聚酯無紡布增強復合材料夾層結構的抗低速沖擊性能

摘" 要：采用玻璃纖維增強復合材料層合板作為上、下面板，以PET泡沫作為芯材，在芯材與面板之間引入六邊形蜂窩狀的聚酯無紡布，通過低速沖擊試驗和數值模擬方法研究了其對復合材料夾層結構抗低速沖擊性能的影響，并與純樹脂固化板的增強效果進行了對比。結果表明，聚酯無紡布與樹脂固化后形成的剛性層可以提高夾層結構抵抗沖擊載荷的能力，當提供的剛度足以承受載荷的沖擊時，上面板無法被沖破，芯材結構未被破壞，纖維斷裂與纖維分層被改善，表面損傷面積明顯縮小。經分析，樹脂剛性層是提升復合材料夾層結構抗沖擊性能的重要因素，但聚酯無紡布的引入在抑制纖維分層與基體損傷，改善表面質量方面發揮了重要作用。

關鍵詞：夾層結構；聚酯無紡布；低速沖擊；力學響應；數值模擬

Low-velocity impact performance of polyester non-

woven fabric reinforced composite sandwich structure

TIAN Nan， LU Zhengbin*， LI Wenda， LV Xiulei， WEI Ning

（Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.， Ltd.， Lianyungang 222000）

Abstract：The glass fiber reinforced composite laminate was used as the upper and lower panels， and PET foam was used as the core material， and the hexagonal honeycomb polyester non-woven fabric was introduced between the core material and the panel. The effects on the low-velocity impact performance of the sandwich structure were studied by low-velocity impact test and numerical simulation， and the reinforcement effect of the pure resin cured plate was compared. The results show： The rigid layer formed by curing polyester non-woven fabrics and resins can improve the ability of the sandwich structure to resist impact loads. When the stiffness can withstand the impact of the load， the upper panel cannot be broken， the core material is not damaged， the fiber fracture and fiber delamination are improved， and the surface damage area is significantly reduced. According to the analysis， the resin rigid layer is an important factor to improve the impact resistance of the composite sandwich structure， but the introduction of polyester non-woven fabric plays an important role in inhibiting fiber delamination and improving the surface quality.

Keywords：sandwich structure; polyester non-woven fabric; low velocity impact; mechanical response; numerical simulation

通訊作者：盧政斌，男，高級工程師。研究方向為復合材料性能及應用。E-mail：luzhengbin@lzfrp.com

1" 引言

復合材料夾層結構具有輕質高強、耐疲勞、吸音隔熱、設計靈活等特性，從而被廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域［1，2］。但飛機、列車、船舶等在服役過程中不可避免地會受到鳥類、冰雹、碎石、工具跌落等的沖擊，從而產生纖維分層、基體開裂、纖維斷裂、芯材塌陷等破壞，極大地降低復合材料的承載能力［3-5］。因此，分析復合材料的沖擊損傷機制、優化復合材料的抗沖擊性能一直是國內外研究的重點。

針對復合材料夾層結構的沖擊響應問題，目前已開展了大量的理論、試驗、數值研究［6-7］。如趙金華等［8］研究了纖維類型、鋪層結構和芯材厚度對泡沫鋁夾層結構復合材料沖擊性能和損傷模式的影響規律；Zhao等［9］設計并制備了一種可承受更高沖擊載荷的雙向波紋夾芯結構；習濤等［10］研究了碳/芳綸混雜波紋夾芯結構的抗沖擊性能；楊康等［11］探索了泡沫夾芯厚度對碳纖維復合材料夾層板沖擊性能的影響；Yang等［12］提出一種花瓣形蜂窩（PSH），并與圓形、單瓣嵌套圓形蜂窩的抗沖擊性能比較，發現PSH具有優異的能量吸收特性；姚佳偉［13］、董慧民［14］、張代軍［15］等分別采用層間薄膜增韌、層間顆粒增韌、層間無紡布增韌的方式提升復合材料抗沖擊韌性；石姍姍等［16］采用Kevlar短纖維對碳纖維/鋁蜂窩夾芯板進行界面增韌；張辰等［17］將碳纖維與玻璃纖維混雜降低沖擊破壞。Tang等［18］通過數值模擬研究了高速沖擊下碳纖維增強復合材料（CFRP）/鋁泡沫夾芯結構的沖擊響應；Lv等［19］通過試驗與有限元模擬研究了不同位置正交網格增強CFRP-泡沫夾層結構的低速沖擊性能；張亞文等［20］提出一種格柵-蜂窩混式芯體提高結構的抗低速沖擊性能，并對損傷模態進行分析；李華冠等［21］通過玻璃纖維立體織物來增強環氧樹脂泡沫夾層，并結合仿真預測模型研究了復合材料的失效與增強機制。

聚酯無紡布作為一種由聚酯纖維和微粒小球組成的夾芯材料，自身具備耐壓、柔韌、導流等特點，已廣泛應用于真空灌注工藝（VARI）成型的復合材料制品中，可以有效改善制品的外觀質量，同時節省導流耗材的投入。然而，目前對于引入聚酯無紡布后形成的富樹脂剛性層在抗低速沖擊性能方面的研究還較少。本文將聚酯無紡布引入復合材料泡沫夾層結構中，通過低速沖擊試驗與數值模擬的方法探索了其對復合材料夾層結構抗低速沖擊性能的影響。

2" 試驗及仿真方法

2.1" 原材料及試樣制備

面板采用E6級紗線編織而成的四軸玻璃纖維織物，面密度為1200 g/m2；泡沫夾芯采用PET泡沫（預制導流槽），密度為80 kg/m3；采用六邊形蜂窩狀的聚酯無紡布作為增強芯，密度為135 g/m2；樹脂采用不飽和聚酯樹脂，25 ℃下的液體密度為1.097 g/cm3。

本次設計4種不同的鋪層方案。如圖1所示，試樣1由30 mm厚度的PET泡沫夾芯和上下各兩層的四軸玻璃纖維織物（0°/45°/90°/-45°）組成；試樣2保持PET泡沫厚度為30 mm，在上面板和泡沫夾芯之間引入2 mm厚的聚酯無紡夾芯；試樣3在上面板和泡沫夾芯之間引入4 mm厚的聚酯無紡布；試樣4在上面板和泡沫夾芯之間引入一層已固化純樹脂板（預制導流孔）。以上試板均通過真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝常溫固化成型。

2.2" 低速沖擊試驗

低速沖擊試驗參照ASTM D7136 /D7136M-2015［22］試驗標準，采用INSTRON 9350落錘式沖擊試驗機進行測試，沖擊物為直徑16 mm的鋼制半球形沖頭，質量為5.392 kg。沖擊試樣尺寸為100×150 mm，沖擊位置為試樣的上面板中心，沖擊試樣的夾持方式如圖2所示。每組沖擊測試重復5組試樣，通過傳感器獲得沖擊過程的載荷與位移數據。

2.3" 仿真模型

為進一步研究復合材料夾層板的沖擊損傷過程，使用ABAQUS/Explicit構建了三維有限元模型，如圖3所示，包括試樣和沖頭，沖頭設置為剛體，直徑16 mm，試樣面板尺寸100 mm×150 mm。網格劃分時采用漸進過渡的疏密網格提高計算精度與計算效率，采用三維Hashin失效準則模擬纖維面板的失效形式［23-24］，采用Cohesive單元模擬層間損傷［25］。整個模型采用通用接觸，不同鋪層之間采用共節點連接，夾層板底部固支。

3" 結果與討論

3.1" 復合材料夾層板低速沖擊試驗結果

不同能量沖擊下試樣1的沖擊響應和目視破壞形貌如圖4和圖5所示。沖擊能量為30 J時，由于沖擊能量較小，沖擊區域只產生微小的裂紋，未破壞結構的完整性；沖擊能量為32 J時，沖擊力到達最大值后發生驟降，沖擊區域纖維斷裂，芯材破壞，在動態壓縮下泡沫被壓潰從而出現致密化，減緩了沖擊載荷的下降趨勢；隨著沖擊能量的進一步增大，損傷面積擴大，沖頭的最大位移和試樣的能量吸收率整體均表現為增大的趨勢，夾層板內部破壞加劇。

32 J能量沖擊下不同試樣的沖擊響應如圖6所示，包括峰值載荷（Fmax）、最大位移（dmax）、能量吸收效率（Eae）。圖7為32 J能量沖擊下不同試樣的沖擊響應和目視破壞形貌，其中藍色實線代表目視可見損傷范圍，虛線代表纖維斷裂區域。夾層結構中加入聚酯無紡布與樹脂固化后形成一層富樹脂剛性層，如圖6可知，隨聚酯無紡布層數增加，剛性層變厚，結構能承受的最大沖擊載荷呈上升趨勢，說明受到快速變化的載荷時抵抗能力增強。僅加入一層2 mm厚的聚酯無紡布時，其強化效果還不足以抵抗沖頭穿過上面板玻璃纖維層的作用力，夾層板內部剛性層與泡沫層發生破壞導致吸能增加，表面損傷面積也沒有得到改善；加入4 mm厚的聚酯無紡布后，剛性層發揮明顯的增強效果，沖頭無法沖破玻璃纖維層，相對于試樣1，夾層結構承受的峰值載荷提升了3.60 %，吸收能量降低了13.96 %，沖頭最大位移減小了0.43 mm，內部具有更低的結構變形如圖7所示，受沖擊面只產生微小的裂紋，幾乎無目視可見的纖維與基體損傷。

不同試樣的厚度與重量測量結果如表1所示，試樣4在厚度低于試樣3的情況下重量反而增加，由此可知純樹脂固化層的含膠量大于聚酯無紡夾層。

將原本的聚酯無紡夾層替換成固化樹脂層時，由于固化樹脂層的樹脂含量較高，剛度更大，沖擊峰值載荷更高，內部吸能更少，上面板未被沖破，但對沖擊表面質量的改善效果明顯不如聚酯無紡夾層，沖擊位置出現較大范圍的基體損傷與纖維分層。由此可見，樹脂剛性層雖是抵抗沖擊載荷的重要因素，但聚酯無紡夾層在抑制纖維分層與基體損傷，改善表面質量方面發揮著重要作用。

3.2" 復合材料夾層板低速沖擊數值模擬結果

32 J能量沖擊下復合材料夾層結構加2 mm厚度樹脂板前后的模擬沖擊響應如圖8所示，經對比，加樹脂層后的夾層板能承受的極限沖擊載荷更高，沖頭最大位移更小，能量吸收率更低，具有更優異的抗沖擊性能，與試驗測試結果表現一致。

32 J能量沖擊下上面板加樹脂層前后的應力與分層損傷云圖如圖9所示，可以看出，32 J能量沖擊下，夾層結構的上面板被沖破，纖維劇烈損傷，而加入2 mm厚度的樹脂層就可以顯著緩解纖維的斷裂程度，縮小纖維斷裂面積；從模擬的纖維分層損傷效果來看，增加樹脂層后上面板的分層損傷范圍并未縮小，說明純樹脂層無法有效抑制玻璃纖維的分層，這與圖7所示試驗效果一致，僅加入樹脂層的夾層板受沖擊后仍然存在目視可見的大范圍“白斑”，進一步證明了聚酯無紡夾芯在復合材料夾層結構抵抗沖擊載荷時的優化效果。

4" 結語

（1）雙層四軸玻璃纖維織物面板和密度為80 kg/m3的PET泡沫灌注成型復合材料夾層板受到直徑16 mm鋼制沖頭的32 J能量沖擊時上面板和芯材發生結構破壞；

（2）芯材與面板之間加入聚酯無紡布，成型后的富樹脂剛性層可以提升夾層板的沖擊極限載荷，引入足夠厚度的聚酯無紡夾層不僅可以承受更高的沖擊載荷，減少結構內部破壞，還能降低表面纖維與基體損傷以及層間分層；

（3）4 mm厚的聚酯無紡布增強復合材料夾層板承受的峰值載荷可提升3.60 %，能量吸收率降低13.96 %，沖頭最大位移減小0.43 mm；

（4）樹脂剛性層是提升復合材料夾層結構抗沖擊性能的重要因素，但無法抑制纖維分層，縮小表面損傷范圍，而聚酯無紡布在抑制纖維分層，改善表面質量方面發揮了重要作用。

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