環(huán)氧泡沫填充間隔織物復(fù)合材料的彎曲性能

謝章婷 鄭連剛 周家德 張鳳翔 許福軍

摘 要：為了獲得一種輕質(zhì)、高強(qiáng)且整體性良好的泡沫夾芯復(fù)合材料，并探究泡沫填充對中空復(fù)合材料彎曲性能的影響，將環(huán)氧泡沫填充至玻璃纖維間隔織物/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中制備出一種泡沫夾芯復(fù)合材料，并對泡沫填充前后的復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了測試。實驗結(jié)果顯示，泡沫夾芯復(fù)合材料的彎曲剛度可達(dá)14.92×106N·mm2，其經(jīng)向抗彎剛度提高了66.93%，緯向提高了106.08%。由此可知，環(huán)氧泡沫的存在可以明顯地提高材料的抗彎性能。為揭示環(huán)氧泡沫在復(fù)合材料彎曲性能中的作用機(jī)理，結(jié)合顯微鏡圖對泡沫填充前后復(fù)合材料的彎曲破壞模式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，環(huán)氧泡沫在夾芯復(fù)合材料中不僅能起到傳遞載荷的作用，還能與柱紗發(fā)揮協(xié)同支撐作用，并能通過變形和破裂來吸收載荷和能量，致使復(fù)合材料抗彎性能顯著提高。

關(guān)鍵詞：三維機(jī)織間隔復(fù)合材料;環(huán)氧泡沫;夾芯結(jié)構(gòu);彎曲性能;破壞模式

中圖分類號：TS 101.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0054-07

Abstract： In order to obtain a foam core composite material with light weight， high strength and good integrity， and examine the effect of foam filling on the bending properties of the composite material， a kind of foam core composite material was prepared by filling epoxy foam into the composite of glass fiber spacer fabric/epoxy resin， and the bending properties of the composite material before and after filling of foam were tested. The experimental results show that the bending stiffness of the foam core composite material is up to 14.92×106N·mm2， the warp-wise stiffness increases by 66.93%， and the weft-wise stiffness increases by 106.08%. It can thus be seen that the epoxy foam can significantly promote the bending performance of the material. In order to reveal the mechanism of epoxy foam in the bending properties of the composite material， and the bending failure modes of the material before and after filling of foam were analyzed through microscope images. The results show that the epoxy foam can not only transfer the load， but also play a synergistic supporting role with the column yarn， absorb load and energy through deformation and rupture. Therefore， the bending performance of the composite material is significantly improved.

Key words： 3D woven spacer composite material; epoxy foam; sandwich structure; bending properties; failure mode

三維機(jī)織間隔織物復(fù)合材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)且整體性出色等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是各領(lǐng)域工程材料中具有競爭力的材料[1-2]。間隔織物是由三維織機(jī)一體織造而成，芯層的柱紗將上、下兩面層織物緊緊地連接在一起。因此，以它為“骨架”的復(fù)合夾芯材料具有很高的皮芯剝離強(qiáng)度，相比于傳統(tǒng)的蜂窩夾芯和泡沫夾芯復(fù)合材料來說具有更好的抗分層、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)[3]。此外，三維機(jī)織間隔織物具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性[4-6]，可以通過調(diào)控面紗和柱紗的種類、織物的組織密度、紗線的交織方式、芯紗的高度等來調(diào)控復(fù)合材料的各向性能。

Vuure等[7]用改造的天鵝絨織機(jī)織造了不同柱紗排列方式的玻纖間隔織物，用特殊的工藝將織物中傾斜的柱紗拉成垂直狀態(tài)，并將環(huán)氧熱熔片貼于織物上下表面，經(jīng)高溫熔化后的樹脂滲入織物中并固化成型得到三維間隔織物中空復(fù)合材料（后簡稱中空復(fù)合材料）。Corigliano等[8] 針對海軍工程應(yīng)用對中空復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，在制備好的間隔織物中空復(fù)合材料的空腔中嵌入含環(huán)氧樹脂基質(zhì)的中空玻璃微球制成的復(fù)合泡沫夾芯板。在前人的研究基礎(chǔ)上，莊桂增等[9]在中空復(fù)合材料中填充了相對平價的聚氨酯泡沫以降低材料的生產(chǎn)成本，并對其平壓，剪切及三點(diǎn)彎曲性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，泡沫夾芯復(fù)合材料在承受平壓載荷時， 柱紗和泡沫存在協(xié)同效應(yīng)。為進(jìn)一步增強(qiáng)泡沫夾芯復(fù)合材料性能，Safari等[10]將天然納米沸石/聚氨酯復(fù)合泡沫注入中空復(fù)合材料中。并對該材料進(jìn)行了力學(xué)性能測試，結(jié)果表明聚氨酯復(fù)合泡沫的加入顯著提高了間隔織物復(fù)合夾芯板的抗彎強(qiáng)度，極限載荷和能量吸收。此外，與其他典型的夾芯板相比，由于柱紗的存在，復(fù)合夾芯板不會發(fā)生局部起皺或分層破壞。但該文中沸石在泡沫中的分布呈現(xiàn)不規(guī)則且不均勻的粒狀，材料的整體性能有待改善。鐘智麗等[11]則考慮改變織物原料和工藝來設(shè)計制備新型復(fù)合材料，在玄武巖纖維/芳綸混織間隔織物中之間填入聚氨酯泡沫，再將其與環(huán)氧樹脂復(fù)合，制得了泡沫夾芯復(fù)合材料，并對該材料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測試和有限元模擬。研究發(fā)現(xiàn)該材料失效時主要不是纖維的斷裂，而是樹脂基體與增強(qiáng)體之間的分層破壞。說明在該結(jié)構(gòu)中樹脂基體、泡沫、織物三者之間的界面結(jié)合仍不夠強(qiáng)，這也是影響復(fù)合材料性能的一個重要因素。

目前，研究人員主要傾向于對三維機(jī)織間隔織物泡沫夾芯復(fù)合材料的制備及綜合力學(xué)性能的研究，而其單一性能的研究不夠細(xì)致，且對復(fù)合材料失效破壞機(jī)理的研究工作不夠完善[1]。因此，本文欲通過使用同種樹脂基體的泡沫填充來增強(qiáng)中空復(fù)合材料，以望改善泡沫與樹脂基體及織物之間的界面問題。采用“兩步法”制備一種環(huán)氧泡沫填充玻璃纖維間隔織物/環(huán)氧樹脂夾芯復(fù)合材料，即先將環(huán)氧樹脂與三維機(jī)織玻璃纖維間隔織物復(fù)合，再在其中填充環(huán)氧泡沫來制備泡沫夾心復(fù)合材料，并著重研究其彎曲性能和破壞機(jī)理。

1 實 驗

1.1 實驗材料

E-玻纖（EDR13-300-386，中國巨石股份有限公司）;雙酚A型環(huán)氧樹脂（型號JL-235，環(huán)氧值0.56 eq/100g）;固化劑（型號JH-242，杭摩佳發(fā)新材料（蘇州）有限公司）;穩(wěn)泡劑、二甲聚硅氧烷（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）;微球發(fā)泡劑（粒徑20～25 μm，膨脹倍率4～5倍，快思瑞科技（上海）有限公司）。

1.2 復(fù)合材料的制備

1.2.1 織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計與織造

實驗中三維機(jī)織間隔織物是由三維織機(jī)一體化織造而成，其組織結(jié)構(gòu)如圖1。整個織物由上、下兩面層織物和中間的柱紗組成，上、下兩表面織物是由兩組經(jīng)、緯紗交織而成的平紋組織，中間的柱紗沿經(jīng)向在上、下表層織物間穿梭，并和緯紗進(jìn)行交織。柱紗被表層經(jīng)紗覆蓋，而不顯露在織物表面，其排列密度與上下兩面層經(jīng)紗的排列密度一致。柱紗形態(tài)均勻?qū)ΨQ，各個織物組織結(jié)構(gòu)單元之間的柱紗互為支撐，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。整個三維機(jī)織間隔織物的具體織造參數(shù)如表1。

1.2.2 泡沫夾芯復(fù)合材料的制備

環(huán)氧泡沫夾芯復(fù)合材料的制備主要分兩步。第一步，將雙酚A型環(huán)氧樹脂和固化劑以質(zhì)量比100∶33混合，將配好的樹脂用手糊法均勻地糊于織物表面，每平方米織物約用2.366 kg樹脂。將其放入烘箱中50℃預(yù)固化3 h，再70℃固化7 h，制得中空復(fù)合材料。其實物圖如圖2（a）。第二步，調(diào)配發(fā)泡體系，將微球發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑分別以3%、2%的比例依次加入配好的環(huán)氧樹脂中，充分?jǐn)嚢韬蟪檎婵彰撆?0 min。將待發(fā)泡樹脂沿經(jīng)向截面滴入中空復(fù)合材料中，并放入凹槽模具內(nèi)，確保樹脂完全且均勻地浸潤中空復(fù)合材料，保留一定的發(fā)泡空間，升溫至95℃自由發(fā)泡1 h后降溫至70℃固化7 h。制備得到環(huán)氧泡沫夾芯復(fù)合材料，其實物圖如圖2（b）。

1.3 復(fù)合材料彎曲性能測試

實驗采用INSTRON-5967強(qiáng)力儀，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能測試方法》對所制備材料的彎曲性能進(jìn)行測試。通過夾層結(jié)構(gòu)長梁試樣的外伸梁三點(diǎn)彎曲測定試樣的彎曲剛度。所有試樣分別沿著經(jīng)向和緯向被裁切成長160mm、寬30mm的矩形長條，測試跨距為80mm，外伸臂長度為40mm，測試速度為 2mm/min。具體的試樣參數(shù)和編號如表2。每組為5個平行樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲性能測試結(jié)果

圖3為環(huán)氧泡沫夾芯復(fù)合材料與中空復(fù)合材料試樣在經(jīng)、緯兩個方向上的彎曲載荷-撓度曲線。從總體趨勢來看，兩種復(fù)合材料板在發(fā)生彎曲變形時都存在三個階段。第一階段為彈性形變階段，彎曲載荷隨撓度的增長而增長，呈線性關(guān)系。第二階段，達(dá)到破壞載荷后，力突然下降，說明此時復(fù)合材料發(fā)生了脆性破壞。第三階段，復(fù)合材料失效后，還會出現(xiàn)一段塑性平臺，且在這段塑性平臺上，復(fù)合材料所能承受的載荷仍很高，表現(xiàn)出一定的韌性和強(qiáng)度。

相比于未填充泡沫的中空復(fù)合材料，環(huán)氧泡沫夾芯復(fù)合材料的極限彎曲載荷在經(jīng)、緯兩向上均有提高。在經(jīng)向上，由694.38 N增加到1090.30 N，提高了57.02%;在緯向上，由1198.48 N增加到1461.40 N，提高了21.94%。

夾層結(jié)構(gòu)經(jīng)、緯兩向的彎曲剛度可通過算式（1）計算。

D=l2·a·Δp16f1（1）

式中：D為夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，N·mm2; Δp為載荷撓度曲線初始段的載荷增量值，mm; a為外伸臂長度，mm; l為跨距長度，mm; f1為對應(yīng)Δp的外伸點(diǎn)的撓度增量值（取左右兩點(diǎn)的平均值），mm。

如圖4為環(huán)氧泡沫夾芯復(fù)合材料與中空復(fù)合材料試樣在經(jīng)、緯兩個方向上的彎曲剛度對比圖。由圖4可以看出，相比于未填充泡沫的中空復(fù)合材料，填充泡沫后的夾芯復(fù)合材料的彎曲剛度總體提高。在經(jīng)向上由6.32×106 N·mm2增加到10.55×106 N·mm2，提高了66.93%。緯向上，由7.24×106 N·mm2增加到14.92×106 N·mm2，提高了106.08%?？紤]到材料的密度差異，經(jīng)計算得其密度比剛度在經(jīng)、緯兩向上分別提高了15.28%、28.18%。說明雖然泡沫芯的加入會使材料的重量有一定的增加，但其對復(fù)合材料彎曲剛度提高作用更為顯著。

由于三維織物中緯紗纖度比經(jīng)紗大一倍，緯密也大于經(jīng)密，且緯紗的屈曲變形比經(jīng)紗小，處于一個相對伸直的狀態(tài)，承載能力更強(qiáng)，所以相比于經(jīng)向的試樣，緯向試樣的各項指標(biāo)都要優(yōu)于經(jīng)向。

2.2 破壞模式分析

復(fù)合材料在受到彎曲載荷后，首先是表層面板承力，接著表層面板將壓力傳遞給中間的芯層，再由芯層傳遞給下層面板。上層面板受到壓應(yīng)力，而下層面板受到拉應(yīng)力[12]。圖5為中空復(fù)合材料經(jīng)、緯兩向試樣在受彎曲載荷時典型的破壞細(xì)節(jié)圖。中空復(fù)合材料彎曲破壞后，在經(jīng)向斷裂模式中，其上表面承力部位有明顯的擠壓破壞痕跡，面板起褶（圖5（a））。從經(jīng)向截面圖（圖5（c）～圖5（d））中可以看到，由于中空結(jié)構(gòu)使得柱紗具有較大的變形空間，在擠壓力的作用下柱紗產(chǎn)生較大變形。同時存在纖維和樹脂斷裂的現(xiàn)象。在緯向斷裂模式中，上面板受擠壓力作用后會出現(xiàn)纖維和樹脂斷裂（圖5（d））。在緯向截面圖及局部放大圖（圖5（e）～圖5（f））中可以看到，面板斷裂后會產(chǎn)生一定的錯位，同時柱紗也會產(chǎn)生較大的變形甚至斷裂。在中空復(fù)合材料的彎曲破壞模式中，不管是經(jīng)向還是緯向，均能發(fā)現(xiàn)主要都是上面板及靠近上面板的柱紗端發(fā)生明顯破壞，而下層面板僅出現(xiàn)輕微的拉伸破壞，說明在中空結(jié)構(gòu)中彎曲載荷并不能很好地被柱紗傳遞到下層面板。

圖6（a）～圖6（c）為泡沫夾芯復(fù)合材料經(jīng)向彎曲破壞圖，它們的上表面和中空復(fù)合材料試樣一樣也受到了擠壓破壞（圖6（a）），但其下層面板發(fā)生了明顯的拉伸斷裂（圖6（b）～圖6 （c）），說明泡沫的存在使彎曲載荷成功地傳遞到了面板下層。分析可知泡沫可以在橫向上穩(wěn)定柱紗，防止它產(chǎn)生較大的彎曲變形，從而增強(qiáng)柱紗對上下面板的“支撐”作用;并且泡沫的存在能夠更均勻地傳遞載荷，使得柱紗間的支撐作用得到充分利用。此外，柱紗能夠包裹固定泡沫，使得泡沫在受力后不易發(fā)生脆性斷裂，同時能夠有效抑制局部裂紋的產(chǎn)生。泡沫與柱紗之間的這種協(xié)同作用，使得復(fù)合材料具有更高的抗彎能力。

圖6（d）～圖6（f）為泡沫夾芯復(fù)合材料在緯向上的彎曲破壞圖?？梢钥匆娕菽粩D壓粉碎，而下層面板并未斷裂，說明泡沫在其中雖然起了支撐作用，但還不夠。主要是因為緯紗的纖度較高，要比經(jīng)向的大一倍，使得其下層面板拉伸強(qiáng)度也增強(qiáng)了，中間的柱紗泡沫協(xié)同支撐作用有限，即下層面板發(fā)生斷裂之前，柱紗和泡沫先發(fā)生了變形與粉碎，造成材料失效。

圖7為泡沫夾芯復(fù)合材料彎曲破壞前后泡沫形變對比SEM圖。從圖7（a）中可以看到每一根纖維都被中層的環(huán)氧樹脂緊緊包圍，而中層的樹脂與外層的環(huán)氧泡沫融為一體。同基體的運(yùn)用使得復(fù)合材料中泡沫結(jié)構(gòu)與骨架結(jié)構(gòu)之間的界面結(jié)合較好。良好的界面是泡沫與柱紗之間發(fā)生協(xié)同支撐作用的前提。發(fā)生彎曲破壞后的泡沫發(fā)生了嚴(yán)重地擠壓變形甚至碎裂（圖7（b）～圖7（c）），這也正明了泡沫在材料中發(fā)揮了承力和傳遞載荷的作用，同時可以通過變形或破裂來吸收載荷和能量，使得復(fù)合材料的整體力學(xué)性能得到改善和增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

為了增強(qiáng)三維機(jī)織間隔織物中空復(fù)合材料，制得更高強(qiáng)且輕質(zhì)的織物夾芯板，本研究在玻璃纖維/環(huán)氧中空復(fù)材中填充了同基體的環(huán)氧泡沫，并對填充泡沫后的夾芯板進(jìn)行了彎曲性能測試和破壞模式分析。主要研究結(jié)論如下：

a）相比于未填充泡沫的玻璃纖維/環(huán)氧中空復(fù)合材料來說，泡沫夾芯復(fù)合材料的彎曲性能得到了提高：經(jīng)向的彎曲破壞載荷提高57.02%，緯向則提高了21.94%;經(jīng)向彎曲剛度由6.32×106 N·mm2增加至10.55×106 N·mm2，提高了66.93%; 緯向彎曲剛度由7.24×106 N·mm2，增加至14.92×106 N·mm2，提高了106.08%。說明環(huán)氧泡沫的加入，可以很大程度地改善玻璃纖維/環(huán)氧中空復(fù)合材料的彎曲性能。

b）泡沫填充至中空復(fù)合材料中，在承受彎曲破壞時，能夠起到承力和傳遞載荷的作用。泡沫的存在使得柱紗的變形空間受限，柱紗的支撐能力得到有效利用;同時，相鄰柱紗的封閉空間可以局部包裹泡沫，能抑制泡沫中裂紋的產(chǎn)生。兩者的協(xié)同作用，是該種夾芯復(fù)合材料抗彎性能提高的主要原因。

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