熱膨脹模壓法成型復合材料夾層結構的制備工藝及結構力學性能分析

摘" 要：該文主要探究熱膨脹模壓法成型復合材料夾層結構的制作工藝，并對夾層結構的力學性能進行測試分析。選用A3鋼制作模具，將EPS泡沫進行水浴發泡后倒入模具中，使用熱膨脹模壓法成型工藝制作泡沫芯材。然后制作蒙皮并將其鋪疊在泡沫型材上，固化后得到復合材料夾層結構。選取彎曲性能和剝離強度2項指標驗證夾層結構的力學性能，結果表明增大發泡密度、縮短發泡時間、降低發泡溫度，可以獲得更大的發泡壓力，從而使夾層結構具備更強的彎曲性能。在發泡密度較低的情況下，夾層結構的膠含量較高，有助于提高其剝離強度。

關鍵詞：熱膨脹模壓法；復合材料；夾層結構；彎曲強度；滾筒剝離實驗

中圖分類號：TB33" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0082-04

Abstract： This paper mainly explores the manufacturing process of composite sandwich structures formed by thermal expansion molding， and tests and analyzes the mechanical properties of the sandwich structures. A3 steel was used to make a mold， EPS foam was foamed in a water bath and poured into the mold， and the foam core material was made using a thermal expansion molding process. The skin is then made and laid on the foam profiles， and cured to obtain a composite sandwich structure. Two indicators， bending property and peel strength， were selected to verify the mechanical properties of the sandwich structure. The results show that increasing the foaming density， shortening the foaming time， and lowering the foaming temperature can achieve greater foaming pressure， thus making the sandwich structure have stronger bending properties. When the foam density is low， the glue content of the sandwich structure is higher， which helps to improve its peel strength.

Keywords： thermal expansion molding process; composite; sandwich structure; flexural strength; roller peel test

熱膨脹模壓工藝是利用膨脹系數較大的軟膜作為膨脹源，將復合材料蒙皮置于軟膜和陰模（剛性材料）之間。隨著溫度升高，模具受熱后膨脹并產生壓力，使蒙皮與夾層結構固化成型。軟膜材料通常使用硅橡膠，如果用泡沫塑料代替硅橡膠，除了在受熱時產生較大的膨脹壓力外，發泡成型后剩余的發泡劑受熱后還能使泡沫再次膨脹，使得夾層結構受到了更大的壓力，固化成型效果更好，彎曲性能和剝離強度也會得到進一步提升。在制備夾層結構后，參考相關標準開展力學性能實驗，確保復合材料夾層結構的力學性能滿足材料設計要求。

1" 熱膨脹模壓法成型復合材料夾層結構的制備工藝

1.1" 模具與發泡系統

選用熱膨脹系數較小的A3鋼制作模具。水浴發泡系統由水浴爐、加熱電阻絲、溫度計等組成，可以靈活調節水域溫度從而獲取均勻穩定的預發泡顆粒。泡沫材料為EPS（模塑聚苯板）， 將水溫升高到75 ℃后加入EPS泡沫并進行水浴發泡，持續時間為2 min，讓EPC材料吸收空氣平衡壓力，避免成型后發生收縮。將EPC材料去除并置于敞口容器中，設置溫度為25 ℃、保存時間為10 h。取出完全熟化的EPC泡沫進行熱膨脹模壓加工。

1.2" 熱膨脹工藝參數的設定

在熱膨脹模壓法成型工藝中，發泡壓力是決定泡沫型材成型效果的主要因素，而發泡壓力又取決于發泡溫度、發泡時間及泡沫密度等因素。以發泡時間為例，與發泡壓力的關系曲線如圖1所示。

為了確定最佳工藝參數，本文設計了正交實驗。其中，發泡溫度設置2個水平，分別是90 ℃和100 ℃；發泡時間設置了2個水平，分別是5 min和10 min；泡沫密度設置了4個水平，分別是120、150、200、300 kg/m3。

1.3" 泡沫夾層結構的成型

制作夾層結構包含3個關鍵步驟，分別是制備蒙皮預浸料，鋪疊蒙皮，以及固化夾層結構。

采用溶液浸漬法制作蒙皮預浸料，用E-51環氧樹脂溶液作為基體。考慮到常溫下環氧樹脂的黏度較大（通常在12 Pa·s左右），不容易浸透，因此采取了加入有機溶劑進行稀釋的方式，使其濃度降低至1 Pa·s左右。操作方法如下：選擇一個干凈容器，將適量的環氧樹脂溶液放入容器中，持續加入工業乙醇并測定黏度，在膠液黏度達到1 Pa·s后停止加入，此時得到的膠液可以達到浸漬要求。需要注意的是，加入稀釋劑雖然能降低黏度、提高浸漬效果，但是稀釋劑大量殘留在環氧樹脂中，在膠液固化后容易產生孔隙。為避免此類問題，在制作蒙皮預浸料時將膠液放在空氣流動較好的環境下至少6 h，讓工業乙醇得到有效揮發。在觀察到膠液表面無明顯的局部光澤后方可使用。選擇厚度為1.0 mm左右的8層玻璃布，將制備的膠液均勻涂刷在玻璃布上，在常溫環境下放置到空氣流動性較好的地方，大約2 h后完全固化，即可得到蒙皮[1]。

蒙皮的鋪疊采用手糊工藝。根據模具尺寸裁剪蒙皮，并將蒙皮鋪貼在泡沫型材的表面。上下各鋪4層，將蒙皮與泡沫型材一同裝入模具中。將壓力機的參數設定為0.05 MPa，通過初始模壓能夠擠出預浸料內部的氣泡，讓材料變得更加緊實，同時還能起到壓實夾層結構的作用。隨后維持壓力不變，利用電阻絲加熱將溫度從常溫升高至100 ℃，恒溫30 min后置于常溫環境下自然冷卻成型。注意保溫時間不宜太長，否則可能會出現泡沫塌陷情況。夾層結構固化工藝如圖2所示。

在固化期間，利用壓力溫度傳感器實時采集泡沫芯材產生的壓力。正常情況下，隨著溫度的不斷升高，壓力值也會同步遞增，在80 ℃以下壓力增速較慢，尤其是60～80 ℃增速基本停滯，在溫度超過80 ℃后壓力增速明顯加快。分析其原因，在溫度達到60 ℃后環氧樹脂的黏度變得極低，此時模具內部的壓力大概在0.1 MPa，在壓力作用下有少量環氧樹脂被擠出，使得成型壓力的增速趨于平緩。

2" 熱膨脹模壓法成型復合材料夾層結構的力學性能分析

力學實驗是復合材料設計與制備環節中不可或缺的內容，除了能直觀地反映復合材料的設計是否合格、質量是否達標外，還能為設計優化提供依據。本文主要選取彎曲強度試驗和滾筒剝離強度試驗，測定熱膨脹模壓法制備夾層結構的力學性能。

2.1" 夾層結構彎曲性能測試

2.1.1" 實驗方法

該實驗主要參照GB/T 1456—2021《夾層結構彎曲性能試驗方法》進行。其中，夾層結構的芯子厚度為20 mm，上面板厚度0.8 mm，下面板厚度1.0 mm，所有試樣長度統一為200 mm。實驗設備方面，主要使用了CMT5105型電子萬能試驗機和游標卡尺。

實驗中，首先將試樣放置到試驗機的支座上，將加載壓頭移動至試樣正上方并與試樣表面留出約10 mm的距離。在該空隙中插入一塊厚度約為5 mm的硬質橡膠墊片，隨后調整試驗機至載荷零點。設定加載速度為3 mm/min，均勻連續加載。當觀察到試樣被完全破壞時立即停止加載，并記錄此時的破壞荷載[2]。統計實驗數據，并按照下式計算夾層結構的彎曲強度。計算式為

式中：λ表示面板的拉應力，單位為MPa；L表示跨距，單位為mm；t表示面板的厚度，單位為mm；P為跨中載荷，單位為N；b和h分別為試樣的寬度和厚度，單位均為mm。

2.1.2" 實驗結果及分析

在試樣完全破壞后，通過觀察可以發現試樣的斷裂部位集中在上面板與壓縮頭處，并且大部分試樣在破壞以后存在泡沫芯與上面板黏結的現象。不同成型工藝下制作的泡沫夾層結構彎曲性能見表1。

表1中成型工藝編號采用A-B-C形式，A表示發泡密度，B表示發泡溫度，C表示發泡時間。觀察表1數據可以發現，選擇較大的發泡密度，較低的發泡溫度和較短的發泡時間，制作的成型泡沫夾層結構的彎曲性能越強。分析其原因，在發泡溫度與發泡時間相同的情況下，發泡密度越大，剩余的發泡劑質量越大，再次加熱時產生的壓力也會更大，因此成型泡沫夾層結構的彎曲性能越強。同樣的，在發泡密度相同的情況下，發泡溫度越低、發泡時間越短，泡沫能夠很好地維持十二面體結構，此時成型夾層結構的彎曲性能較強；而隨著發泡溫度的升高、發泡時間的延長，這種十二面體結構被破壞，泡沫發生扭曲變形甚至從粒子內部撕裂，相應的成型夾層結構的彎曲性能也會下降[3]。

2.2" 夾層結構滾筒剝離測試

2.2.1" 實驗方法

復合材料夾層結構的面板與芯子之間必須保持良好的膠接性能，才能保證復合材料在受到外部作用力時不會出現裂縫、分層的情況，使材料本身具備更強的韌性和強度。因此，膠接性能是檢驗復合材料夾層結構質量的主要指標之一。常用于衡量膠接性能的方式有2種，其一是平拉強度，可根據GB/T 1452—2018《夾層結構平拉強度試驗方法》進行；其二是夾層結構滾筒剝離強度，可根據GB/T 1457—2005《夾層結構滾筒剝離強度試驗方法》進行，本文選擇了后者。該實驗所用設備為CMT5105萬能試驗機，滾筒直徑為96 mm，寬度為68 mm，滾筒凸緣直徑為108 mm。

在試樣的左右兩端各切掉20 mm的泡沫芯，保留下方的蒙皮板，如圖3所示。

將試樣被剝離面板的一邊夾在滾筒夾具上，讓試樣呈垂直狀態；另一邊則與試驗機相連。固定好試樣后，將試驗機的載荷調至零點，并以25 mm/min的加載速度進行連續均勻加載。在加載開始后，同步啟動自動繪圖儀繪制“載荷-剝離距離”關系曲線。當試樣被剝離到120 mm后開始卸載，使滾筒勻速回到未剝離的初始位置[4]。實驗結束后，記錄破壞載荷和抗力載荷。根據實驗數據計算平均剝離強度（M），計算公式如下

式中：P1和P2分別表示平均剝離載荷和抗力載荷，單位為N；D和d分別表示滾筒凸緣直徑和滾筒直徑，單位均為mm；b表示試樣的寬度，單位為mm。

2.2.2" 實驗結果及分析

觀察可以發現，密度較低的夾層結構在剝離后，有大量泡沫塑料黏在上面板上，而密度較高的基層結構則是面板與泡沫型材完全分離[5]。不同成型工藝下夾層結構的平均剝離強度統計結果見表2。

由表2數據可知，平均剝離強度并未表現出明顯的規律，說明發泡壓力與夾層結構的剝離強度之間沒有必然關系。從夾層結構的組成上來看，面板厚度、膠黏劑的類型、蒙皮的含膠量等均有可能影響剝離強度，本文重點探討了蒙皮含膠量與剝離強度的關系。參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強塑料樹脂含量試驗方法》，分別選取發泡密度為120、150、200和300 kg/m3的成型夾層結構，并從蒙皮表面處切割取樣獲得帶有樹脂材料的樣品，置于高溫的茂福爐中處理20 min。通過高溫燃燒去除蒙皮中的樹脂，測定其含膠量，結果如圖4所示。

由圖4可知，在低密度夾層結構中，其樹脂含量要明顯高于高密度夾層結構。分析其原因，在夾層成型期間高密度的芯材產生的壓力更大，使得一部分黏度較低的樹脂材料被擠出模具。由于膠黏劑減少，相應的夾層結構的剝離強度也會降低。

3" 結論

復合材料夾層結構由外側硬質外殼和內側輕質芯體組成，這種材料具有自重輕、韌性強、抗彎曲性能好等諸多特點，在飛機的地板、機翼等構件上廣泛應用。在制作夾層結構時，除了要科學選擇芯材、蒙皮等基礎材料外，還要選用科學的夾層結構成型工藝。實踐表明，熱膨脹模壓法成型工藝具有操作簡單、壓力足夠大、熱膨脹速度快等特點，可以快速加工出符合要求的夾層結構。使用該工藝制作復合材料夾層結構時，應盡量提高發泡密度，將發泡溫度設定在90 ℃、發泡時間設定為6 min，可以使夾層結構獲得更好的彎曲性能。

參考文獻：

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