一、引言

纖維增強復合材料因其高比剛度、比強度、耐腐蝕性及可設計性等優勢，廣泛應用于航空航天領域，如機身面板、機翼蒙皮、發動機短艙等關鍵部件。然而，這些暴露在外的復合材料結構面臨冰雹沖擊的潛在威脅，可能引發分層、纖維斷裂等損傷，導致剩余力學性能顯著下降，威脅飛行安全。盡管冰雹沖擊的重要性日益凸顯，但相關研究仍遠少于鳥撞等其他沖擊類型，尤其是針對碳纖維增強聚合物編織復合材料的研究幾乎空白?，F有研究多集中于金屬彈丸或低速沖擊的損傷評估，而冰雹沖擊因冰體在撞擊過程中完全碎裂的特性，其損傷模式與加載過程與金屬彈丸存在顯著差異。此外，高速冰沖擊后復合材料的剩余壓縮性能（如壓縮強度退化規律）尚未系統研究，實驗方法也存在冰彈制備、分離裝置設計等技術瓶頸。

近日，Composites Science and Technology 期刊發表了一篇由哈爾濱工業大學航天科學與力學系的研究團隊完成的有關復合材料高速冰沖擊性能的研究成果。該研究提出了一種新型綜合測試系統與定量評估方法，用于分析平紋編織碳/環氧層合板在高速冰沖擊下的損傷機制與剩余壓縮性能，有效克服了現有實驗方法的局限性。論文標題為“A novel experimental approach for high-velocity ice impact resistance and tolerance investigation of composite laminates”。  圖片

二、測試方法與材料

該研究設計了一套創新的冰彈高速沖擊與沖擊后壓縮（Compression After High-velocity Ice Impact, CAHII）綜合測試系統，包含發射裝置、彈體分離裝置、試件夾具及多損傷信息采集系統。冰彈采用硅膠模具制備，直徑38毫米，平均重量25.80克，通過組合式彈托確保加速過程中冰彈完整性。

試件采用11層平紋編織碳/環氧樹脂層合板，尺寸為150毫米×100毫米，厚度4.4毫米。測試系統通過高速3D數字圖像相關（Digital Image Correlation, DIC）技術記錄試件全場應變與位移分布，并結合超聲C掃描和顯微觀察分析損傷特征。

圖1 (a) 球形冰彈丸模具和制備過程；(b) 冰彈與彈托兩部分的組合

圖2 復合材料試樣和細觀結構

圖3 (a) 模擬冰雹高速沖擊測試系統示意圖；(b) 氣槍和分離系統；(c) 夾具系統以及 (d) 夾具設備圖

三、結果與討論

1. 冰彈失效過程與復合材料沖擊變形特性

高速攝像捕捉了冰彈撞擊層合板的動態過程，其失效分為四個階段：未損傷階段、前端開裂階段、逐步碎裂階段及流體擴散階段。冰彈在接觸后50微秒內完全穿透，隨后轉化為動態流體狀。試件中心區域的峰值位移隨沖擊能量增加呈線性增長，并通過3D數字圖像相關技術量化了變形速率（Impact Deformation Rate，IDR）與位移分布。

圖4 3D 全場面外位移分布 (V = 155.02 m/s, E = 307.59 J)

圖5 (a) 計算區域示意圖和 (b) 面外位移曲線

2. 高速冰沖擊損傷特性與抗性分析

通過目視檢測、超聲C掃描和顯微觀察，研究人員將損傷模式分為五類：從無可見損傷到邊界貫穿分層。分層損傷比例（Delamination Damage Proportion, DDP）隨能量增加呈三階段變化，臨界能量閾值分別為247~286 J（分層起始）、307~311 J（背面纖維斷裂）及387~473 J（邊界貫穿分層）。

圖6 (a) 超聲 C 掃描圖像和 (b) 分層損傷比例結果

3. 高速冰沖擊后剩余壓縮性能分析

剩余壓縮強度（Residual Compressive Strength, RCS）隨沖擊能量呈指數下降，并提出預測模型。壓縮失效模式從局部剪切破壞過渡到全局分層屈曲，揭示了損傷演化與載荷分布的關聯性。

圖7 荷載-位移曲線、3D數字圖像中的應變和位移分布：(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. 高速冰沖擊抗性與耐受性評估方法

基于剩余壓縮強度退化比例模型，提出了一種定量評估方法，通過臨界能量閾值（如剩余壓縮強度退化10%、30%、50%）對比不同復合材料的抗沖擊性能。該方法為標準化實驗與結構優化提供了工程指導。

圖8 (a) 殘余壓縮強度退化率結果和 (b) 冰雹沖擊抗力和容差定量評價方法描述

四、結論

1. 設計的測試系統有效解決了冰彈制備、分離及非冰損傷干擾問題，揭示了冰彈四個階段的失效過程及層合板變形特性。

2. 平紋編織層合板以分層為主導損傷機制，損傷閾值與剩余壓縮性能的退化規律顯著不同于金屬彈沖擊。

3. 建立的RCS預測模型與定量評估方法為復合材料抗冰雹沖擊性能的標準化測試與結構設計提供了重要依據。

原始文獻：

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.

原文鏈接：

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