縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲性能研究*

賴家美，鄢冬冬，饒欣遠(yuǎn)，王科，黃志超

（1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聚合物成型研究室，南昌 330031； 2.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲性能研究*

賴家美1，鄢冬冬1，饒欣遠(yuǎn)1，王科1，黃志超2

（1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聚合物成型研究室，南昌 330031； 2.華東交通大學(xué)載運(yùn)工具重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

采用改進(jìn)鎖式縫合方法，在真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）工藝基礎(chǔ)上制備了縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對(duì)其進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測(cè)試，并對(duì)縫合參數(shù)對(duì)其彎曲性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在彎曲載荷作用下，其結(jié)構(gòu)的失效大部分是由于芯材的剪切破壞，在縫合密度較大和纖維層較多的情況下，彎曲性能優(yōu)異。采用縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)可以提高復(fù)合材料的彎曲性能。

縫合泡沫；夾層結(jié)構(gòu)；三點(diǎn)彎曲；彎曲性能

縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是先進(jìn)復(fù)合材料的一種表現(xiàn)形式，在夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，使用泡沫作為芯層來(lái)增加厚度，由于泡沫密度較低，故可在質(zhì)量增加很少的前提下，大幅度提高復(fù)合材料的剛度［1］。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，但其橫向力學(xué)性能較弱，特別是在上下面板跟芯材結(jié)合處的界面強(qiáng)度較低，在外加載荷的作用下很容易產(chǎn)生分層破壞［2］。Li Bing等［3］采用面板和夾層泡沫縫合成預(yù)成型件，再用成本很低的非熱壓罐成型工藝，制成一種全厚度縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫夾層結(jié)構(gòu)。通過(guò)這種方法，使得界面強(qiáng)度有了很大的提高，也保留了較高的彎曲剛度比［4］。這些研究者的主要工作集中在復(fù)合材料整體彎曲性能的研究上，對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的有關(guān)參數(shù)對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響沒(méi)有進(jìn)一步研究。筆者討論了縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要工藝參數(shù)對(duì)其彎曲力學(xué)性能的影響，以便為工程應(yīng)用提供參考。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

不飽和聚酯樹(shù)脂：TH110-350R，日本U-PICA株式會(huì)社；

固化劑：KP-100，美國(guó)SYRGIS公司；

雙軸向玻璃纖維布：LT600，浙江成如旦新能源科技有限公司；

導(dǎo)流網(wǎng)：VI160，上海瀝高科技有限公司；

脫模布：PP-85WB，廈門(mén)維曼材料科技有限公司；

真空袋膜：Vacfilm 400Y，上海瀝高科技有限公司；

縫線、底線：Kevlar29，1 500旦，東莞生茂線帶有限公司；

聚氨酯（PUR）泡沫： 廈門(mén)維曼材料科技有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

樹(shù)脂收集器：SJQ-10型，廈門(mén)維曼材料科技有限公司；真空泵：X-25型，德國(guó)Busch股份有限公司；數(shù)控水刀：HSQ3020型，南京合展精密技術(shù)有限公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：Reger30kN型，深圳市瑞格爾儀器有限公司。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

筆者在本實(shí)驗(yàn)中采用改進(jìn)鎖式縫合方法［5］縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，如圖1所示。采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑（VARTM）工藝制備復(fù)合材料，其示意圖如圖2所示。

圖1　改進(jìn)鎖式縫合方法縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料示意圖

圖2　VARTM工藝示意圖

面板材料為L(zhǎng)T600雙軸向玻璃纖維布，其纖維體積分?jǐn)?shù)為60%?？p線和底線均為1 500旦的Kevlar29，取縫線直徑d=2 mm。試件的長(zhǎng)度為200 mm，寬度為60 mm，厚度因鋪纖維層不同而不同。實(shí)驗(yàn)組別及相應(yīng)縫合參數(shù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)組別及相應(yīng)縫合參數(shù)

將雙軸向玻璃纖維布和PUR泡沫芯層按順序先鋪層好，再用縫線縫合完后得到預(yù)制件。采用VARTM工藝，即先將縫合好的預(yù)制件放在鋼化玻璃板上，再用真空袋密封好，確認(rèn)無(wú)漏氣后，打開(kāi)真空泵抽真空，利用真空負(fù)壓排出上下表面玻璃纖維布和縫線柱中的氣體并完成不飽和聚酯樹(shù)脂對(duì)纖維的浸漬，最終實(shí)現(xiàn)固化成型。

縫合后的泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的幾何形態(tài)將發(fā)生變化，縫線的引入會(huì)使縫線周圍的纖維被擠開(kāi)，從而發(fā)生彎曲，使得各單層在縫線周圍出現(xiàn)棱形空白區(qū)。當(dāng)浸潤(rùn)樹(shù)脂后就會(huì)形成富樹(shù)脂區(qū)，從而對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響［6］。

1.4性能測(cè)試

彎曲性能參照GB/T 1446-2005及GB/T 1456-2005，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，三點(diǎn)彎曲的最大彎矩在測(cè)試件中心壓頭下部位，下表面受拉，上表面受壓［7］。

2　結(jié)果與討論

縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不是均一材料，其受力方式多樣，載荷分布不均勻。在三點(diǎn)彎曲作用下復(fù)合材料的破壞模式有纖維張力破壞、內(nèi)部剪切破壞、外表面張力破壞、內(nèi)部剪切壓力破壞及外表面壓力破壞等［8］。

2.1縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲回彈現(xiàn)象

圖3和圖4分別為縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲變形實(shí)驗(yàn)和回彈現(xiàn)象。

圖3　縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲形變實(shí)驗(yàn)

圖4　縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的回彈現(xiàn)象

對(duì)比觀察圖3和圖4可知，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在受到彎曲載荷時(shí)有很大的變形，而在卸載后，試件出現(xiàn)相當(dāng)明顯的彎曲回彈現(xiàn)象，且這種回彈程度比金屬大很多。試件在彎曲過(guò)程中，加載到一定程度后，上下面板會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而夾層泡沫會(huì)產(chǎn)生彈性變形，并且復(fù)合材料在整個(gè)塑性變形過(guò)程中，彈性變形一直存在；當(dāng)外加載荷卸除后，因?yàn)閺?fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的剛度較大，且?jiàn)A芯層為泡沫，殘余應(yīng)力存在較少，所以回彈很明顯。

泡沫的主要力學(xué)性能雖低，但它具有相對(duì)密度低、比彈性模量高、比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。泡沫芯材在受到彎曲載荷作用時(shí)被壓縮，應(yīng)力集中的地方增多，產(chǎn)生的裂紋相應(yīng)增多［9］。縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料上面板在受到彎曲載荷后，將力傳遞到泡沫夾芯層，泡沫被持續(xù)加載過(guò)程中，泡沫上表層出現(xiàn)崩塌，而泡沫中心層則才開(kāi)始變形，出現(xiàn)彎曲。泡沫內(nèi)外層呈現(xiàn)一種不均勻地吸收彎曲能量的模式。夾層結(jié)構(gòu)中心層泡沫在受彎曲載荷后，體積明顯發(fā)生了改變，產(chǎn)生一定的褶皺［10］。泡沫被壓縮后成腰鼓形，只要泡沫層不被壓實(shí)，泡沫都是一種有效的緩沖材料；當(dāng)卸載后，泡沫出現(xiàn)恢復(fù)現(xiàn)象，所以縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)如此明顯的彎曲回彈。

2.2縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲性能的影響

測(cè)試不同縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量的影響，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5　縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

圖6　縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲彈性模量的影響

由圖5和圖6可看出，對(duì)于1～3組，保持行距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量隨著針距的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)針距為10 mm時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量出現(xiàn)最大值（第1組）。對(duì)于第4～6組，保持針距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，隨著行距的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量也呈逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)行距為10 mm時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量出現(xiàn)最大值（第4組）。對(duì)比針距和行距對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響，可以發(fā)現(xiàn)，二者對(duì)彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量的影響基本一致，即在縫合密度大的情況下，復(fù)合材料的彎曲性能優(yōu)異。對(duì)于第7～9組，保持針距和行距均為15 mm，隨著纖維層數(shù)的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均呈逐漸增加的趨勢(shì)，當(dāng)纖維層數(shù)為9層時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量出現(xiàn)最大值（第9組）。

縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能取決于其破壞方式，不僅與纖維、縫線樹(shù)脂柱、基體及界面的性能等有關(guān)，還與試件的跨高比以及彎曲斷裂撓度等有密切關(guān)系。在縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中，縫線樹(shù)脂柱是一個(gè)重要結(jié)構(gòu)，其承載能力強(qiáng)，在泡沫結(jié)構(gòu)未破壞的前提下，縫合密度越大，復(fù)合材料的彎曲性能越優(yōu)異［11］。在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，第1～6組是針對(duì)縫合密度而設(shè)定的參數(shù)，在針距、行距均較小的情況下，縫合密度越大，縫線樹(shù)脂柱相應(yīng)越多，故復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量大，即彎曲性能好；而對(duì)于第7～9組，在針距、行距一定時(shí)，由于纖維層數(shù)增加，復(fù)合材料上下表層的玻璃纖維層變厚，其承載能力變強(qiáng)，所以，層數(shù)越多，其彎曲性能越好。

2.3縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲撓度和彎曲能量的影響

縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲撓度和彎曲能量的影響如圖7、圖8所示。

圖7　縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲撓度的影響

圖8　縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲能量的影響

觀察圖7和圖8可知，對(duì)于第1～3組，保持行距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，針距對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲撓度和彎曲能量的影響與對(duì)彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量的影響不同，彎曲撓度和彎曲能量隨著針距的增加出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)情況，二者的變化趨勢(shì)一致，當(dāng)針距為10 mm時(shí)彎曲撓度和彎曲能量出現(xiàn)最大值（第1組）。對(duì)于第4～6組，保持針距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，行距對(duì)復(fù)合材料彎曲撓度和彎曲能量影響情況跟針距對(duì)其的影響一樣，同樣出現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)情況，當(dāng)行距為15 mm時(shí)彎曲撓度與彎曲能量出現(xiàn)最大值（第5組）。對(duì)于第7～9組，保持針距和行距均為15 mm不變，復(fù)合材料的彎曲撓度不是隨著纖維層數(shù)的增加而增大，而是在纖維層數(shù)為6層時(shí)彎曲撓度出現(xiàn)最大值（第8組），而彎曲能量隨著纖維層數(shù)的增加而增大，當(dāng)纖維層數(shù)為9層時(shí)彎曲能量出現(xiàn)最大值（第9組）。

縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不是均一的結(jié)構(gòu)，承載彎曲力的方式比較復(fù)雜，在加載過(guò)程中，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料彎曲撓度與彎曲能量的變化趨勢(shì)基本是一致的。

2.4縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最大彎曲正應(yīng)力的影響

縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最大彎曲正應(yīng)力的影響如圖9所示。

圖9　縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料最大彎曲正應(yīng)力的影響

觀察圖9可知，對(duì)于第1～3組，保持行距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，隨著針距的增加，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力呈遞減趨勢(shì)，當(dāng)針距為10 mm時(shí)，復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力出現(xiàn)最大值（第1組）。對(duì)于第4～6組，保持針距為15 mm、纖維層數(shù)為3層不變，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力隨著行距的增加而減小，當(dāng)行距為10 mm時(shí)，復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力出現(xiàn)最大值（第4組）。對(duì)于7～9組，保持針距和行距均為15 mm不變，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力隨著纖維層數(shù)的增加而增大，當(dāng)纖維層數(shù)為9層時(shí)，復(fù)合材料的最大彎曲正應(yīng)力出現(xiàn)最大值（第9組）。

在縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料受到彎曲載荷時(shí)，復(fù)合材料內(nèi)部的彎曲正應(yīng)力按剛度比分配，將主要由增強(qiáng)纖維及縫線樹(shù)脂柱承擔(dān)。由于復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的兩塊面板都能承受載荷且內(nèi)部有很多縫線樹(shù)脂柱，故復(fù)合材料在受力時(shí)的應(yīng)力擴(kuò)展方式會(huì)比較復(fù)雜且內(nèi)部表征較難觀測(cè)，但宏觀表現(xiàn)較易觀察，對(duì)比試樣破壞情況與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上的可視化結(jié)果圖可知，在彎曲加載過(guò)程中，破壞現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，縫線樹(shù)脂柱承擔(dān)彎曲應(yīng)力，然后將力傳遞到夾芯泡沫層，當(dāng)整個(gè)夾層結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，出現(xiàn)最大彎曲力。

2.5縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲的載荷-位移曲線

在三點(diǎn)彎曲載荷作用下，試件的彎曲撓度不僅包括彎曲正應(yīng)力引起的彎曲撓度，而且包括彎曲剪應(yīng)力引起的彎曲撓度。同時(shí)，彎曲撓度會(huì)引起支座反作用力對(duì)試件橫截面產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩。縫合參數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲的載荷-位移曲線的影響如圖10～圖12所示。

圖10　針距對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料載荷-位移曲線的影響

圖11　行距對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料載荷-位移曲線的影響

圖12　纖維層數(shù)對(duì)縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料載荷-位移曲線的影響

對(duì)比觀察圖10、圖11和圖12可知，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試件在受到彎曲破壞時(shí)，無(wú)明顯屈服點(diǎn)，復(fù)合材料的縫合密度越大或纖維層數(shù)越多，復(fù)合材料的承載能力越大。在加載后有極限載荷存在，抗彎曲能力較好。對(duì)于第1～3組針距的影響中，極限載荷分別為1.129，0.856，0.821 kN。對(duì)于第4～6組行距的影響中，極限載荷分別為：1.129，1.087，0.701 kN。對(duì)于第7～9組纖維層數(shù)的影響中，極限載荷分別為：1.132，1.888，3.824 kN。試件在加載的過(guò)程中，破壞現(xiàn)象大多一致，沒(méi)有出現(xiàn)特殊的破壞現(xiàn)象［12］。彎曲過(guò)程中，壓頭的作用使得縫線樹(shù)脂柱發(fā)生形變，另外面板剪切力的作用也會(huì)進(jìn)一步使其發(fā)生形變，使得縫線樹(shù)脂柱與面板無(wú)法保持垂直狀態(tài)，且隨著載荷的增加而傾斜。

分析載荷-位移曲線可知，在曲線的起始階段有一段呈近似線性的增加，此時(shí)面板在受力之后，形成一種上面板受壓縮與下面板受拉伸的狀態(tài)，隨著載荷的增大，彎曲撓度相應(yīng)增大，試件開(kāi)始發(fā)生彎曲，此時(shí)縫線樹(shù)脂柱逐漸被壓彎。當(dāng)位移達(dá)到15 mm左右時(shí)，彎曲載荷值達(dá)到最大，隨后載荷值突然下降。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以觀察到，與壓頭較近的縫線樹(shù)脂柱被破壞，這種破壞是從縫線樹(shù)脂柱的最細(xì)部位開(kāi)始的，之后縫線樹(shù)脂柱被壓斷。同時(shí)泡沫也開(kāi)始出現(xiàn)破壞趨勢(shì)，泡沫中出現(xiàn)初始裂紋，載荷則迅速減小，但可繼續(xù)承載，之后在較高載荷下出現(xiàn)新裂紋，發(fā)生第二次破壞，這種現(xiàn)象主要是芯材泡沫出現(xiàn)了剪切破壞的結(jié)果。之后即便載荷繼續(xù)增加，再也不會(huì)達(dá)到之前的載荷峰值。

3　結(jié)論

（1）縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料剪切剛度較大，在受彎曲載荷后，由于泡沫的柔性及回彈系數(shù)較大，復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)很大程度的回彈。

（2）縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、最大彎曲正應(yīng)力及彎曲彈性模量隨著針距和行距的增加而減小，隨著纖維層數(shù)的增加而增大；彎曲斷裂撓度和斷裂能量隨著針距、行距及纖維層數(shù)的增加無(wú)規(guī)律性變化。

（3）縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在加入縫線后，縫線樹(shù)脂柱的承載能力好，彎曲性能隨著縫線樹(shù)脂柱密度的增加而增大，在縫合密度較大和纖維層數(shù)較多的情況下，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲性能較好。

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Study on Three-Point Bending Properties of Stitched Foam Sandwich Structure Composites

Lai Jiamei1， Yan Dongdong1， Rao Xinyuan1， Wang Ke1， Huang Zhichao2
（1. Polymer Processing Research Lab.， College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China；2. Key Laboratory for Conveyance and Equipment of the Ministry of Education， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

The stitched foam sandwich structure composites that were produced by using vacuum assisted resin transfer molding （VARTM） technique with the improved lock stitching method，were used to carry out three-point bending test. The effects of stitching parameters on the flexural properties of the composites were studied. The experimental results reveal that the failure of its structure is mostly due to the core shear failure. The composite has the the excellent flexural properties，with the stitching denser and more fibrous layer. Therefore，the stitched foam sandwich structure can improve the bending properties of the composites.

stitched foam；sandwich structure；three-point bending；flexural property

TB 332

A

1001-3539（2016）02-0101-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.02.020

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51263015，51265012），江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20122BAB206011）

聯(lián)系人：賴家美，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事聚合物基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用

2015-11-25