對位芳綸紙蜂窩異面壓縮強度影響因素的探究

軒立新 夏晨斌 蘇 韜 陳麗春 周凱運 趙小嬌 王 宜，* 胡 健

（1.航空工業濟南特種結構研究所，山東濟南，250023；2.華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510641）

蜂窩夾層結構復合材料（以下簡稱蜂窩材料）是一類重要的結構減重材料，由蜂窩芯與上、下表面的蒙皮組成，是結構效率最高的形式之一，在保證材料滿足強度要求的前提下，能夠盡可能得輕，因此具有優異的強度/質量比。蜂窩材料還有彎曲剛度和強度大、抗失穩能力強、耐疲勞、隔音隔熱的優點，長期以來備受航空領域的關注[1-3]。紙這一傳統材料作為蜂窩芯早已得到了研究和應用，但局限于植物纖維紙本身的力學性能，傳統植物纖維紙蜂窩結構材料主要應用于包裝行業[4-6]。芳綸紙由高強高模的芳綸短切纖維與芳綸漿粕通過傳統造紙濕法成型技術制造，后經過高溫壓光等工序提高結構致密性和纖維間結合，從組成和結構兩方面克服了植物纖維紙的缺點，經過涂膠、疊合、壓制和拉伸后變成蜂窩形狀，通過浸漬樹脂和固化令蜂窩定型，最終形成芳綸蜂窩芯。截至目前芳綸紙蜂窩材料已應用于航空航天和軌道交通等重要行業[7-8]。

Kelsey 等人[9]對蜂窩材料的剪切模量和異面壓縮模量等性能進行了研究，王厚林等人[10-11]在芳綸紙蜂窩材料中進行了驗證。Gibson 等人[12]對蜂窩材料的異面壓縮破壞行為做過系統性的研究，Wang 等人[13]、劉杰等人[14]對對位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞強度影響因素做了初步分析。針對不同力學特性的蜂窩孔格壁，異面壓縮強度的理論公式有所不同。對于具有彈性材料特性的孔格壁，影響蜂窩材料異面壓縮強度的關鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的楊氏模量（Es），具體表達式見式(1)[12]。

針對具有塑性材料特性的孔格壁，Alexander[15]、McFarland[16]、 Wierzbicki 等 人[17-18]、 Ashby 等 人[19]和Zhang 等人[20]研究表明，影響蜂窩材料異面壓縮強度的關鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的屈服強度（σys），具體表達式見式(2)。

針對具有脆性材料特性的孔格壁[12,19]，影響蜂窩材料異面壓縮強度的關鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁的厚度（t）及孔格壁的拉伸強度（σfs），具體表達式見(3)。

本研究將對位芳綸紙直接浸漬樹脂并固化制成浸膠紙來模擬對位芳綸紙蜂窩材料的孔格壁，研究了樹脂在孔格壁中的比例對孔格壁及蜂窩材料異面壓縮強度的影響，對位芳綸紙蜂窩材料在異面壓縮破壞時的失效模型。在現有理論基礎上總結出影響特定密度下對位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮強度的關鍵力學性能，為芳綸紙蜂窩材料的設計提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗原料

短切對位芳綸纖維、漿粕由中藍晨光化工有限公司提供，纖維直徑（12±1）μm，長度6.0 mm，漿粕長度1.0～1.5 mm，打漿度60～65°SR。短切對位芳綸纖維與漿粕按照固定的比例制備不同定量的對位芳綸紙，分別記為a（45 g/m2）、b（48 g/m2）、c（50 g/m2）、d（60 g/m2）。浸漬用樹脂為自制醇溶性酚醛樹脂。

1.2 實驗設備

L&W 250 厚度儀，瑞典Lorentzen& Wettre 公司；INSTRON 3300 萬能材料試驗機，美國Instron 公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom公司。

1.3 浸膠對位芳綸紙制備與性能表征

實驗選用不同定量的對位芳綸紙通過浸漬樹脂并固化（以下簡稱浸膠紙）來模擬蜂窩孔格壁，制成孔格邊長1.83 mm、密度80 kg/m3的對位芳綸紙蜂窩芯（以下簡稱1.83-80）。根據式（4）和式（5）計算得到浸膠紙的定量及每種對位芳綸紙所需要的上膠量，A 為以對位芳綸紙a 為原料浸膠制成的浸膠紙，B、C、D類似，對位芳綸紙與浸膠紙的對應關系以及浸膠紙中樹脂所占的比例見表1。用掃描電子顯微鏡觀察浸膠紙的截面樹脂分布及其滲透情況，測定浸膠紙的相關力學性能作為孔格壁的性能。

表1 對位芳綸紙與浸膠紙的對應關系以及浸膠紙中樹脂所占的比例Table 1 Relationship between para-aramid paper and impregnated paper and the proportion of resin in impregnated paper

式中，ρ為蜂窩密度，kg/m3；ρs為浸膠紙密度，kg/m3；t為浸膠紙厚度，mm；l為蜂窩孔格邊長，mm；M為浸膠紙的定量，g/m2。

對位芳綸紙和浸膠紙的定量、厚度分別按照標準GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002 進行測試；對位芳綸紙和浸膠紙的拉伸強度、楊氏模量測試按照GB/T 22898—2008《紙和紙板抗張強度的測定-恒速拉伸法(100 mm/min)》進行測試。

1.4 對位芳綸蜂窩壓縮樣品破壞情況表征

對位芳綸紙由華南理工大學夏晨斌課題組實驗室自制，對位芳綸紙蜂窩材料由航空工業濟南特種結構研究所使用夏晨斌課題組提供的對位芳綸紙制作。

1.83-80 的對位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞的方式參照GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》。采用相機和掃描電子顯微鏡拍攝經過異面壓縮破壞后的蜂窩樣品，觀察蜂窩芯的變形情況，與現有的3 種壓縮破壞模型[12]進行對比，判斷對位芳綸紙蜂窩材料壓縮破壞的失效模型。

1.5 對位芳綸紙蜂窩異面壓縮強度測試

將對位芳綸紙蜂窩材料的異面壓縮強度實測值與根據對應浸膠紙力學性能計算得到的蜂窩異面壓縮強度理論值作比較，通過兩者的對比驗證所判斷的破壞模式的正確性。

蜂窩密度和壓縮強度的測試按照GB/T 1464—2005《夾層結構或芯子密度試驗方法》、GB/T 1453—2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 對位芳綸紙和浸膠紙形態與性能對比

使用掃描電子顯微鏡觀察4 種對位芳綸紙和浸膠紙截面狀況，結果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，對位芳綸紙表面沒有傳統間位芳綸紙一樣的致密薄膜[11]，因此使得對位芳綸紙的樹脂滲透較為容易。對比對位芳綸紙截面和對應浸膠紙截面可以發現，樹脂能滲透到紙張內部，填充孔隙，增強纖維間結合強度，但并未將所有孔隙完全滲透，在芳綸紙上、下表面形成致密的樹脂層，有效地提高了浸膠紙的厚度，這歸因于對位芳綸紙內部漿粕的作用，隔絕了部分樹脂的滲透。

圖1 浸漬樹脂前后對位芳綸紙截面形貌Fig.1 Cross section of papers before and after impregnation

圖2 為4 種浸膠紙的厚度對比圖，通過對比4 種浸膠紙可以發現，相同定量的浸膠紙，其厚度隨對位芳綸紙定量的增加呈現上升的趨勢。圖3 為4 種浸膠紙的拉伸強度對比圖，圖4 為4 種浸膠紙的楊氏模量對比圖。由圖3 和圖4 可知，拉伸強度和楊氏模量呈現出相類似的趨勢：浸膠紙A、D 的性能均略高于B、C，且浸膠紙C 的性能最差。從數據結果來看，一方面是因為更低定量的對位芳綸紙脫水壓力小，可以以更低的濃度成型，紙張勻度更好，更均勻的體系對纖維力學性能的發揮有明顯的優勢。因此，增加纖維比例有利于浸膠紙綜合力學性能的提升。更深層次的原因可能是芳綸紙和樹脂存在最佳比例，過高或者過低的樹脂含量均不利于浸膠紙力學性能的充分發揮。

圖2 浸膠紙厚度對比Fig.2 Comparison of thickness of impregnated papers

圖3 浸膠紙拉伸強度對比Fig.3 Comparison of tensile strength of impregnated papers

圖4 浸膠紙楊氏模量對比Fig.4 Comparison of Young’s modulus of impregnated papers

2.2 對位芳綸紙蜂窩壓縮破壞后樣品截面形貌

使用相機和掃描電子顯微鏡拍攝浸漬紙蜂窩壓縮破壞后樣品的表面、截面形貌（見圖5）以及壓縮破壞后試樣格壁變形情況（見圖6）。

從圖5(b)中可以較為明顯地發現，蜂窩樣件在壓縮破壞后蜂窩孔格發生較為明顯的變形，由原先規則的六邊形蜂窩孔格變為非規則六邊形，部分變形嚴重的孔格甚至變成了五邊形。蜂窩芯孔格的不規則一方面可以認為是蜂窩芯在制造過程中工藝不佳所導致，另一方面是因為蜂窩材料存在樹脂分布不均的問題，在均勻受壓時樹脂含量較低處率先發生形變，進而導致平面傾斜，面內產生應力分量，從而導致蜂窩孔格形狀的改變。

從圖5(c)～圖5(d)中可以發現，蜂窩孔格壁大都發生了類似彎折或者位錯的變形，根據Gibson 等人[12]提出的3種蜂窩異面壓縮的理論模型，對位芳綸紙蜂窩的壓縮破壞更趨近于塑性坍塌破壞模型。從圖6(a)也可以發現，蜂窩中較薄的單層壁出現塑性坍塌模型中非常典型的“塑性鉸”結構，而較厚的雙層壁除了出現“塑性鉸”結構、“位錯”結構，還出現了雙層壁開裂（圖6(c)～圖6(d)）的情況，原因可能是節點膠強度不足。據此，根據塑性坍塌模型式（2）可以歸納出影響蜂窩異面壓縮強度孔格壁的關鍵力學性能為：孔格壁的屈服強度（浸膠紙的應力應變曲線沒有明顯屈服點，因此使用拉伸強度代替屈服強度）、孔格的尺寸以及孔格壁的厚度。

圖5 對位芳綸紙蜂窩孔格變形情況和蜂窩壁變形情況Fig.5 Deformation of the aramid paper honeycomb cells and walls

圖6 對位芳綸紙蜂窩壓縮破壞后格壁變形情況Fig.6 Deformation of the aramid paper honeycomb wall after the compression failure

2.3 對位芳綸紙蜂窩異面壓縮強度研究

根據蜂窩樣件壓縮破壞后的形貌分析，假定對位芳綸紙蜂窩的壓縮破壞模式更趨近于塑性坍塌模型。將4種對位芳綸紙a、b、c、d按照標準的工藝流程制成 4 種對應的 1.83-80 蜂窩材料，記為 Ha、Hb、Hc、Hd，按照平壓測試標準進行異面壓縮強度測試，將蜂窩材料壓縮強度實測值與根據浸膠紙A、B、C、D 厚度和橫向拉伸強度計算得到的異面壓縮理論強度比較，具體結果見圖7。由圖7 可知，對位芳綸紙蜂窩的異面壓縮強度的實測值與根據塑性坍塌模型計算得到的蜂窩材料異面壓縮強度理論值差距較小，這一結果也與2.2 得出的結論相吻合。浸膠紙D 的橫向拉伸強度和厚度均高于浸膠紙A，但是由這2 種浸膠紙制得的蜂窩壓縮強度卻是Ha＞Hd，原因之一是高定量的芳綸紙加工難度大。

圖7 蜂窩異面壓縮強度實測值與理論值比較Fig.7 Comparison of measured and theoretical values of out-of-plane compression strengths of honeycombs

3 結 論

本研究探討并驗證了對位芳綸紙蜂窩在受到異面壓縮破壞時的失效模型，通過將對位芳綸紙直接浸漬樹脂模擬對位芳綸紙蜂窩的孔格壁，研究了樹脂在孔格壁中的比例對孔格壁力學性能的影響。

3.1 1.83 mm-80 kg/m3的對位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞的模式更符合塑性坍塌破壞模型，在該密度規格下，改變芳綸紙與樹脂的比例后，壓縮強度理論計算結果與實測值對應性良好，通過理論值預測對位芳綸紙蜂窩異面壓縮強度的方法具有可行性。

3.2 影響對位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮強度的主要因素為：蜂窩材料的孔格尺寸、孔格壁的厚度及其拉伸強度。