玻璃纖維增強(qiáng)聚苯硫醚夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

湯溢融，周曉東

(華東理工大學(xué)化工學(xué)院,上海市多相結(jié)構(gòu)材料化學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量小、比強(qiáng)度高的性能特點(diǎn),在航空航天、房屋建筑和軌道交通車(chē)輛等眾多領(lǐng)域已得到較為廣泛的實(shí)際應(yīng)用[1]。這些領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求,在提升力學(xué)性能的同時(shí)朝著輕量化的方向發(fā)展[2–3]。將玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(GMT)加熱至基體熔點(diǎn)以上,材料會(huì)發(fā)生厚度方向的膨脹,在降低材料密度的同時(shí),保留了GMT的部分力學(xué)性能,還具有不俗的隔音和隔熱性能,具有取代傳統(tǒng)鋁合金、鋼材的潛力,能很好地用于夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的芯層,滿足夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)輕量化的需求[4–7]。目前,用于GMT的常見(jiàn)基材為聚丙烯(PP)和聚酰胺(PA),其使用占據(jù)總量的90%以上[8]。以聚苯硫醚(PPS)為GMT的基體,保留了材料的膨脹特性,可以通過(guò)控制材料膨化后的壓縮比以控制制品的厚度與體積密度,還能發(fā)揮PPS優(yōu)越的性能,得到比PP基GMT和PA基GMT材料力學(xué)性能更加優(yōu)異的PPS基GMT材料[9]。目前對(duì)PPS基GMT的研究更多是如何優(yōu)化與表征這種材料的各種性能[10–15],鮮見(jiàn)將這種材料應(yīng)用于夾層結(jié)構(gòu)的制備,以更好地發(fā)揮材料低密度、高比強(qiáng)度的特性。

筆者利用熱壓成型方法,以膨化的PPS基GMT為芯材,雙向碳纖維織物增強(qiáng)聚碳酸酯為面皮,制備夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu),研究了夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)芯層厚度與芯層面密度對(duì)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,以及夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲破壞形式和側(cè)壓破壞形式。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

膨化PPS基GMT片材：玻璃纖維(GF)含量為60%,GF長(zhǎng)度為15 mm,厚度分別為3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分別為1 300,1 650,2 000 g／m2,自制；

雙向碳纖維(CF)織物增強(qiáng)聚碳酸酯(PC)片材：CF含量為57.8%,厚度為0.4 mm,自制。

1.2 主要儀器與設(shè)備

中框模具：自制；

平板硫化機(jī)：QLB–25D／Q型,無(wú)錫中凱橡塑機(jī)械有限公司；

電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)：CMT4204型,深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJU–22 J型,承德試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司；

游標(biāo)卡尺：110–120型,精度為0.01 mm,北京沿程科技有限公司。

1.3 樣品制備

以厚度分別為3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分別為1 300,1 650,2 000 g／m2的膨化PPS基GMT片材為芯材,雙向CF織物增強(qiáng)PC片材為面皮,將雙向CF織物增強(qiáng)PC片材和膨化PPS基GMT片材按照“三明治”形狀放入上、下壓板和中框模具中并固定,將壓機(jī)預(yù)熱至265℃,在1.5 MPa壓力下熱壓90 s,完成后快速轉(zhuǎn)移至冷壓機(jī)上,在1.5 MPa壓力下冷壓,冷卻至室溫,取出,制備出夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度分別為4,5,6,7,8 mm、芯層面密度分別為3 000,3 350,3 700 g／m2的夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1.4 性能測(cè)試

彎曲性能按照GB／T 1456–2005測(cè)試；

沖擊性能按照GB／T 1451–2005測(cè)試；

側(cè)壓性能按照GB／T 1454–2005測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度對(duì)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的影響

以片材面密度為1 300 g／m2的膨化PPS基GMT片材為芯材,制備夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度不同、芯層面密度為3 000 g／m2的夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)。不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲性能如圖2所示。

由圖2a和圖2b可以看出,增加芯層厚度,即增大夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量和比彎曲強(qiáng)度減小。這是因?yàn)殡S著芯層厚度的增加,芯層內(nèi)孔隙率增大[9],單位體積內(nèi)GF和PPS骨架密度降低,力的傳遞與承載更困難。由圖2c可以看出,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲剛度隨著芯層厚度的增加先增大后減小,轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為5 mm時(shí)。這是因?yàn)閺澢鷦偠扔蓮澢鷱椥阅Ａ亢蛫A芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度兩個(gè)因素共同決定[15],在芯層厚度較小時(shí),夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度也較小,此時(shí)彎曲彈性模量降幅小,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度對(duì)彎曲剛度的影響較大,同時(shí)隨著芯層厚度的增加,受PPS約束的部分GF恢復(fù)原有取向,恢復(fù)了部分抵御形變能力,所以在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度不大于5 mm時(shí),彎曲剛度隨著芯層厚度的增加而增大,當(dāng)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度超過(guò)5 mm后,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲模量降幅變大,同時(shí)厚度增幅不變,綜合導(dǎo)致彎曲剛度減小。

圖2 不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲性能

不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊性能如圖3所示。

圖3 不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊性能

由圖3可以看出,隨著芯層厚度的增加,即夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度減小,而沖擊總吸能量先增大后減小,轉(zhuǎn)折點(diǎn)是夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為5 mm時(shí),此時(shí)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊總吸能為4.99 J。這是因?yàn)椋?1)隨著芯層厚度增加,芯層內(nèi)的孔隙率增大,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)單位體積內(nèi)GF骨架的密度降低,單位體積吸能的能力減小；(2)膨化后芯層內(nèi)的PPS對(duì)GF的約束力變小,芯層厚度增加后,芯層內(nèi)部分GF恢復(fù)原有的取向,GF對(duì)力的承載能力變強(qiáng),GF骨架抵御形變的能力增大；(3)芯層厚度的增加會(huì)在芯層內(nèi)產(chǎn)生更多更大的氣孔結(jié)構(gòu),也能消耗部分能量,有助于沖擊總吸能的增大。綜合影響下,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊總吸能隨著芯層厚度的增加先增大后減小。沖擊強(qiáng)度是單位截面積的沖擊吸能,在沖擊總吸能沒(méi)有大幅度上升的情況下,隨著芯層厚度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度減小。

不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓性能如圖4所示。

圖4 不同厚度夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓性能

由圖4可以看出,隨著芯層厚度的增加,即夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度和比側(cè)壓強(qiáng)度快速減小。這是由于夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)側(cè)壓會(huì)發(fā)生芯層分層破裂,隨著芯層厚度的增加,芯層內(nèi)的孔隙率增大,類(lèi)似于彎曲性能測(cè)試,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞。

2.2 芯層面密度對(duì)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)性能的影響

不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲性能如圖5所示。

由圖5a和圖5b可以看出,在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都增大。這是因?yàn)樾緦用婷芏仍黾?芯材內(nèi)的孔隙率降低,芯層內(nèi)堆積更緊密,抵御載荷的GF密度增大,更多的GF能承擔(dān)和分散載荷。在芯層面密度相同條件下,隨著夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都減小。這是因?yàn)閵A芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度增加會(huì)導(dǎo)致夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)單位體積內(nèi)的GF骨架密度降低,骨架對(duì)力的承載能力下降。

圖5 不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲性能

由圖5c可以看出,在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲剛度增大。

由圖5d可以看出,在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為4 mm或5 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的比彎曲強(qiáng)度減小；在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為6 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的比彎曲強(qiáng)度先增大后減小。

不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊性能如圖6所示。

圖6 不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊性能

由圖6可以看出,在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊強(qiáng)度和沖擊總吸能增大。這是因?yàn)樾緦用婷芏仍黾?芯材內(nèi)的孔隙率減小,受到?jīng)_擊作用時(shí)有更多的GF承擔(dān)吸能作用[9]。

不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓性能如圖7所示。

由圖7a可以看出,在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度增大。

由圖7b可以看出,當(dāng)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為4 mm和5 mm時(shí),隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的比側(cè)壓強(qiáng)度減??；當(dāng)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為6 mm時(shí),隨著芯層面密度的增加,比側(cè)壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。

圖7 不同芯層面密度下夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓性能

2.3 彎曲破壞形式

夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲破壞形式如圖8所示,相應(yīng)的載荷–位移曲線如圖9所示。

圖8 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲破壞形式

圖9 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲載荷–位移曲線

由圖8可以看出,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度的破壞形式為面板破壞和芯層分層。由圖9可以看出,AB段為彈性變形階段,載荷隨著位移的增加而增大；在BC段,當(dāng)載荷到達(dá)690 N后,增加位移,上面板出現(xiàn)微小裂縫,載荷下降；在CD段,除上面板上出現(xiàn)裂縫外,芯層并未發(fā)生破壞,可繼續(xù)承載載荷,載荷上升；在DE段,面板的裂痕不斷在長(zhǎng)度和寬度方向衍生,載荷再次下降；EF段與CD段類(lèi)似,未發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)部分繼續(xù)承擔(dān)載荷,載荷上升,但較CD段的載荷下降；在F點(diǎn)后,芯層分層破裂,出現(xiàn)層間裂口,芯層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞并失效。

2.4 側(cè)壓破壞形式

夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓破壞形式如圖10所示,相應(yīng)的載荷–位移曲線如圖11所示。

圖1 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)熱壓成型工藝示意圖

圖10 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)側(cè)壓破壞形式

圖11 夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓載荷–位移曲線

由圖10可以看出,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的側(cè)壓破壞形式主要是芯層的壓縮／彎曲破壞。由圖11可以看出,在AB段,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)先發(fā)生局部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)后進(jìn)入彈性形變的階段,載荷隨著位移的增加而快速增大,載荷在B點(diǎn)達(dá)到最大,面板材料具有柔韌性,小幅度彎曲不會(huì)對(duì)其造成破壞；BC段發(fā)生芯層局部破壞；在CD段,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)在局部破壞基礎(chǔ)上,進(jìn)一步發(fā)生更嚴(yán)重的分層破壞；在DE段,分層破壞的結(jié)構(gòu)還可承載一定載荷。

3 結(jié)論

(1)隨芯層厚度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、比彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、側(cè)壓強(qiáng)度和比側(cè)壓強(qiáng)度減小,而彎曲剛度和沖擊總吸能先增大后減小,轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為5 mm時(shí)。

(2)在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量、彎曲剛度、沖擊強(qiáng)度、沖擊總吸能和側(cè)壓強(qiáng)度增大；在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為4 mm或5 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的比彎曲強(qiáng)度和比側(cè)壓強(qiáng)度減??；在夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)厚度為6 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的比彎曲強(qiáng)度先增大后減小,比側(cè)壓強(qiáng)度先減小后增大。

(3)夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲破壞形式是面板破壞和芯層分層；側(cè)壓破壞形式是壓縮／彎曲破壞。