高速水射流冲击下航空有机玻璃(PMMA)损伤行为

2023-01-10王旋徐金瑾侯乃丹李玉龙

航空学报 2022年12期

王旋，徐金瑾，侯乃丹，李玉龙,*

1. 西北工业大学航空学院，西安 710072

2. 陕西省冲击动力学及工程应用重点实验室，西安 710072

当高速飞行的飞行器经过雨场时，前表面材料会受到水滴的反复冲击。由于它们之间较高的相对速度，雨滴对飞行器造成的冲击力不可小觑，非常容易导致风挡玻璃、天线罩、红外窗口或发动机机舱的侵蚀[1-5]。尤其是对于军用飞机，雨滴侵蚀的问题往往更加严重，表面材料会受到侵蚀甚至发生破裂[6]。因此对飞机易受雨滴冲击的部位进行耐蚀性评估是非常有必要的[7]。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃，属于高分子聚合物材料，由于其具有优越的光学性能、较高的力学强度、比重小、导热性低和易于加工成型等特点，被广泛用于飞机的风挡、座舱盖和舷窗[8-9]。然而浇铸的非定向有机玻璃存在抗银纹性能差、对应力集中敏感、抗冲击强度低等缺点。为提高非定向有机玻璃的性能，在玻璃化转变温度Tg(105 ℃)附近对该有机玻璃进行双轴拉伸和冷却固化。分子链经拉伸取向后定向有机玻璃具备更好的抗银纹、抗裂纹扩展性及更高的冲击韧性[10-11]。所以目前大多数飞机的透明件均采用定向有机玻璃。然而对于战斗机而言，座舱盖多采用单层结构透明件，同时需兼顾飞行员视野与飞机的隐身性能，外形较为复杂。由于定向拉伸有机玻璃需吹塑成形，制造难度高，目前某些飞机仍采用非定向有机玻璃作为座舱盖材料[12]。因此对两种有机玻璃的抗雨蚀能力展开评估具有十分重要的工程意义。

现今高速雨滴试验方法主要分为以下3种：

1) 火箭撬法[13-14]

将试样放置在火箭撬上加速通过人工雨场，主要用于超声速测试，且能模拟试样在真实雨场中的损伤情况，但试验成本很高，试样难以回收。

2) 旋转臂法[15]

将试样放置在旋转臂末端，通过旋转臂旋转加速使试样通过由喷嘴或针管制造的人工雨场。该方法成本较低且能模拟试样在真实雨场中的损伤情况，但试样尺寸及速度受旋转臂强度限制。

3) 射流法[16-17]

通过高速子弹冲击储水喷嘴产生的高速射流对试样进行冲击。拥有椭圆形头部的射流能模拟液滴对试样的冲击，且射流与液滴等效直径的转换可通过对比损伤得到。同时该方法成本低，可得到的射流速度范围广，被很多学者用来分析材料的损伤行为和损伤机理。

在过去的几十年中，很多学者通过射流法对有机玻璃在高速液体冲击下的损伤行为进行了广泛研究。Bowden和Brunton[18]总结了PMMA等高聚物的典型表面破坏模式，包括中央未损伤区域及周围环绕的环状凹陷或裂纹和环向短裂纹。除此之外，高速液体冲击还造成应力波在材料内部的传播。应力波相互作用造成的内部损伤有时比表面损伤更为严重。在材料厚度有限的情况下，液滴冲击会产生由应力波导致的后表面损伤和中心破坏[19]。为分析内部损伤机理，很多学者利用有机玻璃的光弹性，通过观察材料在液滴冲击后内部应力波的传播及损伤过程对损伤机理进行分析[20]。Bowden和Field[21]也通过理论推导对应力波的相互作用做出了解释。此外，液体对固体冲击造成的水锤压力也是一直以来的一个研究难点。由于冲击过程的复杂性，对水锤压力的研究一直停留在理论阶段。虽然Obara等[17]通过聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)压电薄膜测量了有机玻璃在高速射流冲击下的动力学响应，但液固接触区域应力状态极为复杂，采用压电薄膜无法对该区域应力状态做到准确地评估。为分析固液冲击的应力状态，有学者通过将PVDF压电薄膜粘贴于靶板背面对液滴冲击的冲击力进行测量，同时对固液冲击过程和应力状态进行分析[22]。

本文采用单式射流装置产生的高速射流对航空定向和非定向有机玻璃进行冲击试验，并对其损伤行为进行对比。同时通过试样内部应力波观测试验对其损伤机理进行分析。此外，为对射流冲击损伤进行评估，采用PVDF压电薄膜粘贴于试样背面，测量射流对试样的冲击力及冲量，从而实现对每次冲击试验的量化及对损伤面积的评估与预测。

1 液固高速冲击理论

液固冲击过程包括两个阶段：初始压缩阶段和侧向喷射阶段，如图1所示，其中v为冲击速度。对于接触初始阶段，高速液体冲击固体表面，液体与固体表面的接触外围向四周高速扩散，并在液体和固体内部产生应力波[17-18]。此时液固接触边界的扩展速度大于液体内部应力波的传播速度，中心液体被压缩，形成瞬态高压，称为“水锤压力”[23-24]。

图1 液固冲击过程

射流对固体的压力通过应力波传递到固体内部未受影响的区域，包括纵波、横波和瑞利波，其中纵波和横波在固体内部传播，而瑞利波在固体表面传播，如图1(a)所示。纵波以压缩-拉伸的形式传播，在波前迅速扩展时会引起径向拉应力。而横波中质点运动垂直于传播方向，这将使固体内部产生剪应力和环向拉应力。拥有垂直分量和水平分量的瑞利波会使材料表面产生拉应力和剪应力[25]。液固冲击时产生的拉应力和剪应力会导致材料损伤的起始和扩展。除此之外，应力波在自由表面的反射及在固体内部的相互作用会导致波的增强，从而造成材料的内部损伤。

当液体内部冲击波波速等于液固接触边界的扩展速度时冲击波脱离边界，内部高压以高速侧向射流的形式释放，如图1(b)所示。侧向射流的速度一般会几倍于液体的冲击速度，同时侧向射流对材料表面的冲刷剪切作用会导致环向裂纹，甚至造成材料表面剥离。之后液体在固体表面形成稳定的不可压缩流，此时接触中心点的压力会降低至较低的Bernoulli静压。

2 材料和试验过程

2.1 单射流雨蚀试验平台

液固冲击试验是在单射流冲击试验平台上进行的。该平台基于10 mm口径的一级轻气炮搭建，平台如图2所示。该平台采用高压气体驱动子弹撞击储水的不锈钢喷嘴，通过挤压喷嘴内的水产生高速射流。试验前预先在喷嘴内注入少量纯净水并用氯丁橡胶密封。子弹放置在弹托内，通过控制气室压力调节子弹速度，可产生速度为90～700 m/s的射流。

为实时观察射流形态并计算射流速度，使用Phantom V711高速摄像机观测冲击过程。在综合考虑图像清晰度及拍摄间隔后，采用的帧率为21 000 fps。根据射流前端像素点的变化与标定样张像素点和实际距离的关系可计算出射流的冲击速度与直径。此外，使用Kirana-05M高速照相机观测材料内部应力波传播，拍摄帧率为5×106fps。图3为射流的速度与形态随喷射方向位移(以喷嘴口为原点)的变化规律，可看出射流喷出后速度逐渐增加且射流头部直径逐渐增大，射流头部受空气阻力的作用变为稳定的球状。由于射流头部的形状与雨滴相似，故而可用射流模拟真实高速液滴冲击。射流速度及头部形态在距离喷嘴口10 mm左右达稳定状态，且随前进距离增加射流逐渐分散，为保证试验的重复性及结果的精确性，将试样固定在距离喷嘴口10 mm处。

通过此装置研究了定向和非定向航空有机玻璃在高速射流冲击下的损伤行为。分别进行了单次冲击和多次冲击试验，靶板材料为定向及非定向有机玻璃，单次冲击试验速度分别为160、220、290、320、390、450、520 m/s，多次冲击试验速度分别为220、320、450 m/s。试验中采用的喷嘴直径为0.8 mm，产生的射流直径约为4.5 mm。为保证试验的重复性和有效性，每个速度下至少进行3次重复冲击试验。

图2 单射流冲击试验装置

图3 水射流形态及速度随位移变化

2.2 航空有机玻璃

采用的航空非定向和定向有机玻璃试样由江苏铁锚玻璃股份有限公司提供，试样尺寸为50 mm×50 mm，厚度为9 mm。在应力波观测试验中，为观测材料内部应力波的传播，抛光试样侧面。

2.3 PVDF压电薄膜的标定

在重复试验中，尽管射流速度相近，但射流头部形态及直径仍存在差异。为对每次冲击进行量化，采用PVDF压电薄膜获取射流冲击力历程，通过提取冲击力曲线及冲击初始阶段产生的冲量对每次试验进行量化。试验采用的压电薄膜由锦州科信电子材料有限公司提供，膜厚为30 μm，尺寸为30 mm×30 mm。采用电流模式进行标定和试验[26]，测量电路如图4所示，其中i为电流，U为并联电路电压，并联电阻R=120 Ω。

图4 PVDF压电薄膜测量电路

PVDF的动态标定试验在钢制分离式霍普金森压杆(SHPB)装置上进行。通过数据处理得到的应力σ与电荷密度q的关系如图5所示，得到的动态压电系数为46.13 pC/N。

图5 PVDF压电薄膜标定曲线

3 结果与讨论

3.1 冲击后试样的典型损伤模式及表征

速度为320 m/s的射流冲击后两种有机玻璃试样的表面显微图像如图6所示。为更好地观测损伤形貌，采用两种不同景深的光学显微镜。可明显看出两种试样损伤模式的差异。从图6(a)中可看出非定向有机玻璃的损伤主要集中在表面，呈现出有机玻璃典型的损伤模式，包括近乎圆形的中央未损伤区域①、环状凹陷区域②及外围的环向短裂纹区域③。然而对于定向有机玻璃，如图6(b)所示，在中央未损伤区域①外出现了环状凹陷区域②和大面积的银纹损伤区域④。值得注意的是，在未损伤区域外围没有出现由高速侧向射流冲刷导致的环状短裂纹。同时环形银纹破坏区出现了脆性材料中典型的河流花样，在河流花样表面上有一系列台阶沿裂纹扩展方向排列，且在扩展过程中逐渐合并，在损伤区域远端形成更明显的台阶。

同时通过光学轮廓仪对损伤区域进行三维表面形貌观测，测量沿损伤中心的表面轮廓，结果如图7所示。可见对于非定向有机玻璃，中央未受损区周围在射流冲击下产生了凹陷的环形损伤环，凹陷深度约为3.5 μm。对于诸如有机玻璃等高聚物，叠加的静水压力会提高其屈服强度，因此在液固接触初始阶段中心产生的水锤压力没有对有机玻璃造成损伤，呈现出平台。然而当中心压缩释放时，液固接触边界处会产生2～3倍于水锤压力的高压，造成凹陷的损伤环。对于定向有机玻璃同样存在中央未损伤平台及环状凹陷，且凹陷深度低于非定向有机玻璃，仅为1.5 μm，这是由于定向有机玻璃有较高的冲击强度。然而值得注意的是，在银纹损伤区域(即环状凹陷区域外侧)材料表面深度并未出现明显变化，结合图6可发现定向有机玻璃银纹损伤区域表面较为平整，仅在靠近环状凹陷处表面高度升高。综上说明银纹损伤属于面下损伤，且面下裂纹的产生造成了环状凹陷边缘处的凸起。

图6 单次水射流冲击后非定向及定向有机玻璃表面损伤显微图像

图7 环形损伤区域表面轮廓

3.2 不同射流速度下的冲击损伤

图8为不同速度射流冲击下两种有机玻璃的损伤形貌，其中图8(a)～图8(c)为非定向有机玻璃，图8(d)～图8(f)为定向有机玻璃。对于定向有机玻璃，为更清晰地观测表面剥离及面下银纹损伤，采用两种景深的显微图像对损伤进行观测。可看出在冲击速度为220 m/s时两种有机玻璃表面损伤都非常轻微，且损伤面积接近。非定向有机玻璃表现为表面擦伤，主要损伤区域直径约为2.05 mm；定向有机玻璃主要表现为内部银纹损伤，银纹损伤外围直径约为1.93 mm。当速度增加至380 m/s时，非定向有机玻璃在环状凹陷区外围出现了轻微的表面剥离(如图8(b)所示)，而定向有机玻璃出现了较大面积的剥离损伤。随冲击速度增加至520 m/s，表面剥离的程度也逐渐加重，如图8(c)和图8(f)所示，两种有机玻璃中央未损伤区域外都出现了大片的表面剥离损伤。

同时试验发现在速度为160 m/s的射流冲击下两种有机玻璃表面仍出现了微小损伤，说明它们的损伤速度阈值在160 m/s以下。此外表面出现剥离损伤的速度阈值为320～380 m/s，且相同冲击速度下定向有机玻璃剥离损伤比非定向有机玻璃严重，故而推测定向有机玻璃剥离损伤阈值低于非定向有机玻璃，即非定向有机玻璃有更强的抗雨滴冲击能力。

图9总结了两种有机玻璃试样损伤面积随射流冲击速度的变化规律，损伤面积取重复试验结果的平均值，其中Sa为中央未损伤面积，Sb为损伤面积。通过对比发现两种有机玻璃试样中央未损伤面积Sa相差不大，且随着冲击速度增加没有发生太大变化，维持在一个相对稳定的值。对于两试样的损伤面积Sb，结合表面损伤显微图像可发现两种有机玻璃的Sb都随冲击速度的增加而增大。在冲击速度较低 (小于320 m/s)时两种有机玻璃试样损伤面积随冲击速度上升而缓慢增大，在同一射流冲击速度下二者的差别不大。而当速度超过320 m/s时二者的损伤面积随冲击速度增加呈快速增加趋势，且定向有机玻璃的损伤面积远大于非定向有机玻璃。结合表面显微图像(如图8所示)可看出在此冲击速度下表面逐渐出现剥离损伤，且定向有机玻璃在相同冲击速度下更容易出现更大面积的剥离。

图9 损伤面积随冲击速度变化规律

3.3 应力波观测及损伤机理

从3.1节及3.2节对损伤的描述可发现定向与非定向有机玻璃经高速射流冲击后的损伤模式有明显区别。为进一步探究其损伤机理，对两种试样内部应力波的传播及损伤扩展过程进行试验和分析。图10是速度为520 m/s的射流冲击下两种有机玻璃试样内部应力波传播的高速摄像图，其中T为时间。当射流冲击试样表面时，压缩波与剪切波在试样内部传播，而Rayleigh波在试样表面传播。由于传播速度不同，压缩波与剪切波会逐渐分离。如图10(a)所示，在射流冲击定向有机玻璃0.4 μs后观察到压缩波(C)；在0.6 μs时面下损伤(Dr)出现，同时在0.8 μs时观测到剪切波(S)；在1.2～1.4 μs压缩阶段结束，出现侧向射流。通过观察损伤过程可发现面下损伤在冲击初始阶段沿剪切波波阵面逐渐向内部扩展，且损伤出现的时刻早于侧向射流产生的时刻。此时由于中心压缩区释放产生的释放波还未形成，所以定向有机玻璃产生的面下银纹损伤是由冲击产生的剪切波造成的。图11(a)和图11(b)分别为高速摄像拍摄的损伤侧面图及冲击后表面损伤显微图像，可发现面下银纹损伤呈层间分层形式，且损伤与试样表面夹角较小，约为23°。对于定向有机玻璃，经定向拉伸后其分子链倾向于沿玻璃平面平行分层排列，而在平面内的排列则是无序的，这就导致定向有机玻璃平行于拉伸平面方向的力学性能有所改善，但垂直于拉伸平面方向的层间强度降低，呈现出明显的各向异性[27-28]。在受剪切波影响时，较弱的层间强度导致分子链沿层间断裂，呈现出分层损伤模式。

图10 有机玻璃内部应力波传播高速摄像图

图11 定向有机玻璃面下损伤放大图及表面损伤显微图像

反观非定向有机玻璃，如图10(b)所示，在冲击初始阶段剪切波的作用下也出现了面下损伤，但与定向有机玻璃相比面下损伤极小，深度更浅，损伤与表面近乎垂直。面下损伤的不同也导致两种有机玻璃在高速射流冲击下表面剥离形态的不同。对于定向有机玻璃，由于其较易形成面下层裂，在高速射流冲击下高速的侧向射流会侵入裂纹内部，将材料沿面下裂纹掀起，造成表面大面积剥离，如图12[29]所示；而对于非定向有机玻璃，其面下损伤程度较低，在侧向射流侵蚀下内部裂纹扩展并最终造成剥离的难度相对定向有机玻璃升高，所造成的剥离损伤程度小于定向有机玻璃。

图12 剥离损伤示意图[29]

3.4 单次冲击损伤评估及预测

由于相同速度射流的头部形态有一定差异，且通过高速摄影方法计算得到的射流速度存在一定误差。为更精确地对损伤面积进行量化及预测，引入冲击初始阶段的冲量对损伤进行分析。图13给出了速度为320 m/s的射流冲击下压电薄膜测得的瞬态力历程，可看出在射流冲击后测得的力信号在短时间内达到峰值，在震荡后下降达平台段。通过对这一时间段(a)内的力与时间进行积分得到冲量。同时可发现在平台段后出现了负信号，这可能是由PVDF压电薄膜的回弹所致[22,30]。

试验中PVDF压电薄膜位于试样背部，因此需评估试样厚度对测量结果的影响。图14与图15给出了不同厚度试样在射流冲击下最大冲击力与冲量随速度的变化，其中t为厚度。可看出由于冲击速度测量的误差，同一冲击速度下测得的力和冲量有一定差异，且最大冲击力与速度呈抛物线关系，而冲量与速度呈线性关系，与前人工作相似[22,31]。同时可发现试样厚度对冲击力及冲量结果的影响很小，在一定误差范围内可忽略。

图13 320 m/s水射流冲击下力的历程曲线

图14 力与冲击速度的关系

图15 冲量与冲击速度的关系

为对损伤面积进行更准确的评估和预测，通过试验中测得的冲击初始阶段冲量对损伤进行评估。冲量作为一个过程量，可对损伤面积进行更好的量化。图16给出了两种有机玻璃损伤面积随冲击初始阶段冲量变化的趋势，可明显地看出损伤面积与冲量呈线性关系。因此可假设损伤面积与冲量呈线性关系，即

Ad=MI

(1)

式中：Ad为损伤面积；I为冲击初始阶段冲量；M为材料常数。通过拟合可得出非定向有机玻璃的材料常数为4.21×10-4Pa·s-1，定向有机玻璃的为8.67×10-4Pa·s-1。然而通过拟合曲线可看出其并没有通过原点，这可能是由于试验中的误差导致的。尽管如此，该方法依然能在一定误差范围内对两种有机玻璃的损伤进行预测，同时能在射流形态稳定时忽略射流头部的差异及速度的测量误差，对损伤进行更好地预测。然而由于剥离损伤的不确定性，在冲击速度较高时的预测依然有一定的分散性，但在低速情况下能提供较好的对比。

图16 损伤面积的拟合与预测

3.5 多次射流冲击后表面损伤结果分析

为进一步探究两种有机玻璃抗雨蚀能力，采取高、中、低3个冲击速度对两种有机玻璃试样进行连续3次冲击，并通过损伤形貌及损伤面积评估其抗雨蚀能力。图17给出了冲击速度分别为220、320、450 m/s的射流冲击后试样表面形貌显微图像。试验中保证每次射流冲击的最大冲击力及冲击初始阶段冲量误差在10%以内。同时图18给出了单次冲击与多次冲击下表面损伤面积的对比。

从表面显微图像及损伤尺寸的对比可发现在3次低速(220 m/s)冲击下，非定向有机玻璃表面损伤比单次冲击明显加重，主要表现为损伤面积的增加，此外由于3次冲击射流头部有一定的差异，出现了多个环状凹陷区域，重叠的环状凹陷会进一步增加损伤的深度，且由于侧向射流冲刷导致的环向短裂纹显著增多。对于定向有机玻璃，其损伤模式与单次冲击相似，中央未损伤区域外也没有出现环向短裂纹，且多次冲击造成的面下银纹损伤区域也显著增加。同时由于裂纹扩展造成的材料表面凸起也更为严重，在这种情况下重复的冲击更容易造成表面剥离。

图17 多次水射流冲击后非定向及定向有机玻璃表面损伤显微图像

图18 单次及多次水射流冲击下两种有机玻璃试样中央未损伤和损伤面积的对比

当冲击速度增至320 m/s时非定向有机玻璃在经受多次冲击后环向短裂纹增多、深度加深且表面出现少量剥离。然而对于定向有机玻璃，多次冲击造成了表面的大块剥离，同时总损伤面积增加的幅度远远超过了非定向有机玻璃，这也进一步说明了定向有机玻璃由于其面下层裂的损伤模式更容易导致表面剥离。

同样在冲击速度为450 m/s时，受射流3次冲击后定向、非定向有机玻璃都出现了大面积的表面剥离，且非定向有机玻璃内部也出现了内部裂纹，继续冲击容易出现更大面积的剥离损伤。

通过图18给出的单次及多次冲击后两试样Sa和Sb的对比发现，多次冲击后中央未损伤面积Sa存在一定程度的减小，如图16(a)所示。这是由于多次冲击时射流头部的微小差异会对中央未损伤区域造成破坏，从而造成其面积的减小。而对于损伤区域的面积Sb，当冲击速度低于剥离损伤阈值(220、320 m/s)时非定向有机玻璃的损伤面积在多次冲击下仅出现小幅度增加，而定向有机玻璃的损伤面积在多次冲击下则出现了较大增长。这是由于定向有机玻璃损伤模式为面下分层的银纹损伤，多次冲击会造成面下裂纹的持续扩展，从而导致损伤面积的增加。而在冲击速度高于剥离损伤速度阈值(450 m/s)的情况下多次冲击后两种有机玻璃试样损伤面积都急剧增加，这是由于在首次冲击后便出现了剥离损伤，在后续冲击产生的侧向射流冲刷下已出现剥离损伤的区域更容易出现裂纹扩展并最终造成更为严重的剥离。同时定向有机玻璃在多次冲击下的损伤比非定向有机玻璃更为严重，其损伤面积接近单次冲击的5倍，这也进一步说明了定向有机玻璃由于损伤模式的原因更容易造成表面剥离。