摘要： 本文旨在通过实验研究弹道冲击过程中Toray® TC1225 LMPAEK T700G热塑性复合材料内部的瞬态温度变化。研究采用高速红外热成像技术（帧率高达78 kHz），结合高速可见光摄影，分别观测了复合材料板的背面和一个机加工横截面。实验冲击速度覆盖了材料的穿透阈值（158-159 m/s）及其以下水平。研究结果表明，在非穿透性冲击事件中，复合材料内部最高记录温度为106°C，低于该材料的玻璃化转变温度（147°C）。关键发现是，最高温度的出现与冲击产生的横向波通过材料横截面的时刻相关，而非与板的最大变形时刻相关。这意味着由剪切变形引起的热生成是主要的温升机制。本研究为验证和开发考虑热-力耦合效应的复合材料冲击模型提供了关键的实验数据，并指出对于此类材料在非穿透冲击下，可能无需考虑因达到玻璃化转变温度而导致的材料性能剧变。

关键词： 弹道冲击；热塑性复合材料；高速红外热成像；瞬态温度测量；横向波；玻璃化转变温度

1. 引言

碳纤维增强聚合物基复合材料因其高比强度、高比刚度而在航空航天结构中得到广泛应用。其中，热塑性复合材料（如本研究采用的Low-Melt Polyaryletherketone, LMPAEK）更具优势，如可焊接性、可回收性以及优异的抗冲击损伤能力。

聚合物材料在高应变率载荷下发生大变形时，绝大部分塑性功会以热能的形式耗散，导致材料内部温度升高。在接近绝热条件下，这种温升可能引起材料软化，从而显著改变其力学响应和破坏模式。对于复合材料，这种热-力耦合效应尤为复杂，因为树脂基体的力学性能通常具有强烈的温度依赖性。一旦温度达到或超过玻璃化转变温度，树脂将从玻璃态转变为高弹态，其模量和强度将急剧下降。

尽管已有一些研究尝试通过数值模型来预测冲击过程中的温度场及其影响，但这些模型普遍缺乏可靠的实验数据用于验证。以往的实验研究多局限于观测复合材料板的表面，或使用点源冲击器导致弹性力较小。Johnston等人虽在弹道冲击中观测到超过252°C的背面温度，但其研究对象为热固性复合材料，且未能揭示材料内部的温度分布。

为填补这一研究空白，本研究设计了创新的实验方案：

  1. 采用ASTM D8101标准规定的分布式载荷冲击器，以产生足够大的弹性力和热机械效应。

  2. 使用超高帧率（最高78 kHz）红外热像仪，以捕捉微秒量级的瞬态温度变化。

  3. 除观测背面外，首次通过机加工孔洞直接观测复合材料内部横截面的温度场，以揭示被表面树脂层掩盖的内部温升机制。

本研究的核心目标是：确定在非穿透性弹道冲击下，复合材料内部是否会出现足以引发玻璃化转变的温升，并阐明其主要产生机制，为高保真度计算模型的开发提供实验依据。

2. 实验方法

2.1 材料与试样

实验材料为Toray® TC1225 LMPAEK T700G，是一种半结晶热塑性复合材料。层合板采用准各向同性铺层序列[45/90/-45/0]4s，总厚度为4.32 mm。其主要性能参数见表1。

表1. 材料性能

性能 数值
树脂含量 (wt.%)
34
单层固化厚度 (mm)
0.14
玻璃化转变温度, Tg (°C)
147
熔融温度 (°C)
305

2.2 冲击测试系统

冲击实验在单级气枪上进行。弹体为杯形铝制弹丸，质量为92 g，遵循经修改的ASTM D8101测试标准。该弹体设计能将冲击载荷分散在一个区域上，避免局部应力集中，从而激发更大的整体结构响应和热机械效应。层合板被夹持在前端孔径为25.4 cm的圆形框架和带有28个贯穿螺栓的厚重背框之间。

2.3 光学测量系统

实验采用了多套同步高速成像系统：

  1. 可见光成像系统：共使用7台高速相机，包括Phantom V7、Photron SA-Z和SA-X2，用于测量弹体速度、姿态以及记录面板前后的变形过程。

  2. 红外热成像系统：使用Telops FAST-IR 2K高速红外相机。其实验配置分为两种：

  • 配置一（背面观测）：相机正对面板背面，分辨率64×64像素，帧率18.1 kHz。

  • 配置二（横截面观测）：在面板上钻一个直径为9.525 mm的孔，相机以倾斜角度观测该孔的横截面，分辨率64×24像素，帧率41.5 kHz。

实验前，依据ASTM E1933-14标准，采用接触式热电偶法对复合材料表面和横截面的发射率进行了标定。测试舱内壁覆盖黑色天鹅绒以抑制红外反射。

热塑性复合材料在弹道冲击实验中的瞬态温度测量

3. 结果与讨论

3.1 背面观测结果

实验T1A和T1B的冲击速度均为140 m/s（约为穿透速度的88%）。

  • 实验T1A：冲击后，一条碳纤维带完全剥离并卷曲。在剥离过程暴露出的内部层上观测到最高温度81.7°C（图3）。该高温被归因于碳纤维断裂和层间摩擦。

  • 实验T1B：碳纤维带未完全剥离，而是发生断裂。最高记录温度仅为36.6°C，热扩散过程缓慢（图4）。

讨论：这两个实验揭示了脱层模式的多样性。T1A中暴露的内部高温区域表明，仅从背面观测可能会严重低估材料内部的真实温度，因为表面的树脂层起到了热屏障的作用，延缓并平滑了内部热量的扩散。

3.2 横截面观测结果

为探究内部温度，进行了横截面观测实验。

  • 实验T2A（非穿透，104.5 m/s）：这是本研究最关键的发现在于此实验。可见光图像（图8）清晰地显示了横向波从冲击点向外传播的过程。红外图像（图9）显示，最高温度（75°C）出现在横向波通过横截面的时刻（冲击后50 μs），而非面板达到最大位移的时刻（冲击后250 μs）。温度时序曲线（图10）进一步证实了温度峰值与横向波传播的强相关性。

  • 实验T2B（穿透，139 m/s）：由于开孔更靠近冲击中心，面板被穿透。在横向波通过期间，横截面记录到106°C的最高温度（图12b）。随后，由于纤维断裂和剧烈脱层，温度进一步飙升到200°C以上，但这属于穿透后的失效现象。

讨论：横向波在材料中传播时会引起垂直于波前的粒子振动，产生显著的剪切应力。固体材料对剪切的抵抗将机械能转化为热能。我们的实验直接证明了横向波引起的剪切变形是复合材料在冲击过程中内部温升的主要机制。最大温度出现在波前，而非最大应变能储存处，这一发现对理解冲击过程中的能量耗散路径至关重要。

4. 综合分析

  1. 玻璃化转变温度未被达到：在所有非穿透冲击实验中，无论是内部横截面还是背面，测量到的最高温度（106°C）均低于TC1225的Tg（147°C）。差示扫描量热法对冲击后样品的分析也未发现冷结晶迹象，进一步证实了材料未经历Tg。这表明在模拟此类材料的非穿透冲击时，可能无需考虑因Tg导致的材料性能突变。

  2. 内部温度测量的必要性：背面观测与横截面观测结果的显著差异，凸显了直接测量内部温度的重要性。仅从表面测量会低估内部的实际温升，并可能误解温升的时序和机理。

  3. 对建模的启示：本研究结果为验证考虑热-力耦合的本构模型（如基于Taylor-Quinney系数[13]的模型）提供了宝贵数据。模型必须能够准确预测由横向波引起的瞬时剪切生热。同时，虽然未达到Tg，但局部瞬态高温（如106°C）仍可能引起基体主导性能（如横向压缩强度和面内剪切强度）的下降，在精细化模型中应考虑这一效应。

5. 结论

本研究通过高速红外热成像技术，成功实现了对热塑性复合材料在弹道冲击下内部瞬态温度场的直接测量。主要结论如下：

  1. 对于Toray® TC1225 LMPAEK材料，在非穿透性弹道冲击条件下，其内部最高温度低于玻璃化转变温度，材料性能不会因达到Tg而发生剧变。

  2. 冲击过程中复合材料内部的最高温度与横向应力波的传播直接相关，表明剪切生热是主要的温升机制，这一发现修正了认为最大变形处温度最高的传统观点。

  3. 直接观测材料内部横截面对于准确理解冲击热力学行为至关重要，仅从表面观测会得到不完整甚至误导性的结论。

6. 未来工作建议

  1. 结合3D-DIC技术：未来研究可将高速红外热成像与三维数字图像相关法结合，同步获取全场的应变和温度数据，从而直接建立应变场与温度场之间的定量关系。

  2. 扩展材料体系：本研究结论针对特定材料。建议对不同树脂体系（如其他PEKK、PEEK、热固性树脂）和纤维架构的复合材料进行类似研究，以验证结论的普适性。

  3. 模型集成与验证：利用本实验获得的高频温度数据，开发和验证能够精确预测冲击过程中剪切生热和热传导的先进本构模型。