縫合復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平壓和剪切性能研究

劉華峰 趙凱輝 王佩艷 岳珠峰

1.西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072 2.河南理工大學(xué)，焦作，454000

縫合復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平壓和剪切性能研究

劉華峰1趙凱輝2王佩艷1岳珠峰1

1.西北工業(yè)大學(xué)，西安，710072 2.河南理工大學(xué)，焦作，454000

選用3種相同材料制造的復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)形式（未縫合、鎖式縫合和達(dá)夫汀縫合），進(jìn)行了面外壓縮（平壓）和面內(nèi)剪切兩項試驗，研究了縫合方法對縫合夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和破壞模式的影響。試驗數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果表明，泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后較未縫合結(jié)構(gòu)，面外壓縮和面內(nèi)剪切的強(qiáng)度和模量均得到了極大提高；不同的縫紉方法使得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模量的提高程度不同；達(dá)夫汀縫合方式使面外壓縮和面內(nèi)剪切的強(qiáng)度和模量的提高程度均優(yōu)于鎖式縫合方式。試驗結(jié)果為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析提供性能分析數(shù)據(jù)。

復(fù)合材料；泡沫夾芯；達(dá)夫汀縫合；鎖式縫合

0 引言

2001年Utah大學(xué)的Stanley 等在美國國家航空航天局（NASA）的支持下，提出了縫紉泡沫夾層復(fù)合材料的新概念［1］。用Keviar縫線將碳纖維復(fù)合材料面板和閉孔硬質(zhì)泡沫芯材縫在一起，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成形（VARTM）工藝將低溫固化樹脂注入并固化，制成縫紉泡沫夾層復(fù)合材料。由于縫線在Z向穿過了面板和泡沫芯材，對泡沫夾層復(fù)合材料進(jìn)行了整體的橫向加強(qiáng)，故復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和損傷容限都有顯著提高。但是縫線的引入使得縫紉泡沫夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)有了特殊性，其變形特點和破壞模式不同于未縫泡沫夾層復(fù)合材料，損傷和破壞機(jī)理十分復(fù)雜。目前，對其力學(xué)性能的認(rèn)識、損傷破壞模式和機(jī)理的研究都處于研究摸索階段［2］。

Xia等［3］用試驗的方法研究了全厚度縫合泡沫夾芯材料的沖擊性能。Lascoup［4］采用均勻化理論用解析的方法預(yù)測了縫合夾芯材料在彎曲載荷下彈性范圍內(nèi)的材料性能。黃濤等［5］將計算纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有效彈性模量的方法應(yīng)用于縫紉芯材剪切模量的計算，預(yù)測典型縫紉泡沫芯材的面內(nèi)剪切模量。但是目前的研究都沒有涉及不同的縫紉方法對材料力學(xué)性能的影響。本文采用對比試驗的方法，探討了縫紉方法對縫紉泡沫夾層復(fù)合材料各種力學(xué)性能的影響。

1 面外壓縮和面內(nèi)剪切試驗

為了定量比較不同縫合方式復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的性能，選擇3種夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗對比研究：①未縫合泡沫芯層結(jié)構(gòu)，即由復(fù)合材料面板、閉孔泡沫芯組成，面板和芯層未縫合；②全厚度采用鎖式縫合的泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)；③全厚度采用達(dá)夫汀方式縫合的泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)。3種夾層結(jié)構(gòu)均由國內(nèi)某研究所研制。面板為T300碳纖維織物，夾層芯材為ROHACELL 51 WF閉孔泡沫，面線和底線分別為400旦和1500旦的Kevlar29紗線。兩類試驗中試件均分為未縫合、鎖式縫合、達(dá)夫汀縫合3組，每組各包含6個試件。Z向增強(qiáng)泡沫夾芯復(fù)合材料的力學(xué)性能按照GB／T1453－2005（平壓強(qiáng)度和彈性模量）、GB1455－88（剪切強(qiáng)度和彈性模量）進(jìn)行測試。所有試驗在CSS44200電子萬能試驗機(jī)上完成。試驗溫度為室溫25℃，相對濕度為52%。試件上貼應(yīng)變片測量應(yīng)變，由自動采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

力學(xué)性能綜合試驗結(jié)果如表1所示。

表1 3種夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能綜合表 MPa

2.1 面外壓縮載荷下試驗結(jié)果

3種泡沫夾層結(jié)構(gòu)在面外壓縮下的載荷位移曲線如圖1所示。與未縫合結(jié)構(gòu)相比，兩種縫合結(jié)構(gòu)的載荷位移曲線先是呈現(xiàn)線性增加，載荷平穩(wěn)增加到很高水平才出現(xiàn)第1次峰值，這個峰值即為結(jié)構(gòu)破壞的最大破壞載荷。對應(yīng)此破壞載荷，結(jié)構(gòu)也呈壓塌破壞。然后載荷在較低水平但仍高于未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)最大破壞載荷下保持緩慢增加，但變形增加很快，直至部分邊緣縫線受壓失穩(wěn)，泡沫夾層失效。

圖1 3種夾層結(jié)構(gòu)面外壓縮下的載荷位移曲線

破壞模式對比如圖2所示。未縫合結(jié)構(gòu)由于泡沫已經(jīng)完全壓塌壓實，結(jié)構(gòu)厚度減小了一半，而縫合結(jié)構(gòu)中泡沫已經(jīng)部分壓壞，由于縫線樹脂柱起到了支撐的作用，破壞時厚度變化不大。

圖2 3種結(jié)構(gòu)面外壓縮下的破壞模式

對于面外壓縮的破壞載荷，未縫合為1k N，鎖式縫合為50k N，達(dá)夫汀縫合為100k N。鎖式縫合與未縫合夾層相比較，強(qiáng)度提高44.6倍，模量提高26.57倍。達(dá)夫汀縫合與未縫合夾層相比較，強(qiáng)度提高87.78倍，模量提高33.46倍。這表明縫線增強(qiáng)了泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面外壓縮模量和強(qiáng)度。這是因為縫合試件中縫線樹脂柱參與承擔(dān)了壓力，因此較未縫合試件可以承受更大的壓力。

在兩種縫合方式中達(dá)夫汀縫合方式對強(qiáng)度和模量的提高效果更好。雖然兩種縫合方法中縫線樹脂柱都參與承擔(dān)壓力，但是鎖式縫合中底線和面子線在材料中間相交打結(jié)，縫線初始處于拉緊狀態(tài)，并有應(yīng)力集中點，因此兩種縫合方法中縫線樹脂柱同時承受壓力時，達(dá)夫汀縫合方法中的縫線可以承受更大的載荷。

2.2 面內(nèi)剪切載荷下的試驗結(jié)果

由表1可知，鎖式縫合與未縫合夾層相比較，剪切強(qiáng)度和剪切模量分別提高2.87倍和5.7倍。而達(dá)夫汀縫合與未縫合夾層比較，強(qiáng)度提高了7倍，模量提高了15.9倍。說明縫線的存在提高了泡沫夾層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和剪切模量。而兩種縫合方法中達(dá)夫汀縫合方法較鎖式縫合方法對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模量的提高更好。

3種泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切載荷下的載荷－位移曲線如圖3所示。3種結(jié)構(gòu)的加載曲線都是載荷增加到最大后，突然下降。表明結(jié)構(gòu)都是在最大載荷下突然剪切破壞。

圖3 3種結(jié)構(gòu)剪切載荷下的載荷－位移曲線

破壞模式對比如圖4～圖6所示。未縫合泡沫夾層由于是泡沫承受剪力，最后沿泡沫厚度中部被剪斷，夾層結(jié)構(gòu)在瞬間失效（圖4）。而縫紉泡沫夾層除了泡沫，縫線也參與承受剪切載荷，但是鎖式縫合結(jié)構(gòu)，因面線和底線交叉，有應(yīng)力集中點，縫線較單邊達(dá)夫汀縫合的相對較弱，因此破壞模式大部分為泡沫夾芯和縫線在面板之間被剪斷（圖5）。而達(dá)夫汀縫合因為縫線能承受更大剪切載荷，因此縫線和泡沫并不破壞，最后的破壞模式為夾層面板和泡沫之間脫膠（圖6）。

圖4 未縫合結(jié)構(gòu)面內(nèi)剪切載荷下破壞模式

3 結(jié)論

（1）使用低成本真空輔助樹脂滲透成形技術(shù)（VARI）工藝制造的鎖式縫合和達(dá)夫汀縫合兩種全厚度縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)在承受面外壓縮和面內(nèi)剪切載荷時與未縫合結(jié)構(gòu)相比，強(qiáng)度和模量大大提高。

圖5 鎖式縫合結(jié)構(gòu)面內(nèi)剪切載荷下破壞模式

圖6 達(dá)夫汀縫合結(jié)構(gòu)面內(nèi)剪切載荷下破壞模式

（2）鎖式縫合和達(dá)夫汀縫合方式對縫合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和模量的提高程度是不同的。達(dá)夫汀縫合方式在提高面外壓縮和面內(nèi)剪切的模量和強(qiáng)度方面均優(yōu)于鎖式縫合。

（3）鎖式縫合結(jié)構(gòu)的縫線因面線和底線交叉，有應(yīng)力集中點，相對于單邊達(dá)夫汀縫合較弱。同樣受力狀態(tài)下，鎖式縫合的試件更易破壞。

［1］黃濤.縫紉泡沫夾層復(fù)合材料力學(xué)性能研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.

［2］黃濤，矯桂瓊.縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能研究［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2006，24（4）：535－538.

［3］Xia Fan，Wu Xiaoqing.Study on Impact Properties of Through－thickness Stitched Foam Sandwich Composites［J］.Composite Structures，2010，92：412－421.

［4］Lascoup B.Homogenization of the Core Layer in Stitched Sandwich Structures［J］.Composites Science and Technology，2010，70：350－355.

［5］黃濤，矯桂瓊.縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)芯子剪切模量研究［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2007，29（1）：113－117.

Study on Mechanical Behavior of Composites Stitched Foam
Sandwich Panels under Flatwise Compression and Shear

Liu Huafeng1Zhao Kaihui2Wang Peiyan1Yue Zhufeng1
1.Northwestern Polytechnical University，Xi’an，710072 2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan，454000

Experiments on three kinds of composite foam core sandwich structures under flatwise compression and shear were present herein.Unstitch foam，lock－stitch foam and Tufting stitch foam sandwich structures were produced using the same face materials in order to study the stitch methods how to influence the mechanical property and failure modes.The experimental results show the significant increase in the strength and modulus of flatwise compression and shear of the stitched foam sandwich structures.Different stitch methods brought the different extent increases of the stitched structures.Tufting stitch is better than lock－stitch in the increasing of the strength and modulus.The results can be used in structural design and theoretical analysis.

composite material；foam core sandwich panel；Tufting stitch；lock－stitch

TB332

1004—132X（2011）10—1213—03

2010—08—02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2009AA04Z418）；國家自然科學(xué)基金資助項目（50775183）

（編輯 袁興玲）

劉華峰，女，1972年生。西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院博士。主要研究方向為復(fù)合材料力學(xué)性能。趙凱輝，男，1971年生。河南理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授。王佩艷，女，1983年生。西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院博士研究生。岳珠峰，男，1965年生。西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。