酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面-芯界面優(yōu)化及其對(duì)彎曲和剪切性能的影響

牛芳旭，孫超明，楊曉琳，朱秀迪，賀靖，劉歸

(1.北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司，北京 102101；2.特種纖維復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102101)

0 引言

酚醛樹脂基復(fù)合材料具有本征阻燃、低發(fā)煙率、少或無毒性氣體釋放的特點(diǎn)，各項(xiàng)燃燒性能顯著優(yōu)于環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等[1-2]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有高比剛度、重量輕、隔聲、降噪、隔熱等優(yōu)異性能，因此以酚醛樹脂基復(fù)合材料作為面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在航空、船舶、軌道交通的內(nèi)飾領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價(jià)值，如地板、側(cè)壁板等[3]。夾層結(jié)構(gòu)的成型方法主要分共固化法和二次膠接法。共固化法是將未固化的上下面板、蜂窩芯和膠膜按順序組合在一起，面板固化與蜂窩芯的膠接一次成型，制造周期短，制造成本低。二次膠接法是將上下面板預(yù)先固化成型，再與蜂窩芯、膠膜組合膠接，制造周期長，制造成本增加，但面板質(zhì)量好[4]。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板和蜂窩芯通過蜂窩壁連接，接觸面積僅為面板的1%～5%，粘接質(zhì)量對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度和破壞模式具有較大影響，增大面板與芯材間的結(jié)合強(qiáng)度是提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能的有效途徑[5]，因此對(duì)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面-芯粘接問題的研究非常必要。楊曉強(qiáng)[6]等人研究了膠膜流變特性對(duì)蜂窩粘接性能的影響，結(jié)果表明，具有適宜流變性能的膠膜顯示出良好的蜂窩滾筒剝離強(qiáng)度和平面拉伸強(qiáng)度。Sun Zhi[7]等人使用短纖維對(duì)面-芯界面進(jìn)行增韌，以提高界面性能。

對(duì)于環(huán)氧面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于預(yù)浸料、膠膜均為環(huán)氧樹脂體系，采用共固化工藝容易實(shí)現(xiàn)較高的面-芯界面強(qiáng)度，滿足夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能要求。然而，對(duì)于酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，一方面，由于酚醛樹脂的自粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂，另一方面，酚醛預(yù)浸料和環(huán)氧膠膜之間為異質(zhì)界面，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂存在相容性問題，易產(chǎn)生弱界面，目前針對(duì)該問題的研究尚無公開報(bào)道。本文采用共固化工藝制備酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整膠膜面重優(yōu)化面-芯界面性能，利用滾筒剝離測試對(duì)面-芯粘接強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，研究了不同面重膠膜夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度和剝離形貌?；趯?duì)不同面-芯界面強(qiáng)度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲和平板剪切測試，本文還分析了面-芯界面質(zhì)量對(duì)夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能和剪切性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試樣制備原材料見表1。

表1 試樣制備原材料

1.2 試樣制備

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)采用熱壓共固化成型工藝，首先將預(yù)浸料、膠膜和蜂窩芯按順序鋪貼，然后采用熱壓機(jī)固化成型。試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)由下至上依次為下面板、膠膜、蜂窩芯、膠膜、上面板(測試面)，如圖1所示。根據(jù)膠膜鋪貼情況，試驗(yàn)件分3種鋪層設(shè)計(jì)：無膠膜、150 g/m2膠膜、300 g/m2膠膜，樣品編號(hào)分別為F-0、F-150和F-300。上面板預(yù)浸料鋪層數(shù)量為4層，下面板預(yù)浸料鋪層數(shù)量為3層。為了充分發(fā)揮面板和蜂窩芯的力學(xué)性能，鋪貼時(shí)將預(yù)浸料的強(qiáng)向與蜂窩芯的弱向平行，即預(yù)浸料的經(jīng)向平行于蜂窩芯的W向。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)示意圖

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的固化條件為(160±5)℃固化(1.5～2)h，成型壓力為(0.6±0.1)MPa。

1.3 測試方法

圖2 滾筒剝離測試示意圖1—上夾具 2—試樣 3—滾筒 4—滾筒凸緣5—?jiǎng)冸x面 6—加載帶 7—下夾具 P—載荷

使用Instron-1185萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 1781測試夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離性能，測試過程如圖2所示。使用DDL-10萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 393測試夾層結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲和平板剪切性能。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)如圖3所示，主要評(píng)價(jià)夾層結(jié)構(gòu)在彎矩載荷下的強(qiáng)度，平板剪切試驗(yàn)為短梁三點(diǎn)彎，如圖4所示，主要評(píng)價(jià)夾層結(jié)構(gòu)在剪力載荷下的強(qiáng)度。表2為試驗(yàn)件的尺寸和測試方向。

圖3 四點(diǎn)彎曲測試示意圖

圖4 平板剪切測試示意圖

表2 試驗(yàn)件尺寸和方向

2 結(jié)果與分析

2.1 夾層結(jié)構(gòu)面-芯界面優(yōu)化

測試了三種界面鋪層類型(無膠膜、150 g/m2面重膠膜、300 g/m2面重膠膜)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。無膠膜試樣的滾筒剝離強(qiáng)度為26.13 N·mm/mm，其靠面板用酚醛預(yù)浸料自身的粘接性實(shí)現(xiàn)面板和蜂窩芯的粘接，酚醛樹脂為自制改性酚醛，其自粘接強(qiáng)度較普通酚醛樹脂更高[8]，剝離形貌如圖6(a)所示；150 g/m2面重膠膜試樣的滾筒剝離強(qiáng)度達(dá)到了92.30 N·mm/mm，較無膠膜試樣提高了286%，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂混合后共同起粘接作用，其剝離形貌如圖6(b)所示，存在大面積的蜂窩芯拔出，屬于理想的滾筒剝離破壞模式；300 g/m2面重膠膜試樣的滾筒剝離強(qiáng)度為64.88 N·mm/mm，較150 g/m2面重膠膜試樣降低，其剝離形貌如圖6(c)所示，主要為酚醛面板與環(huán)氧膠膜間剝離，環(huán)氧膠膜層保留在蜂窩芯上，膠膜作用沒有得到充分發(fā)揮，破壞模式不理想。

圖5 不同面重膠膜夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度

圖6 滾筒剝離試樣的剝離形貌

與環(huán)氧面板夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度隨膠膜面重增加而提高的規(guī)律不同[9]，酚醛面板夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強(qiáng)度在膠膜面重達(dá)到一定程度后反而下降。這主要由于酚醛和環(huán)氧樹脂之間的弱界面導(dǎo)致，膠膜面重過高時(shí)，膠膜與蜂窩芯之間的粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)大于酚醛面板與環(huán)氧膠膜的界面強(qiáng)度，導(dǎo)致剝離模式不理想，滾筒剝離強(qiáng)度降低。

2.2 面-芯界面對(duì)彎曲性能的影響

相比復(fù)合材料層合板，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上的優(yōu)勢之一是比彎曲強(qiáng)度和比彎曲剛度更高。因此，在許多結(jié)構(gòu)件中，彎曲性能是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要承載模式，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選用的主要依據(jù)之一。本文利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)面-芯界面對(duì)夾層結(jié)構(gòu)L向和W向彎曲性能的影響，根據(jù)試樣方向和膠膜面重的不同分為6組試驗(yàn)件。在四點(diǎn)彎曲載荷下，梁結(jié)構(gòu)在長度方向承受的剪力和彎矩如圖7所示。在兩個(gè)加載點(diǎn)之間，只存在彎矩，不承受剪力；在支撐點(diǎn)和加載點(diǎn)之間，同時(shí)承受剪力和彎矩載荷。

圖7 梁結(jié)構(gòu)在四點(diǎn)彎曲載荷下的剪力和彎矩圖

表3中的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文中的鋪層方式，W向的四點(diǎn)彎曲性能優(yōu)于L向。另外，膠膜面重對(duì)W向和L向彎曲性能的影響規(guī)律不同。對(duì)于W向，試樣F-150-W和F-300-W的四點(diǎn)彎曲極限載荷較無膠膜試樣分別提高了12.7%和13.3%；對(duì)于L向，試樣F-150-L和F-300-L的四點(diǎn)彎曲極限載荷較無膠膜試樣分別提高了13.4%和4.4%。當(dāng)面-芯粘接強(qiáng)度達(dá)到一定閾值后，四點(diǎn)彎曲極限載荷將不會(huì)隨面-芯界面強(qiáng)度的增強(qiáng)發(fā)生顯著提高。有研究表明[10]，對(duì)于緞紋織物，由于機(jī)械咬合作用，當(dāng)剝離方向平行于長浮纖維方向時(shí)，滾筒剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)低于剝離方向垂直于長浮纖維的情況，在本文的鋪層方式下，L向?qū)?yīng)平行于長浮纖維方向的剝離，面-芯界面在復(fù)合應(yīng)力作用下更容易發(fā)生脫粘，因此導(dǎo)致膠膜面重300 g/m2試樣的四點(diǎn)彎曲極限載荷較低。

表3 四點(diǎn)彎曲極限載荷測試結(jié)果

圖8 四點(diǎn)彎曲測試典型載荷位移曲線

圖9 W向四點(diǎn)彎曲測試破壞形貌

圖10 L向四點(diǎn)彎曲測試破壞形貌

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由面板、膠膜和蜂窩芯組成，具有多重不連續(xù)性、非線性和各向異性等特點(diǎn)，由圖8中試樣的典型載荷位移曲線可以看出，夾層結(jié)構(gòu)在四點(diǎn)彎曲載荷下的破壞過程表現(xiàn)出明顯的非線性特點(diǎn)，W向試樣在3 000 N左右發(fā)生較明顯的剛度退化，L向試樣在2 000 N左右發(fā)生較明顯的剛度退化。圖9和圖10分別是W向和L向試樣的破壞形貌。對(duì)于W向，主要破壞模式是支撐點(diǎn)和加載點(diǎn)之間的蜂窩芯剪切破壞，同時(shí)發(fā)生面板的屈曲分層。另外，無膠膜試樣由于面-芯粘接強(qiáng)度低，發(fā)生較嚴(yán)重的面-芯界面脫粘；而對(duì)于膠膜為150 g/m2和300 g/m2的試樣，面-芯界面脫粘不明顯，蜂窩芯的剪切破壞更徹底。對(duì)于L向，同時(shí)出現(xiàn)了面板壓縮破壞、面-芯界面脫粘和蜂窩芯剪切破壞，整體破壞形貌與W向試樣不同，無膠膜試樣在面板損傷附近發(fā)生了嚴(yán)重的面-芯界面脫粘，而膠膜為150 g/m2的試樣，面-芯脫粘問題最輕。夾層結(jié)構(gòu)的破壞過程復(fù)雜，僅通過破壞形貌分析無法明確損傷機(jī)理，即不同破壞模式出現(xiàn)的先后順序，基于漸進(jìn)失效的有限元仿真技術(shù)是有效的研究方法之一[11-12]。

2.3 面-芯界面對(duì)剪切性能的影響

平板剪切試驗(yàn)即短梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，由于跨距小，夾層結(jié)構(gòu)所受彎矩較小，面板承受的拉壓應(yīng)力遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度值，因此該試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)夾層結(jié)構(gòu)的抗剪切性能。梁結(jié)構(gòu)在長度方向承受的剪力和彎矩如圖11所示。根據(jù)試樣方向和膠膜面重的不同分為6組試驗(yàn)件，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由于蜂窩芯的L向剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于W向，因此L向的平板剪切極限載荷高于W向。另外，有膠膜試樣的剪切性能較無膠膜試樣提高了5.9%～9.9%，即提高面-芯界面性能可改善夾層結(jié)構(gòu)的平板剪切性能。這說明優(yōu)異的界面性能有利于載荷的傳遞，可促進(jìn)夾層結(jié)構(gòu)的整體性能得到充分發(fā)揮。

圖12是平板剪切試驗(yàn)的典型載荷位移曲線。與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相比，平板剪切試驗(yàn)的受力狀態(tài)更簡單，非線性特點(diǎn)沒有四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)顯著，僅在接近極限載荷時(shí)發(fā)生較明顯的剛度退化。由載荷位移曲線的變化趨勢可以看出，膠膜為150 g/m2時(shí)，導(dǎo)致平板剪切性能提高的原因與300 g/m2膠膜試樣不完全一致，150 g/m2膠膜試樣的剛度與無膠膜試樣接近，其較高的面-芯界面強(qiáng)度導(dǎo)致破壞時(shí)的變形更大，而300 g/m2膠膜試樣的整體剛度明顯更高。圖13是平板剪切試驗(yàn)的破壞形貌，面板沒有明顯損傷，破壞模式主要為蜂窩芯的剪切破壞，另外，無膠膜試樣在蜂窩芯破壞附近有嚴(yán)重的面-芯界面脫粘。由于夾層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)型和受力狀態(tài)，針對(duì)膠膜面重對(duì)平板剪切的影響規(guī)律以及更深入原因分析，需開展更細(xì)致的試驗(yàn)研究并結(jié)合平板剪切試驗(yàn)的破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

圖11 梁結(jié)構(gòu)平板剪切試驗(yàn)的剪力和彎矩圖

表4 平板剪切極限載荷測試結(jié)果

圖12 平板剪切測試典型載荷位移曲線

圖13 平板剪切測試破壞形貌

3 結(jié)論

本文針對(duì)共固化工藝制備酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面-芯界面問題開展了一系列試驗(yàn)性研究工作，得到以下結(jié)論：

(1)膠膜面重對(duì)共固化酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面-芯界面質(zhì)量影響較大，滾筒剝離強(qiáng)度隨環(huán)氧膠膜面重的增大先提高后下降，不同面重膠膜的剝離形貌差別較大。

(2)面-芯界面優(yōu)化后，夾層結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲極限載荷可提高13%左右;但當(dāng)面-芯粘接強(qiáng)度達(dá)到一定閾值后，極限載荷將不會(huì)隨面-芯粘接強(qiáng)度的增加繼續(xù)發(fā)生顯著提高。

(3)提高面-芯界面性能可改善夾層結(jié)構(gòu)的平板剪切性能，有膠膜試樣的平板剪切極限載荷較無膠膜試樣提高了5.9%～9.9%。