基于“離位”增韌的軍用方艙CF-AF蜂窩夾芯架構(gòu)耐撞擊的研究

摘 要 選用的“離位”增韌原理通過模壓的方式制備碳纖維織物（CF）和芳綸蜂窩（AF）夾芯軍用方艙架構(gòu)；依次以CF型號、CF克重、CF方向為影響因素，采用單因素分析進行工藝優(yōu)化，并對其增韌效果和耐撞擊性能進行測試。試驗表明：CF-AF蜂窩夾芯架構(gòu)增韌效果明顯，且在CF（T700，600 g/m2±45°）、上下蒙皮均為2層時耐撞擊性能最優(yōu)，符合GJB2093A-2012軍用方艙通用試驗方法。

關(guān)鍵詞 “離位”增韌；軍用方艙；碳纖維；芳綸蜂窩夾芯；撞擊

Research on Impact Resistance of Military Shelter CF-AF

Honeycomb Sandwich Architecture Based

on“ex-situ”Toughening

ZHANG Qian1，2，WU Jiangtao3，LUO Zancai1，2，YANG Zexing1，2，XIANG Long1

（1.Zhuzhou Electric Locomotive Guangyuan Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001;

2.Beijing Mega Material Innovation Work Co.， Ltd.， Beijing 101300;

3.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001）

ABSTRACT The selected “off-position” toughening principle was used to prepare the military shelter structure of carbon fiber fabric （CF） and aramid honeycomb （AF）. With the model， the weight and the direction of CF as the influencing factors， the process was optimized by single factor analysis， and its impact resistance and toughening effect were tested. The results show that the toughening effect of CF-AF honeycomb sandwich is obvious， and the impact resistance is the best when CF（T700， 600 g/m2±45°） and the upper and lower skins are both 2 layers， which conforms to GJB2093A-2012.

KEYWORDS ex-situ toughening; military shelter; carbon fiber; aramid honeycomb sandwich; impact resistance

1 引言

軍用方艙是指用各種堅固材料有機的組合在一起，其容積是固定的或可擴展的具有軍用防護性能，可供方便運載、可移動的整體，具有較長的壽命、較強的結(jié)構(gòu)強度和剛度的廂式工作間。通用化軍用方艙架構(gòu)一般由CF-AF蜂窩夾芯等構(gòu)成［1］。由碳纖維作為面板，芳綸蜂窩作為芯體組成的復合夾芯結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)涓弑葎偠?、高比強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、輕質(zhì)等優(yōu)點，同時還具有良好的能量吸收能力和阻尼特性［2～3］。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的全域化、機動化，面臨著復雜的電磁環(huán)境以及先進制導武器的大量使用，軍用方艙在戰(zhàn)場上受到了前所未有的威脅。軍用方艙必須滿足機動作戰(zhàn)、立體攻防的要求，適應(yīng)高機動部隊輕型裝甲車裝甲防護、防爆防彈發(fā)展的步伐［4］。因此，提高軍用方艙的防爆防彈性能刻不容緩。

我國從20世紀80年代初開始了軍用方艙的研制工作，并制定了各種軍用方艙標準，我國軍用方艙長期以來在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)自由化發(fā)展，有必要借鑒國際方艙的研制經(jīng)驗，開展國內(nèi)方艙的統(tǒng)型和產(chǎn)品標準化工作，并同步推動相關(guān)標準的編制。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

2.1.1 原材料

高強度玻璃纖維300 g/m2±45°A級， 蘇州華基新材料科技有限公司；碳纖維軸向布中復神鷹T700原絲，300 g/m2±45°、400 g/m2±45°、600 g/m2±45°、400 g/m2 0/90°中復神鷹碳纖維股份有限公司，中航復合材料有限責任公司；碳芳織物300 g/m2±45°，蘇州華基新材料科技有限公司生產(chǎn)；環(huán)氧樹脂：GT910，惠柏新材料科技（上海）股份有限公司，樹脂GT910a與固化劑GT910b按4∶1的比例均勻攪拌調(diào)配；增韌劑：聚芳醚酮PEK-C，英創(chuàng)高分子材料工程研發(fā)中心，甲基吡咯烷酮NMP 廣東粵美化工有限公司，選用PEK-C與NMP按1∶4的比例均勻攪拌調(diào)配；結(jié)構(gòu)膠：聚氨酯蜂窩膠JA2013，上海海鷹粘接科技有限公司；芳綸蜂窩芯：對位芯CMAG-CNC_K-1.83-48 嘉興雅港復合材料有限公司。

2.1.2 試驗儀器

涂布機（ES-FabricsTM，德項Coatema公司）；空調(diào)（KFR-120LW/（12568S）NhAc-3，珠海格力電器股份有限公司）；除濕機（DY-6480/A，寧波德業(yè)電器科技有限公司）；粉碎機（皇代800Y，永康市鉑歐五金制品有限公司）；一端為半球形鋼質(zhì)圓柱體（直徑為75 mm，質(zhì)量為31 kg，定制）。

2.2 “離位”增韌CF-AF蜂窩夾芯板的制作

將不同種類的碳纖維織物依次通過涂布機設(shè)備制備“離位”增韌碳纖維織物。通過印花桶將增韌劑均勻“打點”印制在碳纖維織物上，通過涂布機烘箱130 ℃烘烤后制成“離位”增韌碳纖維織物，織物自然冷卻至常溫后按表1織物尺寸鋪層。通過真空袋壓在-0.1 MPa負壓下導入樹脂，樹脂均勻浸潤后80 ℃烘烤4小時固化，保溫30 min后冷卻脫膜，得到不同型號的1.2 mm±0.3 mm厚的碳纖維蒙皮毛胚；使用臺鋸將不同的碳纖維蒙皮和芳綸蜂窩芯切割成594 mm×594 mm。之后在碳纖維蒙皮上均勻刮刷上一層結(jié)構(gòu)膠，將蜂窩芯對齊放在中間夾層中，整體放入熱壓機內(nèi)熱壓成型，模壓壓力2 MPa，熱壓溫度80 ℃烘烤1小時，保溫30 mm后在壓機上不卸壓自然冷卻，冷卻至常溫后卸壓脫膜，得到不同型號碳纖維蒙皮的CF-AF蜂窩夾芯板。碳纖維軸向布鋪層如表1所示?！半x位”增韌碳纖維織物如圖1所示，CF-AF蜂窩夾芯板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 耐撞擊試驗方法

參照標準： GJB2093A-2012軍用方艙通用試驗方法中5.1夾芯板耐撞擊試驗方法。

2.3.1 耐撞擊試驗樣件組裝

將不同型號的CF-AF蜂窩夾芯板四周鉚裝鋁框，每邊用兩個M6的長螺栓將樣件安裝在600 mm×600 mm的木制框架上，框架用截面為50 mm×100 mm的木材制成，樣件正、反面外觀如圖3（a）和（b）所示。

每組不同CF-AF蜂窩夾芯板組裝3件，分別進行耐撞擊試驗。

2.3.2 試驗步驟

將不同型號的CF-AF蜂窩夾芯板樣件水平放置在平坦的混凝土地面上，將相當于艙板外表面（或底板的上表面）的板面向上，然后將鋼質(zhì)圓柱體（球頭朝下）鉛直地夾持或懸吊在樣件上表面的中心上方，球頭端部距離頂板或底板樣件上表面760 mm，并保持靜止不動，突然釋放圓柱體使其自由下落撞擊樣件，重復以上試驗3次，如圖4所示。

2.3.3 軍用方艙撞擊標準

試驗結(jié)束后，對外觀進行檢查：檢查樣件蒙皮有無破裂、斷裂和凸出變形等現(xiàn)象；然后將樣件切開，檢查距撞擊中心76 mm （底板90 mm） 以外的芯材有無脫層和破裂，檢查距撞擊中心128 mm 以外，是否存在芯材的剪切現(xiàn)象。

2.4 增韌性能測試

試樣：均為蒙皮為2層600 g/m2±45°CF-AF蜂窩夾芯板，一組未加增韌劑，另一組添加“離位”增韌劑。

測試方法：按照耐撞擊試驗步驟和標準分別進行耐撞擊測試。

2.5 AF-AP蜂窩夾芯板制作的影響因素考察

首先確定CF型號，然后依次考察鋪層方向和CF的克重。

2.5.1 CF型號對耐撞擊的影響

在制備過程中，分別選擇A（高強度玻璃纖維300 g/m2±45°）、B（中復神鷹T700，300 g/m2±45°）、C（碳芳織物300 g/m2±45°），按照1.2項下的制備方法制備試樣，1.3項下的方法進行耐撞擊測試，記錄撞擊凹陷直徑，考察其對AF-AP蜂窩夾芯板耐撞擊的影響。

2.5.2 CF鋪層方向?qū)δ妥矒舻挠绊?/p>

固定CF的型號，CF重量/克為300 g/m2，設(shè)置不同的CF鋪層方向分別為D（0°/90°/0°/90）、E（45°/-45°/0°/90°）、F（45°/-45°/45°/-45°），按照1.2項下的制備方法制備試樣，1.3項下的方法進行耐撞擊測試，記錄撞擊凹陷直徑，考察其對AF-AP蜂窩夾芯板耐撞擊的影響。

2.5.3 CF克重對耐撞擊的影響

確定CF型號、鋪層方向（45°/-45°/45°/-45°），設(shè)置不同的CF克重分別為 300 g/m2、B400 g/m2和C600 g/m2，按照1.2項下的制備方法制備試樣，1.3項下的方法進行耐撞擊測試，記錄撞擊凹陷直徑，考察其對AF-AP蜂窩夾芯板耐撞擊的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 影響因素分析

各因素對AF-AP蜂窩夾芯板耐撞擊的影響如圖5 （a）～（c）所示。

從圖5 （a）可知，CF型號理想的選擇為中復神鷹T700，300 g/m2±45°。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，撞擊產(chǎn)生的凹陷直徑仍然較大較深，并且坑內(nèi)有裂紋，見圖8（b）；從圖5 （b）可知，CF的鋪層方向理想的選擇為45°/-45°/45°/-45°。但在試驗中發(fā)現(xiàn)，撞擊產(chǎn)生仍然生產(chǎn)凹陷，但坑內(nèi)無裂紋，見圖8（c）；從圖5 （c）可知，CF面密度理想的選擇為600 g/m2。試驗中無明顯凹陷，僅有撞擊細微印記，如圖8（d）所示。

試驗后選擇的最優(yōu)工藝方案：中復神鷹T700碳纖維軸向布600 g/m2，鋪層方向為45°/-45°/45°/-45°。

3.2 撞擊試驗結(jié)果分析

3.2.1 外觀檢查

檢查樣件蒙皮無破裂、斷裂和凸出變形等現(xiàn)象，如圖6所示。

3.2.2 切開檢驗

CF-AF蜂窩夾芯板距撞擊中心128 mm以外，無芯材的剪切現(xiàn)象，如圖7所示。

3.3 驗證性試驗

3.3.1 增韌外觀試驗結(jié)果分析

增韌外觀試驗結(jié)果如表2和圖8所示。

3.3.2 耐撞擊試驗結(jié)果分析

試樣經(jīng)撞擊后僅有撞擊細微印記，已無明顯凹陷，如圖8（d）所示。撞擊印記平均直徑10.20±0.46 mm。耐撞擊試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

試驗表明，AF-AP蜂窩夾芯板耐撞擊性能良好，質(zhì)量可控，符合中華人民共和國軍用方艙標準。

4 結(jié)語

（1）CF-AF組成的復合夾芯構(gòu)架雖然兼?zhèn)涓弑葎偠?、高比強度和輕質(zhì)等優(yōu)點［5］，但夾芯結(jié)構(gòu)的性能很大程度上依賴于面板和芯體之間的界面結(jié)合強度。試驗結(jié)果顯示，“離位增韌”技術(shù)的PEKC-NMP能夠顯著提高碳CF-AF組成的復合夾芯構(gòu)架的界面斷裂韌性，蒙皮撞擊后無破裂、斷裂和凸出變形等現(xiàn)象，說明增韌材料能有效避免蜂窩壁板因與面板接觸面積過小而被拔出，改變了芯體在界面分層過程中的破壞模式，進一步提升了夾芯結(jié)構(gòu)的界面斷裂韌性［5］。

（2）CF-AF蜂窩芯體結(jié)構(gòu)是不連續(xù)性，界面裂紋呈現(xiàn)非規(guī)律性的均勻擴展，表現(xiàn)為 逐漸均勻擴展、較長時間不擴展和突然擴展一小段距離等情況。與未增韌試件相比，CF差異導致增韌試件的界面裂紋更少或無裂紋，說明AF能將性能差異較大的面板與芯體更為牢固的連接在一起，提升結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性［6］。

（3）高質(zhì)量的CF選用能夠最大限度地提高耐撞擊能力，說明CF型號、克重、方向必須最大限度地與AF芯體匹配，從而實現(xiàn)更大的能量吸收，提升耐撞擊能力。

參 考 文 獻

［1］徐婧雨. 某特種車輛玻璃鋼方艙的設(shè)計研究［D］.沈陽理工大學，2015.

［2］WANG Jianfeng， GAO Haibo， HA Ngocsan， LU Guoxing. A review of recent research on bio-inspired structures and materials for energy absorption applications［J］. Composites Part B： Engineering， 2020，181（15）：1-38.

［3］馬子廣，王衛(wèi)衛(wèi).復合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)四點彎曲性能研究［J］.纖維復合材料，2019，36（4）：8-11+7.

［4］李良春，張會旭，牛正一，張俊坤，周冰.軍用防彈防爆方艙主要材料與結(jié)構(gòu)［J］.包裝工程，2017，38（23）：37-40.

［5］劉浩洋. 芳綸纖維增韌碳纖維—鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)界面性能［D］.大連理工大學，2022.

［6］劉浩洋，呂超雨，石姍姍，孫直.芳綸纖維增韌碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料-鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)界面性能和增韌機制［J］.復合材料學報，2022，39（2）：559-567.