一種交織鋪層結(jié)構(gòu)層合板性能

孫文文 張建寶 孫宏杰 劉永佼 孫建波

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 結(jié)合復(fù)合材料自動纖維鋪放（AFP）技術(shù)，提出了一種交織鋪層結(jié)構(gòu)層合板成型方法，制備了非交織、交織正交層合板、非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板復(fù)合材料，并對交織鋪層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的層間結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明：交織正交層合板的拉伸、壓縮、彎曲性能較非交織板性能均有所下降，但其層間剪切性能有明顯提高，提高幅度約為16%；隨著交織鋪層組厚度的增加，交織層合板的拉伸性能呈下降趨勢；交織層合板的開孔后拉伸、開孔后壓縮和沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率均高于非交織板，且沖擊后分層損傷面積明顯低于非交織板。交織鋪層結(jié)構(gòu)層合板相對于普通非交織層合板具有更好的損傷容限能力。

0 引言

先進(jìn)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)度和比模量、良好的可設(shè)計性等［1］優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、土木等工程領(lǐng)域［2-5］。傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合板，采用預(yù)浸料無緯布按一定的鋪層順序及角度進(jìn)行鋪放，加溫加壓固化。然而，由于纖維的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于樹脂基體的強(qiáng)度，層合板層間性能弱、抗沖擊性能差，層合板的低層間強(qiáng)度和高層間應(yīng)力會導(dǎo)致層合板分層失效。分層損傷會明顯降低層合板的強(qiáng)度與剛度，嚴(yán)重時甚至引起整個結(jié)構(gòu)的失效。如何解決或提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層合結(jié)構(gòu)的弱層間性能、低抗沖擊損傷容限等問題，一直是樹脂基結(jié)構(gòu)復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)問題。

我只能說你們都o(jì)ut啦！本期給大家推薦的是熱巴同款的小喬Q2跑步機(jī)，一鍵折疊不占地兒，不怕沒時間去健身房，不怕雨雪、霧霾，不怕寒冬臘月和驕陽似火，還不怕夜里路上有壞人！在家就能跑出好身材。

通過在樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)厚度方向的加強(qiáng)，如3D 編織、縫合和Z-pin 技術(shù)［6-10］等，可提高復(fù)合材料層間性能。但是3D 編織技術(shù)費(fèi)用高，設(shè)計和分析較為復(fù)雜，應(yīng)用有一定的局限性，縫合技術(shù)過程工藝質(zhì)量較難控制。Z-pin 技術(shù)借鑒了縫合復(fù)合材料技術(shù)中不連續(xù)縫線方法，在層合板的預(yù)成型體中直接嵌入固化好的纖維短棒或金屬短棒，然后再固化形成層合板。但是制備Z-pin 預(yù)成型體耗時、費(fèi)力及高昂的價格，也限制了它的應(yīng)用。

經(jīng)計算，其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，且3條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。

目前國內(nèi)南京航空航天大學(xué)、中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心、西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和航天材料及工藝研究所等分別開展了復(fù)合材料自動鋪絲技術(shù)研究工作，在自動鋪絲的原材料制備技術(shù)、工藝技術(shù)、裝備技術(shù)、軟件技術(shù)等各個方面皆有一定研究進(jìn)展［11-15］，研制出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動鋪絲技術(shù)體系，并在航天領(lǐng)域某型號艙段上實現(xiàn)工程應(yīng)用。但在交織鋪層結(jié)構(gòu)層合板制作和性能研究方面自動鋪絲的相關(guān)研究工作尚未見諸報道。

將國產(chǎn)T800 級碳纖維/603B 熱熔法預(yù)浸料分切成寬度為6.35 mm 的預(yù)浸絲（圖1）備用，寬度精度±0.15 mm。

本文采用AFP 技術(shù)、熱壓罐固化工藝制備了非交織、交織正交層合板及非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板復(fù)合材料，對非交織、交織正交層合板的拉伸、壓縮、彎曲及層間剪切等性能進(jìn)行了對比分析，最后針對非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板的開孔拉伸、開孔壓縮和沖擊后壓縮（CAI）性能進(jìn)行對比分析研究。

1 實驗

1.1 材料

國產(chǎn)T800級碳纖維/603B熱熔法預(yù)浸料，預(yù)浸料面密度165 g/m2，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)34%±2%，單層厚度0.15 mm，自制。表1為國產(chǎn)T800 級碳纖維/603B 復(fù)合材料單向板的力學(xué)性能。

表1 復(fù)合材料單向板力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of unidirectional laminate

推進(jìn)兩化融合發(fā)展能夠帶動信息技術(shù)對激發(fā)創(chuàng)新潛能、重構(gòu)生產(chǎn)體系、引領(lǐng)組織變革、高效配置資源等作用的充分發(fā)揮，促進(jìn)生產(chǎn)要素的高效流動和優(yōu)化配置，引導(dǎo)制造業(yè)朝著分工細(xì)化、協(xié)作緊密的方向發(fā)展，更好地解決供需錯配矛盾和供需結(jié)構(gòu)性失衡問題，推動經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展[14-16]，同時，兩化融合能夠催生服務(wù)型制造、個性化定制等各種滿足消費(fèi)升級需求的新模式、新業(yè)態(tài)，創(chuàng)造更加多樣化、更具性價比、更高質(zhì)量的產(chǎn)品和服務(wù)供給。工業(yè)是實體經(jīng)濟(jì)的核心主題，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的主要著力點(diǎn)，因此，本文針對兩化融合在提升第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展質(zhì)量方面的績效情況，提出假設(shè)H3a～H3c。

圖1 預(yù)浸絲Fig.1 Prepreg tows

1.2 試樣制備

1.2.1 正交層合板制備

不同地質(zhì)因素對煤礦掘進(jìn)的影響各異，煤礦掘進(jìn)過程中支護(hù)措施是保證煤礦安全生產(chǎn)的根本策略。在操作過程中，須針對具體地質(zhì)條件采用合適的支護(hù)措施，確保安全可靠掘進(jìn)。在前期勘測設(shè)計時就應(yīng)該避開斷層構(gòu)造，并將其優(yōu)先布置在煤層傾角較小的采區(qū)，并根據(jù)地質(zhì)中頂?shù)装宓木唧w巖性狀況選擇科學(xué)合理的支護(hù)方案，及時調(diào)整掘進(jìn)方式，并做好瓦斯清除方面工作，避免由于對機(jī)械化采煤中對復(fù)雜地質(zhì)條件處理不當(dāng)，而影響正常采煤生產(chǎn)。

首先進(jìn)行第一層0°預(yù)浸絲鋪放（采用雙絲束預(yù)浸絲，帶寬12.7 mm），在相鄰預(yù)浸絲束間留有一定寬度的間隙（預(yù)留間隙為一個預(yù)浸絲束寬度），完成一層后，進(jìn)行另外一個方向（90°）層的鋪放，鋪放過程中也預(yù)留一定寬度的間隙，第三、四層鋪層時分別把第一、二鋪層時預(yù)留的間隙填滿，此時完成［（0/90）交］兩層完整的同一厚度的鋪層，然后依照此四個步驟的鋪放方式，重復(fù)以上步驟，完成后續(xù)鋪層，得到［（0/90）交］6S交織正交層合板。其鋪放過程如圖3所示。

圖2 交織正交層合板構(gòu)型Fig.2 Pattern of crossing intersection ply laminate

圖3 交織正交層合板鋪放過程Fig.3 AFP processing of crossing intersection ply laminate

從表4中可以看出，四向交織準(zhǔn)各向同性層合板開孔后壓縮性能在三者中最高，為401 MPa，比非交織板339 MPa高18.3%，且四向交織準(zhǔn)各向同性層合板開孔后壓縮強(qiáng)度保持率為81.0%，兩向交織板71.2%，皆高于非交織板的63.0%，表明交織鋪層組厚度對壓縮強(qiáng)度的影響仍然存在。開孔后壓縮強(qiáng)度保持率測試結(jié)果表明交織準(zhǔn)各向同性層合板有利于提高復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的開孔損傷容限。與交織正交層合板相似，交織準(zhǔn)各向同性層合板層間樹脂界面有纖維穿過，層間裂紋擴(kuò)展至纖維彎折處，不再像普通層合板的層間裂紋僅在平面內(nèi)擴(kuò)展，而是向相鄰鋪層進(jìn)行拓展，交織層合板層間韌性得以提高，減緩了開孔附近的損傷擴(kuò)展。

纖維體積分?jǐn)?shù)測試如1.3.1所述。

圖4 交織準(zhǔn)各向同性層合板Fig.4 Intersection ply quasi-isotropic laminates

1.3 試驗方法及儀器

1.3.1 正交層合板試驗

［0/90］6S非交織和［（0/90）交］6S交織正交層合板分別制作成縱向拉伸、壓縮、彎曲及層間剪切試樣，試樣制作及測試依據(jù)分別為GB/T 1447—2005、GB/T 1448—2005、GB/T 1449—2005 及Q/Dq 281—96，其中縱向?qū)娱g剪切試樣尺寸為20 mm×10 mm×δ（試樣厚度）。所用試驗機(jī)為AG-X3000 數(shù)控電子萬能試驗機(jī)。

纖維體積分?jǐn)?shù)按GB/T 3366—2004 進(jìn)行，纖維體積分?jǐn)?shù)和橫截面微觀觀察皆采用Nikon Eclipse L150顯微鏡，數(shù)字照片通過顯微鏡附帶的數(shù)字相機(jī)獲得。

硫磺回收單元生成的有機(jī)硫主要是COS，目前此方面開展的研究較少，在選擇該催化劑時加以適當(dāng)關(guān)注即可。無論如何，選擇良好的催化劑及其組合至關(guān)重要。

1.3.2 準(zhǔn)各向同性層合板試驗

將［+45/0/-45/90］2S非交織、［（+45/0）交/（-45/90）交］2S兩向交織、［（+45/0/-45/90）交］2S四向交織準(zhǔn)各向同性層合板制作拉伸和開孔拉伸試樣，拉伸試樣制作及測試依據(jù)為GB/T 1447—2005，開孔拉伸試樣制作及測試依據(jù)為ASTMD5766—2007，試樣尺寸為300 mm×36 mm×δ（試樣厚度2.4 mm，在試樣正中間制孔，孔徑Φ6 mm）。

表4是非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板壓縮和開孔壓縮性能數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板壓縮性能分別下降11.0%、8.0%，四向交織準(zhǔn)各向同性層合板壓縮性能略高于兩向。交織準(zhǔn)各向同性層合板壓縮性能低于非交織板，這主要是由于交織層合板鋪層纖維取直度相對于普通板明顯下降，從而致使其壓縮性能有所下降。雖然四向交織層合板節(jié)點(diǎn)處鋪層內(nèi)纖維的彎曲程度明顯高于兩向交織板（圖6），理應(yīng)四向交織層合板壓縮性能低于兩向交織板，但試驗結(jié)果正好相反，可能是由于層合板壓縮試樣破壞模式以失穩(wěn)屈曲為主，四向交織層合板交織鋪層組厚度為0.15 mm×4 層=0.6 mm［圖6（b）］，相對于兩向交織的0.15 mm×2 層=0.3 mm［圖6（a）］具備更高的抗屈曲失穩(wěn)的能力。

將［+45/0/-45/90］4S非交織、［（+45/0）交/（-45/90）交］4S兩向交織、［（+45/0/-45/90）交］4S四向交織準(zhǔn)各向同性層合板制作沖擊后的壓縮試樣，試樣制作及測試依據(jù)為GB/T21239—2007，沖擊后壓縮試樣尺寸為150 mm×100 mm×δ（試樣厚度4.8 mm），沖擊能量為6.67 J。試樣沖擊后按GJB1038.1A—2004進(jìn)行超聲C掃描缺陷分析，最后進(jìn)行沖擊后壓縮試驗測試。所用試驗機(jī)為AG-X3000數(shù)控電子萬能試驗機(jī)。

利用國產(chǎn)T800級碳纖維/603B預(yù)浸絲，采用自動鋪絲系統(tǒng)，制備［+45/0/-45/90］nS（n=2、3、4）準(zhǔn)各向同性層合板和［+45/0/-45/90］nS（n=2、3、4）交織準(zhǔn)各向同性層合板若干，用于后續(xù)試驗分析。圖4（a）所示的鋪層為［（+45/0）交/（-45/90）交］nS（n=2、3、4）；圖4（b）所示的鋪層為［（+45/0/-45/90）交］nS（n=2、3、4）。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交層合板力學(xué)性能對比

表2中列出了非交織及交織正交層合板試樣力學(xué)性能，兩種層合板的纖維體積分?jǐn)?shù)基本相同，分別為56.7%、56.9%。可以看出，交織正交層合板縱向拉伸、壓縮、彎曲性能較非交織板的均有所降低，其中交織正交層合板縱向拉伸強(qiáng)度及模量較非交織板分別下降約12.6%、5.3%；縱向壓縮強(qiáng)度及模量分別下降約11.6%、10.0%；縱向彎曲強(qiáng)度及模量分別下降約12.7%、7.4%。但交織正交層合板層間剪切性能較非交織板有明顯提高，幅度約為16.0%。

表2 非交織及交織正交層合板力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of cross-ply and crossing intersection ply laminates

交織正交層合板各鋪層內(nèi)纖維在交叉節(jié)點(diǎn)處纖維呈周期性的彎曲現(xiàn)象［圖5（a）］，彎曲坡角大約9.5°［圖5（b）］，致使纖維取直度相對于普通正交層合板明顯下降，從而致使交織正交層合板的拉伸、壓縮、彎曲性能較普通層合板有所下降。盡管交織正交層合板鋪層纖維呈周期性彎曲，但如圖5（a）所示，交織正交層合板無論纖維方向平行于斷面的鋪層，還是垂直于斷面的鋪層皆呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)，即相鄰層間樹脂界面有纖維穿過。層間裂紋擴(kuò)展至纖維彎折處，不再像普通層合板層間裂紋僅在平面內(nèi)擴(kuò)展，而是向相鄰鋪層進(jìn)行拓展，如此不僅增加了裂紋擴(kuò)展的行程，而且其裂紋擴(kuò)展方向亦隨之轉(zhuǎn)變，交織正交層合板層間界面性能得到改善，層間剪切強(qiáng)度有較為明顯的提高。

據(jù)了解，中海油總公司在惠州大亞灣除惠州煉化公司外、還有惠州物流公司和惠州環(huán)?；兀谀虾|部水域有“惠州油氣田”等7個油田和2個天然氣田投產(chǎn)，擁有26座固定平臺、6艘FPSO浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置，離珠三角東部沿岸最近約90海里，最遠(yuǎn)約160海里，年產(chǎn)石油1000多萬噸、天然氣61.7億方，每年往返平臺輔助船舶3400余艘次。

圖5 交織正交層合板橫截面Fig.5 Microstructures of cross section of crossing intersection ply laminates

2.2 開孔拉伸性能

非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板拉伸和開孔拉伸性能如表3所示。

表3 準(zhǔn)各向同性層合板拉伸性能Tab.3 Tensile mechanical properties of quasi-isotropic ply laminates

從表3中可以看出，兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板拉伸強(qiáng)度較非交織板明顯下降，其中兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板拉伸強(qiáng)度分別下降約12.3%和13.7%。四向交織準(zhǔn)各向同性層合板拉伸性能下降幅度略高于兩向交織板，主要是由于四向交織準(zhǔn)各向同性層合板鋪層中纖維在節(jié)點(diǎn)處需要分兩次穿越3層預(yù)浸料的厚度，其鋪層內(nèi)纖維在節(jié)點(diǎn)處的彎曲程度比兩向交織板的更大一些（圖6），致使其拉伸性能更低一些。

利用上述分切的預(yù)浸絲，采用自動鋪絲系統(tǒng)，制備［0/90］6S非交織正交層合板（普通正交層合板）和［（0/90）交］6S交織正交層合板若干，用于后續(xù)試驗分析。其中交織正交層合板成型方法如圖2所示。

非交織準(zhǔn)各向同性層合板開孔前后的拉伸強(qiáng)度分別為725 MPa、553 MPa，其開孔后拉伸強(qiáng)度保持率為76.3%，而兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板較非交織板略有提高，分別為80.5%、79.1%。這可能是由于兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板的鋪層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了層間的交聯(lián)耦合，其可以有效阻滯層間裂紋擴(kuò)展，致使層合板的開孔損傷容限有所提高。

2.3 開孔壓縮性能

將［+45/0/-45/90］3S非交織、［（+45/0）交/（-45/90）交］3S兩向交織、［（+45/0/-45/90）交］3S四向交織準(zhǔn)各向同性層合板制作壓縮和開孔壓縮試樣，壓縮試樣制作及測試依據(jù)為GB/T 1448—2005，開孔壓縮試樣制作及測試依據(jù)為ASTMD6484—2004，試樣尺寸為300 mm×36 mm×δ（試樣厚度3.6 mm，在試樣正中間制孔，孔徑Φ6 mm）。

圖6 交織準(zhǔn)各向同性層合板橫截面Fig.6 Microstructures of cross section of quasi-isotropic intersection ply laminates

表4 準(zhǔn)各向同性層合板壓縮性能Tab.4 Compressive mechanical properties of quasi-isotropic ply laminates

1.2.2 準(zhǔn)各向同性層合板制備

2.4 沖擊后壓縮性能

非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后壓縮試樣在6.67 J 能量沖擊后，經(jīng)超聲探傷分析，層合板損傷情況如圖7所示。兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后分層損傷面積明顯低于非交織板，表明交織準(zhǔn)各向同性層合板的抗沖擊損傷能力明顯高于非交織板。兩向交織準(zhǔn)各向同性層合板的沖擊損傷面積略大于四向交織板，可能是由于四向交織板的鋪層為（+45/0/-45/90）交，其相對于兩向交織的鋪層（+45/0）交/（-45/90）交交織的層數(shù)更多，且交織鋪層組合趨于各向同性。

圖7 準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后的損傷情況Fig.7 Damage degree of quasi-isotropic intersection ply laminates after impact

表5列出了非交織、兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后壓縮性能。從表5中數(shù)據(jù)可知，與開孔后壓縮強(qiáng)度類似，四向交織準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后壓縮強(qiáng)度最高，為308 MPa，非交織和兩向交織層合板沖擊后壓縮強(qiáng)度大致相當(dāng)，與四向交織板相比，分別降低11.4%和10.4%。該結(jié)果仍表明交織鋪層組厚度對壓縮強(qiáng)度影響較大。沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率以四向交織板最高，為62.2%，兩向交織板沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率次之，為57.6%，非交織板沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率最低，50.7%。與開孔壓縮強(qiáng)度保持率降低趨勢是一致的。該結(jié)果再次表明交織鋪層結(jié)構(gòu)對層間損傷具有一定的抵抗能力，有利于層合板的損傷容限。

在現(xiàn)代城市軌道交通列車運(yùn)行控制過程中,列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著不可替代的作用，不但負(fù)責(zé)信息傳輸，而且還要執(zhí)行某些重要的控制邏輯，因此，列車通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文結(jié)合現(xiàn)場普遍發(fā)生的列車通信網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)行深入分析，找到問題發(fā)生的根源，進(jìn)而提出整改建議。

表5 準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后壓縮性能Tab.5 Compressive residual strength after impact of quasi-isotropic ply laminates

3 結(jié)論

（1）交織正交層合板縱向拉伸、壓縮和彎曲性能較非交織板的性能均有所下降，但交織板層間剪切性能較非交織板的有明顯提高，提高幅度約為16.0%。

（2）兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板拉伸強(qiáng)度較非交織板明顯下降，且四向交織板拉伸強(qiáng)度下降幅度略高于兩向交織板，表明隨著交織鋪層組厚度的增加，層合板拉伸性能呈下降趨勢。

根據(jù)社會需要、行業(yè)需要 聯(lián)合企業(yè)共同制定“卓越計劃”下能動專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)；構(gòu)建 “卓越計劃”校企聯(lián)合培養(yǎng)人才的新路徑，以保證“卓越計劃”的順利實施[5]。

（3）兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板開孔后拉伸和開孔后壓縮強(qiáng)度保持率均高于非交織板，表明交織準(zhǔn)各向同性層合板有利于提高復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的開孔損傷容限。

（4）兩向交織和四向交織準(zhǔn)各向同性層合板沖擊后分層損傷面積明顯低于非交織板，且沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率均高于非交織板，表明交織準(zhǔn)各向同性層合板有利于提高復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的抗沖擊損傷能力。

2016年，電力開發(fā)公司宣布規(guī)制委完成評審的時間將進(jìn)一步延后約2年時間。同時，該公司預(yù)計安全升級的建設(shè)工作將在2016年啟動，并在2023財年下半年完成。

（5）綜合以上結(jié)果，表明交織鋪層結(jié)構(gòu)層合板相對于普通非交織層合板具有更好的損傷容限能力。