摘要：超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight Polyethylene；UHMWPE） 纤维增强复合材料因其优异的抗冲击性能、比强度和比刚度，在防穿透结构设计中应用广泛。由于其独特的制造工艺，UHMWPE 预浸料通常采用 0/90
一、引言
超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight Polyethylene；UHMWPE） 纤维增强复合材料因其优异的抗冲击性能、比强度和比刚度，在防穿透结构设计中应用广泛。由于其独特的制造工艺，UHMWPE 预浸料通常采用 0/90 层压板形式，并广泛应用于装甲结构中。然而，其复杂应力状态下的力学行为和失效机制尚不明确，限制了其结构设计的优化。目前，UHMWPE 复合材料的研究主要集中在单向加载下的力学性能表征，而其内部多轴应力状态下的行为研究相对较少。实验证据表明，UHMWPE 层压板在受局部冲击时存在内部多轴应力状态，这对其防弹性能和失效模式具有重要影响。因此，有必要进一步研究 UHMWPE 复合材料层压板的偏轴特性，以理解和有效评估其在复杂应力状态和多轴加载下的力学行为和失效机制。
近日，《Composites: Part A》期刊发表了一篇题由南京航空航天大学航空航天结构力学与控制国家重点实验室、南京航空航天大学工信部多功能轻质材料与结构重点实验室和武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室的研究团队完成的有关UHMWPE 复合材料偏轴力学行为及动态特性的研究成果。该文章研究了UHMWPE复合板在准静态和动态偏轴加载下的力学行为和失效机制，重点关注偏轴角度和应变率的影响，为提高 UHMWPE 复合材料在复杂载荷条件下的失效预测和设计效率提供了重要参考。论文标题为“Off-axis mechanical behavior and dynamic characteristics of UHMWPE composite laminates”。
二、研究内容
该研究使用 UHMWPE 预浸料制备了 [0/90]n 交叉叠层结构，并对其进行了静态和动态拉伸和压缩测试。准静态拉伸实验试样配置如图1(a)所示,准静态压缩实验试样配置如图1(b)所示。
图1 准静态（a）拉伸和（b）压缩的试样配置和几何尺寸。
动态拉伸和压缩实验分别使用分离式霍普金森拉伸杆(Split Hopkinson Tension Bar；SHTB)和分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar；SHPB)系统进行，试样配置和实验装置分别如图2(a)和2(b)所示。
图 2 动态拉伸试样、测试装置和动态试样的形状和尺寸。
文章研究了不同偏轴角度（0°、15°、20°、25°、30°、45°）对 UHMWPE 层压板拉伸性能的影响，与单轴拉伸相比，偏轴拉伸下层合板主要表现出聚合物剪切响应特性，并存在定向硬化现象。随着偏轴角度从0°增加到45°，破坏强度和弹性模量都呈明显下降趋势。
图3 偏轴 45° 和 30° 试样的变形演化。
研究通过扫描电子显微镜(SEM)观察了UHMWPE层合板在不同拉伸状态下的破坏机理，包括分层、基体开裂、纤维拔出、纤维断裂和纤维-基体界面脱粘。偏轴拉伸试样的失效机理与单轴拉伸不同，主要表现为纤维的旋转和拔出，以及纤维-基体界面的脱粘。
图 4 静态单向拉伸下 UHMWPE 层压板的失效机制 SEM 观察。
与准静态拉伸相比，动态拉伸强度随应变率的增加而提高，但应变率超过500 s^-1后，强度呈下降趋势。这种现象是由于应变率提高导致破坏模式从塑性破坏转变为脆性破坏。
图5 在选定的应变率下拉伸试样的断裂形态。
与拉伸行为不同，动态压缩强度随应变率的增加而持续增强。SEM观察表明，超过峰值应力后，层合板内部形成层间折曲带，并伴随着层间分层现象。
图6 静态单向压缩下形成的层间屈曲带。
该研究还利用经典的Tsai-Wu破坏准则预测UHMWPE层合板的破坏，并考虑了应变率对准则中关键参数（应力相互作用系数F12）的影响。结果表明，使用偏轴45°拉伸试验数据确定的F12值比使用经验值更能准确地预测准静态和动态偏轴拉伸下的破坏强度。
图7 F12 确定对 UHMWPE 层压板偏轴拉伸失效预测的影响。
三、小结
这项研究为 UHMWPE 复合板在偏轴加载条件下的力学行为和失效机理提供了深入的理解，并改进了失效准则，为 UHMWPE 复合板的结构设计提供了重要的理论和实践指导。
原始文献：
Deng, J., Shao, G., Wang, Z., Xiao, P., Peng, Y., Zhang, R., Ni, C., Liu, J., Gao, J., & Lu, T. J. (2024). Off-axis mechanical behavior and dynamic characteristics of UHMWPE composite laminates. Composites Part A, 187, 108463.
原文链接：
责任编辑：复小可
☟ 推荐阅读
来源：泽洋教育