輕質夾層結構復合材料的制備及性能

張喬斌，李 浩，昌放輝

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033;2.海軍92854部隊，廣東 湛江 524005)

輕質夾層結構復合材料的制備及性能

張喬斌1，李 浩1，昌放輝2

(1.海軍工程大學，湖北 武漢 430033;2.海軍92854部隊，廣東 湛江 524005)

為減輕以往夾層結構復合材料的密度，采用高強玻璃鋼材料作為表層、多種空心玻璃微珠填充聚氨酯改性環氧樹脂合成的輕質吸聲材料作為芯材，制備了一種新型的輕質夾層結構復合材料，對夾層復合材料的制備工藝進行設計，并研究其水聲性能和力學性能。結果證明，以南京玻纖院的S2高強織物采用真空成型合成的玻璃鋼作為表層材料和輕質聚氨酯改性環氧樹脂材料作為芯材來制作的夾層結構復合材料具有重量輕、水聲性能和力學性能優良的特點，在降低夾層結構復合材料重量的同時，具有良好的聲隱身性能和承載性能，更有利于工程應用。

復合材料;夾層;輕質;空心玻璃微珠;水聲性能;力學性能

0 引言

國外把三明治夾層復合材料用于水下吸聲結構，已有近40年時間［1］，應用部位也由原來的舵、穩定翼等附體結構，發展到了潛艇非耐壓殼體等主要結構上［2］。夾層結構吸聲材料集承載與吸聲功能于一體，具有很強的可設計性，成型工藝方便。隨著技術的進一步成熟，為解決吸聲覆蓋層的脫落問題，可以直接使用夾層復合吸聲結構來代替原有的“鋼板+消聲覆蓋層”結構［3－5］。因此，夾層復合材料結構已成為未來水下吸聲結構的發展趨勢之一［1］。

海軍工程大學采用夾層復合材料結構代替鋼質舵殼板，研究了一種夾層復合材料空心舵結構［3－5］，該結構的芯材為聚氨酯材料，取得了較好的聲隱身效果。美海軍使用的玻璃纖維增強復合材料夾層薄板結構被認為是未來發展的一種趨勢［6］，但以往研究的夾層結構復合材料的芯材密度較大，使用受限。

本研究高強耐壓材料作為表層、多種空心玻璃微珠填充聚氨酯基樹脂合成的輕質吸聲材料作為芯材，制備了一種輕質的夾層結構復合材料，對夾層復合材料的制備工藝進行設計，并研究其水聲性能和力學性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料和試劑

乙烯基酯樹脂(3201):工業級，上海光華樹脂廠;聚氨酯改性環氧樹脂:工業級，湖北京山北化復合材料廠;高強玻璃纖維:南京玻璃纖維研究設計院和253廠;空心玻璃微珠:10～600 μm，秦皇島秦皇玻璃微珠有限公司;過氧化甲乙酮、環烷酸鈷:A.R.試劑，上海光華化學試劑廠;硅烷偶聯劑:KH－550，南京曙光化工廠;固化劑593:武漢市江北化學試劑廠。在使用前，乙烯基酯樹脂、聚氨酯改性環氧樹脂等進行真空除水處理備用;空心玻璃微珠用偶聯劑KH－550進行表面處理后在真空烘箱中進行干燥除水。

1.2 表層材料制備

鑒于玻璃纖維增強復合材料(玻璃鋼)的優越性能和使用范圍越來越廣［5］，因此夾層結構的表層材料定為玻璃鋼。玻璃鋼的合成原料和制備方法有很多種，本試驗采用253廠S2高強織物和南京玻纖院的S2高強織物2種玻纖材料，以3201乙烯基樹脂為基體，加入稀釋劑、固化劑和促進劑并采用手工和真空成型2種方法制備玻璃鋼。

1.3 芯材合成

1 .3 .1 原料選取

在芯材合成方面，鑒于空心玻璃微珠為球形薄殼顆粒，具有質輕，能有效降低材料的密度，提高比強度和機械性能，并具有孔隙率低，填充量高和微波吸收性能等優點，對高分子材料的阻尼性能也有優良的改性效果［7］，并且當聲波入射后，聲波會與微珠產生相互作用，延長了其在基體中的傳播路徑，增強基體對聲波的衰減性能。由于空心玻璃微珠存在空腔諧振吸聲，與基體之間可產生微相分離，從而增強了材料的吸聲性能［8］。聚氨酯基樹脂具有機械強度高、電絕緣性能優良、穩定性好等一系列優點，與固化劑作用后可形成三維網絡結構，具有良好的阻尼性能［8］。考慮到聲波的頻段對微珠的粒徑具有選擇性，所以本研究采用粒徑不同的多種空心玻璃微珠混合填充聚氨酯基樹脂合成吸聲芯材。

1 .3 .2 合成過程

先將稱量好的聚氨酯基樹脂適當加溫并與KH550攪拌均勻，再加入593固化劑，最后按計量加入玻璃微珠以及自制的增韌劑、分散劑和消泡劑，采用適當的分散工藝使微珠在樹脂基體中充分分散，引發交聯并進行抽真空處理，然后倒入模具中，采取先下層后上層的分層澆注方法(其中上層玻璃微珠填料含量是下層的1/2)，下層澆注0.5 h進行上層澆注，然后在常溫下固化24 h，脫模后放入一定溫度的烘箱中進行后固化處理2 h得到芯材。實驗中加入玻璃微珠粉后，要注意低速攪伴，避免將微珠打破，上下層比例為1:3。所合成芯材的相對密度為0.8±0.05。

1.4 試樣制備

1 .4 .1 表層玻璃鋼試件制備

按第1.2節中方法制備玻璃鋼試樣，制成試樣并編號(針對生產廠家、手工和真空成型，試樣分別編號為253－SG，NJ－SG，253－ZK和NJ－ZK)。各試樣的規格、鋪層總數、工藝、含膠量和厚度等參數見表1。

表1 試樣的規格及參數Tab.1 Specifications and parameters of specimen

試件的制作按照 GB1446－83，GB1447－83和GB1449－83的相關標準實施，其中拉伸試件的形式及尺寸如圖1所示。

圖1 表層材料拉伸試件形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of surface material tensile specimen

1 .4 .2 芯材試件制備

按照試驗所需制備的試樣有:①聲學性能測試試樣，試樣形狀為圓柱形夾層結構，直徑56.2 mm，芯材厚度25 mm，上下表面各貼4 mm厚玻璃鋼;②壓縮性能測試試樣，可分為2種形狀，一為方形塊體40 mm×40 mm×60 mm，一為圓柱形直徑50 mm、高60 mm;③拉伸性能測試試樣，同圖1中玻璃鋼試樣形狀和尺寸;④剪切性能測試試樣，為方形條狀體，截面尺寸8 mm×8 mm。各試樣形狀如圖2所示。

圖2 芯材的測試試樣Fig.2 The test specimen of core

1 .4 .3 夾層結構復合材料平板制備

采用在芯材表面貼附玻璃鋼的方法來制備夾層結構復合材料平板試件，試件表層玻璃鋼厚度為4 mm，芯材厚度為25 mm，板子整體尺寸為600 mm×560 mm×33 mm。

1.5 水聲性能測試

按標準GB/T 14369－93在中船重工第七一五研究所國防水聲測量一級站的脈沖聲管中分別測量試樣的聲壓反射系數R和聲壓透射系數T，然后計算出吸聲系數α。測試前為更好地測量試樣的聲學參數，所有試樣在水中浸泡24 h以上。

1.6 力學性能測試

表層玻璃鋼材料的拉伸、彎曲和沖壓式剪切性能按照GB1446－83標準測試;玻璃鋼的面內拉伸常數(彈性模量ET、泊松比v、強度XT和斷裂伸長率δb)和面內剪切常數(剪切模量G、剪切強度S)按照GB1446－83，GB/T 1447－83和 GB 3355－82標準進行測試;芯材的拉伸、壓縮、剪切等力學性能和夾層結構復合材料的強度測試參數按照GB/T 2567－1995，GB/T 2568－1995，GB/T 2569－1995和GB1450.2－83標準進行測試。前3種試驗測試均采用西安力創計量儀器有限公司生產的WDW－100型電子萬能試驗機;夾層結構復合材料夾板的強度采用均布載荷靜壓測試，其中位移測量采用CW－YB－2A位移傳感器，量程10 mm，測試精度0.02 mm。

2 結果與分析

2.1 表層玻璃鋼材料的制備工藝對其力學性能影響

表層玻璃鋼材料的拉伸、彎曲和沖壓剪切試驗測試結果(均為多次測試后的平均值)如表2所示。

表2 玻璃鋼試樣力學性能試驗結果Tab.2 Test results of mechanical properties of GFRP specimen

由表2可知，就工藝而言，真空成型較手工成型的材料拉伸性能(包括拉伸強度，拉伸彈性模量)有所提升，彎曲性能(包括彎曲強度和彎曲彈性模量)則有所下降，而沖壓剪切性能，手工成型時試件沖壓剪切強度比真空成型時低。考慮到夾層結構復合材料形式和橫向承載特性，并且真空成型所制玻璃鋼板性能要較手工成型均勻穩定，其相對密度可以穩定在1.7左右(含膠質量分數約30%)，所以表層玻璃鋼制作工藝確定為真空成型。

對于玻纖材料而言，南京S2玻纖織物的綜合性能比253廠S2玻纖織物具有明顯優勢，所以玻璃纖維選用南京玻纖院生產的S2玻纖織物。另外要說明的是:在本次測試試件的制作過程中，真空成型試件表面存在一層富集樹脂層(厚度0.3～0.5 mm)，在測試時沒有磨平，從而對真空成型試件的強度測試結果造成了一定影響，使整個體系測量的平均強度值偏低。

綜合考慮以上特點后，確定表層玻璃鋼合成的技術方案為:南京玻纖院生產的S2玻纖織物為增強體，3201乙烯基樹脂為基體，制作工藝為真空成型。以下實驗所用到的玻璃鋼均采用此方案制作。

采用上述方案所制備的玻璃鋼的面內拉伸常數和面內剪切常數的測試結果如表3所示。

表3 表層材料的基本力學性能參數Tab.3 Mechanical properties parameters of surface materials

由表3可知，本文所制備的玻璃鋼具有非常優異的力學性能。同時，通過對試驗數據的離散系數進行分析可知，所得到的表層材料基本力學常數(強度、斷裂延伸率和剪切強度、泊松比和剪切模量)基本穩定，離散系數均在0.015～0.1之間，可以滿足工程設計和數值仿真計算的要求。

2.2 芯材的合成配方對其力學性能的影響

本研究的夾層結構復合材料的主要結構特點是:表層玻璃鋼的強度和模量都大于吸聲芯材，其力學性能參數相對恒定;而吸聲芯材的力學參數可隨組分的變化進行適度的調整;另外，芯材的厚度大于表層材料的厚度。針對這類結構形式，文獻［5］中作了較為詳細的分析，認為對于芯材較厚而表層厚度相對較薄的夾層結構，主要由芯材承受變形引起的橫向剪應力，且最大剪應力出現在夾芯層的中心位置。因此，夾層結構芯材的力學性能參數對夾層結構的力學性能影響很大。根據芯材的應力狀態，其拉伸、壓縮、剪切等力學性能測試結果見表4。其中配方II是在配方I的基礎上添加了一定量的短切纖維進行改性。

由表4可知，2種配方的剪切強度相近，配方I芯材的壓縮強度和拉伸強度相對較好，但其壓縮模量和拉伸模量也較大，剛性較大;在測試過程中發現，配方Ⅱ的芯材力學參數(強度、失效應變、彈性模量、泊松比及剪切強度)的準確度及穩定性良好，除拉伸性能波動較大外，其他數據的離散系數均小于0.1，其精確度可以滿足工程和計算需要，本研究選用配方Ⅱ的芯材。

2.3 夾層結構復合材料的水聲性能

芯材對夾層結構復合材料的聲學性能影響較大，以PUEP配方Ⅱ制作芯材，并用其制作夾層結構聲學測試試件，在脈沖聲管中測試其水聲性能，測量結果如圖3所示。

從圖3可以看出，在吸聲芯材厚度只有25 mm的情況下，夾層結構復合材料的綜合水聲性能良好，在10 kHz以上頻段內，吸聲系數都在0.4以上;在20 kHz以上頻段內，吸聲系數在0.8左右，具有較好的水下聲隱身性能。

圖3 夾層結構復合材料的反射系數和吸聲系數頻譜Fig.3 Sound reflection coefficient and sound absorption coefficient spectra of sandwich composite

2.4 夾層結構復合材料平板的力學性能

采用上述的表層材料和芯材制作了夾層結構復合材料平板，整板面密度在37 kg/m2左右，具有質輕的特點，并對其進行了強度測試，測試結果和Abaqus理論計算結果見表5。

表5 夾層結構復合材料板強度的測試和理論計算結果Tab.5 Test and theoretical calculation results of strength of sandwich structural composite plate

由表5可知，當均勻載荷為93.75 kPa時，板子的撓度為6.96 mm;當均勻載荷為104.17 kPa時，板子的撓度為7.83 mm.與理論計算結果相比，測試結果偏大，可能是因為板子加工時，表層材料和芯材加工工藝以及二者的粘結工藝都不夠理想所致。由表5還可知，卸載后復合材料平板基本可恢復原狀，板子表面無明顯變形，證明該復合材料板可以滿足正常的力學安全需求。另外，本研究還在該板中央加載了100 kg、作用面積250 cm2(0.04 MPa)的集中載荷，以測試板子的剛度，撓度的測量值是0.56 mm，而在該工況下，理論計算的最大安全撓度6.6 mm，也符合安全要求。該力學實驗證明了本研究關于夾層結構復合材料的設計是合理的，可以滿足承載的要求。

表4 芯材的力學性能參數測試結果Tab.4 Test results of mechanical properties parameters of core

3 結語

為降低夾層結構復合材料的密度，對夾層結構的表層材料和芯材進行了設計與研究，主要結論:

1)采用南京玻纖院的S2高強玻纖織物為增強體、3201樹脂為基體，真空成型的玻璃鋼具有非常優異的力學性能，可作為夾層結構復合材料的表層材料;

2)空心玻璃微珠填充聚氨酯基樹脂可以降低所制備材料的密度并具有較好的力學性能;可以作為夾層結構復合材料的芯材;

3)以玻璃鋼為表層材料，輕質聚氨酯基材料為芯材的夾層復合材料具有質輕、水下聲隱身性能和力學性能優良的特點。

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Preparation and performance of lightweight sandwich composite

ZHANG Qiao-bin1，LI Hao1，CHANG Fang-hui2
(1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Unit NO.92854，Zhanjiang 524005，China)

To alleviate the density of the sandwich composite，a new light sandwich composite was prepared using high-strength glass fiber-reinforced composite materials as the surface and light polyurethanemodified epoxy resin absorption material as the core which was synthesized from a variety of hollow glass microsphere and polyurethane-based resin.The preparation，underwater acoustic property mechanical property of sandwich composite were study.The research results showed that the sandwich composite has a low density，excellent underwater acoustic property and mechanical properties using GFRP synthesized from the S2 high-strength glass fiber fabric of Nanjing Institute as the surface material and light polyurethanemodified epoxy resin material as the core.This sandwich composite has a good bearing property and underwater sound stealth property while the weigh of the sandwich structure was reduced.This light sandwich structure must be more conducive to engineering applications.

composite;sandwich;lightweight;hollow glass microsphere;underwater acoustic property;mechanical property

O327

A

1672－7649(2011)12－0129－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.031

2010－12－15;

2011－02－25

張喬斌(1972－)，男，碩士，工程師，主要從事艦船動力維修保障以及船用材料的應用研究。