芯材材質(zhì)及厚度對(duì)復(fù)合材料層合板彎曲性能的影響

胡 鵬，晏義伍，劉 喆，魏隴沙

(1.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 廣東省先進(jìn)聚合物復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518000；2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 深圳市復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518000；3.上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 200000；4.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 深圳新能源汽車?yán)w維復(fù)合材料工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518000)

1 引 言

纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有非常優(yōu)異的比強(qiáng)度、比模量等綜合指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶及國(guó)防等高技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。其中，層合復(fù)合材料的應(yīng)用最為廣泛。層合復(fù)合材料是由一種或多種材料按照一定的順序和角度疊合而成的復(fù)合材料，每層材料的力學(xué)性能會(huì)對(duì)整體復(fù)合材料層合板的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響[4]。

目前，有關(guān)層合復(fù)合材料的研究主要集中于成型工藝、力學(xué)性能和有限元模擬分析三個(gè)方面。賴家美等[5]在縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲性能的研究中，采用真空輔助樹脂傳遞模塑工藝制備了夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，確定了針距、行距及纖維層數(shù)對(duì)層合結(jié)構(gòu)彎曲性能的影響。Wang等[6]結(jié)合試驗(yàn)及有限元仿真，研究了6種不同縫合密度的泡沫層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗彎性能，闡述了縫合密度和芯層厚度對(duì)其彎曲性能的影響。Jiang等[7]采用數(shù)值分析方法研究了層合結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲失效機(jī)理，研究結(jié)果表明，優(yōu)化失效模型的極限載荷預(yù)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。易雯等[8，9]在泡沫夾層復(fù)合材料全船有限元分析及結(jié)構(gòu)特性研究中，對(duì)比了有限元數(shù)值分析和試驗(yàn)結(jié)果，確定了層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料仿真分析方法。Rinker等[10]通過試驗(yàn)方法分析了泡沫層合復(fù)合材料在靜載下的三點(diǎn)彎曲破壞，并與有限元模擬進(jìn)行了對(duì)比，研究了溫度載荷對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

工程中常見的泡沫材料有以下幾種：

(1)PMI泡沫(聚甲基丙烯酰亞胺，Polymethacrylimide)。PMI泡沫具有很好的壓縮蠕變，可以在溫度120℃～180℃、壓力0.3MPa～0.5MPa下熱壓罐固化，是一種均勻的剛性閉孔泡沫，孔隙大小基本一致，整體上各向同性。

(2)PET泡沫(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，Polyethylene terephthalate)。PET泡沫具有良好的耐熱性、力學(xué)強(qiáng)度和環(huán)保性能，主要用于制造合成纖維、薄膜、瓶子，在工程塑料及其他領(lǐng)域也有應(yīng)用[11]。對(duì)其采用發(fā)泡以后形成的PET泡沫材質(zhì)相對(duì)較脆，但其具有良好的耐熱性、力學(xué)強(qiáng)度。

(3)PVC泡沫(聚氯乙烯，Polyvinyl chloride)。PVC泡沫的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，且具有較好的抗老化性能，常適用于制造小型飛機(jī)構(gòu)件。制造工藝不需要熱壓罐，固化溫度低于120℃，具有較好的阻燃性能，因此廣泛用于防火應(yīng)用。

以上幾種工程中常用的泡沫各具優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)不同的使用需求選取適合的復(fù)合材料層合板具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本文討論纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與聚合物泡沫組成的層合結(jié)構(gòu)的不同芯層材質(zhì)及芯層厚度對(duì)彎曲性能的影響。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料與方法

用密度為100kg/m3的PMI和PET泡沫制成厚度為10mm的芯材，玻璃纖維復(fù)合材料上下蒙皮厚度均為1mm(鋪層設(shè)置為：共3層，單層0.33mm，鋪層角度為90°/0°/90°)，通過模壓工藝制成泡沫層合結(jié)構(gòu)。密度為100kg/m3的PVC泡沫芯材厚度分別為10mm、8mm和6mm，上下蒙皮厚度同樣均為1mm(鋪層設(shè)置不變)，通過模壓工藝制成泡沫層合結(jié)構(gòu)。

利用上述泡沫層合結(jié)構(gòu)制作試樣，每種泡沫層合結(jié)構(gòu)3個(gè)試樣，試樣尺寸為：長(zhǎng)300mm、寬50mm，試樣厚度根據(jù)上述樣件設(shè)置。采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)字信號(hào)。試驗(yàn)所用壓頭尖端為半徑5mm的半圓，加載速度為2mm/min。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖如圖1所示。

圖1 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖

根據(jù)三點(diǎn)彎曲抗彎強(qiáng)度、模量的計(jì)算公式，板材的彎曲強(qiáng)度S3P為：

(1)

式中，F(xiàn)為載荷，N；L為跨距，mm；a為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm。

三點(diǎn)彎曲彈性模量C3P的計(jì)算公式為：

(2)

式中，ΔF為力的差值，N；ΔL為力的差值對(duì)應(yīng)的位移變化量，mm。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

以上下蒙皮厚度1mm、芯材厚度10mm的PVC材質(zhì)為例進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，獲得的彎曲強(qiáng)度-位移曲線如圖2所示，彎曲強(qiáng)度及彎曲模量如表1所示。其他規(guī)格的層合板同樣采用3個(gè)試樣進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，在上下蒙皮保持不變的情況下，各規(guī)格層合板的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量平均值如表2所示。

圖2 彎曲強(qiáng)度-位移曲線

表1 芯材厚度10mm的PVC層合板彎曲性能

表2 各規(guī)格層合板的彎曲性能

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：(1)相同密度的3種芯材中，芯材為PMI泡沫的層合板具有最好的彎曲性能，PET最弱，強(qiáng)于何沛夕等[12]研究的PU材質(zhì)層合板的彎曲性能；(2)芯層相同、厚度不同時(shí)，層合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量隨泡沫厚度的增大而減小。

3 有限元仿真

3.1 物理模型

將上下蒙皮均為厚度1mm(鋪層設(shè)置為：共3層，單層0.33mm，鋪層角度為90°/0°/90°)的玻璃纖維復(fù)合材料、中間為泡沫材料的復(fù)合材料耦合在一起構(gòu)成一個(gè)整體，研究不同芯層材料及厚度對(duì)復(fù)合材料層合板彎曲性能的影響。

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)試驗(yàn)獲得的材料參數(shù)，結(jié)合層合板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用Abaqus軟件建立彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)有限元模型(如圖3所示)，計(jì)算夾芯材料分別為PMI、PET、PVC泡沫的層合板(PMI、PET夾芯的厚度為10mm，PVC夾芯的厚度分別為10mm、8mm和6mm)的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量。有限元模型中，泡沫材料單元類型采用一次減縮積分實(shí)體單元C3D8R，復(fù)合材料單元類型采用一次減縮積分殼體單元S4R，壓頭及基座采用剛性單元R3D4。

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)有限元模型

3.3 結(jié)果與討論

仿真彎曲應(yīng)力-位移曲線如圖4所示，各規(guī)格層合板仿真的彎曲性能見表3。將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(如圖5所示)，可以看到，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值差距較小，二者較為吻合。

(a)不同厚度的PVC芯材彎曲應(yīng)力-位移曲線

(b)不同芯材的彎曲應(yīng)力-位移曲線圖4 仿真彎曲應(yīng)力-位移曲線

表3 各規(guī)格層合板仿真的彎曲性能

(a)彎曲強(qiáng)度

(b)彎曲模量圖5 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比圖

結(jié)果分析：

(1)層合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度隨泡沫厚度的增大而逐漸減小。由試驗(yàn)及仿真獲得的彎曲應(yīng)力-位移曲線可知，隨著泡沫芯層厚度增加，斷裂位移逐漸減小，這是由于中間的泡沫芯材相較于玻璃纖維復(fù)合材料蒙皮，其斷裂強(qiáng)度較低。承受頂部壓載后，泡沫芯層厚度較大時(shí)，下蒙皮未起到較好的支撐作用而泡沫芯層已經(jīng)壓潰，從而使得上蒙皮獨(dú)自承擔(dān)載荷導(dǎo)致失效。反之，泡沫芯層較薄時(shí)，下蒙皮起到了較好的支撐作用，復(fù)合材料層合板整體抗彎，其彎曲強(qiáng)度增大。圖6所示為試驗(yàn)后的3個(gè)芯層厚度為10mm的PVC樣件，其上蒙皮均出現(xiàn)斷裂而下蒙皮完好。原崇新等[13]在研究中指出，復(fù)合材料層合板在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，芯層發(fā)生剪切破壞，與本文的分析結(jié)果一致。

圖6 試驗(yàn)后上蒙皮斷裂

(2)層合結(jié)構(gòu)的彎曲模量隨著泡沫厚度的增大而逐漸減小。由式(2)可知，彎曲模量與ΔF/ΔL的比值(即彎曲應(yīng)力-位移曲線斜率)成正比。由彎曲應(yīng)力-位移曲線可以發(fā)現(xiàn)，三者的斜率較為一致。彎曲模量與層合板的厚度成反比，故隨著芯層厚度的增大，彎曲模量應(yīng)逐漸減小。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)芯層材質(zhì)分別為PMI、PET、PVC的復(fù)合材料層合板進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試，試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，在同等情況下，相同密度的3種芯材中，芯材為PMI泡沫的層合板具有最好的彎曲性能，PET的彎曲性能最弱。

(2)對(duì)于其他條件相同，芯層厚度不同的復(fù)合材料層合板進(jìn)行的三點(diǎn)彎曲性能測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)芯層材料相同、厚度不同時(shí)，層合結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量隨著泡沫厚度的增大而逐漸減小。

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析數(shù)據(jù)的誤差較小，數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好，因此本文的研究可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。