VARI成型碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)預(yù)埋件拉脫強度研究

李恒 謝緯安 瞿磊

摘要：對VARI成型碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)預(yù)埋件拉脫強度進行研究，分析了不同材質(zhì)的金屬預(yù)埋件的拉脫強度。結(jié)果表明：進行加強處理的鋼預(yù)埋件拉脫強度能夠達到20kN以上，夾層板表面基本無變形，預(yù)埋件處出現(xiàn)脫絲現(xiàn)象，鋁預(yù)埋件拉脫強度較低，適合載荷較小的部位。

Abstract： The pull-off strength of VARI formed carbon fiber foam sandwich structure pre-buried parts was studied， and the pull-off strength of metal pre-buried parts of different materials was analyzed. The results show that： the tensile strength of steel pre-buried parts with strengthening treatment can reach more than 20kN， the surface of sandwich structure is basically free of deformation， and the phenomenon of stripping occurs at the pre-buried parts， and the tensile strength of aluminum pre-buried parts is lower and suitable for the parts with smaller load.

關(guān)鍵詞：VARI;碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu);金屬預(yù)埋件;拉脫強度

Key words： VARI;carbon fiber foam sandwich structure;metal pre-buried parts;pull-off strength

中圖分類號：TB3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0029-03

0? 引言

碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、比強度高、比剛度大、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強等優(yōu)點，能有效減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)效率，降低結(jié)構(gòu)的維護成本[1-2]，廣泛應(yīng)用在航空航天、武器裝備、汽車制造等領(lǐng)域。

作為碳纖維復(fù)合材料常用的結(jié)構(gòu)形式，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、減振、隔熱、隔音、吸能等性能，在工程應(yīng)用中得到了普遍的認可[3]。碳纖維復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由上下蒙皮材料和芯材組成，蒙皮采用強度高、可設(shè)計性強的碳纖維材料，芯材一般選用輕質(zhì)材料，在滿足結(jié)構(gòu)強度的前提下可有效降低結(jié)構(gòu)重量，最常用的芯材主要有蜂窩芯材、泡沫芯材。夾層結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)進行連接、安裝設(shè)備時，由于芯材本身的特性，難以在單純的夾層結(jié)構(gòu)中進行機械連接安裝，這就需要在該部位設(shè)置埋件，如鋼、鋁等金屬埋件，通過埋件將載荷擴散到結(jié)構(gòu)中。由于埋件是夾層結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)連接時的主要受力部件，因此，埋件的拉脫強度直接影響著夾層結(jié)構(gòu)的可靠性和疲勞壽命。

婁程飛等[4]對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)不同尺寸的玻璃纖維板預(yù)埋件拉脫強度進行了研究，得出直徑30mm以下預(yù)埋件，隨著直徑的增加，拉脫載荷不斷增加，當(dāng)預(yù)埋件直徑大于30 mm后，預(yù)埋件直徑的增加對拉脫載荷的提高影響不大。劉峰等[5]采用有限元法對含不同形狀金屬預(yù)埋件碳纖維層合板的強度進行了分析，得出階梯型結(jié)構(gòu)預(yù)埋件比圓柱形結(jié)構(gòu)預(yù)埋件極限載荷提高了40.36%。Ruixiang Bai等[6]采用三維數(shù)字圖像相關(guān)的非接觸全場光學(xué)測量方法，研究了具有嵌固件的正六邊形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在軸向拉拔載荷作用下的變形破壞行為。梁月華等[7]采用有限元法對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)鑲嵌件拉伸承載力進行分析，得出蜂窩芯子是決定鑲嵌件拉伸承載力的關(guān)鍵因素。目前，對夾層結(jié)構(gòu)埋件的研究主要集中在熱壓罐成型工藝和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，對于真空輔助樹脂注射工藝（Vacuum Assisted Resin Infhsion，VARI）和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件拉脫強度研究較少。因此，本文主要對VARI成型工藝下碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)預(yù)埋件的拉脫強度進行研究，研究了鋼預(yù)埋件和鋁預(yù)埋件的拉脫強度。

1? 拉脫強度試驗

1.1 制備工藝

試件制備采用真空輔助樹脂注射工藝（VARI），VARI是基于樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種低成本新型的復(fù)合材料成型工藝，通過在真空負壓條件下，利用樹脂的流動和滲透實現(xiàn)對密封膜腔內(nèi)的纖維織物增強材料的浸漬。此種工藝具有易于控制構(gòu)件整體性能、一體成型、工藝周期短、所需真空壓力低、設(shè)備及工藝成本低、污染小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料制備中[8-10]。碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)VARI成型工藝典型工序主要有模具準(zhǔn)備、碳纖維材料裁剪、泡沫加工、埋件加工、埋件預(yù)埋、纖維織物鋪層、泡沫鋪放、預(yù)成型、抽真空保壓、樹脂導(dǎo)入、升溫固化、脫模、后期處理等，碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)VARI成型工藝流程如圖1所示。

1.2 試件材料

纖維材料是復(fù)合材料的承載主體，碳纖維材料在性能上可分為T300、T700、T800等，試樣制備中纖維材料采用江蘇恒神股份有限公司的T300平紋碳纖維編織布，纖維材料參數(shù)如表1所示。

樹脂基體作用是把纖維材料結(jié)合在一起，使其保持特定的位置和方向，為纖維提供支撐、保護并傳遞載荷[11]。適用于VARI工藝的樹脂類型主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂等低密度樹脂，其中環(huán)氧樹脂成本低、工藝及力學(xué)性能優(yōu)異，具有較好的流動性和粘合力，用量最大。試件制備中樹脂采用藹科頌化工產(chǎn)品有限公司2040環(huán)氧樹脂，樹脂參數(shù)如表2所示。

芯材采用科拉斯公司PVC泡沫，泡沫厚度45mm，使用中雙面開槽、打孔，槽深2mm，槽寬2mm，開槽間隙30mm，打孔孔徑2mm，孔在槽內(nèi)，便于樹脂流動，泡沫參數(shù)如表3所示。

試件制備中采用的纖維材料、樹脂基體、泡沫材料的牌號/規(guī)格如表4所示。

1.3 試件結(jié)構(gòu)

碳纖維夾層結(jié)構(gòu)試件制備的尺寸為350×350mm，埋件中心與碳纖維夾層板的中心位置重合，試件外形圖如圖2所示，剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.4 預(yù)埋件處理

根據(jù)碳纖維夾層板安裝部件、需要承受的載荷不同，本文設(shè)計了厚度為5mm的鋼質(zhì)及厚度為3mm的鋁質(zhì)兩種類型的埋件。夾層結(jié)構(gòu)中常用的埋件形式有前期添加的預(yù)埋件和后添加埋件，對于后添加埋件，為了將金屬件埋入夾層板中，需要后期對碳纖維蒙皮進行切割開槽，這將導(dǎo)致增強纖維材料出現(xiàn)不連續(xù)特征，影響夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但后添加埋件可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)安裝位置的精確埋入。

本文采用預(yù)埋件形式，在成型前將金屬埋件埋入夾層結(jié)構(gòu)中，通過在泡沫芯材上加工出預(yù)埋件槽，如圖4所示，鋪層前將金屬埋件安裝到泡沫槽中。整個過程可以實現(xiàn)增強纖維材料連續(xù)鋪層而不需要斷開，提高了埋件及夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

埋件作為夾層結(jié)構(gòu)的主承力部件，預(yù)埋不合理會導(dǎo)致應(yīng)力集中，在服役過程中容易出現(xiàn)界面分層破壞、連接處失效等，極大影響結(jié)構(gòu)的整體性和承載力。普通的預(yù)埋只是單純把預(yù)埋件放入泡沫預(yù)埋件槽中，由于金屬與纖維增強樹脂的材料特性差別較大，剛度的不連續(xù)勢必造成在預(yù)埋件與母體層合板的界面上出現(xiàn)較為嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象[12]。對于承受載荷較大的預(yù)埋件部位，本文單獨對預(yù)埋件進行碳布十字加強處理，增大埋件與蒙皮、芯材間的接觸面積，增強界面間的粘結(jié)，提高整體抗脫層能力，預(yù)埋件加強處理如圖5所示。

對于鋁質(zhì)預(yù)埋件，由于鋁會和碳纖維材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，所以在進行預(yù)埋時可以采用玻璃纖維增強材料對鋁預(yù)埋件進行包覆處理，隔開鋁埋件和碳纖維材料，降低電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生，如圖6所示。

2? 測試條件

試驗中采用試驗機對試件的拉脫強度進行測試，試驗前在試件中心預(yù)埋件處開M6螺紋孔，裝上M6螺桿，用底板和上壓板將試件安裝到試驗機上并將試件居中，測試中對螺桿施加縱向拉伸力，以2mm/s的速率對試件加載。

試件預(yù)埋件尺寸及處理情況：

1#：80*80*5mm鋼預(yù)埋件，包覆兩層80*370mm碳纖維布十字加強;

2#：50*50*5mm鋼預(yù)埋件，包覆兩層80*350mm碳纖維布十字加強;

3#：50*50*3mm鋁預(yù)埋件，包裹一層50*130mm玻璃纖維布;

4#：50*50*3mm鋁預(yù)埋件，包裹一層50*130mm玻璃纖維布。

1#、2#、3#試件上下蒙皮鋪層均為5層，VARI成型后單層碳纖維編織布的厚度為0.3mm，1#、2#、3#試件上下蒙皮總厚度均為1.5mm，4#試件上下蒙皮鋪層均為3層，上下蒙皮總厚度均為0.9mm。

3? 試驗結(jié)果

試件拉脫強度和實驗現(xiàn)象如表5所示。

1#、2#試件拉脫強度基本相同，拉脫強度可達20kN以上，預(yù)埋件尺寸對拉脫強度影響不明顯，試驗中夾層板表面基本無變形，說明預(yù)埋件能夠抵抗20kN以下的拉力而不變形。編號2#3的夾層板發(fā)生了脫層現(xiàn)象，原因是此夾層板樹脂含量達到了49%，樹脂含量較高，導(dǎo)致層間結(jié)合較差，抗彎曲性能變差。

3#、4#試件鋁預(yù)埋件拉脫強度分別為3.67kN、3.07kN，拉脫強度較低，與鋁預(yù)埋件的材質(zhì)和鋁預(yù)埋件的加強方式有關(guān)，鋁埋件適合載荷較小部位的預(yù)埋。4#夾層板預(yù)埋件處出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，預(yù)埋件處變鼓與蒙皮的厚度較薄有關(guān)，蒙皮厚度將影響埋件處纖維材料的失效。

4? 結(jié)論

①本文研究了VARI成型碳纖維夾層結(jié)構(gòu)兩種材料的預(yù)埋件，進行加強處理的鋼預(yù)埋件拉脫強度在20kN以上，鋁預(yù)埋件拉脫強度較小。對于承載較大的部位可以采用鋼預(yù)埋件加強的形式，對于承載較小的部位可以采用鋁預(yù)埋件的形式。

②對預(yù)埋件進行加強處理可以將力傳遞給周圍蒙皮、泡沫，提高拉脫強度。

③對減重要求高且機械連接較多的碳纖維復(fù)合材料夾層構(gòu)件，在進行埋件設(shè)計時應(yīng)根據(jù)各部位承載大小，合理選擇埋件材質(zhì)及加強設(shè)計，盡量減輕構(gòu)件重量，充分發(fā)揮碳纖維材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)輕量化。

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