整體中空夾層復(fù)合材料側(cè)壓性能的研究

周紅濤(, )

整體中空夾層復(fù)合材料是一種新型的夾層結(jié)構(gòu)材料，其預(yù)成型件是利用特殊三維機(jī)織工藝，將纖維聯(lián)結(jié)成厚度方向具有纖維增強(qiáng)的特種織物，即織物的纖維面板與芯材交織聯(lián)結(jié)在一起，面板和芯材纖維為整體連接。與傳統(tǒng)夾層材料如蜂窩、泡沫夾層復(fù)合材料相比，整體中空夾層復(fù)合材料由織物經(jīng)樹脂復(fù)合后直接形成三維整體復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)復(fù)合材料層間性能低、易分層而引起的沖擊損傷容限差等弱點，并具有加工工藝好，制造成本低的優(yōu)點。圖1為整體中空夾層復(fù)合材料的“8”字形芯材效果。由于整體中空夾層復(fù)合材料具有多功能性，該材料在交通、航海、建筑、航空以及管道等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

圖1 復(fù)合板材的“8”字形芯材效果

本文設(shè)計了具有不同組織結(jié)構(gòu)面板的預(yù)制件，并分析了預(yù)制件面板結(jié)構(gòu)對整體中空夾層復(fù)合材料側(cè)壓性能的影響。

1 試驗

1.1 預(yù)制件的制備及規(guī)格

纖維材料：無堿E-玻璃纖維作為原料，地經(jīng)細(xì)度為33×2×2 tex，地經(jīng)密度為10根/cm，絨經(jīng)細(xì)度為33×2×1 tex。

預(yù)制件的規(guī)格：組織結(jié)構(gòu)分別為經(jīng)重平和平紋；地經(jīng)密度為10根/cm，絨經(jīng)密度為5根/cm，密度為8根/cm。

預(yù)制件的織造設(shè)備：江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院復(fù)合材料實驗室自行研發(fā)的小樣織機(jī)。

1.2 整體中空夾層復(fù)合材料的制備

樹脂體系：樹脂是WSR618環(huán)氧樹脂，聚酰胺651#，稀釋劑是660(501)活性稀釋劑。

經(jīng)過實驗工藝調(diào)整，最終確定的樹脂配方如表1所示。

表1 樹脂配方

1.3 測試儀器及測試標(biāo)準(zhǔn)

測試標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 1454-2005夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能試驗方法。

測試儀器：LRXplus電子材料試驗機(jī)。

試樣規(guī)格：長×寬為80 mm×40 mm，芯材厚度為6 mm，傾角均約為80°。

試驗過程：實驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件：溫度：23 ℃±2 ℃；相對濕度：50%±10%；實驗前，試樣在實驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下至少放置24 h；采用位移控制加載，對試驗件進(jìn)行了側(cè)壓實驗，加載速率為5 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

本文以面板結(jié)構(gòu)分別為平紋組織結(jié)構(gòu)及經(jīng)重平組織結(jié)構(gòu)的預(yù)制件對整體中空夾層復(fù)合材料的側(cè)壓性能進(jìn)行了研究。試驗過程及破壞形式如圖2所示。

圖2 側(cè)壓實驗夾具及試驗件破壞后形式

試樣件的夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度和面板的側(cè)壓強(qiáng)度，每項取其算術(shù)平均值得到的試驗結(jié)果如表2所示。

表2 整體中空夾層復(fù)合材料側(cè)壓性能測試表

由表2可知，以平紋組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓強(qiáng)度及面板側(cè)壓強(qiáng)度均大于以經(jīng)重平組織為面板的該材料。在彈性模量相同的情況下，相同規(guī)格的試樣件，質(zhì)量越大，材料的慣性矩也就越大，越不容易失穩(wěn)，因此，其側(cè)壓性能也隨之增強(qiáng)。而以平紋組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的質(zhì)量大于以經(jīng)重平組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料(因為材料面板的織造縮率不同的情況造成了材料的質(zhì)量不同)，這也就解釋了以平紋組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的側(cè)壓性能優(yōu)于以經(jīng)重平組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料。

試樣件的側(cè)壓位移—載荷曲線如圖3所示。

由圖3可知，以兩種不同的組織作為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的側(cè)壓位移—載荷曲線的變化趨勢基本相同，即在試驗的初始階段，側(cè)壓載荷和位移呈十分明顯的線性變化關(guān)系，此時材料處于彈性變形階段；隨著載荷的不斷增加，當(dāng)施加在試樣件上的側(cè)壓載荷達(dá)到或者超過臨界載荷時，載荷迅速下降。結(jié)合圖1材料的破壞試樣知，整體中空夾層復(fù)合材料最后的破壞形式不是由于兩個層面在載荷方向上被壓壞，而是材料喪失穩(wěn)定后導(dǎo)致試樣件的兩個面層的錯位，從而受壓破壞，側(cè)壓位移—載荷曲線急劇下降。由此可以看出，該材料夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能的好壞主要取決于其抗失穩(wěn)的能力。

圖3 以不同組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的側(cè)壓位移—載荷曲線圖

3 結(jié)論

本文通過對以平紋組織結(jié)構(gòu)和經(jīng)重平組織結(jié)構(gòu)為面板的整體中空夾層復(fù)合材料的側(cè)壓性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)以平紋組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料無論是夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓性能還是面板的側(cè)壓性能均優(yōu)于以經(jīng)重平組織為面板的整體中空夾層復(fù)合材料。這主要是由于預(yù)制件面板不同的組織結(jié)構(gòu)使其織造縮率及其經(jīng)緯交織情況不同，進(jìn)而影響復(fù)合材料的側(cè)壓性能。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用要求，合理設(shè)計材料的面板組織，結(jié)構(gòu)載荷的實際承載大小及方向，使材料受力達(dá)到最佳狀態(tài)，進(jìn)而優(yōu)化整個材料結(jié)構(gòu)的性能。

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