一、引言

 

纤维增强复合材料因其高比刚度、比强度、耐腐蚀性及可设计性等优势，广泛应用于航空航天领域，如机身面板、机翼蒙皮、发动机短舱等关键部件。然而，这些暴露在外的复合材料结构面临冰雹冲击的潜在威胁，可能引发分层、纤维断裂等损伤，导致剩余力学性能显著下降，威胁飞行安全。尽管冰雹冲击的重要性日益凸显，但相关研究仍远少于鸟撞等其他冲击类型，尤其是针对碳纤维增强聚合物编织复合材料的研究几乎空白。现有研究多集中于金属弹丸或低速冲击的损伤评估，而冰雹冲击因冰体在撞击过程中完全碎裂的特性，其损伤模式与加载过程与金属弹丸存在显著差异。此外，高速冰冲击后复合材料的剩余压缩性能（如压缩强度退化规律）尚未系统研究，实验方法也存在冰弹制备、分离装置设计等技术瓶颈。

 

近日，Composites Science and Technology 期刊发表了一篇由哈尔滨工业大学航天科学与力学系的研究团队完成的有关复合材料高速冰冲击性能的研究成果。该研究提出了一种新型综合测试系统与定量评估方法，用于分析平纹编织碳/环氧层合板在高速冰冲击下的损伤机制与剩余压缩性能，有效克服了现有实验方法的局限性。论文标题为“A novel experimental approach for high-velocity ice impact resistance and tolerance investigation of composite laminates”。  图片

 

 

二、测试方法与材料

 

该研究设计了一套创新的冰弹高速冲击与冲击后压缩（Compression After High-velocity Ice Impact, CAHII）综合测试系统，包含发射装置、弹体分离装置、试件夹具及多损伤信息采集系统。冰弹采用硅胶模具制备，直径38毫米，平均重量25.80克，通过组合式弹托确保加速过程中冰弹完整性。

 

试件采用11层平纹编织碳/环氧树脂层合板，尺寸为150毫米×100毫米，厚度4.4毫米。测试系统通过高速3D数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术记录试件全场应变与位移分布，并结合超声C扫描和显微观察分析损伤特征。

 

图1 (a) 球形冰弹丸模具和制备过程；(b) 冰弹与弹托两部分的组合

 

图2 复合材料试样和细观结构

 

图3 (a) 模拟冰雹高速冲击测试系统示意图；(b) 气枪和分离系统；(c) 夹具系统以及 (d) 夹具设备图

 

三、结果与讨论

 

1. 冰弹失效过程与复合材料冲击变形特性

 

高速摄像捕捉了冰弹撞击层合板的动态过程，其失效分为四个阶段：未损伤阶段、前端开裂阶段、逐步碎裂阶段及流体扩散阶段。冰弹在接触后50微秒内完全穿透，随后转化为动态流体状。试件中心区域的峰值位移随冲击能量增加呈线性增长，并通过3D数字图像相关技术量化了变形速率（Impact Deformation Rate，IDR）与位移分布。

 

图4 3D 全场面外位移分布 (V = 155.02 m/s, E = 307.59 J)

 

图5 (a) 计算区域示意图和 (b) 面外位移曲线

 

2. 高速冰冲击损伤特性与抗性分析

 

通过目视检测、超声C扫描和显微观察，研究人员将损伤模式分为五类：从无可见损伤到边界贯穿分层。分层损伤比例（Delamination Damage Proportion, DDP）随能量增加呈三阶段变化，临界能量阈值分别为247~286 J（分层起始）、307~311 J（背面纤维断裂）及387~473 J（边界贯穿分层）。

 

图6 (a) 超声 C 扫描图像和 (b) 分层损伤比例结果

 

3. 高速冰冲击后剩余压缩性能分析

 

剩余压缩强度（Residual Compressive Strength, RCS）随冲击能量呈指数下降，并提出预测模型。压缩失效模式从局部剪切破坏过渡到全局分层屈曲，揭示了损伤演化与载荷分布的关联性。

 

 

 

图7 荷载-位移曲线、3D数字图像中的应变和位移分布：(a) V = 151.52 m/s, E = 298.45 J；(b) V = 165.43 m/s, E = 357.13 J；(c) V = 192.31 m/s, E = 473.37 J

 

4. 高速冰冲击抗性与耐受性评估方法

 

基于剩余压缩强度退化比例模型，提出了一种定量评估方法，通过临界能量阈值（如剩余压缩强度退化10%、30%、50%）对比不同复合材料的抗冲击性能。该方法为标准化实验与结构优化提供了工程指导。

 

图8 (a) 残余压缩强度退化率结果和 (b) 冰雹冲击抗力和容差定量评价方法描述

 

四、结论

 

1. 设计的测试系统有效解决了冰弹制备、分离及非冰损伤干扰问题，揭示了冰弹四个阶段的失效过程及层合板变形特性。

 

2. 平纹编织层合板以分层为主导损伤机制，损伤阈值与剩余压缩性能的退化规律显著不同于金属弹冲击。

 

3. 建立的RCS预测模型与定量评估方法为复合材料抗冰雹冲击性能的标准化测试与结构设计提供了重要依据。

 

原始文献：

 

Shangyang Yu, Jinzhao Huang, Jia Hu, Yan Wang, Junfeng Ding, Chenyang Song, Zhanguang Chen, Jikai Yu, Licheng Guo. A novel experimental approach for high-velocity ice impact resistance and tolerance investigation of composite laminates. *Composites Science and Technology*, 265 (2025) 111139.

 

原文链接：

 

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111139

 

 

来源：复合材料力学

关键词： 复合材料