碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)的強度研究

丁偉民，熊宇航，楊 旭，韓雙謙，曲 嘉

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

復合材料夾芯結(jié)構(gòu)因其特有的質(zhì)量輕、強度高等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用[1]。設(shè)計一種多功能一體化的復合材料結(jié)構(gòu)以滿足多種需求和功用，成為研究的熱點，受到國內(nèi)外相關(guān)科研人員的關(guān)注[2，3]?，F(xiàn)階段，對夾芯構(gòu)型的研究以格柵[4]、蜂窩[5]、波紋板[6]、點陣[7]、褶皺[8]等結(jié)構(gòu)為主。

由于復合材料工藝相比金屬更為復雜，對夾芯結(jié)構(gòu)的制備較為困難。美國學者Finnegan利用水切割組裝的方法成功制備出碳纖維金字塔芯子并進行了單向軸壓試驗[9]。Sugiyama等通過注入熱塑性高分子基體的方法制備出復合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)[10]。Du等使用熱壓成型方法設(shè)計并制造了基于V形褶皺的碳纖維增強復合材料褶皺結(jié)構(gòu)[11]。

目前，對于復合材料纖維管周期性堆疊夾芯結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究接近空白狀態(tài)。本文提出了一種碳纖維周期性堆疊結(jié)構(gòu)及其制備工藝，并對使用該制備工藝得到的結(jié)構(gòu)進行了理論分析和試驗研究，證實該制備工藝具有經(jīng)濟可行、高效便捷的特點，利用該工藝得到的結(jié)構(gòu)在抵抗沖擊破壞等方面具有較好的力學特性，這為發(fā)掘其更豐富的力學性能及工程應(yīng)用提供了參考。

2 結(jié)構(gòu)及制備工藝

目前，復合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備的研究中，纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)的制備及其力學性能尚未被發(fā)掘。

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)由上下面板和中間纖維管芯子構(gòu)成(如圖1所示)，材料均為碳纖維，單層面板厚度約1.5mm，中間芯子由5層纖維管組成，每根纖維管的尺寸如表1所示，每層纖維管數(shù)目分別為4、3、4、3、4，左右相鄰纖維管間隔5mm。整體樣件尺寸為75mm×50mm×80mm(長×寬×高)，總重量約106g。

1.碳纖維上面板；2.碳纖維管芯子；3.碳纖維下面板圖1 碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)示意圖

表1 單根碳纖維管參數(shù)表

2.2 制備工藝

制備工藝流程如圖2所示。

圖2 制備工藝流程圖

2.2.1 面板制備

面板由鋪疊碳纖維預浸料固化而成。選取16張裁剪好的碳纖維預浸料，由于纖維是單向的，采取0°/90°相鄰兩層正交鋪疊的方式，考慮到面板的對稱性對于強度的影響[12]，將第8、9層的預浸料纖維方向調(diào)整一致。將預浸料各層間氣泡擠出后，放入XLB-25平板硫化機中進行熱壓固化，壓強始終保持0.5MPa，溫度保持在80℃下30min，再將溫度調(diào)節(jié)為130℃，待平板硫化機溫度上升到預設(shè)溫度后維持60min。固化完成冷卻后取出，按照預設(shè)尺寸確定面板大小。使用雕刻機裁剪尺寸合適的碳纖維面板，將面板邊角處磨平、洗凈并干燥。

2.2.2 芯子粘接

選取適量3K碳纖維管，利用砂紙機將碳纖維管打磨至長度一致，再用砂紙打磨外表面至粗糙，清洗、干燥以備用。按照預設(shè)尺寸，切取J-272-C膠膜，把膠膜粘貼至纖維管上，將每根纖維管作為單胞按照固定間隙粘接組裝，得到夾芯結(jié)構(gòu)的芯子。為簡化制備工藝流程，待整個夾芯結(jié)構(gòu)粘接完成后一體固化成型。

2.2.3 面板芯子粘接

清洗切割后的面板并干燥，通過J-272-C膠膜將碳纖維上下面板分別與纖維管芯子粘接，并放置在高溫真空箱中。抽真空后，溫度保持在80℃下30min，再將溫度調(diào)節(jié)為130℃，待箱內(nèi)溫度上升到預設(shè)溫度后維持60min，使膠膜固化，結(jié)束后待板件冷卻，取出得到碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)試樣。

3 試驗分析

3.1 準靜態(tài)壓縮試驗

采用INSTRON 5500R對試件進行準靜態(tài)加載，加載速率為2mm/min，位移載荷曲線如圖3所示。載荷線性增加至峰值1，直至結(jié)構(gòu)中纖維管發(fā)生破壞。芯子結(jié)構(gòu)共5層，中間3層碳纖維管先發(fā)生不規(guī)則破壞，3層壓潰成2層后出現(xiàn)載荷峰值2。峰值2對應(yīng)載荷比峰值1對應(yīng)載荷小，原因是中間3層壓潰后，結(jié)構(gòu)未能形成穩(wěn)定的支撐來抵抗壓力，故峰值2不能像峰值1一樣承受相同的壓力。由于部分纖維管斷裂后殘留在結(jié)構(gòu)中，殘骸的位置不斷調(diào)整，其中有一部分仍然能夠支撐豎向載荷，力隨位移的變化出現(xiàn)復雜波動。中間3層壓潰成1層后出現(xiàn)載荷峰值3，峰值4對應(yīng)于最下層纖維管的破壞，隨后載荷繼續(xù)增大至最后一層纖維管破壞，對應(yīng)載荷峰值5。試驗測得的碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)最大承載力為11.25kN，主要失效形式(如圖4所示)為脆性斷裂和脫膠。宏觀上，結(jié)構(gòu)沿45°方向產(chǎn)生斷裂；微觀上，結(jié)構(gòu)的破壞是由于單根纖維管的斷裂。

圖3 準靜態(tài)壓縮下位移載荷曲線

圖4 準靜態(tài)壓縮試驗破壞形式

3.2 沖擊試驗

采用落錘沖擊試驗機對試件施加沖擊載荷，落錘質(zhì)量24kg，測得落錘接觸試件時速度為6.07m/s，結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的位移載荷曲線如圖5所示，載荷峰值達到8.89kN。試驗測得結(jié)構(gòu)的比吸能約為4151J·kg-1，主要失效形式(如圖6所示)為脆性斷裂和脫膠。

圖5 沖擊載荷下位移載荷曲線

圖6 沖擊試驗破壞形式

4 結(jié) 論

本文提出了一種碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)及該結(jié)構(gòu)的制備工藝，研究了該結(jié)構(gòu)的力學特性。對試件進行準靜態(tài)壓縮試驗和沖擊試驗，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在準靜態(tài)壓縮過程中，隨著纖維管的破壞，載荷隨纖維管層數(shù)減少出現(xiàn)多個峰值，其主要失效形式為脆性斷裂和脫膠。在沖擊載荷下，結(jié)構(gòu)失效形式同樣以脆性斷裂和脫膠為主，纖維管的脆性斷裂吸收能量使得結(jié)構(gòu)具有較好的吸能效果。