國(guó)產(chǎn)芳綸紙蜂窩力學(xué)性能試驗(yàn)研究

王 翔，羅玉清，陳新文

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引言

芳綸紙蜂窩具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、阻燃、耐高溫、低介電損耗等一系列優(yōu)良性能，被廣泛用作夾層結(jié)構(gòu)芯材［1］。芳綸紙蜂窩結(jié)構(gòu)作為在國(guó)外飛機(jī)中得到成熟運(yùn)用的高性能輕質(zhì)航空材料，如A380 客機(jī)采用了Kevlar 和Nomex 紙制備的蜂窩結(jié)構(gòu)，在地板、艙內(nèi)壁到副翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩子等不同部位［2］。

芳綸紙蜂窩芯材是由芳綸紙經(jīng)過(guò)涂膠條、疊合、蜂窩疊塊的壓制固化、切割、拉伸與浸膠等一系列復(fù)雜工藝制作而成［3］，制備芳綸紙的原材料主要有2 種芳香族聚酰胺、聚間苯二甲酰間苯二胺和聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺。目前常見的2 種芳綸紙?jiān)牧戏謩e為Nomex 間位芳綸紙和Kevlar對(duì)位芳綸紙。國(guó)外某公司在20 世紀(jì)90年代推出的對(duì)位芳綸紙，其高強(qiáng)度、高模量和耐高溫性能相比間位芳綸紙大大提高，具體數(shù)據(jù)見表1［4］。由于芳綸紙蜂窩的主要原材料芳綸紙依賴美國(guó)進(jìn)口，原材料受制于人，無(wú)法實(shí)現(xiàn)芳綸紙蜂窩復(fù)合材料的國(guó)內(nèi)自主保障，因此開展國(guó)產(chǎn)芳綸紙蜂窩的研制和力學(xué)性能研究具有重要意義［5］。

本研究對(duì)HN 對(duì)位芳綸紙制備的蜂窩進(jìn)行穩(wěn)定型壓縮和平面剪切力學(xué)性能試驗(yàn)，得到對(duì)位芳綸紙蜂窩的壓縮和剪切性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。并對(duì)1.83-48、1.83-64、1.83-96 和2.75-48 等4種規(guī)格的蜂窩進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，研究同芯材孔格邊長(zhǎng)對(duì)蜂窩材料性能的影響，討論芯材密度變化對(duì)蜂窩力學(xué)性能的影響規(guī)律，為國(guó)產(chǎn)芳綸紙蜂窩的研制提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)支撐。

表1 2 種芳綸紙性能比較Table 1 Comparison of the properties of two aramid papers

1 材料和試驗(yàn)

HN 芳綸紙蜂窩芯［6］由北京航空材料研究院生產(chǎn)，主要規(guī)格包括HN-1-1.83-48-12.7、HN-1-1.83-64-12.7、HN-1-1.83-96-12.7、HN-1-2.75-48-12.7，蜂窩芯名義高度為12.7 mm。蜂窩芯與面板粘接用高溫環(huán)氧膠膜由北京航空材料研究院生產(chǎn)，固化工藝為180 ℃下固化2 h。蜂窩的穩(wěn)定型壓縮試驗(yàn)按照ASTM C365—2011 進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)加載，使得試樣能通過(guò)球形支座自我調(diào)節(jié)以確保試樣均勻承載。蜂窩平面剪切試驗(yàn)參照ASTM C273—2007 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，通過(guò)在與試樣粘接的金屬板上安裝差動(dòng)變壓位移傳感器(LVDT)來(lái)監(jiān)控剪切變形，所有試驗(yàn)均在Instron 5882 試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，穩(wěn)定型壓縮和平面剪切試驗(yàn)裝置見圖1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 典型壓縮行為

蜂窩材料的穩(wěn)定型壓縮試驗(yàn)主要考察蜂窩的剛度及抗壓性能。由于蜂窩芯子是由單、雙層蜂壁結(jié)構(gòu)組成，在試驗(yàn)中觀察到當(dāng)蜂窩初始受壓時(shí)，蜂窩為彈性變形，隨著載荷增大，芯子單層蜂窩壁開始出現(xiàn)失穩(wěn)，最終蜂窩壁被壓皺使得整體結(jié)構(gòu)破壞失效。

圖2 是典型的蜂窩材料壓縮載荷-位移曲線。由于在制作蜂窩的過(guò)程中，蜂窩面裁剪不平整，當(dāng)其受壓時(shí)球形支座不斷調(diào)整才能使蜂窩被壓平整，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可以用圖2 中曲線AB 段來(lái)說(shuō)明;BCD 段為明顯的彈性階段，這個(gè)階段蜂窩均勻承載，變形以彈性變形為主;DE 段為蜂窩失穩(wěn)破壞，此時(shí)載荷-位移曲線達(dá)到最大載荷后，載荷急速掉落，這是由于蜂窩壁板由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，蜂窩壁被壓皺屈曲，最終蜂窩芯子壓塌破壞。圖3［7］給出了蜂窩穩(wěn)定型壓縮試驗(yàn)過(guò)程中蜂窩壁變形示意圖，圖4 為典型的HN 蜂窩穩(wěn)定型壓縮破壞斷口圖。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Testing system

2.2 典型剪切行為

圖2 HN 蜂窩典型平壓載荷-位移曲線Fig.2 Compressive load-displacement curve of HN honeycomb

圖3 蜂窩單元壓縮變形示意圖Fig.3 Compressive deformation of HN honeycomb cell

圖4 典型的蜂窩穩(wěn)定型壓縮斷口Fig.4 Fracture surface of honeycomb under stable compression

由于蜂窩芯子是薄壁結(jié)構(gòu)，往往會(huì)產(chǎn)生單格壁剪切失穩(wěn)，隨著剪切變形的增大，蜂窩孔格蜂壁達(dá)到剪切極限強(qiáng)度時(shí)，蜂窩失去承載能力而破壞，圖5 為典型的HN 蜂窩拉伸剪切應(yīng)力-位移曲線。圖5 中曲線AB 段剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加而線性增大，在此階段蜂窩芯子變形以彈性變形為主;BC 段曲線開始出現(xiàn)明顯的非線性，這是由于隨著載荷增加，蜂窩開始出現(xiàn)塑性變形;當(dāng)曲線達(dá)到最大載荷后，載荷急速掉落(CD 段)，最終蜂窩芯子斷裂，失效模式及斷口見圖6。

圖5 典型的HN 蜂窩剪切應(yīng)力-位移曲線Fig.5 Plane shear stress-displacement curve of HN Honeycomb

圖6 蜂窩剪切失效示意圖Fig.6 Plane shear failure of HN honeycomb

2.3 芯材孔格尺寸對(duì)平壓和剪切性能的影響

對(duì)密度均為48 kg/m3的芯材孔格邊長(zhǎng)分別為1.83、2.75 mm 的蜂窩進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2(L 為蜂窩縱向和W 為蜂窩橫向)。從表2 中可以看出，隨著芯子孔格邊長(zhǎng)增大，其穩(wěn)定型壓縮強(qiáng)度降低，這是由于蜂窩芯子屬于薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)其受壓縮載荷作用時(shí)，大尺寸孔格的蜂窩易發(fā)生失穩(wěn)，使得蜂窩提前失效，抗壓能力降低，但下降幅度并不明顯。

隨著蜂窩孔格尺寸增加，L 向和W 向的剪切強(qiáng)度無(wú)明顯變化，剪切模量變化明顯。大尺寸孔格的蜂窩其剪切模量相對(duì)大幅下降。

2.4 蜂窩密度對(duì)平壓和剪切性能的影響

對(duì)孔格尺寸均為1.83 mm 的芯材密度分別為48、64、96 kg/m3蜂窩進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖7?？梢钥闯?，當(dāng)密度從48 kg/m3增加到64 kg/m3，其壓縮強(qiáng)度增加較為平緩，當(dāng)密度繼續(xù)增加至96 kg/m3時(shí)，其壓縮強(qiáng)度迅速增大。而L 和W 向剪切強(qiáng)度隨著蜂窩密度增大，剪切強(qiáng)度基本為線性增加。當(dāng)密度從48 kg/m3增加到64 kg/m3，L 向和W 向剪切模量增加明顯，當(dāng)密度繼續(xù)增加至96 kg/m3時(shí)，L 向的剪切模量基本不發(fā)生變化，W 向剪切模量增加較為緩慢。

表2 不同孔格尺寸蜂窩平壓和剪切性能對(duì)比Table 2 Compression and shear performance with different cell sizes

表3 不同密度蜂窩平壓和剪切性能對(duì)比Table 3 Compression and shear performance with different density

圖7 強(qiáng)度和剪切模量隨密度變化規(guī)律Fig.7 Variation of shear strength and modulus with increasing density

2.5 蜂窩剪切強(qiáng)度分析

Zhang 等［8］推導(dǎo)了蜂窩面內(nèi)等效剪切強(qiáng)度理論表達(dá)式:

式中:Ks為蜂窩剪切試驗(yàn)參數(shù)，取值7.38;E 為蜂窩胞壁的彈性模量;υ 為蜂窩胞壁的泊松比;α 為拓展角;t 為單層蜂窩胞壁的厚度;l 為單層蜂窩胞壁的長(zhǎng)度?；谑?1)和式(2)，可以得到蜂窩剪切試驗(yàn)L 和W 方向的剪切強(qiáng)度之比，即

假設(shè)本研究的蜂窩均為正六邊形，設(shè)α=30°，則可得到τL/τT≈1.732。從表2 和表3 中可以看出2 種密度蜂窩的L 向與W 向剪切強(qiáng)度之比分別為1.84、2.0、1.84、1.80 和1.67，整體與理論值偏差為5.66%，理論值與試驗(yàn)值吻合較好。

3 結(jié)論

1)當(dāng)蜂窩密度相同時(shí)，隨著蜂窩孔格尺寸的增加，其抗壓縮能力略有下降。

2)當(dāng)蜂窩孔格尺寸相同時(shí)，蜂窩密度從48 kg/m3增加到64 kg/m3，其壓縮強(qiáng)度增加較為平緩，當(dāng)密度繼續(xù)增加至96 kg/m3時(shí)，其壓縮強(qiáng)度迅速增大。而L和W向剪切強(qiáng)度隨著蜂窩密度增大，剪切強(qiáng)度基本為線性增加。L 向和W 向的剪切模量隨著密度的增大先增加后基本無(wú)變化。

3)Zhang 等推導(dǎo)的剪切強(qiáng)度理論預(yù)測(cè)公式較好地預(yù)測(cè)了蜂窩L 向和W 向剪切強(qiáng)度比值。

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