整體中空夾層復合材料平壓性能的實驗*

王狄輝，周光明，劉暢，王校培，李文龍

（南京航空航天大學機械結(jié)構(gòu)力學與控制國家重點實驗室，南京 210016）

整體中空夾層復合材料平壓性能的實驗*

王狄輝，周光明，劉暢，王校培，李文龍

（南京航空航天大學機械結(jié)構(gòu)力學與控制國家重點實驗室，南京 210016）

選取了不同織造參數(shù)和基體材料的試驗件進行了平壓試驗，觀察描述了平壓試驗中試驗件的破壞過程，并將得到的實驗數(shù)據(jù)進行整理分析。討論了厚度、絨經(jīng)密度、基體材料以及絨經(jīng)粗細對于整體中空夾層復合材料平壓性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨著厚度的增加，絨經(jīng)密度的減小，材料的平壓強度減??；基體材料不同，材料的平壓強度也明顯不同；絨經(jīng)的粗細對平壓性能影響顯著。

夾層復合材料；整體中空； 平壓試驗；平壓性能

整體中空夾層復合材料是一種新型的夾芯材料，國外稱之為三明治結(jié)構(gòu)，由緯紗、地經(jīng)紗和絨經(jīng)構(gòu)成。地經(jīng)紗和緯紗交織構(gòu)成上下面板，絨經(jīng)穿過上下面板，并在上下面板之間撐起一片空間構(gòu)成芯材部分，芯材部分往往呈“8”字形或“X”字形。它相比于傳統(tǒng)的夾層結(jié)構(gòu)復合材料，其面板與芯材由纖維連成一體，具有較好的層間性能。此外，由于該材料具有高強輕質(zhì)、耐沖擊和抗分層的特點［1-2］，在飛機、船舶和建筑等行業(yè)具有廣泛的應用前景。

國內(nèi)外學者對該材料進行了實驗和理論研究［3-4］。M. Sadighi等［5］對該材料進行了包括側(cè)拉、側(cè)壓等在內(nèi)的力學性能測試。D. Dhont［6］通過實驗對比分析了不同厚度整體中空夾層復合材料對拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度以及剪切強度等力學性能的影響。周光明等［7-8］通過建立整體中空夾層復合材料的細觀模型進行了彈性性能的分析。O. Velecela等［9］研究了側(cè)壓工況下此種材料的失效模式，并運用有限元方法進行了模擬。M. V. Hosur等［10］針對不同補強面板的中空夾層復合材料進行了低速沖擊實驗研究，發(fā)現(xiàn)（玻璃/碳）纖維混雜面板具有良好的抗沖擊能力。A.Corigliano［11］將聚氨酯泡沫填充在該材料芯層進行了彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)其剛度和強度大大提高。曹海建等［12-13］利用有限元軟件建立了該材料的結(jié)構(gòu)模型，進行了壓縮性能分析。高愛軍等［14］研究了該材料在平壓、剪切和三點彎曲載荷下的力學特性和破壞模式，分析了不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同工況的影響。

由于在實際應用中，整體中空夾層復合材料主要承受壓縮和低速沖擊。因此，對于其平壓性能的實驗研究具有很大的必要性，而較多學者僅從試件厚度、絨經(jīng)密度、絨經(jīng)傾斜角等方面對其進行了平壓實驗研究。

筆者除了從不同厚度、不同絨經(jīng)密度這兩方面進行研究，還選取了一系列不同樹脂、不同紗線粗細的試驗件進行了平壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果討論了不同織造參數(shù)和基體材料對其平壓性能的影響。

1　實驗部分

1.1主要原材料

整體中空夾層復合材料：南京玻璃纖維研究院；

環(huán)氧樹脂（EP）：WSR618（E-51），南通星辰合成材料有限公司；

不飽和聚酯樹脂：欣葉豪化工有限公司；苯二甲酸（環(huán)氧固化劑）：長沙市化工研究所；領苯二甲酸二丁酯（增塑劑）：上海長久化學試劑有限公司。

1.2主要儀器及設備

微機控制萬能試驗機：CMT5504型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司。

國道318線林拉公路改建工程米拉山隧道左洞順利貫通。米拉山隧道是國道318線拉林高等級公路重點控制性工程，全長5720米，右洞已于今年6月貫通。該隧道是雙線分離式隧道，按照雙向四車道標準建設。米拉山隧道的貫通將為拉林公路如期建成通車打下堅實的基礎。

1.3試樣制備

先將EP，固化劑、增塑劑按10∶2∶1的質(zhì)量比調(diào)和，然后采用手糊成型工藝［15］將中空織物制成中空平板，待其固化后切割成標準樣件。具體織物參數(shù)如表1所示。

表1　整體中空夾層復合材料織物參數(shù)表

1.4性能測試

平壓試驗按照GB 1453-1987測試，試件尺寸為60 mm×60 mm，每種規(guī)格6件。將試驗件壓縮至破壞即可得到其平壓強度。平壓強度σc按下式進行計算：

式中：Pmax——破壞載荷，N；

a—試驗件邊長，mm。

其中一個試件平壓試驗的位移載荷曲線如圖1所示。試驗及試樣破壞過程如圖2所示。從圖1可看到，試樣壓緊之后，材料開始進人Ⅰ階段，此時載荷隨位移呈線性增長，變形仍為彈性變形；隨后芯材發(fā)生屈曲，芯材與面板連接處出現(xiàn)損傷，但仍可繼續(xù)承載，載荷隨位移呈非線性緩慢增長；隨著載荷的進一步增大，“8”字形結(jié)構(gòu)交叉處也出現(xiàn)損傷，實驗進人Ⅱ階段，載荷開始掉落；最終試件的芯材完全崩塌，實驗進人Ⅲ階段，試樣破壞，載荷作用在面板和破壞的芯材上，又開始回升。

圖1　平壓試驗位移載荷曲線

圖2 平壓試驗及試樣破壞過程

圖3　試驗后試件細觀圖

2　結(jié)果與討論

對不同織造參數(shù)及基體材料的試驗件進行平壓試驗，計算得到不同的平壓強度，取有效數(shù)據(jù)的平均值，對數(shù)據(jù)進行整理分析，討論各因素對整體中空夾層復合材料平壓性能的影響。

2.1厚度與基體材料對平壓強度的影響

對不同厚度的環(huán)氧樹脂基與不飽和聚酯樹脂基的試驗件進行平壓試驗，將所得數(shù)據(jù)進行整理可得圖4結(jié)果。

從圖4中可以看出，隨著厚度的增加，兩種基體的試驗件平壓強度下降明顯。這是因為當厚度較小時，組成“8”字形的兩根紗線貼合較緊，樹脂填滿紗線間的空隙，使芯材變?yōu)橐桓^粗的短桿，相對于細長桿，它更不易失穩(wěn)和破壞，從而增強了材料的平壓強度。此外，由于成型工藝的原因，也導致了相對于厚度較小的試驗件，厚度大的試驗件的芯材的膠含量可能較小，從而也降低了其平壓強度。從圖中還可以看出，隨著芯材厚度的增加，平壓強度并非線性減小，而是呈減緩趨勢減小。這是因為當芯材厚度較小時，芯材會比較接近“X”形結(jié)構(gòu)，而在厚度較大時接近“8”字形結(jié)構(gòu)，芯材結(jié)構(gòu)的變化導致了平壓強度不隨芯材厚度的增大而線性減小。

圖4　平壓強度隨芯材厚度的變化

將不飽和聚酯樹脂基試驗件的實驗數(shù)據(jù)與環(huán)氧樹脂基試驗件進行對比，可以清楚地看到，厚度相同時，不飽和聚酯樹脂成型的試驗件的平壓強度明顯地低于環(huán)氧樹脂成型的試驗件，并且不飽和聚酯樹脂基的整體中空夾層復合材料的平壓強度僅為相同厚度下環(huán)氧樹脂基試驗件的64%～75%。這說明了基體材料的種類也是影響其平壓性能的一個重要因素。因此，可根據(jù)實際生產(chǎn)應用所需的強度要求，選用不同種類的基體材料以達到節(jié)約成本的目的。

2.2絨經(jīng)密度對平壓強度的影響

圖5示出厚度為3，5 mm和8 mm不同絨經(jīng)密度的環(huán)氧樹脂基試驗件的平壓強度。由圖5可知，當芯材厚度相同時，平壓強度隨著絨經(jīng)密度的增加而增大，且芯材厚度越小，這種變化越線性。一方面，平壓時主要是絨經(jīng)受力，隨著絨經(jīng)密度的提高，其平壓強度必然會提高；另一方面，隨著絨經(jīng)密度的增加，絨經(jīng)之間的間距縮小，相鄰的兩根絨經(jīng)互相接觸，在壓縮時產(chǎn)生協(xié)同效應，從而在一定程度上也增加了其平壓強度。而且由于成型工藝等原因，導致了當芯材厚度較大時，試驗件存在的缺陷也會較大，因此這種變化的線性程度會隨著芯材厚度的增加而變差。

圖5　平壓強度隨絨經(jīng)密度的變化

2.3紗線粗細對平壓強度的影響

表2為環(huán)氧樹脂基10 mm試驗件在不同紗線粗細下的平壓強度。對比這兩個試驗數(shù)據(jù)可以看出，紗線加粗能顯著地提高材料的平壓強度。且通過織物參數(shù)表可以知道，和基準試件相比，粗紗試驗件的絨經(jīng)的總體積是基準件的1.7倍，但平壓強度卻是其11.9倍。當紗線較細時，芯材主要以失穩(wěn)的方式發(fā)生破壞；而紗線較粗時，芯材不易失穩(wěn)，壓縮破壞會比較明顯。由于試件受壓縮載荷作用時，屈曲破壞與壓縮破壞會同時發(fā)生，所以僅簡單地使用失穩(wěn)條件或強度理論來量化紗線粗細和其平壓強度的關(guān)系會存在較大的誤差。因此，如要深人討論兩者間的關(guān)系，仍需進行大量的實驗來驗證所提理論的準確性。在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)材料實際的使用要求，尤其是對于材料質(zhì)量較為敏感的航空航天領域，在材料質(zhì)量一定的情況下，可通過調(diào)整絨經(jīng)的截面積來實現(xiàn)材料平壓性能的優(yōu)化設計。

表2　環(huán)氧樹脂基10 mm試驗件在不同紗線粗細下的平壓強度

3　結(jié)論

（1）芯材厚度對于整體中空夾層復合材料的平壓性能影響顯著，隨著厚度的增加，材料的平壓強度明顯減小，且當芯材厚度增加到一定程度時，這種變化會發(fā)生減緩，呈現(xiàn)非線性。

（2）基體材料對整體中空夾層復合材料的平壓性能影響較大。使用不飽和聚酯樹脂基的試件的平壓強度僅為使用環(huán)氧樹脂基試件的64%～75%，因此在實際生產(chǎn)中，考慮生產(chǎn)成本應結(jié)合材料的使用強度要求。

（3）絨經(jīng)密度對于整體中空夾層復合材料的平壓性能影響顯著，絨經(jīng)密度減少，材料的平壓強度明顯減小。且由于成型工藝等原因，試件厚度越大，這種變化的線性程度越差。

（4）絨經(jīng)的粗細對整體中空夾層復合材料的平壓性能影響顯著。在絨經(jīng)總體積增大至基準件的1.7倍時，平壓強度卻提高到了原先的11.9倍，所以對于紗線粗細的優(yōu)化設計在減重、增強等方面有著十分重要的意義。

（5）對于整體中空夾層復合材料，手糊成型工藝對于芯材厚度較小的試驗件的成型效果較好。但在實際應用中，當材料厚度大到一定程度，仍需改善成型工藝。

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Experiment on Flatwise Compression Performance of Integrated Hollow Sandwich Composites

Wang Dihui， Zhou Guangming， Liu Chang， Wang Xiaopei， Li Wenlong
（State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Flatwise compression test was done selecting different weaving parameters and matrix materials， the failure process of the test during the experiment was observed and described， experimental data was arranged and analysised. The influences of thickness，pile density，matrix and pile thickness to the integrated hollow sandwich composites were discussed. It is found that with the thickness increasing and pile density decreasing，the flatwise compression strength decreases，the matrix is different，the strength is also different， and the thickness of the pile has a great influence on the flatwise compression performance.

sandwich composite；integrated hollow； flatwise compression test；flatwise compression performance

TB332

A

1001-3539（2016）10-0090-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.019

*江蘇省高校優(yōu)勢學科建設工程項目（PAPD），南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地（實驗室）開放基金項目（kfjj20160111），中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項

聯(lián)系人：周光明，教授，主要從事復合材料設計、制備一體化研究

2016-07-13