聚酯無紡布增強(qiáng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的抗低速?zèng)_擊性能

摘" 要：采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板作為上、下面板，以PET泡沫作為芯材，在芯材與面板之間引入六邊形蜂窩狀的聚酯無紡布，通過低速?zèng)_擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究了其對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抗低速?zèng)_擊性能的影響，并與純樹脂固化板的增強(qiáng)效果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，聚酯無紡布與樹脂固化后形成的剛性層可以提高夾層結(jié)構(gòu)抵抗沖擊載荷的能力，當(dāng)提供的剛度足以承受載荷的沖擊時(shí)，上面板無法被沖破，芯材結(jié)構(gòu)未被破壞，纖維斷裂與纖維分層被改善，表面損傷面積明顯縮小。經(jīng)分析，樹脂剛性層是提升復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的重要因素，但聚酯無紡布的引入在抑制纖維分層與基體損傷，改善表面質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：夾層結(jié)構(gòu)；聚酯無紡布；低速?zèng)_擊；力學(xué)響應(yīng)；數(shù)值模擬

Low-velocity impact performance of polyester non-

woven fabric reinforced composite sandwich structure

TIAN Nan， LU Zhengbin*， LI Wenda， LV Xiulei， WEI Ning

（Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.， Ltd.， Lianyungang 222000）

Abstract：The glass fiber reinforced composite laminate was used as the upper and lower panels， and PET foam was used as the core material， and the hexagonal honeycomb polyester non-woven fabric was introduced between the core material and the panel. The effects on the low-velocity impact performance of the sandwich structure were studied by low-velocity impact test and numerical simulation， and the reinforcement effect of the pure resin cured plate was compared. The results show： The rigid layer formed by curing polyester non-woven fabrics and resins can improve the ability of the sandwich structure to resist impact loads. When the stiffness can withstand the impact of the load， the upper panel cannot be broken， the core material is not damaged， the fiber fracture and fiber delamination are improved， and the surface damage area is significantly reduced. According to the analysis， the resin rigid layer is an important factor to improve the impact resistance of the composite sandwich structure， but the introduction of polyester non-woven fabric plays an important role in inhibiting fiber delamination and improving the surface quality.

Keywords：sandwich structure; polyester non-woven fabric; low velocity impact; mechanical response; numerical simulation

通訊作者：盧政斌，男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料性能及應(yīng)用。E-mail：luzhengbin@lzfrp.com

1" 引言

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐疲勞、吸音隔熱、設(shè)計(jì)靈活等特性，從而被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域［1，2］。但飛機(jī)、列車、船舶等在服役過程中不可避免地會(huì)受到鳥類、冰雹、碎石、工具跌落等的沖擊，從而產(chǎn)生纖維分層、基體開裂、纖維斷裂、芯材塌陷等破壞，極大地降低復(fù)合材料的承載能力［3-5］。因此，分析復(fù)合材料的沖擊損傷機(jī)制、優(yōu)化復(fù)合材料的抗沖擊性能一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。

針對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)問題，目前已開展了大量的理論、試驗(yàn)、數(shù)值研究［6-7］。如趙金華等［8］研究了纖維類型、鋪層結(jié)構(gòu)和芯材厚度對(duì)泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊性能和損傷模式的影響規(guī)律；Zhao等［9］設(shè)計(jì)并制備了一種可承受更高沖擊載荷的雙向波紋夾芯結(jié)構(gòu)；習(xí)濤等［10］研究了碳/芳綸混雜波紋夾芯結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；楊康等［11］探索了泡沫夾芯厚度對(duì)碳纖維復(fù)合材料夾層板沖擊性能的影響；Yang等［12］提出一種花瓣形蜂窩（PSH），并與圓形、單瓣嵌套圓形蜂窩的抗沖擊性能比較，發(fā)現(xiàn)PSH具有優(yōu)異的能量吸收特性；姚佳偉［13］、董慧民［14］、張代軍［15］等分別采用層間薄膜增韌、層間顆粒增韌、層間無紡布增韌的方式提升復(fù)合材料抗沖擊韌性；石姍姍等［16］采用Kevlar短纖維對(duì)碳纖維/鋁蜂窩夾芯板進(jìn)行界面增韌；張辰等［17］將碳纖維與玻璃纖維混雜降低沖擊破壞。Tang等［18］通過數(shù)值模擬研究了高速?zèng)_擊下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）/鋁泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)；Lv等［19］通過試驗(yàn)與有限元模擬研究了不同位置正交網(wǎng)格增強(qiáng)CFRP-泡沫夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊性能；張亞文等［20］提出一種格柵-蜂窩混式芯體提高結(jié)構(gòu)的抗低速?zèng)_擊性能，并對(duì)損傷模態(tài)進(jìn)行分析；李華冠等［21］通過玻璃纖維立體織物來增強(qiáng)環(huán)氧樹脂泡沫夾層，并結(jié)合仿真預(yù)測(cè)模型研究了復(fù)合材料的失效與增強(qiáng)機(jī)制。

聚酯無紡布作為一種由聚酯纖維和微粒小球組成的夾芯材料，自身具備耐壓、柔韌、導(dǎo)流等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于真空灌注工藝（VARI）成型的復(fù)合材料制品中，可以有效改善制品的外觀質(zhì)量，同時(shí)節(jié)省導(dǎo)流耗材的投入。然而，目前對(duì)于引入聚酯無紡布后形成的富樹脂剛性層在抗低速?zèng)_擊性能方面的研究還較少。本文將聚酯無紡布引入復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)中，通過低速?zèng)_擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法探索了其對(duì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抗低速?zèng)_擊性能的影響。

2" 試驗(yàn)及仿真方法

2.1" 原材料及試樣制備

面板采用E6級(jí)紗線編織而成的四軸玻璃纖維織物，面密度為1200 g/m2；泡沫夾芯采用PET泡沫（預(yù)制導(dǎo)流槽），密度為80 kg/m3；采用六邊形蜂窩狀的聚酯無紡布作為增強(qiáng)芯，密度為135 g/m2；樹脂采用不飽和聚酯樹脂，25 ℃下的液體密度為1.097 g/cm3。

本次設(shè)計(jì)4種不同的鋪層方案。如圖1所示，試樣1由30 mm厚度的PET泡沫夾芯和上下各兩層的四軸玻璃纖維織物（0°/45°/90°/-45°）組成；試樣2保持PET泡沫厚度為30 mm，在上面板和泡沫夾芯之間引入2 mm厚的聚酯無紡?qiáng)A芯；試樣3在上面板和泡沫夾芯之間引入4 mm厚的聚酯無紡布；試樣4在上面板和泡沫夾芯之間引入一層已固化純樹脂板（預(yù)制導(dǎo)流孔）。以上試板均通過真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝常溫固化成型。

2.2" 低速?zèng)_擊試驗(yàn)

低速?zèng)_擊試驗(yàn)參照ASTM D7136 /D7136M-2015［22］試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用INSTRON 9350落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，沖擊物為直徑16 mm的鋼制半球形沖頭，質(zhì)量為5.392 kg。沖擊試樣尺寸為100×150 mm，沖擊位置為試樣的上面板中心，沖擊試樣的夾持方式如圖2所示。每組沖擊測(cè)試重復(fù)5組試樣，通過傳感器獲得沖擊過程的載荷與位移數(shù)據(jù)。

2.3" 仿真模型

為進(jìn)一步研究復(fù)合材料夾層板的沖擊損傷過程，使用ABAQUS/Explicit構(gòu)建了三維有限元模型，如圖3所示，包括試樣和沖頭，沖頭設(shè)置為剛體，直徑16 mm，試樣面板尺寸100 mm×150 mm。網(wǎng)格劃分時(shí)采用漸進(jìn)過渡的疏密網(wǎng)格提高計(jì)算精度與計(jì)算效率，采用三維Hashin失效準(zhǔn)則模擬纖維面板的失效形式［23-24］，采用Cohesive單元模擬層間損傷［25］。整個(gè)模型采用通用接觸，不同鋪層之間采用共節(jié)點(diǎn)連接，夾層板底部固支。

3" 結(jié)果與討論

3.1" 復(fù)合材料夾層板低速?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

不同能量沖擊下試樣1的沖擊響應(yīng)和目視破壞形貌如圖4和圖5所示。沖擊能量為30 J時(shí)，由于沖擊能量較小，沖擊區(qū)域只產(chǎn)生微小的裂紋，未破壞結(jié)構(gòu)的完整性；沖擊能量為32 J時(shí)，沖擊力到達(dá)最大值后發(fā)生驟降，沖擊區(qū)域纖維斷裂，芯材破壞，在動(dòng)態(tài)壓縮下泡沫被壓潰從而出現(xiàn)致密化，減緩了沖擊載荷的下降趨勢(shì)；隨著沖擊能量的進(jìn)一步增大，損傷面積擴(kuò)大，沖頭的最大位移和試樣的能量吸收率整體均表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，夾層板內(nèi)部破壞加劇。

32 J能量沖擊下不同試樣的沖擊響應(yīng)如圖6所示，包括峰值載荷（Fmax）、最大位移（dmax）、能量吸收效率（Eae）。圖7為32 J能量沖擊下不同試樣的沖擊響應(yīng)和目視破壞形貌，其中藍(lán)色實(shí)線代表目視可見損傷范圍，虛線代表纖維斷裂區(qū)域。夾層結(jié)構(gòu)中加入聚酯無紡布與樹脂固化后形成一層富樹脂剛性層，如圖6可知，隨聚酯無紡布層數(shù)增加，剛性層變厚，結(jié)構(gòu)能承受的最大沖擊載荷呈上升趨勢(shì)，說明受到快速變化的載荷時(shí)抵抗能力增強(qiáng)。僅加入一層2 mm厚的聚酯無紡布時(shí)，其強(qiáng)化效果還不足以抵抗沖頭穿過上面板玻璃纖維層的作用力，夾層板內(nèi)部剛性層與泡沫層發(fā)生破壞導(dǎo)致吸能增加，表面損傷面積也沒有得到改善；加入4 mm厚的聚酯無紡布后，剛性層發(fā)揮明顯的增強(qiáng)效果，沖頭無法沖破玻璃纖維層，相對(duì)于試樣1，夾層結(jié)構(gòu)承受的峰值載荷提升了3.60 %，吸收能量降低了13.96 %，沖頭最大位移減小了0.43 mm，內(nèi)部具有更低的結(jié)構(gòu)變形如圖7所示，受沖擊面只產(chǎn)生微小的裂紋，幾乎無目視可見的纖維與基體損傷。

不同試樣的厚度與重量測(cè)量結(jié)果如表1所示，試樣4在厚度低于試樣3的情況下重量反而增加，由此可知純樹脂固化層的含膠量大于聚酯無紡?qiáng)A層。

將原本的聚酯無紡?qiáng)A層替換成固化樹脂層時(shí)，由于固化樹脂層的樹脂含量較高，剛度更大，沖擊峰值載荷更高，內(nèi)部吸能更少，上面板未被沖破，但對(duì)沖擊表面質(zhì)量的改善效果明顯不如聚酯無紡?qiáng)A層，沖擊位置出現(xiàn)較大范圍的基體損傷與纖維分層。由此可見，樹脂剛性層雖是抵抗沖擊載荷的重要因素，但聚酯無紡?qiáng)A層在抑制纖維分層與基體損傷，改善表面質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。

3.2" 復(fù)合材料夾層板低速?zèng)_擊數(shù)值模擬結(jié)果

32 J能量沖擊下復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)加2 mm厚度樹脂板前后的模擬沖擊響應(yīng)如圖8所示，經(jīng)對(duì)比，加樹脂層后的夾層板能承受的極限沖擊載荷更高，沖頭最大位移更小，能量吸收率更低，具有更優(yōu)異的抗沖擊性能，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)一致。

32 J能量沖擊下上面板加樹脂層前后的應(yīng)力與分層損傷云圖如圖9所示，可以看出，32 J能量沖擊下，夾層結(jié)構(gòu)的上面板被沖破，纖維劇烈損傷，而加入2 mm厚度的樹脂層就可以顯著緩解纖維的斷裂程度，縮小纖維斷裂面積；從模擬的纖維分層損傷效果來看，增加樹脂層后上面板的分層損傷范圍并未縮小，說明純樹脂層無法有效抑制玻璃纖維的分層，這與圖7所示試驗(yàn)效果一致，僅加入樹脂層的夾層板受沖擊后仍然存在目視可見的大范圍“白斑”，進(jìn)一步證明了聚酯無紡?qiáng)A芯在復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抵抗沖擊載荷時(shí)的優(yōu)化效果。

4" 結(jié)語(yǔ)

（1）雙層四軸玻璃纖維織物面板和密度為80 kg/m3的PET泡沫灌注成型復(fù)合材料夾層板受到直徑16 mm鋼制沖頭的32 J能量沖擊時(shí)上面板和芯材發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；

（2）芯材與面板之間加入聚酯無紡布，成型后的富樹脂剛性層可以提升夾層板的沖擊極限載荷，引入足夠厚度的聚酯無紡?qiáng)A層不僅可以承受更高的沖擊載荷，減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部破壞，還能降低表面纖維與基體損傷以及層間分層；

（3）4 mm厚的聚酯無紡布增強(qiáng)復(fù)合材料夾層板承受的峰值載荷可提升3.60 %，能量吸收率降低13.96 %，沖頭最大位移減小0.43 mm；

（4）樹脂剛性層是提升復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)抗沖擊性能的重要因素，但無法抑制纖維分層，縮小表面損傷范圍，而聚酯無紡布在抑制纖維分層，改善表面質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］HU Y， ZHU J， WANG J H， et al. Interfacial failure in stitched foam sandwich composites［J］. Matrials，2021，14（9）：2275.

［2］陳斯，吳海亮，楊忠，等.圓環(huán)夾層復(fù)合材料VARI樹脂充模模擬研究［J］.纖維復(fù)合材料，2023，40（4）：8-15.

［3］ANDREW J J， SRINIVASAN M S， AROCKIARAJAN A， etal. Parameters influencing the impact response of fiber-reinforced polymer matrix composite materials： A critical review［J］. Composite Structures， 2019， 224： 111007.

［4］SHAH S Z H， KARUPPANAN S， Megat Yusoff P S M， et al. Impact resistance and damage tolerance of fiber reinforced composites： a review［J］. Composite Structures， 2019，217：100-121.

［5］ZHAO Z， DU C， LIU P， et al. Effect of fiber architecture on the impact resistance of composite panels subjected to metallic projectile［J］. Composite Structures， 2021，273： 114273.

［6］CHENG YUQIN， LIU KUN， LI YAO， et al. Experimental and numerical simulation of dynamic response of U-type corrugated sandwich panels under low-velocity impact ［J］. Ocean Engineering，2022，245.

［7］CHAO CORREAS A， GHASEMNEJAD H. Analytical development on impact behaviour of composite sandwich laminates by differentiated loading regimes［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 126.

［8］趙金華， 曹海琳， 晏義伍， 等. 泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能［J］. 材料工程， 2018， 46（1）： 92-98.

［9］ZHAO T， JIANG Y B， ZHU Y X， et al. An experimental investigation on low-velocity impact response of a novel corrugated sandwiched composite structure［J］. Composite Structures，2020，252：112676.

［10］習(xí)濤， 倪愛清， 張笑梅， 等. 碳/芳綸混雜纖維增強(qiáng)波紋夾芯結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊性能［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2023， 40（2）： 1004-1014.

［11］楊康， 張子傲， 楊麗， 等.泡沫夾芯厚度對(duì)碳纖維復(fù)合材料夾層板沖擊性能的影響［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（S2）：579-582.

［12］YANG X F， XI X L， PAN Q F， et al. In-plane dynamic crushing of a novel circular-celled honeycomb nested with petal-shaped mesostructure［J］. Composite Structures， 2019， 226：111219.

［13］姚佳偉， 劉夢(mèng)瑤， 牛一凡. PEK-C膜層間增韌碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2019， 36（5）：1083-1091.

［14］董慧民， 閆麗， 安學(xué)鋒， 等. ESTM-fabric/3266復(fù)合材料低速?zèng)_擊響應(yīng)及沖擊后壓縮行為研究［J］. 材料工程， 2020， 48（1）：41-47.

［15］張代軍， 包建文， 鐘翔嶼， 等. 聚醚砜超細(xì)纖維無紡布層間增韌碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備與表征［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2022，39（8）： 3767-3775.

［16］石姍姍， 呂超雨， 呂航宇， 等. 具有Kevlar短纖維界面增韌的碳纖維/鋁蜂窩夾芯板沖擊后壓縮性能［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2023， 40（2）： 771-781.

［17］張辰， 饒?jiān)骑w， 李倩倩， 等. 碳纖維-玻璃纖維混雜增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料低速?zèng)_擊性能及其模擬［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2021， 38（1）： 165-176.

［18］TANG ENLING， YIN HETONG， CHEN CHUANG， et al. Simulation of CFRP/aluminum foam sandwich structure under high velocity impact［J］. Journal of Materials Research and Technology，2020，9：7273-7287.

［19］LV HANGYU， SHI SHANSHAN， CHEN BINGZHI， et al. Low-velocity impact performance of orthogonal grid reinforced CFRP-foam sandwich structure［J］. Thin-Walled Structures， 2023，193：111236.

［20］張亞文，陳秉智，石姍姍，等.格柵-蜂窩混式芯體夾芯結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，39（1）：381-389.

［21］李華冠， 丁穎， 章月， 等. 玻璃纖維立體織物增強(qiáng)環(huán)氧樹脂泡沫夾層復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2023， 40（1）： 601-612.

［22］American Society for Testing and Materials. Standard test method for measuring the resistance of a fiber reinforced polymer matrix composite to a drop-weight impact event： ASTM D7136/D7136M-2015［S］. West Conshohockens： American Society for Testing and Materials International， 2015.

［23］LIU H B， FALZON B G， TAN W， et al. Experimental and numerical studies on the impact response of damage tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre rein forced composite laminates［J］. Composites Part B： Engineering，2018，136：101-118.

［24］LIU Y， ZHUANG W M， WU D. Performance and damage of carbon fibre reinforced polymer tubes under low-velocity transverse impact［J］. Thin-Walled Structure，2020，151：106727.

［25］WANG H R， LONG S C， ZHANG X Q， et al. Study on the delamination behavior of thick composite laminates under low energy impact［J］. Composite Structures，2018，184：461-473.