亞麻增強復合材料/蜂窩夾芯結構沖擊響應

仲俊杰

摘? 要：文章研究了亞麻增強復合材料/蜂窩夾芯結構的沖擊響應。所用的夾芯結構的芯材是蜂窩材料，面板使用不同規格的亞麻纖維增強/酚醛樹脂復合材料。研究了不同沖擊能量下，面板厚度對沖擊響應及破壞模式的影響。面板厚度小的夾芯結構主要由面板的拉伸破壞主導，而面板厚度大的夾芯結構則主要由面板的分層破壞主導，并且能夠吸收更多沖擊能量。

關鍵詞：沖擊響應;亞麻增強復合材料;蜂窩夾芯結構

中圖分類號：TB33? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0026-03

Abstract： In this paper， the impact response of flax reinforced composite / honeycomb sandwich structure is studied. The core material of the sandwich structure is honeycomb material， and the panel uses different specifications of flax fiber reinforced / phenolic resin composites. The effects of panel thickness on impact response and failure mode under different impact energy are studied. The sandwich structure with small panel thickness is mainly dominated by the tensile failure of the panel， while the sandwich structure with large panel thickness is mainly dominated by the delamination failure of the panel， and can absorb more impact energy.

Keywords： impact response; flax reinforced composites; honeycomb sandwich structure

1 概述

使用復合材料面板增強的蜂窩夾芯結構廣泛應用的航空內飾材料。其中主要優勢在于輕質高強及防火性好等。面板需要承擔絕大部分的彎曲、扭轉及面內載荷[1]，通常使用玻璃纖維增強復合材料。由于這種夾芯結構的力學響應受加載速率影響極大，因此其沖擊響應行為被廣泛研究[2-4]。

亞麻纖維來源廣泛，天然可降解，環境友好，是一種綠色材料。亞麻增強的復合材料具有良好的力學性能，尤其是比模量接近玻璃纖維增強復合材料。因此，亞麻纖維增強復合材料被期待用于替換傳統的玻璃纖維增強復合材料。然而，這種材料的抗沖擊性能限制了其使用。本文研究了不同面板厚度對夾芯結構沖擊行為的影響，分析了不同破壞模式并得出最優的面板厚度。

2 材料和實驗

2.1 蜂窩夾芯結構的制備

使用厚度為0.2mm單向的亞麻織物通過正交的鋪層方式制作面板。每層都充分浸潤了酚醛樹脂，并且經過12小時的揮發成為預浸料。芯材是6.3mm厚的芳綸紙蜂窩，將預浸料以對稱形式鋪放在芯材兩面并一同置入平板模具，在硫化機中共固化成型。成型條件為140℃，12分鐘，成型后室溫冷卻。

成型后的試樣被切割成89mm*89mm的大小，不同面板夾芯結構的重量及厚度列于表1，2f/core/2f表示上下表面各兩層亞麻的夾芯結構。

2.2 沖擊試驗

通過型號為Instron CEAST 9350的落錘沖擊試驗機進行沖擊試驗。試樣固支在直徑76mm的圓形底座上，自由落體的落錘通過調整總質量及高度得到不同的沖擊能量。使用半球形錘頭，直徑為16mm。

3 結果與討論

比較了4種面板厚度：0.5mm，1.0mm，1.5mm和2mm。圖1為這四種面板厚度的夾芯結構受到1J沖擊能量的力-時間曲線，其中0.5mm和1mm的面板的曲線是先上升然后突降，然后再上升，可以推測第一次突降時面板發生了破壞，可以把這個點稱為初次峰值載荷，下文稱為FPV（first peak force valve）。在達到FPV后，面板0.5mm和1mm的夾芯結構的曲線先下降，而后繼續保持一定載荷然后下降，在這個階段面板已經破壞，載荷主要由芯材提供。1.5mm和2mm面板的夾芯結構的曲線達到FPV后還繼續上升，說明初始破壞厚面板并未完全失效。

圖2是1J能量沖擊后，這四種試樣正面形貌。與力-時間曲線得出的推論一致，面板較薄的兩種夾芯結構已經發生破壞。

圖3 是這四種夾芯結構受到2J沖擊能量的力-時間響應。受到沖擊能量變大后，面板0.5mm夾芯結構曲線在與圖2接近的位置出現FPV，而之后的平臺則變大;面板1.0mm的夾芯結構與面板0.5mm的夾芯結構情況類似。圖4，圖5分別為單獨比較每種芯材受到1，2J能量沖擊時的力-時間響應與力-凹陷深度響應，驗證了這些結論。由于凹陷深度即為錘頭的位移，因此圖像的包絡面積即為結構吸收的能量。FPV的位置接近，說明在兩種試驗中在破壞前吸收的能量十分接近，而平臺的變大，說明沖擊能量變大后，更多依靠芯材吸能，這時面板已經不起作用。對于較薄的面板，由于面板較早發生初始破壞，結構的局部會立刻發生比較明顯的凹陷進而影響芯材的完整，而對于面板較厚的夾芯結構，初始破壞會延后，能量可以較好的散布到整個面板，芯材的完整性得以保存。

幾種實驗條件下的FPV的值分別列于表2： 當面板厚度較大時，沖擊能量的增加可以顯著地提高FPV，就是說面板可以在破壞前吸收更多的能量，而較薄的面板則無法提升。

表2 不同實驗條件下FPV的比較

0.5mm及1mm面板厚度的夾芯結構，由于面板的剛度較小，容易因為彎曲破壞而引發纖維斷裂，進而造成芯材的不可恢復凹陷。而面板較厚的夾芯結構，由于剛度的增加，受沖擊后表面凹陷更小，這時面板更容易發生層間破壞，芯材的壓縮量更少并且可以恢復。

考慮到面板2mm厚的夾芯結構相比面板1.5mm厚的夾芯結構厚度提升達10.7%，質量提升達30.2%，而FPV則沒有明顯提升，因此1.5mm厚度的面板為最優方案。

4 結論

本文研究了以亞麻纖維增強酚醛樹脂復合材料作為面板的蜂窩夾芯結構的沖擊性能。比較了四種不同厚度面板的蜂窩夾芯結構在不同能量下的沖擊響應。面板為0.5mm和1mm的夾芯結構由于面板力學性能較差，容易較早地發生纖維斷裂，無法在破壞前吸收足夠的能量保護芯材;而面板1.5mm及2mm的夾芯結構，由于面板厚度足夠，在受到沖擊載荷時可以很好的將能量散步到整個面板，并且在自身層間出現一些分層破壞也可以吸收一定的能量。而考慮到面板1.5mm相較面板2mm的夾芯結構質量及厚度都有顯著優勢，因此認為這種面板為最優選擇。

參考文獻：

[1]Allen， H.G.， Analysis and design of structural sandwich panels. Vol. 51. 1969： Pergamon press Oxford.

[2]Petrone， G.， et al.， Behaviour of fibre-reinforced honeycomb core under low velocity impact loading. Composite Structures， 2013，100：356-362.

[3]Torre， L. and J.M. Kenny， Impact testing and simulation of composite sandwich structures for civil transportation. Composite Structures， 2000，50（3）：257-267.

[4]Zinno， A.， et al.， Experimental characterization of phenolic-impregnated honeycomb sandwich structures for transportation vehicles. Composite Structures， 2011，93（11）：2910-2924.