縫合參數(shù)對泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

徐學(xué)宏，鄭義珠，陳吉平，寧 博，劉曉忱

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

作為一種輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有較高的比模量、比強度、抗彎剛度和隔熱隔音性能，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、風(fēng)電葉片、高速列車等領(lǐng)域[1-4]。但是，泡沫的抗剪性能較差，面板與芯子的界面強度較低，導(dǎo)致泡沫夾層復(fù)合材料存在容易分層破壞、整體性能欠佳等缺點[5]。

縫合是一種常見的層間增強方法，Stanley等[6]率先將縫合技術(shù)運用到碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)中，在貫穿面板與芯材的厚度方向引入增強縫線，有效地提高了界面性能和抗沖擊性能，進而形成縫合泡沫夾層復(fù)合材料?？墒牵p合對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的影響有利也有弊：一方面，縫合工藝中加入的縫線會給泡沫帶來初始損傷，造成芯子力學(xué)性能的降低；另一方面，固化后的縫線樹脂柱起到對泡沫的支撐作用，可以改善結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能[7]。因此，需要選擇合理的縫合參數(shù)，以使縫合泡沫夾層復(fù)合材料達到最佳性能狀態(tài)。

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者針對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的力學(xué)性能進行了實驗研究，其中面板涉及的增強體主要是玻璃纖維和碳纖維。研究結(jié)果表明，縫合能明顯提高玻纖泡沫夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能[8-13]、剪切性能[9]、壓縮性能[9-11]及面板破壞載荷[14]，相關(guān)力學(xué)性能隨縫合密度的增加而增大[10,12-14]，且改變了結(jié)構(gòu)的失效模式[15]。在縫合碳纖維泡沫夾層復(fù)合材料的研究方面，研究者發(fā)現(xiàn)縫合使彎曲破壞載荷[16]、滾筒剝離載荷[17]、彎曲性能[18]、剪切性能和平壓性能得到了提升，而提高程度與縫合方式[17]、縫合密度[17-18]、縫線直徑[17]等縫合參數(shù)有關(guān)。然而，已有研究更多地注重縫合對泡沫夾層結(jié)構(gòu)強度和剛度的提高，縫合參數(shù)對縫合泡沫夾層復(fù)合材料力學(xué)性能的影響仍需進一步研究，特別是與縫合所致泡沫損傷關(guān)聯(lián)的平面拉伸性能和芯子剪切性能研究鮮見報道。

本工作通過自動縫合機制備了不同縫合方式和縫合密度的縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)預(yù)制件，采用真空輔助樹脂注射(VARI)工藝成型制備泡沫夾層復(fù)合材料，對其平面拉伸、三點彎曲、芯子剪切及滾筒剝離性能進行了測試，研究了主要縫合工藝參數(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并對比分析了縫合與未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能，為縫合泡沫夾層復(fù)合材料的參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用研究提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 原材料與設(shè)備

碳纖維雙軸向NCF織物，常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司，增強纖維為日本東麗T700-12K；ROHACELL 71 WF-HT聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫，德國贏創(chuàng)工業(yè)集團，厚度為10 mm；Kevlar-29縫線，美國杜邦公司，旦數(shù)為1500 D和400 D，捻度為80 TPM；單組分PRISM EP2400增韌環(huán)氧樹脂，Cytec公司，70 ℃以上可注射。

DCS 2600自動下料機；KL 110 CNC二維縫合機(改進鎖式縫合)和KL 504機器人三維縫合機(臨縫式縫合)；XM1 35000固化爐；7.5 L不銹鋼多功能樹脂罐(定制)。

1.2 實驗件制造

1.2.1 預(yù)成型體制作

按[(+45/-45)/(0/90)/泡沫/(90/0)/(-45/+45)]的鋪層方式，將自動裁剪的NCF料片和手動切割的PMI泡沫進行鋪疊，尺寸為600 mm×600 mm，經(jīng)過真空袋熱壓預(yù)定型后得到泡沫夾層預(yù)成型體。

1.2.2 縫合制備

在自動縫合設(shè)備上，使用自制定位夾具對預(yù)成型體進行固定，再采用不同縫合方式和縫合密度沿著夾層結(jié)構(gòu)0°方向進行全厚度縫合，改進鎖式縫合和臨縫式縫合的示意圖如圖1所示。其中，改進鎖式縫合面線旦數(shù)和底線旦數(shù)分別為1500 D和400 D，縫合速度為60針/min，手動擰緊螺母調(diào)整彈簧的彈力使面線帶有適宜的張力；臨縫式縫合面線旦數(shù)為1500 D，縫合速度為10 mm/s，縫線張力調(diào)至最小，線圈距離上表面的深度為13 mm。在縫合方式研究中，縫合密度(行距×針距)均為30 mm×10 mm；在縫合密度研究中，縫合針距選定為10 mm，以縫合行距為主要變量，包括10，20，30 mm和40 mm。

圖1 改進鎖式縫合(a)和臨縫式縫合(b)示意圖Fig.1 Illustration of modified lock stitch (a) and tufting stitch (b)

1.2.3 VARI成型

將縫合和未縫合泡沫夾層預(yù)成型體，在平板模具上進行VARI工藝成型。通過抽真空保持97 kPa以上的成型壓力，注膠溫度為90 ℃，待樹脂充分滲透和浸漬之后，在180 ℃下保溫120 min，完成固化，制得泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料實驗件。

1.3 性能測試

參照ASTM C297進行平面拉伸性能測試，樣件尺寸為50 mm×50 mm，將其粘貼到加載塊后與平拉夾具組裝，并安裝到試驗機上，加載速率為0.50 mm/min；參照ASTM D7249進行三點彎曲性能測試，樣件尺寸為500 mm×60 mm，支撐跨距為450 mm，加載速率為6 mm/min；參照ASTM C393進行芯子剪切性能測試，樣件尺寸為200 mm×75 mm，實驗?zāi)Ｊ綖槿c彎曲，支撐跨距為150 mm，加載速率為6 mm/min；參照ASTM D1781進行滾筒剝離性能測試，樣件尺寸為305 mm×76 mm，兩端面板伸出25 mm，加載速率為25 mm/min，剝離長度為150～180 mm。每組實驗都加工6個樣件，在Zwick 100 kN電子萬能試驗機上完成測試實驗，記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的破壞載荷、破壞模式和力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 縫合參數(shù)對平面拉伸性能的影響

通過對不同縫合材料進行平面拉伸測試，得到了平面拉伸載荷-位移曲線，如圖2所示?？梢钥闯觯瑢τ谖纯p合和改進鎖式縫合夾層結(jié)構(gòu)，平拉載荷平穩(wěn)達到最大值，泡沫被突然拉斷破壞，呈脆性斷裂，平拉實驗件破壞模式均為芯子破壞；而對于臨縫式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)兩種不同的載荷-位移曲線，a曲線載荷突然下降后逐漸減小直至破壞，相應(yīng)的實驗件發(fā)生芯子破壞和上面板(帶縫線)與芯子之間破壞，b曲線呈脆斷特征，相應(yīng)的實驗件失效模式為芯子破壞。

圖2 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料平面拉伸載荷-位移曲線Fig.2 Flatwise tensile load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表1為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的平面拉伸性能測試結(jié)果?？梢钥闯?，與未縫合泡沫夾層實驗件相比，縫合泡沫夾層實驗件的平拉最大載荷和平面拉伸強度均明顯下降，改進鎖式和臨縫式縫合實驗件的平拉強度分別降低了14.75%和27.65%。在縫合過程中，縫針會戳穿泡沫而用縫線填充留下的針孔，給泡沫芯材帶來損傷，產(chǎn)生一些微裂紋，造成局部應(yīng)力集中，因此泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后平拉性能下降。

表1 不同縫合方式實驗件的平面拉伸性能測試結(jié)果Table 1 Test results for flatwise tensile properties of specimens with different stitching methods

由表1可知，在相同的縫合密度下，改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平面拉伸強度大于臨縫式縫合，數(shù)據(jù)分散性也更小，表明改進鎖式縫合方式對泡沫夾層復(fù)合材料平拉性能的損害更小一些。這主要是由于改進鎖式縫合中面線和底線套扣成結(jié)，兩側(cè)表面的縫線對面板和泡沫芯子存在捆束作用，抑制板芯界面分層，拉斷泡沫芯子需要較大的平拉載荷；而臨縫式縫合中縫線張力很小，僅在背面形成線圈，但沒有底線，對面板和泡沫的捆束作用小，縫線更容易與夾層結(jié)構(gòu)分離，存在縫線拉出使芯子和界面破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致平拉性能數(shù)據(jù)顯著降低且波動很大。

圖3為縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料平拉強度的影響?？梢钥闯?，縫合行距在10～30 mm范圍內(nèi)，平拉強度和最大載荷均隨縫合行距的增加而明顯增大；當(dāng)縫合行距為30 mm時，平拉強度達到最大值1.85 MPa。這主要是因為縫合行距的增加使泡沫損傷針孔的橫向間距變大，從而延緩了縫合后裂紋在芯子內(nèi)的橫向增大和擴展?？墒牵p合行距40 mm試樣的平拉強度卻比縫合行距30 mm試樣略微降低，說明過大的縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的平面拉伸性能是不利的。由此可見，適當(dāng)?shù)卦黾涌p合行距對平拉性能有一定的積極作用。

圖3 縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)平拉強度的影響Fig.3 Effect of stitch space on flatwise tensile strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

2.2 縫合參數(shù)對三點彎曲性能的影響

圖4為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料三點彎曲載荷-位移曲線，對于未縫合和縫合實驗件，彎曲載荷都是隨位移呈近似線性增加，達到最大載荷后突然驟降，發(fā)生彎曲破壞。彎曲實驗結(jié)果顯示，未縫合和縫合泡沫夾層復(fù)合材料破壞發(fā)生在泡沫芯子或板芯界面，因?qū)嶒灱茐奈窗l(fā)生于面板，故需將泡沫夾層作為整體結(jié)構(gòu)來考量彎曲性能。

圖4 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料彎曲載荷-位移曲線Fig.4 Flexural load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表2為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的彎曲性能測試結(jié)果?？梢钥闯觯c未縫合樣件相比，改進鎖式縫合樣件的最大載荷和彎曲強度分別提高了6.97%和7.96%，而臨縫式縫合樣件的最大載荷和彎曲強度分別降低了9.35%和7.96%。在改進鎖式縫合中，具有較大張力的面線和底線互相套扣，將面板和泡沫捆束在一起，使得夾層結(jié)構(gòu)縫合后整體性更好，彎曲性能有所提升。在臨縫式縫合中，縫線幾乎無張力，對夾層結(jié)構(gòu)的捆束作用小，只有面線而沒有底線，上下面板對稱性差，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)縫合后彎曲性能降低，數(shù)據(jù)離散性更大。因此，從泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能的角度考量，改進鎖式縫合方式優(yōu)于臨縫式縫合方式。

表2 不同縫合方式實驗件的彎曲性能測試結(jié)果Table 2 Test results for flexural properties of specimens with different stitching methods

縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度的影響如圖5所示，隨著縫合行距的增加，最大彎曲載荷和彎曲強度有先減小后增大的趨勢；縫合樣件的彎曲強度均明顯高于未縫合樣件，縫合行距為10，20，30 mm和40 mm時分別提高了9.70%，9.45%，7.96%和13.68%。從整體角度來看，縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的彎曲性能影響并不大。

圖5 縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲強度的影響Fig.5 Effect of stitch space on flexural strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

2.3 縫合參數(shù)對芯子剪切性能的影響

圖6為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切載荷-位移曲線。如圖6所示，剪切實驗中，未縫合和縫合實驗件破壞時載荷會突然降低，呈現(xiàn)出較為明顯的脆斷特點，失效模式均為芯子剪切破壞；泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后，承受芯子剪切載荷的能力有所下降。

圖6 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切載荷-位移曲線Fig.6 Core shear load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表3為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的芯子剪切性能測試結(jié)果，與未縫合泡沫夾層復(fù)合材料相比，縫合泡沫夾層復(fù)合材料的最大剪切載荷和芯子剪切強度均顯著降低，改進鎖式和臨縫式縫合實驗件的芯子剪切強度分別降低了24.79%和34.21%。這是因為縫合會損傷泡沫芯子，造成一定的微裂紋，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致泡沫力學(xué)性能下降，從而使泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層間剪切強度降低。

表3 不同縫合方式實驗件的芯子剪切性能測試結(jié)果Table 3 Test results for core shear properties of specimens with different stitching methods

圖7給出了縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切強度的影響，隨著縫合行距的增加，芯子剪切強度和最大剪切載荷均略有增加。這主要是由于縫合行距的增加使損傷針孔的橫向間距變大，在一定程度上阻礙裂紋在芯子內(nèi)的橫向增大和擴展。因此，增加縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的芯子剪切性能有一定積極作用。

圖7 縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切強度的影響Fig.7 Effect of stitch space on core shear strength of modifiedlock-stitched foam-core sandwich structures

2.4 縫合參數(shù)對滾筒剝離性能的影響

不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料滾筒剝離載荷-位移曲線如圖8所示?？梢钥闯觯瑢τ谖纯p合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，剝離載荷開始穩(wěn)定上升，上升到一定值后在小范圍內(nèi)波動；對于縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，剝離載荷先增加到一個較高水平后，呈類似于正弦曲線變化規(guī)律，波動幅度較大，這是由于在滾筒剝離實驗過程中，針腳間距是固定的，在沒有針腳的位置剝離只需克服面板與泡沫之間的粘接，而在針腳位置，剝離載荷不僅需要克服面板與夾層的界面粘接，還必須克服厚度方向上縫線的阻礙，而縫線斷裂所需的載荷遠(yuǎn)大于板芯界面粘接，所以有針腳位置的剝離載荷遠(yuǎn)大于沒有針腳位置，故出現(xiàn)類似于正弦曲線的位移-載荷曲線[17]。在滾筒剝離實驗中，觀察到縫合泡沫夾層復(fù)合材料試樣針腳處的縫線完全被拉斷。

不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的滾筒剝離性能測試結(jié)果如表4所示，與未縫合實驗件相比，縫合實驗件的平均剝離載荷和平均剝離強度大幅增加，改進鎖式和臨縫式縫合實驗件的平均剝離強度分別提高了80.78%和78.82%。這是由于完全剝開縫合泡沫夾層復(fù)合材料中面板和夾芯的界面，不僅要克服面板與泡沫之間的粘接，還必須克服縫線的束縛，拉斷縫線需要更大的剝離載荷，因而泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后滾筒剝離性能得到顯著提高。

表4 不同縫合方式實驗件的滾筒剝離性能測試結(jié)果Table 4 Test results for climbing drum peel properties of specimens with different stitching methods

圖9為縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料平均剝離強度的影響。由圖可知，隨著縫合行距的增加，平均剝離強度和平均剝離載荷均呈下降趨勢；與未縫合試樣相比，縫合行距為10，20，30 mm和40 mm時平均剝離強度分別提高了96.86%，85.88%，80.78%和65.49%。這是因為縫合行距的增加使得縫合密度減小，厚度方向上縫線變少，拉斷縫線需要的剝離載荷減小，對滾筒剝離性能的提升幅度減小，故而較大的縫合行距不利于提高泡沫夾層復(fù)合材料的滾筒剝離性能。

圖9 縫合行距對改進鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)剝離強度的影響Fig.9 Effect of stitch space on average peel strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

3 結(jié)論

(1)泡沫夾層復(fù)合材料縫合后，平均剝離載荷和平均剝離強度得到大幅提高，平拉強度和芯子剪切強度均明顯降低，改進鎖式縫合的損害更小一些，且提高了彎曲性能，而臨縫式縫合降低了彎曲性能，因此改進鎖式縫合方式優(yōu)于臨縫式。

(2)對于改進鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料，適當(dāng)?shù)卦黾涌p合行距對平面拉伸性能、彎曲性能、芯子剪切性能有一定的積極作用，但不利于滾筒剝離性能的提高。

(3)與未縫合泡沫夾層復(fù)合材料相比，當(dāng)縫合密度為30 mm×10 mm時，改進鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料的平拉強度和芯子剪切強度分別降低了14.75%和24.79%，彎曲強度和平均剝離強度分別提高了7.96%和80.78%。