Strain-Rate Dependence of Mode II Delamination Initiation in a Polyester-Fiberglass Composite Using Dynamic ENF Testing
本研究利用结合分立式霍普金森压杆的动态末端缺口弯曲（ENF）测试，证明了在应变率从 70 到 150 s⁻¹ 的范围内，聚酯纤维增强玻璃纤维复合材料的 II 型层间开裂起始能量从 0.64 显著增加至 7.19 kJ/m²。
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当工程师设计必须承受突然冲击的结构时——例如飞机的机身或船体——他们严重依赖复合材料。这些材料并非单一的金属块或塑料块，而是由纤维织物（如玻璃纤维）与粘性树脂层叠而成。这些材料的强度往往不在于单个层级的强度，而在于这些层级之间结合得有多好。如果层间分离，这种被称为“分层”（delamination）的过程会导致整个结构发生灾难性的失效。这种分离可以以不同的方式发生：层与层之间可能像书页一样被拉开，也可能像两张被向相反方向推挤的卡片一样被迫相互滑动。后者被称为“剪切”（shear），了解启动这种滑动分离需要多少能量对于安全性至关重要。虽然科学家们长期以来一直在研究这些材料在缓慢、稳定压力下的行为，但现实世界往往会带来突然且剧烈的冲击。问题在于：力的施加速度是否会改变这些层相互滑动的难易程度？
伊斯兰堡空间技术研究所的一个研究小组致力于为一种特定类型的材料回答这个问题：玻璃纤维增强聚酯树脂。他们专注于滑动分离，即剪切，因为这是许多结构应用中常见的失效模式。为此，他们不仅需要缓慢地测试材料，还需要以模拟现实世界冲击的高速进行测试。他们使用了一种名为“分立式霍普金森压杆”（Split Hopkinson Pressure Bar）的专用设备，该设备的作用类似于一个高速锤子。在这种装置中，一个金属撞击体由压缩气体驱动去撞击一根长金属杆。这种撞击会向金属杆以及放置在中间的一小块玻璃纤维材料样本中发送一股强大的压力波。通过调节气体压力，研究人员可以精确控制材料变形的速度，使其在每秒 70 到 150 次的速率范围内进行测试。他们将样本制备成带有中间微小预制裂纹的小正方块，旨在通过弯曲迫使各层发生滑动。
研究人员将这些样本放置在一个三点弯曲夹具中，本质上是将它们设置得像一座由两端支撑、中心受载的桥梁。当压力波击中样本时，它会使材料弯曲，从而迫使预先存在的裂纹张开并滑动。为了捕捉冲击瞬间发生的情况，他们使用了一台每秒能拍摄 10 万张照片的高速摄像机。这使他们能够实时观察裂纹的生长和材料的变形。通过测量施加的力和材料弯曲的距离，他们可以计算出启动裂纹移动所需的能量。这个数值被称为“应变能释放率”，它告诉工程师材料在开始失效前能吸收多少能量。
结果揭示了一个清晰且显著的趋势：加载速度越快，启动裂缝滑动的能量就越多。在缓慢的静态条件下，以往对类似材料进行的测试显示，能量需求约为 1.2 个单位。在这些高速测试中，那个数字大幅跳升。启动裂纹所需的能量在 0.64 到 7.19 个单位之间波动，较高的数值出现在最快的应变速率下。这表明，当受到快速撞击时，材料对滑动分离的抵抗力会增强。然而，数据并非完全平滑。研究人员观察到，裂纹并不总是沿着层间呈直线、平坦的路径行进。相反，裂纹有时会呈锯齿状移动，或者导致纤维跨越间隙形成“桥接”，从而拉扯着各层，使失效过程变得更加复杂。这些不规则现象导致了数据的波动，其中一次在最高速下的测试显示出了特别大的能量吸收峰值。
尽管存在变数，但实验的整体信息是：速度至关重要。这项研究证实，聚酯玻璃纤维复合材料对滑动分离的抵抗能力在很大程度上取决于力的施加速度。研究人员指出，他们的样本相对较短，这产生了较高的剪切力，可能会影响结果。他们建议未来的测试应使用更长的样本，以确保裂纹生长得更平稳，并将纯粹的滑动行为从其他效应中分离出来。目前，这项工作为设计必须在动态冲击下生存的结构的工程师提供了一个重要的拼图碎片，表明那些在缓慢压力下看似脆弱的材料，实际上比此前认为的更能抵抗突然、剧烈的滑动力。
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