濕熱環境下泡沫復合材料夾芯板的Ⅱ型界面剝離

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1 前 言

復合材料夾芯板通常由上層面板、芯材、下層面板三大部分組成。面板采用纖維增強復合材料，芯材通常采用強度相對較低的木材、泡沫、蜂窩等。上層面板主要承受壓力作用，下層面板主要承受拉力作用，芯材主要承受剪力作用。各組分根據各自力學特性，復合成承載能力更加優異的結構。隨著制造工藝的成熟及成本的降低，復合材料夾芯板正逐漸應用于土木工程領域[1-3]。現代橋梁建設中，泡沫復合材料夾芯板已經開始應用。但是，橋面板通常處于高溫高濕的工作環境中，長期的濕熱環境勢必對夾芯板的各項性能產生影響。據文獻統計表明，在造成泡沫復合材料夾芯板損傷破壞的諸多因素中，界面剝離損傷占據了很大比例[4-5]。因此，研究泡沫復合材料夾芯板在濕熱環境下的界面剝離性能十分必要。

Majumdar等[6]指出泡沫夾芯復合材料的性能和可靠性與芯材和面板的粘結性能緊密相關。Verghese[7]探討了乙烯基樹脂基體復合材料的濕熱耐久行為，結果表明，樹脂基體的吸水率隨著溫度的升高而增加，并且玻璃纖維增強復合材料(GFRP)含水率越高，抗拉強度越低。Springer[8]等研究表明乙烯基樹脂類GFRP在濕熱環境中老化180天后，抗拉強度降低9.5%，而不飽和聚酯樹脂類GFRP抗拉強度則降低14.5%。姚宇超[9]研究了復合材料層合板在6種濕熱環境條件下開孔壓縮的極限強度,實驗結果表明單純吸濕或加熱都使壓縮強度降低，而濕熱耦合作用更為明顯，120℃濕態下壓縮強度相比于22℃干態降低了17.05%。于志成[10]對復合材料Ⅱ型層間斷裂韌性測試方法進行研究，研究表明端部切口彎曲(ENF)試驗測出的GⅡ是材料的固有常數，試件尺寸對ENF試驗結果沒有影響。目前，前人對泡沫復合材料夾芯板Ⅰ[11]型(張開型)剝離研究相對較多，而對 Ⅱ 型[12,14](滑移型)剝離機理研究較少。由于夾層結構通常受到復雜應力作用，且面板與芯材材料性能相差較大，在破壞形式中Ⅱ型界面剝離破壞同樣不容忽視[15]。

本文以泡沫復合材料夾芯板為研究對象，探討濕熱環境老化后GFRP面板、泡沫芯材的抗壓強度、壓縮模量變化規律，以及夾芯板結構中GFRP面板與泡沫芯材Ⅱ型界面剝離臨界能量釋放率(Gc)變化規律。

2 試 驗

2.1 試驗材料

樹脂：選取牌號為HS-4430的雙酚A型環氧乙烯基酯樹脂為基體材料。纖維布：單位面積質量為800g/m2的雙軸向E型無堿玻璃纖維布為增強材料，纖維鋪層方向為0°/90°。引發劑：過氧化甲乙酮。促進劑：主要原料為異辛酸鉻和苯乙烯。稀釋劑：主要原料為苯乙烯。芯材：100kg/m3的聚氨酯泡沫。

試驗所用泡沫復合材料夾芯板、玻璃纖維增強復合材料試件均采用手糊工藝制備。

2.2 試件制備及老化環境

試驗選取泡沫復合材料夾芯板試件尺寸為： GFRP面板：250×60×2mm(長×寬×厚度)，兩層玻璃纖維布(0°/90°);泡沫芯材：250×60×20mm(長×寬×厚度)。為了模擬試驗結構界面尖端裂紋擴展分層，本次試驗根據ASTM推薦，在夾芯板一端界面處預留長度為50mm的裂縫。界面膠合過程中由不粘附薄膜引入到層板中。試件尺寸如圖1所示。

圖1 端部切口彎曲試驗試件尺寸Fig.1 End notched flexure specimen configuration

試驗的老化過程在高低溫交變濕熱試驗箱中進行，該濕熱箱由常州國立實驗設備研究所生產。試驗時設置濕熱箱溫度變化如圖2所示，24h為一個周期，測試時間為90天。相對濕度設定為95%。

圖2 濕熱箱溫度變化Fig.2 Temperature change in the hygrothermal chamber

2.3 材性測試

本試驗所用加載設備為CMT5205電子萬能試驗機。

2.3.1玻璃纖維增強復合材料的抗壓性能 根據GB/T1448-2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》，GFRP面板壓縮材性試件長寬高分別取10、10及30mm。挑選出表面無明顯缺陷的GFRP材性試件放入濕熱箱。分別在老化15、30、60及90天時取出5個試件，用游標卡尺量得試件長寬高，并黏貼橫向、縱向應變片，在電子萬能試驗機上進行抗壓試驗。

2.3.2聚氨酯泡沫抗壓性能 根據GJB1585A-2004《聚氨酯硬質泡沫塑料力學性能試驗方法》，將泡沫切割為長寬高均為60mm的試塊，放入濕熱箱，每次在老化15、30、60及90天時，分別取出5個試件在電子萬能試驗機上進行抗壓試驗。

2.4 端部切口彎曲試驗

將泡沫復合材料夾芯板放入濕熱箱，每次在老化 15、30、60及90天時分別取出5個試件，在電子萬能試驗機上進行抗彎試驗，如圖3所示。

圖3 端部切口彎曲(ENF)試驗裝置Fig.3 Set-up of end notched flexure (ENF) testing

試驗機加載頭壓縮速率設置為1mm/min，數據采集頻率設置為1Hz，同時以高倍攝像設備記錄下夾芯板界面剝離裂縫發生、擴展的整個分層過程。在試驗過程中，試驗方法要求從夾芯板的預留裂縫處發生分層擴展。在夾芯板界面處的預裂紋發展方向上，涂抹白色修正液以便于能夠直觀地觀測到界面裂縫分層擴展，且在界面下方粘上刻度紙，便于視頻能夠清晰地記錄到裂縫擴展長度。本次試驗跨距為210mm。

3 試驗結果與分析

3.1 玻璃纖維增強復合材料面板材性試驗結果分析

濕熱老化后夾芯板面板抗壓強度、壓縮模量變化如表1和表2所示。

表1 濕熱老化后GFRP面板抗壓強度值Table 1 Compressive strength of GFRP laminates after hygrothermal ageing

表2 濕熱老化后GFRP面板壓縮模量值Table 2 Compressive modulus of GFRP laminates after hygrothermal ageing

由表1可知，濕熱老化15天，GFRP面板抗壓強度上升幅度較大，此后面板抗壓強度呈現穩定下降趨勢。由表2可知，濕熱老化15天，壓縮模量大幅上升，15天后，壓縮模量出現較大幅度下降。濕熱環境對纖維增強復合材料(FRP)的樹脂基體以及基體/纖維界面都有較大影響[16-17]。濕熱環境易使基體發生物理、化學老化，降低基體韌性，降低纖維與基體整體性等。30、60及90天時，GFRP樹脂在水解和溶脹等作用下，強度和模量均降低。而在濕熱老化15天時，抗壓強度和模量卻有較大幅度上升，這是因為樹脂的后固化作用使得GFRP抗壓強度和壓縮模量提高，其影響要大于樹脂水解和溶脹等作用[18]。

3.2 聚氨酯泡沫壓縮性能試驗結果與分析

濕熱老化后聚氨酯泡沫抗壓強度、壓縮模量如表3和表4所示。

表3 濕熱老化后泡沫抗壓強度值Table 3 Compressive strength of foam after hygrothermal ageing

表4 濕熱老化后泡沫壓縮模量值Table 4 Compressive modulus of foam after hygrothermal ageing

從表3和表4可以得出，老化15天、30天，聚氨酯泡沫抗壓強度、壓縮模量都有顯著下降，此后隨著老化時間增加，泡沫抗壓強度、壓縮模量趨于穩定。其主要原因是，濕熱環境引起氨基甲酸酯基水解，導致分子鏈斷裂而降解老化，在濕熱老化初期水解速度較快，隨著老化時間增加，水解速度逐漸減慢[19]。

3.3 試驗結果分析

3.3.1破壞模式 未經濕熱老化的夾芯板，裂紋沿著泡沫與GFRP面板界面較緩慢地穩定擴展，試驗過程中無明顯“噼啪”脆斷聲。試驗結束后，分開面板與泡沫，可觀察到面板上黏有少量泡沫，泡沫表面較平整，無明顯破壞，如圖4所示。

圖4 (a) 未經老化夾芯板剝離試驗的側面圖像； (b) 試驗結束后手動剝開后的上面板界面粘有少量泡沫Fig.4 Face sheet with a little foams

老化15天后，裂紋由初始點穩定擴展一小段，此后隨著“噼啪”響聲，裂紋急速失穩擴展,此時力-位移曲線突降。由于濕熱老化使得泡沫強度下降較大，部分試件起始裂紋先向泡沫擴展10mm左右后，繼續沿著界面擴展，如圖5所示，撕開夾芯板面板，可觀察到面板上黏有的泡沫增多。

圖5 (a) 經15天老化后夾芯板的剝離試驗側面圖像；(b) 剝開后夾芯板界面粘有較多泡沫Fig.5 Face sheet with more foams

圖6 濕熱老化后試件端部切口彎曲(ENF)試驗荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of ENF experimental specimen after hygrothermal ageing

3.3.2荷載-位移曲線 未經濕熱老化及濕熱老化15天、30天、60天、90天的試件端部切口彎曲(ENF)試驗荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可見，未經濕熱老化夾芯板試驗構件在荷載到達650 N處開始下降，荷載-位移曲線沒有突降段，裂紋穩定擴展。

濕熱老化15天時，在0～5mm位移內，荷載上升幅度增大，表明夾芯板抗彎剛度增強。主要原因是GFRP后固化作用，使得面板剛度增強，而夾芯板抗彎剛度主要由面板決定。荷載達峰值后，界面裂紋開始亞臨界擴展，曲線斜率變小，夾芯板剛度降低。此后伴隨“噼啪”聲響，裂紋失穩擴展，荷載-位移曲線突降。濕熱老化30天時，變化情況和老化15天相似。濕熱老化60天時，在0～5mm位移內，荷載增幅接近于未老化試件荷載增幅，5～6.5mm位移內，荷載近似保持不變，而后荷載突降。濕熱老化90天時，在0～6mm位移內，荷載增幅減小，夾芯板抗彎剛度降低，此后荷載突降，裂紋失穩擴展。

3.3.3臨界能量釋放率計算 根據線彈性斷裂力學，有式(1)所示關系式：

(1)

其中，G為能量釋放率，?U為材料的應變能變化，?A為裂紋擴展的面積變化量。

對Ⅱ型計算模型進行如圖7所示簡化[20]。

圖7 Ⅱ型計算模型簡化Fig.7 Simplified calculation of mode Ⅱ interfacial delamination

假設C處轉角趨于零，由梯形關系可得如式(2)所示關系式：

(2)

式中：δC、δA、δD分別為C、A、D處的位移。

在A處有式(3)所示關系式：

δA=δAB+δBC

(3)

根據材料力學可推導出δBC，δAB，分別見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中，δAB為A點到裂紋尖端B點的垂直方向距離，δBC為B點到C點垂直方向距離，P為荷載，L為試驗半跨距，a為裂紋長度，E11為彈性模量，b為試件寬度，h為試件厚度之半。

CD懸臂梁D點位移如式(6)所示：

(6)

結合式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)，可得式(7)：

(7)

應變能U：

(8)

則Ⅱ型能量釋放率：

(9)

Ⅱ型臨界能量釋放率，即當P=Pcr時：

(10)

式中：GⅡC為Ⅱ型臨界能量釋放率，單位N/mm；Pcr為層間裂紋擴展長度為a時的臨界荷載，單位N；δ為對應于P的加載點撓度，單位mm；a為裂紋長度，單位mm；b為試樣寬度，單位mm(本試驗中b為60mm)；L為試驗半跨距，單位mm(本試驗中L為105mm)。

當荷載—撓度曲線無非線性段時，層間裂紋起始擴展的臨界荷載取最大載荷；當荷載—撓度曲線有非線性段時，層間裂紋起始擴展的臨界荷載取直線段斜率下降5%時相對應的荷載，如圖8所示。

圖8 臨界荷載取值方法Fig.8 Method of choosing critical load

試驗完成后，經測試并計算得出Ⅱ型臨界能量釋放率，結果如表5所示。

表5 不同濕熱老化時間下Ⅱ型臨界能量釋放率Table 5 Calculation results of mode Ⅱ critical energy release rate in different hygrothermal ageing time

研究表明，復合材料夾芯板Ⅱ型臨界能量釋放率大小主要由界面結合情況、面板模量、芯材模量決定[5,21]。由表5可知，隨著濕熱老化時間的增加，能量釋放率總體呈現下降趨勢。這主要是因為濕熱環境使得GFRP面板與聚氨酯泡沫界面結合能力下降及面板、芯材模量降低。濕熱老化后，聚氨酯泡沫中氨基甲酸酯基水解，界面處泡沫部分孔洞發生坍塌，加之GFRP面板樹脂水解、溶脹，使得兩種材料界面結合能力降低。同時，濕熱老化使得復合材料面板、泡沫芯材模量都有較大幅度的下降。

4 結 論

1.濕熱老化15天， GFRP面板由于后固化作用，抗壓強度、壓縮模量提高。此后，隨著老化的持續進行，抗壓強度、壓縮模量呈下降趨勢。

2.聚氨酯泡沫在濕熱老化15、30天時，抗壓強度、壓縮模量下降迅速，老化30天后抗壓強度、壓縮模量趨于穩定。

3.未經濕熱老化的泡沫復合材料夾芯板裂紋均處于亞臨界擴展狀態，表現為較緩慢的穩定擴展;濕熱老化15天后，裂紋出現失穩擴展，界面脆性破壞。

4.Ⅱ型能量釋放率隨著濕熱老化時間的增加呈下降趨勢，老化90天，Gc下降26.68%。

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