人工制備冰雹的力學(xué)性能試驗研究

張麗芬，葛鑫，劉振俠

西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院，西安 710072

冰雹會嚴(yán)重?fù)p害飛機的機身結(jié)構(gòu)、發(fā)動機、天線等，一旦飛機遭遇冰雹氣候，與遭遇其他外來物[1]一樣，會導(dǎo)致飛機機械損傷甚至發(fā)動機停車等后果，對飛機飛行安全造成嚴(yán)重威脅[2-3]。美國材料試驗協(xié)會(ASTM)于1994年針對航空飛行器飛行材料冰雹撞擊試驗提出ASTM F320—1994標(biāo)準(zhǔn)[4]，2010年再次修訂為ASTM F320—2010標(biāo)準(zhǔn)[5]。該標(biāo)準(zhǔn)目前不僅用于航空飛行器透明外殼冰雹撞擊試驗，還用于不同飛行狀況下其他附件復(fù)合材料冰雹撞擊損傷測試符合性驗證[6]。

自然界中的冰雹一般由透明與不透明的冰層相間交替組成[7]。對于冰的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，國內(nèi)外進行了大量研究，并取得了一定成果。在冰的結(jié)構(gòu)方面，研究表明冰具有13種晶體結(jié)構(gòu)和兩種非晶結(jié)構(gòu)，冰的結(jié)晶結(jié)構(gòu)會根據(jù)凍結(jié)條件而變化，結(jié)晶結(jié)構(gòu)對冰力學(xué)性能的影響是顯著的，晶體相對較小、排列不規(guī)則的冰其性質(zhì)近似各向同性[8-9]。在冰的力學(xué)性能方面，研究表明冰的3個重要特性是壓縮強度、拉伸強度和斷裂韌性，這些參數(shù)隨著試驗的應(yīng)變率與溫度的變化而變化[10-13]。張永康等[14]對不同溫度下的冰柱做了準(zhǔn)靜態(tài)測試及動態(tài)測試，表明冰是一種對溫度與應(yīng)變率較為敏感的材料。Kim和Keune[15]進行了極高應(yīng)變率下的冰彈撞擊試驗，并繪制了純冰在不同應(yīng)變率下的抗壓強度圖表。Carney等[16]進行了冰柱高速沖擊壓力傳感器的試驗，通過試驗得到了冰的材料模型參數(shù)。任曉輝[17]從冰的基本力學(xué)行為研究入手，通過宏觀、細(xì)觀及微觀3方面對冰的韌脆轉(zhuǎn)變過程進行了研究。

上述研究只是針對純冰開展，而ASTM F320—2010標(biāo)準(zhǔn)針對航空飛行器透明外殼冰雹撞擊測試提出使用加入12%醫(yī)用棉纖維的含棉冰雹作為測試冰雹，但ASTM在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有闡述棉纖維冰雹的力學(xué)特性[4-5]。針對該問題，國內(nèi)外做了一定的研究。Swift[18]設(shè)計模具制作了直徑為63.5 mm的5種不同棉含量的冰雹，在萬能試驗機上進行壓縮，結(jié)果表明含棉量為15.6 g的冰雹比含棉量為8.0、4.0、2.0、0 g的最大加載力更高，并且冰雹失效所需要的能量更多。上海交通大學(xué)的徐曼等[19]制作了含棉量為0%、1.2%、1.8%、 2.4%、3.0%、6.0%、12.0%的含棉冰雹及冰柱，在萬能試驗機上進行不同加載速度的試驗，結(jié)果表明6.0%含棉冰雹最大加載力比12.0% 的大，個別6.0%含棉冰柱的抗壓強度比12.0%的高；同等含棉量的冰雹，隨著加載速度提高，最大加載力有提高趨勢。黃興[20]制作了不同含棉量的冰柱，在不同加載速度下對冰柱進行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮測試，結(jié)果表明提高加載速度可以提高冰柱的抗壓強度。上述工作雖然對含棉冰雹開展了一定的研究，但只關(guān)注了加載速度及含棉量的影響。而含棉冰雹失效過程及含棉冰雹力學(xué)性能的關(guān)鍵影響因素對適航審定更具應(yīng)用價值，需要進一步研究。因此需要開展針對冰雹失效及力學(xué)性能關(guān)鍵影響因素的研究。

結(jié)合ASTM F320—2010標(biāo)準(zhǔn)，采用模具法制備直徑為25 mm的含棉冰雹。首先，通過高速攝影分析棉纖維冰雹的失效過程；之后，對添加不同類型棉纖維的冰雹力學(xué)性能進行分析；最后，對棉纖維含量3%、6%、12%、15%、20%冰雹的力學(xué)性能進行分析，對比棉纖維含量為3%、12%、20%冰雹的失效狀態(tài)圖，得到影響含棉冰雹力學(xué)性能的關(guān)鍵因素與含棉冰雹中棉纖維與冰的相互作用關(guān)系。

1 冰雹制備與試驗過程

1.1 冰雹制備

ASTM F320—2010標(biāo)準(zhǔn)為美國材料試驗協(xié)會針對航空與航天透明外殼撞擊測試提出的，對撞擊冰雹的尺寸、質(zhì)量、填充物質(zhì)量及冷凍溫度所做的規(guī)定如表1[5]所示。以直徑25 mm的人工制備冰雹為代表進行試驗研究。表2為制備冰雹的工況，冰雹制備的冷凍溫度及時間與ASTM F320—2010標(biāo)準(zhǔn)相同。

表1 ASTM標(biāo)準(zhǔn)冰雹參數(shù)[5]Table 1 Parameters of ASTM standard hail[5]

表2 人工制備冰雹工況Table 2 Test conditions of artificial hail

1.1.1 制雹材料及模具

試驗所用原材料有蒸餾水和棉纖維。棉纖維一般可分為長絨棉、細(xì)絨棉及短絨棉。長絨棉大多產(chǎn)于國外，棉纖維長度在33 mm以上，棉纖維強度較高，一般為4～5 gf/根，彈性較好，斷裂長度為33～40 km； 細(xì)絨棉是中國主要的棉纖維種類，棉纖維長度為23～33 mm，強度為3.0～4.5 gf/根，斷裂長度為20～25 km；短絨棉是被逐漸淘汰的品種，強度彈性在三者中最低，纖維長度為13～22 mm，色澤泛黃[21-22]。上述棉纖維均是未脫脂的，因此表現(xiàn)出一定的疏水性。在試驗中除了對比上述3種棉纖維外，還使用了醫(yī)用脫脂棉，醫(yī)用脫脂棉“由平均長度不小于10 mm的纖維組成”[23]。醫(yī)用脫脂棉為親水棉，其他棉纖維為疏水棉。圖1為試驗所用棉纖維試樣。

試驗冰雹樣本使用模具法制作，模具采用兩種材料加工而成，上半模具由聚碳酸酯(PC)加工制成，下半模具由表面噴涂特氟龍的不銹鋼制成。如圖2所示：上下兩半模具用螺栓連接，上半模具頂部開有注水孔；兩半模導(dǎo)熱能力不同，不銹鋼導(dǎo)熱能力比PC好，這樣可使由于結(jié)冰體積變大而導(dǎo)致多余的水排出，模具排水孔處不會先凍結(jié)而使其堵塞，同時，冰雹不會被太過壓縮導(dǎo)致應(yīng)力釋放產(chǎn)生裂縫。

圖1 棉纖維試樣Fig.1 Cotton fiber samples

圖2 人工制備冰雹模具Fig.2 Mould of artificial hail

1.1.2 制雹流程

使用高精度天平稱量棉纖維的質(zhì)量。試驗采用梅特勒-托利多公司的XPE206DR電子天平(圖3)，最小稱量值為10 mg，最大稱量為220 g，可讀性為0.01 mg。

將稱好的棉纖維均勻撕開，放入模具中，特別注意的是，使用疏水棉對冰雹填充時，由于棉的疏水性，棉纖維會漂浮在水的上方，因此先使用親水棉包裹疏水棉，將親水棉與疏水棉混合放入模具中，然后向模具中注入蒸餾水，將注水后的模具放入水中浸泡5 min，消除模具空腔中的氣泡。之后將模具取出，表面擦干放入事先調(diào)好溫度的恒溫箱，冷凍24 h后取出模具，放于常溫空氣中15～20 min 使冰雹表面與模具脫離，打開模具取出冰雹，選取表面無裂縫且沒有明顯缺陷的冰雹，冰雹成品如圖4所示。

圖3 試驗用天平Fig.3 Experimental balance

圖4 人工制備含棉冰雹Fig.4 Artificial hail containing cotton

1.2 試驗流程

試驗采用WDW-20微機控制低溫萬能材料試驗機，如圖5所示，最大載重20 kN，荷重精度為±0.01%，測量精度在示值的±0.5%以內(nèi)，位移分辨率0.000 1 mm，試驗控速范圍0.001～500 mm/min， 可分段控制，最大行程為1 200 mm。冰雹在空氣中融化迅速，需要在冷環(huán)境下進行試驗，因此兩壓桿之間裝設(shè)低溫箱。

圖5 低溫萬能試驗機Fig.5 Low temperature universal testing machine

試驗開始前開啟低溫箱，箱內(nèi)溫度達到-10 ℃ 時將冰雹放入開始試驗。根據(jù)應(yīng)變率，設(shè)定加載速率，對樣品進行勻速加載。應(yīng)變率ε定義為

(1)

式中：Vhead為試驗機機頭軸向位移速率；D為冰雹直徑。試驗應(yīng)變率為0.16/s。試驗機壓頭下降，對冰雹施加軸向壓力。加載至設(shè)定位移點，加載自動停止，自動保存數(shù)據(jù)。

在試驗過程中采用高速攝影機記錄冰雹破碎的瞬間，當(dāng)冰雹出現(xiàn)較為明顯的大裂縫時認(rèn)為冰雹失效。攝影機品牌型號為i-SPEED716，幀速率為5 000 幀/s，分辨率為500像素×300像素。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 冰雹破碎過程分析

以棉纖維含量為0%和12%兩種工況為例，分析冰雹的破碎過程。

圖6為棉纖維含量為0%時冰雹破碎的高速攝影照片，圖7為棉纖維含量為0%時冰雹軸向位移-加載力曲線。從圖6中看出冰雹被壓縮后，首先出現(xiàn)一條貫穿冰雹的大裂紋，之后冰雹破碎成兩半。裂紋出現(xiàn)的瞬間，冰雹加載力達到峰值，隨后加載力驟降，冰雹破碎。可以看出，當(dāng)棉纖維含量為0%(即不含棉纖維)時，人工制備冰雹表現(xiàn)出脆性性質(zhì)。從圖7可以看出，壓縮冰雹直至碎裂的過程可分為兩個階段：第1階段為線彈性階段A～B，該階段冰雹處于吸收能量的階段；第2階段為破碎階段B～C，這個階段冰雹吸收能量達到極限，出現(xiàn)破碎。整體過程表現(xiàn)出與完全脆性球體相似的力學(xué)性能。

圖6 25 mm棉纖維含量0%人工制備冰雹破碎過程Fig.6 Breaking process of 25 mm artificial hail containing 0% cotton

圖7 棉纖維含量0%人工制備冰雹 軸向位移-加載力曲線Fig.7 Axial displacement-loading force curve of artificial hail containing 0% cotton

圖8為棉纖維含量12%的冰雹破碎過程，圖9 和圖10為棉纖維含量12%冰雹位移-加載力曲線和估算的抗壓強度。從圖8～圖10可以看出，含棉冰雹的壓縮過程可分為3個階段：

圖8 25 mm棉纖維含量12%人工制備冰雹破碎過程Fig.8 Breaking process of 25 mm artificial hail containing 12% cotton

第1階段為A～B段(圖9)，該階段壓縮曲線斜率較高，是含棉冰雹的線性增長階段，這個階段含棉冰雹在較短的位移內(nèi)加載力快速上升，含棉冰雹無明顯變形及裂紋，從圖10看出該階段結(jié)束時，即B點位置，估算的抗壓強度達到了最大值。

第2階段為B～E段(圖9)，曲線斜率下降，表現(xiàn)出類似材料的屈服現(xiàn)象，抗壓強度迅速降低。從高速攝影圖(圖8)可以看出該階段在B點冰雹開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，隨著位移的增長，在C點裂紋逐漸增多，D點處裂紋逐漸發(fā)展，直至E點形成從底部到頂部的貫穿縱向裂紋；位移進一步增加，出現(xiàn)很多橫向裂紋，橫縱向裂紋交織，冰雹表面形成碎裂的冰片，但由于棉纖維的連接作用，冰雹并沒有破裂，在位移不斷增加的過程中，棉纖維內(nèi)部的空隙也不斷地減小。

最后一個階段為E～F段，棉纖維的縫隙逐漸被壓實，加載力隨著位移的增大快速增大。

圖9 棉纖維含量12%人工制備冰雹 軸向位移-加載力曲線Fig.9 Displacement-loading force curve of artificial hail containing 12% cotton

圖10 估算的25 mm棉纖維含量12% 人工制備冰雹抗壓強度Fig.10 Estimated compressive strength of 25 mm artificial hail containing 12% cotton

由以上分析可以看出，不含棉纖維和含棉纖維冰雹的破碎過程是完全不同的。由于棉纖維的連接作用，含棉纖維冰雹破碎時的加載力與不含棉纖維冰雹相比顯著上升。

2.2 棉纖維種類對冰雹性能影響

由2.1節(jié)知，棉纖維的連接作用在冰雹碎裂過程中起關(guān)鍵作用，但棉纖維本身力學(xué)性能是否對冰雹的抗壓強度有影響不得而知。因此比較了短絨棉、細(xì)絨棉和長絨棉對冰雹性能的影響，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?種不同棉纖維制成的冰雹軸向位移-加載力曲線趨勢是一致的，從線性增長階段到屈服階段，加載力按照長絨棉、細(xì)絨棉、短絨棉的順序依次略有減小。

圖11 不同棉纖維人工制備冰雹力學(xué)性能Fig.11 Mechanical properties of artificial hail containing different cotton

在對比了加載力的變化后，對冰雹的抗壓強度進行了估算。觀察含棉冰雹壓縮狀態(tài)，可以看出含棉冰雹與夾板間的接觸面積隨著軸向位移的增大而增大，接觸面積可近似采用式(2)計算：

(2)

式中：S為接觸面積；a為冰雹半徑；x為軸向位移，則估算的抗壓強度可用式(3)表達：

(3)

式中：δc為估算的抗壓強度；F為加載力。

從圖11(d)估算的最大抗壓強度對比也可以看出，長絨棉的略大于細(xì)絨棉的，細(xì)絨棉的略大于短絨棉的。這是因為短絨棉彈性較差，纖維長度較短，因此短絨棉制備的冰雹強度也較差。上述結(jié)果表明，在含棉冰雹中，棉纖維的彈性、強度對棉纖維冰雹的力學(xué)性能影響是明顯的。

2.3 棉纖維含量對冰雹性能影響

研究不同棉纖維含量對冰雹力學(xué)性能的影響時，采用的棉纖維均為醫(yī)用脫脂棉，共5種不同棉纖維含量(3%、6%、12%、15%、20%)。由圖12可以看出，在棉纖維含量為3%～15%時，隨著棉纖維含量的增加，冰雹線性增長階段和屈服階段的加載力都在不斷增大；但當(dāng)棉纖維含量增加至20%時，其加載力與棉纖維含量15%的差別不大。這是因為人工冰雹強度雖然受棉纖維含量的影響，但同時冰的強度也會影響冰雹的力學(xué)性能。圖13為棉纖維含量3%、12%、20%的冰雹完全碎裂后的狀態(tài)?？梢钥闯?，附著在棉纖維含量3%冰雹棉纖維上的冰晶數(shù)量多，顆粒大；相反地，附著在棉纖維含量20%冰雹棉纖維上的冰晶顆粒很小，且少。因此可以看出，當(dāng)棉纖維含量不同時，形成的冰的結(jié)構(gòu)和強度也不同。棉纖維含量低時，水占據(jù)的體積比較大，因此冰的量比較多，強度較大，碎裂時形成的顆粒也較大；棉纖維含量高時，水占據(jù)的體積比較小，冰量小，因此形成的冰比較松散，強度也較低，碎裂時顆粒比較細(xì)?？梢钥闯觯膹姸葘Ρ⒘W(xué)性能的影響是不能忽略的。由2.1節(jié)可知，棉纖維連接作用對冰雹力學(xué)性能的影響是顯著的。因此，棉纖維含量與附著在棉纖維上冰的含量是影響冰雹力學(xué)性能的兩個關(guān)鍵因素。當(dāng)棉纖維含量達到15%時，水所占據(jù)的體積已經(jīng)很小，冰的存在對冰雹力學(xué)性能影響已經(jīng)比較小，因此繼續(xù)增加棉纖維含量冰雹力學(xué)性能變化非常小。

圖12 不同棉纖維含量人工制備冰雹的位移-加載力曲線Fig.12 Displacement-loading force curves of artificial hail with different cotton contents

圖13 不同棉纖維含量人工制備冰雹的壓縮狀態(tài)對比Fig.13 Comparison of compression states of artificial hail with different cotton contents

2.4 棉纖維的疏水性對冰雹性能的影響

為了保證可比性，保持冰雹的棉纖維含量都為12.0%，分別采用2.3%疏水棉(即細(xì)絨棉)和9.7%親水棉(即醫(yī)用脫脂棉)、4.0%疏水棉和8.0% 親水棉、12.0%親水棉制備冰雹。圖14(a)為位移-加載力曲線，圖14(b)為抗壓強度曲線?？梢钥闯?，相同的位移下，加入疏水棉的冰雹加載力明顯降低，并且疏水棉越多，加載力越?。煌瑯拥?，加入疏水棉的冰雹抗壓強度也明顯降低，疏水棉越多，抗壓強度也越低。這是因為水無法直接吸附在疏水棉纖維表面，棉纖維上的冰含量減少；并且疏水棉和水之間的空氣不能排出，因此導(dǎo)致含疏水棉的冰雹加載力和抗壓強度都下降。

圖14 棉纖維疏水性對人工制備 冰雹力學(xué)性能的影響Fig.14 Influence of hydrophobicity of cotton fiber on mechanical properties of artificial hail

3 結(jié) 論

1) 設(shè)計了一種可以快速、便捷、高效地制備冰雹的模具與制雹方法，為適航符合性驗證提供了一種選擇。

2) 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，含棉冰雹的失效過程可分為3個階段：線性增長階段、屈服階段和破碎階段。其中，最大抗壓強度出現(xiàn)在線性增長階段的末端。

3) 添加棉纖維對冰雹力學(xué)性能的影響是顯著的，并且棉纖維彈性、強度越高，冰雹破碎所需要的加載力越大。

4) 棉纖維含量與附著在棉纖維上冰的含量是影響冰雹力學(xué)性能的兩個關(guān)鍵因素；在棉纖維含量低于15%時，棉纖維含量起關(guān)鍵作用，棉纖維含量上升，冰雹破碎時的加載力上升；在棉纖維含量高于15%后，棉纖維含量繼續(xù)增加，冰雹破碎時的加載力變化不明顯。

5) 親水棉制成的冰雹破碎時的加載力明顯高于疏水棉制成的冰雹。含有疏水棉的冰雹破碎時加載力降低，并且疏水棉纖維含量越高，破碎時加載力降低得越多。

6) 本文試驗數(shù)據(jù)為準(zhǔn)靜態(tài)測量數(shù)據(jù)，可為適航符合性驗證中的定性分析及趨勢性判斷提供參考。

致 謝

感謝賀夢奇在試驗前期付出的努力；感謝王歡在高速攝影中提供的幫助。

[21] 梁志會, 醫(yī)用脫脂棉長度分析[J]. 標(biāo)準(zhǔn)·檢驗, 2012(11): 64-65.

LIANG Z H. An analysis of the fiber length for medical cotton[J]. Standard & Inspection, 2012(11): 64-65 (in Chinese).