超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纤维复合材料层合板具有高强度、低质量密度等特点，在装甲防护领域得到了广泛应用^[1-4]。UHMWPE作为防弹头盔、防弹衣等防护装备常用材料，主要通过分层、屈曲、纤维断裂、纤维拉伸耗散弹体的动能，达到抵抗子弹、破片侵彻的目的^[5-6]。然而，目前尚未清晰阐明UHMWPE纤维复合材料在弹道冲击过程中的动态压缩机制^[7]。因此，研究UHMWPE纤维复合材料层合板的动态压缩力学性能对防护材料抗弹性能优化及防护装备设计具有重要意义。

许多学者尝试将UHMWPE层合板的力学性能与其抗冲击性能联系起来，以揭示层合板潜在的失效机制^[8-11]。Lassig等^[12]通过一系列准静态拉伸和剪切实验表征了UHMWPE材料的强度属性和冲击行为，推导了材料的本构参数并将其应用于仿真代码中，但该模型对于不同冲击场景及尺寸效应有待进一步研究。Zhu等^[13]研究了UHMWPE材料在高应变率下的压缩行为，结果显示，材料厚度并不影响面外压缩方向的弹性模量。O’masta等^[14]研究了铺层角度对UHMWPE板压缩性能的影响，发现样品的抗压强度随着夹角的减小而降低。孙颖等^[15]研究了UHMWPE/乙烯基酯2.5D角联锁机织复合材料在不同应变率下的应力-应变曲线、压缩强度和能量吸收，结果表明，屈服应力、压缩模量随着应变率的增加而增大。Liu等^[16]探究了UHMWPE纤维复合材料在面内压缩载荷下的动态变形机理，数值模拟显示，层间分层在中等应变水平下对复合材料峰值强度和压缩响应的影响较小。Sharifpour等^[17]研究了UHMWPE层合板局部失效机制和早期裂纹微观力学评估。虽然高度各向异性纤维的纵向压缩性能已经得到了广泛的研究，但其横向力学性能有待进一步深入研究^[18]。张羲黄等^[19]通过压缩实验发现环氧树脂玻璃钢材料具有明显的应变率效应，且面内加载下材料的失效原因为分层损伤。潘月秀等^[20]研究发现T800碳纤维/环氧树脂单向复合材料在动态压缩下发生脆性断裂，且具有明显的应变率强化效应和界面效应。叶卓然等^[21]对比了UHMWPE纤维、芳纶纤维和碳纤维3种高性能纤维的力学性能，指出UHMWPE纤维在比强度、比模量等方面均优于其他纤维材料。目前，针对UHMWPE纤维复合材料层合板的研究主要通过实验和数值模拟分析来研究其抗弹性能^[22-25]和失效模式^[26-28]，关于UHMWPE纤维复合材料层合板在高应变率下的压缩力学性能及微观失效机制研究鲜有报道。

综上所述，研究UHMWPE纤维复合材料层合板的压缩性能并分析其失效模式对开发新型抗弹材料、建立材料在高应变率下的本构模型及失效准则具有重要意义。为此，本研究拟开展UHMWPE纤维复合材料层合板在静、动态压缩载荷下的力学性能实验，分析材料在不同应变率下的抗压强度和微观失效模式，以期为开发UHMWPE纤维复合材料本构模型和多尺度数值模拟提供依据。

1.   实　验

1.1   样品制备

实验材料为湖南中泰特种装备有限公司生产的UHMWPE纤维复合材料层合板，层合板尺寸为400 mm×400 mm×5 mm，板材的面密度约为3.8 kg/m²。材料层间粘接强度较低，切割试样过大会使材料分层。为减小实验过程中样品尺寸的影响，静、动态实验样品均采用相同尺寸，样品形状对其力学响应的影响较小^[29]，结合霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）杆件形状，选用直径为10 mm、高度为5 mm的圆柱样品，样品结构及制备过程见图1。图1(a)为样品的结构及加载方向，通过水射流切割成如图1(c)所示形状，再用小刀切除连接部分，得到实验所用样品，如图1(d)所示。

图  1  样品的加工过程：(a) 样本结构，(b) 切割样品，(c) 加工后的样品， (d) 实验样品

Figure  1.  Sample processing: (a) sample structure, (b) cutting sample, (c) post-processing samples, (d) experimental samples

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1.2   实验过程

将样品进行分组后开展静态和动态压缩实验，每组实验重复3次，以保证结果的可重复性。实验装置如图2所示。通过华龙万能材料实验机（WDW-100C）进行静态压缩实验，加载速度设为2、5、10、20 mm/min，观察其压缩性能和失效状态，实验布置如图2(a)所示。

图  2  实验装置：(a) 静态压缩实验装置，(b) SHPB实验装置

Figure  2.  Experimental setup: (a) static compression experimental device, (b) SHPB experimental device

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应变率 $\dot \varepsilon$ 通过加载速度v与样品的高度h计算得到

工程应力${\sigma _{\text{e}}}$通过面外载荷F和原始样品的压缩面积A₀计算得到，工程应变${\varepsilon _{\rm e}}$通过压缩位移$\Delta h$和样品的高度h计算得到，即

真实压缩应力$\sigma$和真实压缩应变$\varepsilon$为^[30]

使用SHPB进行动态实验，杆的材料为35CrMnSi，撞击杆尺寸为$\varnothing$16 mm×210 mm，撞击速度最高达80 m/s，入射杆、透射杆、缓冲杆的尺寸均为$\varnothing$16 mm×1200 mm。为研究材料在不同动态应变率下的抗压性能，设定充气压力为0.25、0.45、0.65 MPa，具体实验布局如图2(b)所示。

根据SHPB实验的一维应力波假定，样品两端面受力平衡，则

式中：${\varepsilon _{\rm i}}$、${\varepsilon _{\rm r}}$、${\varepsilon _{\rm t}}$分别为杆的入射、反射和透射应变。

工程应力和工程应变可由反射波和透射波计算得到，将所得结果代入式(3)即可得到真实应力和真实应变，此时工程应力、工程应变、应变率可分别表示为^[30]

式中：A为当前样品当前的压缩面积，E为杆的弹性模量，${c_0}$为压杆中应力波的传播速度。

1.3   损伤形貌观察

如图3所示，采用日立高新技术公司的SU3500型扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）对实验后的样品进行微观形貌观察以及失效模式分析。由于样品材料不导电，因此在材料厚度方向进行喷金处理。

图  3  扫描电子显微镜（SU3500）

Figure  3.  Scanning electron microscope (SU3500)

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2.   实验结果及分析

2.1   静态压缩性能

每种加载速度开展3次重复实验，并记录样品在加载过程中的变形情况。4种静态压缩速率（6.7×10⁻³、1.7×10⁻²、3.3×10⁻²和6.7×10⁻² s⁻¹）下材料的真实应力-真实应变曲线如图4所示，其中曲线为3次重复实验的平均值，误差带为各应力的标准差。

图  4  准静态实验结果

Figure  4.  Quasi-static experimental results

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由图4可知，样品在压缩过程中呈现先凹后凸的变化趋势。当应变率在6.7×10⁻³～6.7×10⁻² s⁻¹区间时，UHMWPE纤维复合材料层合板未表现出应变率效应；当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，样品出现应力滞后现象，可能是较低的加载速率导致样品的失效模式发生了变化。根据应力-应变曲线的变化趋势，可将其分为两个阶段，通过曲线求导近似，以紫色线作为分界线。在图4紫色线下方的第Ⅰ阶段，由于材料在制备过程中不可避免地存在缝隙和空腔^[31]，在样品压缩过程中这些缝隙和空腔闭合，导致应力-应变曲线缓慢上升，呈凹形上升现象；在紫色线上方第Ⅱ阶段，此时样品被压实，压缩作用下样品内部产生间接张力，最终单个铺层在纵向发生位移，出现片状挤出现象，曲线呈现凸形平台。

将实验视频进行图像截取，以观察样品失效形貌。由图4和图5可知，当应力小于150 MPa时，样品处于逐渐压紧状态，应力-应变曲线增长得较快，4种应变率下均满足该变化规律，侧面反映出实验设备和所制样品稳定可靠。继续加载样品时，单个铺层会从纵向挤出，应力增长速度逐渐变缓，随着应变率增加，曲线斜率并无明显变化，应变率效应并不显著，与文献[32]的结论一致。

图  5  静态压缩下样品的变形

Figure  5.  Deformation of samples under static compression

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由图5可知，当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，样品逐渐压紧，其表面从光滑变为粗糙，反光性能变差，纤维层逐渐从样品中挤出，即材料在压缩载荷下达到图4曲线的极限点，该点的应力值为材料在面外压缩方向的压缩强度。在面外压缩载荷下，UHMWPE纤维复合材料层合板因其正交结构出现了面内挤出现象，该现象是材料纤维与基体之间的层间粘接强度较低导致的，通过层间位移达到材料泄压。何业茂等^[33]通过实验发现方形样品在面外压缩下出现的分层破坏现象是层合板在压缩载荷下纤维层间的剪切力大于其剪切强度导致的。本实验中，圆柱形样品也出现了分层破坏，且纤维层被大量挤出，其原因是面外压缩导致纤维轴向面内拉伸，进而使层状材料被压出。

2.2   动态压缩性能

动态压缩实验设定的加载气压为0.25、0.45、0.65 MPa，对应的应变率分别为2.05×10³、4.08×10³和5.27×10³ s⁻¹。从图6(a)～图6(c)中可知，3种高应变率下材料的力学响应变化趋势一致，均具有线弹性阶段，随后出现微屈服段，最后压力上升直至断裂失效。曲线中的峰值应力为材料在相应应变率下的压缩强度。图6(d)表明其压缩强度呈现明显的应变率相关性。3种工况下，材料曲线均出现二次屈曲现象，第一次材料屈曲为材料内部间隙压实，第二次屈曲为材料面外压缩诱导的面内位错分层。当应变率为5.27×10³ s⁻¹时，材料曲线呈现3段屈曲，并且材料屈曲与其分层相关。动态压缩下的力学响应情况与静态压缩下的材料失效明显不同，高应变率下材料失效主要为分层和纤维断裂。由图6(e)材料不同方向的外部形貌可知，随着应变率的增大，样品周围的纤维碎屑逐渐增多且分层现象显著。当应变率为2.05×10³ s⁻¹时，样品的主要破坏形态为铺层的局部滑移和纤维扭结，并未出现纵向分层，所以其失效应变较小。随着应变率的增加，图6(e)中材料的分层现象更加明显。

图  6  动态实验结果: (a) 0.25 MPa，(b) 0.45 MPa，(c) 0.65 MPa，(d)真实应力-应变曲线，(e) 动态压缩下样品的变形

Figure  6.  Dynamic experimental results: (a) 0.25 MPa, (b) 0.45 MPa, (c) 0.65 MPa, (d) true stress-strain curves, (e) deformation of sample under dynamic compression

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表1列出了不同应变率下的实验结果，参考文献[34]的方法，将6.7×10⁻³ s⁻¹应变率下的压缩强度作为静态压缩基准。动态压缩载荷下，随着应变率的增加，动态抗压强度和动态增强因子（dynamic increase factor，DIF）均呈现明显的动态增强效应。由于动态冲击时间短，材料缓冲位移小，因此材料受压后纤维铺层产生间接张力，进而形成分层来耗散能量。动态载荷下3种工况均出现了分层开裂和滑移现象，并且应变率越高，材料分层效应越明显，纤维崩裂的碎屑越多，材料的可变形位移越大，动态峰值应变也越大。

表  1  动态压缩实验结果

Table  1.  Dynamic compression experimental results

Static compressive strength/MPa	Loading air pressure/MPa	Strain rate/s−1	Dynamic compressive strength/MPa	DIF	Dynamic peak strain
424.52	0.25	2.05×103	334.26	0.78	100
424.52	0.45	4.08×103	499.97	1.18	210
424.52	0.65	5.27×103	649.77	1.53	220
Note: (1) Static compressive strength is the maximum stress at a loading speed of 2 mm/min; (2) Dynamic compressive strength is the peak stress achieved by the sample under dynamic compressive loading; (3) DIF is the dynamic compressive strength divided by the static compressive strength; (4) Dynamic peak strain is the strain value corresponding to the dynamic compressive strength.

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图7显示了静、动态压缩（7种应变率）下材料的压缩强度和峰值应变。由图7(a)可知：4种静态应变率加载下，材料的压缩强度和峰值应变相近，无明显的应变率效应；但应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹与应变率为1.7×10⁻²～6.7×10⁻² s⁻¹相比时，实验曲线出现应力滞后现象，可能是加载速率变化过大导致应力波在材料内部的传递形式发生变化，从而导致失效模式不同；当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，峰值应变为0.46，比1.7×10⁻²～6.7×10⁻² s⁻¹应变率下样品的峰值应变高4%～7%。因此，在应变相同的情况下，应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时的压缩强度更低。动态压缩下样品的压缩强度和峰值应变均具有应变率相关性。在2.05×10³、4.08×10³、5.27×10³ s⁻¹ 3种动态速率压缩下，材料的峰值应变显著低于4种静态加载工况，这是由于高应变率压缩下材料没有足够多的时间传递载荷和变形，导致材料局部发生分层失效。静态和动态加载下，材料压缩强度均逐渐升高。但是当应变率为2.05×10³ s⁻¹时，压缩强度显著低于静态加载工况，原因可能是0.25 MPa气压不足以使样品产生滑移分层，仅有局部的压实段和少量的纤维挤出，与准静态压缩样品相比，应变相差4倍以上，故其压缩强度较低。高应变率加载下，样品的峰值应变逐步增大，表明该材料具有应变率强化效应。

图  7  不同应变率下的压缩强度和峰值应变：(a) 压缩强度，(b) 峰值应变

Figure  7.  Compressive strength and peak strain at different strain rates: (a) compressive strength, (b) peak strain

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2.3   微观失效分析

图8显示了静态压缩实验后样品的微观形貌，其中：图8(a)～图8(d)为样品在4种应变率下的整体失效形貌，图8(e)～图8(f)为典型的局部失效形貌。由图8可知，材料的整体压缩响应表现为铺层挤出，根据应变速率的不同，铺层挤出程度也不尽相同。当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，样品压缩端和固定端的铺层挤出程度相对均匀，在持续加载下材料内部逐渐压实，最终出现铺层的大幅挤出，导致图4所示曲线出现屈服。其原因是在加载过程中压力和变形有足够多的时间在整个样品中传递，样品厚度方向均发生纤维层纵向位移，因此该工况下材料的峰值应变较大，压缩强度最小。当应变率为1.7×10⁻²、3.3×10⁻²、6.7×10⁻² s⁻¹时，样品单侧（压缩端）铺层挤出层数多，且3种工况下微观尺度的铺层变形形貌相同，因此图4应力-应变曲线变化趋势基本一致。由于加载速率提高，厚度方向的加载使样品非均匀受力，加载端纤维层的纵向位移较大，致使峰值应变较小。在微观层面，4种静态应变率下样品的纤维失效模式相同，均为面外加载下纤维铺层发生纵向位移。由于加载速率的差异，铺层位移存在差异。当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，由于其加载速率较其余3种工况低，样品厚度方向铺层的纵向位移较均匀，铺层纤维未发生明显的拉伸。在1.7×10⁻²、3.3×10⁻²和6.7×10⁻² s⁻¹ 3种工况下，纵向位移的铺层均发生较严重的纤维拉伸，因此其压缩强度比应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时大。从图8(e)和图8(f)中的纤维尺度来看，横向的压缩作用使铺层在纤维方向上产生间接拉伸作用，层间剪切力大于层压板的剪切强度，纤维被逐渐拉长直至断裂。由此可见，UHMWPE纤维复合材料层合板在横向压缩过程中会诱导材料在纤维方向产生拉伸载荷。从图8(f)中纤维逐渐变细甚至断裂可知，在面外压缩载荷下材料主要通过纤维断裂承载冲击。Attwood等^[35]也通过理论和数值模拟解释了这种面外压缩产生的材料纤维轴向位移形成的剪切滞后区。

图  8  静态加载后UHMWPE纤维复合材料层合板样品的微观形貌

Figure  8.  Microstructure of UHMWPE fiber composite laminate samples after static loading

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图9显示了动态加载后样品的微观形貌，其中：图9(a)～图9(c)显示了样品在3种应变率下发生的分层、位错滑移形貌。如图9(a)所示，当应变率为2.05×10³ s⁻¹时，样品在其高度方向上只有一层发生了明显的铺层滑移现象，且为局部失效，因此其压缩强度最低。随着加载气压的升高，如图9(b)～图9(c)所示，分层现象更严重，主要表现为材料的位错滑移，端部纤维形貌与静态载荷下的拉伸状态不同，发生了缠绕和扭结，主要原因是动态载荷下除了压缩诱导的层间剪切外，反射波加剧了材料分层破坏，进一步揭示了材料在动态载荷下的强度增强效应。与静态加载不同，在瞬间冲击作用下材料变形将由等温变形转变为绝热变形，产生的温度效应将会影响材料的失效形式。当应变率为2.05×10³ s⁻¹时，样品的峰值应变显著小于其余2种工况，因此其失效形貌（见图9(a)）也与其他2种工况（见图9(b)和图9(c)）存在较大差异，较小的峰值应变也导致其压缩强度较低。当应变率为5.27×10³ s⁻¹时，如图9(c)所示，样品中不仅出现较多的材料分层，还发生明显的纤维缠绕，因此其压缩强度最高。从图9(d)和图9(f)的局部视图中可以发现，铺层发生脱粘和撕裂现象，与静态压缩实验的铺层挤出现象不同，铺层未发生明显卷曲。随着应变率的增加，材料的分层数逐渐增多，纵向分层位移也逐步增大。当应变率为2.05×10³ s⁻¹时，只有少量纤维挤出，对应的图6(a)曲线第Ⅱ阶段较为平滑；当应变率为4.08×10³ s⁻¹时，材料出现2处分层，对应的图6(b)曲线双段屈曲效应明显；当应变率为5.27×10³ s⁻¹时，应力-应变曲线近似呈3段屈曲现象，如图6(c)所示。通过材料分层数可知，应力-应变曲线的多次屈曲是由滑移分层导致的，可通过改进纤维和基体属性调控其力学性能。

图  9  动态加载后UHMWPE纤维复合材料层合板样品的微观形貌

Figure  9.  Microstructure of UHMWPE fiber composite laminate samples after dynamic loading

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3.   结　论

(1) UHMWPE纤维复合材料层合板在静态压缩载荷下无应变率效应，真实应力-应变曲线呈现先凹后凸的变化趋势。当应变率为6.7×10⁻³ s⁻¹时，层合板有足够长的响应时间，样品两端均呈现纤维铺层挤出，应力-应变曲线出现应力滞后现象；当应变率为1.7×10⁻²、3.3×10⁻²、6.7×10⁻² s⁻¹时，样品均为单侧纤维挤出，压缩强度和峰值应变接近，无明显的应变率效应。

(2) UHMWPE纤维复合材料层合板动态压缩载荷存在应变率效应，其应力-应变曲线呈现“多屈曲”效应，屈曲状态与材料的纵向位错分层相联系，压缩强度随应变率的增加而升高。

(3) UHMWPE纤维复合材料层合板横向压缩载荷在静、动态下呈现不同的失效模式：静态压缩载荷下材料的主要力学响应为纤维拉伸、断裂和铺层滑移；动态载荷下除了压缩诱导的层间剪切外，反射波也会导致层裂破坏，材料失效主要表现为纤维缠绕、扭结、铺层脱粘以及材料的纵向位错滑移，宏观表现为大开口的分层破坏。