_G的冲击特性，在相同测试条件下对GF_G的冲击性能进行测试。图5为不同冲击能级下GF_G的冲击力与时间关系曲线。从图5可以看出，GF_G冲击的波动时间同样随着冲击能级的增加而延长。当冲击能级为10 J时，GF_G的最大接触力为5 896 N，与CF_G最大接触力(5 305 N)相比高约11%。结果表明：GF_G具有较高的弹性模量，使得其具有较高的抗弯刚度，可以吸收相同的能量，而产生较小位移，即GF_G具有更高的刚度。图6为不同冲击能级下GF_G的冲击力与位移关系曲线。从图6可以看出，相对于CF_G层压板，当冲击能为10 J时，GF_G层压板的第一接触力峰值为4 262 N，要小于CF_G层压板第一接触力峰值5 751 N，表明GF_G层压板具有更高的韧性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F005图5不同冲击能级下GF_G的冲击力与时间关系曲线Fig.5The relationship between impact force and time of GF_G under different impact energy levels10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F006图6不同冲击能级下GF_G的冲击力与位移关系曲线Fig.6The relationship between impact force and displacement of GF_G under different impact energy levels2.2.2冲击损伤形态图7为GF_G在30 J冲击能级下的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.10.014.F007图7GF_G在30 J冲击能级下的SEM照片Fig.7SEM image of CF_G under 30 J impact energy level从图7可以看出，GF_G的非冲击面在冲击损伤区域表现出明显的亚层状弯曲，表明玻璃纤维的掺入可以降低层压板的损伤程度，提高层压板的抗冲击性。然而，玻璃纤维可能降低层压板的层间性能，样品更容易分层，从而降低了层压板的弯曲刚度。由冲击触发的双层板的分层迅速扩大，导致非冲击表面附近出现明显的弯曲。与CF_G相比，GF_G表现出更明显的弯曲特性。3结论（1）在相同冲击能级下，普通环氧树脂碳纤维层压板的损伤面积较大，纤维断裂较多，冲击后压缩强度低，表明其抗冲击损伤能力相对较差。且普通环氧树脂碳纤维层压板的第一峰值和相应位移较小，说明普通环氧树脂碳纤维层压板承受较高的剪切应力。（2）对比分析了CF_G和GF_G的抗冲击性能，在相同的冲击作用下，GF_G的最大接触力值比CF_G层压板大11%，表明玻璃纤维的引入改变了复合材料的冲击损伤模式，有效地提高了复合材料的抗冲击性能。