熱膨脹工藝制備不同厚度泡沫夾芯復合材料的低速沖擊性能

閔偉, 程樂樂, 余木火, 孫澤玉

（東華大學 材料科學與工程學院，上海市輕質(zhì)結(jié)構(gòu)復合材料重點實驗室，民用航空復合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620）

隨著節(jié)能減排的要求不斷提高，汽車、航空航天、體育、船舶、風電等領域的高承載部件的輕量化要求也不斷提高[1-3]。夾芯復合材料由于輕質(zhì)高強，并且泡沫、蜂窩、輕木等多種芯材能夠賦予產(chǎn)品更高的結(jié)構(gòu)和性能可設計性得到廣泛應用[4-5]。其中，泡沫夾芯復合材料能夠更高程度提高結(jié)構(gòu)的輕量化效果，設計各類Z向增強結(jié)構(gòu)可以顯著改善傳統(tǒng)泡沫夾芯復合材料芯子強度低、界面性能差等缺點，極大地擴展了泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)的應用潛力[6-8]。但泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)相比較層合板結(jié)構(gòu)成型工藝更加復雜，結(jié)構(gòu)難以一體化成型，這嚴重制約了泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)的規(guī)?；瘧谩?/p>

一種新型的熱膨脹成型工藝，起源于硅膠或者壓力袋作為內(nèi)膨脹源，在封閉的模具內(nèi)受熱膨脹或者加壓產(chǎn)生內(nèi)膨脹力成型復合材料[9-11]。類似的思想，可膨脹環(huán)氧泡沫作為輕質(zhì)芯子的一部分，同時作為膨脹源產(chǎn)生內(nèi)膨脹力一體化成型夾芯復合材料[12-13]。泡沫膨脹倍率的可設計性使復合材料成型具有更高的工藝性，也能夠定向控制成型壓力，具有高于真空袋壓和真空灌注工藝的成型壓力(>100 kPa)[14-16]。然而，由于可膨脹泡沫原材料及熱膨脹工藝穩(wěn)定性問題，當前通過這種熱膨脹工藝制備泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)及其力學性能相關的研究報道較少。

由于泡沫夾芯結(jié)構(gòu)中存在的泡沫芯子，相比較層合板結(jié)構(gòu)更復雜，輕質(zhì)泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的芯子在沖擊載荷作用下容易受到損傷，損傷狀態(tài)的評價對夾芯結(jié)構(gòu)的應用造成了困難。為了系統(tǒng)研究泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的沖擊損傷機制及評價損傷容限，研究者們做了大量的工作。Al-Shamary等[17]確定了隨著聚氯乙烯 (PVC) 泡沫芯子厚度增大，吸收能量效果更佳，但對峰值載荷影響較小。孫子恒等[18]通過對具有不同鋪層蒙皮的夾芯復合材料沖擊和沖擊后壓縮性能研究，確定了引入45°鋪層可以降低蒙皮的損傷程度，而最大載荷和吸能表現(xiàn)與0°/90°正交鋪層相近。Dogan等[19]詳細分析了不同沖擊能量對泡沫夾芯板載荷和失效模式的影響，隨著沖擊能量增大，峰值載荷不斷增大，但沖擊能量達到一定程度時載荷不再增大，并且不再發(fā)生更嚴重的損傷。新型Z向增強技術(shù)的發(fā)展顯著改善了傳統(tǒng)泡沫夾芯的Z向強度低、界面力學性能差等缺點。特別是在泡沫中引入了不同密度和角度的Z-pin結(jié)構(gòu)，顯著提高了泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)的沖擊強度和抗沖擊損傷能力[20-22]。新型點陣和格柵結(jié)構(gòu)的發(fā)展進一步賦予了泡沫夾芯復合材料的結(jié)構(gòu)和性能可設計性[23-25]。

目前的研究報道更多集中于新材料和結(jié)構(gòu)設計，很少有報道成型工藝對泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)沖擊性能的影響。這種新型的熱膨脹成型工藝，相比較傳統(tǒng)的真空導入、預浸料模壓等工藝，泡沫芯子不需要二次加工，初始狀態(tài)的熱膨脹泡沫預浸膠可以定向控制成型不同厚度的泡沫夾芯復合結(jié)構(gòu)，原材料用量完全一致。目前這種熱膨脹工藝制備不同厚度的泡沫夾芯板的沖擊性能及其失效模式未見相關報道。本文基于前期熱膨脹工藝的研究基礎[26]，提出使用一種可膨脹泡沫預浸膠一體化制備不同厚度的泡沫夾芯板。分析了不同泡沫膨脹倍率產(chǎn)生的不同膨脹力對成型后泡沫夾芯復合材料的抗低速沖擊性能影響。通過沖擊試驗研究了不同厚度泡沫夾芯板的抗沖擊強度、能量吸收、結(jié)構(gòu)剛度等性能，通過沖擊后壓縮試驗研究了不同試樣的損傷容限。試驗結(jié)合ABAQUS有限元建模、超聲C掃描以試樣在沖擊載荷作用下的應力、凹坑深度和損傷面積系統(tǒng)討論了不同試樣的損傷模式。

1 實驗材料及方法

1.1 原材料

本文使用的可膨脹泡沫預浸膠是課題組研制的一種具有受熱膨脹功能的環(huán)氧樹脂基硬質(zhì)泡沫，命名為M-1，初始狀態(tài)下單層厚度為1 mm，發(fā)泡劑開始分解溫度為100～110℃，自由狀態(tài)下，最大可膨脹15倍[26]。選擇了碳纖維平紋編織布(T700SC-12000-50C，日本東麗)和一種課題組研制的快速固化環(huán)氧樹脂體系在山東柏盛科技材料公司加工成預浸料[27]，可膨脹泡沫預浸膠與碳纖維增強復合材料(CFRP)預浸料屬于同種樹脂體系。預浸料固化后單層厚度約0.4 mm。

1.2 試樣制備

通過控制模具型腔尺寸能夠定向控制泡沫的膨脹倍率，試驗中控制了M-1泡沫膨脹2、4、6、8倍制備夾芯板。試樣的制備工藝如圖1(a)所示。在泡沫預浸膠的上下鋪放5層CFRP預浸料，然后置于型腔尺寸分別為6 mm、8 mm、10 mm和12 mm的模具中，再將模具放入預熱到130℃的壓機上，利用壓機鎖緊模具的同時加熱成型夾芯板。試樣的鋪層如圖1(b)所示，制備的試樣斷面如圖1(c)所示。

圖1 (a) 熱膨脹成型工藝制備泡沫夾芯復合材料示意圖；(b) 模具及試樣鋪層示意圖；(c) 泡沫膨脹不同倍率制備的夾芯復合材料斷面圖Fig.1 (a) Schematic diagram of foam sandwich composites prepared via thermal expansion molding process; (b) Schematic diagram of mold and sample lay-up; (c) Sectional diagram of sandwich composites prepared by foam expansion at different ratios

泡沫膨脹力的測試過程如圖2所示。設定高低溫試驗箱(吉林省三度設備有限公司，SR-93)的溫度為130℃，通過熱電偶檢測模具溫度達到設定溫度后，放入可膨脹泡沫預浸膠。萬能試驗機(深圳蘭博三思材料檢測有限公司，LD23)預加載10 N力后固定位置，然后泡沫膨脹產(chǎn)生內(nèi)膨脹力，試驗機得到載荷-時間曲線，再根據(jù)受力面積計算出膨脹力-時間曲線。圖3是試樣制備的工藝曲線，使用這種熱膨脹工藝制備泡沫夾芯板，最重要的是樹脂的固化反應和泡沫發(fā)泡反應的匹配性，前期課題組的研究進展已經(jīng)調(diào)控了文章中選擇的泡沫和樹脂體系的成型制度。泡沫最佳膨脹溫度為130℃，當樹脂的黏度在100 Pa·s以內(nèi)泡沫產(chǎn)生的膨脹力能夠有效成型CFRP蒙皮，樹脂浸潤性也更佳。在選擇的工藝條件下，X1、X2、X3和X4試樣的最大有效膨脹壓力分別為478 kPa、196 kPa、101 kPa和73 kPa。從成型壓力來看，X1試樣膨脹力已經(jīng)達到常規(guī)熱壓罐的壓力水平，滿足復合材料的成型條件。

圖2 熱膨脹泡沫膨脹力測試方法：(a) 高低溫試驗箱和萬能試驗機；(b) 試驗箱內(nèi)加載示意圖；(c) 試驗試樣及模具示意圖Fig.2 Test method of expansion pressure of thermal expansion foam:(a) High and low temperature test box and universal testing machine;(b) Schematic diagram of loading in the test box; (c) Schematic diagram of test sample and mold

圖3 不同泡沫夾芯板(X1、X2、X3、X4)制備工藝曲線Fig.3 Preparation process curves of different foam sandwich panels(X1, X2, X3, X4)

1.3 沖擊試驗

夾芯板的落錘沖擊實驗參考標準ASTM D7136[28]，試樣尺寸為150 mm×100 mm。測試過程中試樣如圖4(b)所示夾持在落錘沖擊實驗機(INSTRON，9400)的夾具上。實驗使用半球形的錘頭，質(zhì)量為2 kg，直徑為12.5 mm。實驗選擇了10 J和42 J的沖擊能量分析試樣的沖擊性能。在10 J的沖擊能量下，試樣主要發(fā)生上蒙皮的損傷，不會發(fā)生嚴重的泡沫芯子塌陷和下蒙皮損傷。在42 J的沖擊能量下，試樣下蒙皮開始發(fā)生損傷，但不會被錘頭穿透，能夠區(qū)分不同試樣的損傷差異。沖擊實驗后，使用水浸式超聲C掃描設備(北京采聲科技有限公司，UST-55)分析試樣表面的損傷區(qū)域(圖4(c))。超聲探頭是10 MHz的濾波器，采樣率為100 MHz，脈沖寬度為50 ns，采用全波的檢測方式，設定CFRP的聲速為1.3 mm/μs。

圖4 (a) 沖擊實驗試樣；(b) 沖擊實驗試樣夾持示意圖；(c) 沖擊后試樣超聲C掃描示意圖Fig.4 (a) Impact test samples; (b) Clamping diagram of the impact test samples; (c) Ultrasonic C-scan diagram of the samples after impact

1.4 沖擊試樣有限元分析(FEA)模型

沖擊試驗有限元分析使用ABAQUS軟件建模，在沖擊試驗過程中存在基體和纖維混合失效模式，采用Hashin準則作為失效判據(jù)。上下蒙皮的CFRP采用8節(jié)點四邊形平面內(nèi)通用連續(xù)殼(SC8R)建模，泡沫芯子采用8節(jié)點線性三維實體(C3D8R)建模，在泡沫芯子和CFRP之間設置0厚度的Cohesive單元 (COH3D8)。半球形錘頭是定義了帶有參考點的剛體，直徑為12.5 mm，建立實體模型設定錘頭質(zhì)量為2 kg。網(wǎng)格模型如圖5所示。采用顯示動力學求解器計算沖擊模型，根據(jù)每個模型的實際沖擊工況定義X1～X4試樣的時間周期分別為0.004 s、0.004 s、0.005 s和0.007 s。試樣模型在設置通用接觸時創(chuàng)建了內(nèi)部接觸，沖擊錘頭和試樣同樣設置了顯示通用接觸，并且錘頭和試樣接觸的摩擦系數(shù)定義為0.15。實驗設定了10 J和42 J兩種沖擊能量，根據(jù)能量計算公式E=mgh=1/2mv2(m為錘頭質(zhì)量；g為重力加速度；h為錘頭高度；v為錘頭觸碰到試樣的初始速度)設定錘頭的加載速度分別為3 162 mm/s和6 481 mm/s。詳細的材料參數(shù)如表1所示，有限元分析的模型數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 有限元分析(FEA)相關的材料參數(shù)Table 1 Material parameters related to finite element analysis (FEA)

表2 沖擊有限元分析模型數(shù)據(jù)Table 2 Finite element analysis model data of impact test

圖5 沖擊仿真網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh model of impact simulation

1.5 FEA失效機制

泡沫夾芯板在不同能量下的沖擊過程中，復合材料部分會發(fā)生纖維和樹脂基體的不同損傷模式。因此，選用Hashin失效準則作為損傷起始的判斷依據(jù)[29-30]。根據(jù)纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮破壞模式對應的斷裂能定義，基于能量的損傷演化，損傷起始定義如下：

纖維拉伸(σ11≥0)：

纖維壓縮(σ11<0)：

基體拉伸(σ22≥0)：

基體壓縮(σ22<0)：

其中：σ11、σ12、σ22為有效應力；XT、XC為縱向抗拉、抗壓強度；YT、YC為橫向抗拉、抗壓強度；SL、ST為縱向、橫向抗剪強度；α是剪應力對纖維拉伸損傷起始的系數(shù)。

材料點出現(xiàn)損傷后，剛度會逐漸退化，進入損傷演化階段。材料的剛度退化程度用損傷狀態(tài)變量d表示。材料損傷狀態(tài)的應力σ-應變ε關系如下：

在式 (5)中，

其中：E1和E2分別表示縱向和橫向模量；v12和v21表示泊松比；G表示剪切模量；df表示纖維方向上的損傷狀態(tài)變量；dm表示基體方向上的損傷狀態(tài)變量；ds表示剪切損傷狀態(tài)變量。此外，D、df、dm和ds的表達式如下所示：

纖維方向上的損傷取決于拉伸損傷狀態(tài)變量dft和壓縮損傷狀態(tài)變量dfc，且只能發(fā)生其中一種。這是由沿纖維方向的應力σ11決定的。當σ11≥0時，纖維發(fā)生拉伸損傷，df=dft。相反，在纖維方向上發(fā)生壓縮損傷，df=dfc。df的值在0～1之間，其中0表示材料沒有損壞，1表示完全損壞。類似地，我們可以得到dm的值。此外，無論纖維和基體受到拉伸或壓縮損傷，材料都失去了承受剪切載荷的能力。因此，剪切損傷變量ds不是獨立的損傷狀態(tài)變量，ds依賴于獨立的損傷狀態(tài)變量dft、dfc、dmt和dmc。只要4種損傷狀態(tài)中有一種不為0，ds就不會為0。如果4個狀態(tài)變量中有一個達到1，則ds必須為1。

1.6 沖擊后壓縮試驗

沖擊后壓縮(Compression after impact，CAI)實驗參考ASTM D7137標準[31]，CAI在沖擊實驗的基礎上，對損傷后的試樣測試壓縮性能，評價結(jié)構(gòu)的剩余壓縮強度，測試夾具及試樣如圖6所示。壓縮速率為1.25 mm/min。壓縮試驗后，使用索尼FDR-AK700高清數(shù)碼相機拍攝得到試樣表面和斷面的宏觀損傷形貌。

圖6 沖擊后壓縮(CAI)試驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of compression after impact (CAI) test

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫夾芯板抗沖擊性能

圖7為試樣在10 J沖擊能量下的沖擊性能。從沖擊載荷-位移曲線上可以看出隨著泡沫膨脹倍率增高，峰值載荷表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，并且達到峰值載荷時的位移逐漸增大。這是由于泡沫芯子的壓縮強度隨著膨脹倍率的增大而不斷降低，同時泡沫的密度隨著膨脹倍率增大而不斷降低。從整個夾芯板結(jié)構(gòu)的強度和剛度來看，都表現(xiàn)出隨著膨脹倍率增大而降低的趨勢。另一方面，由于泡沫膨脹倍率越高，成型CFRP蒙皮時產(chǎn)生的內(nèi)膨脹力越低，更低的成型壓力使樹脂無法充分浸潤纖維，產(chǎn)生層間和層內(nèi)的缺陷，這導致CFRP蒙皮的強度和剛度表現(xiàn)出少量降低的趨勢。從試樣的吸收能量來看，泡沫膨脹倍率越高，吸能效果越好，這是由于高膨脹倍率下更厚的泡沫芯子使錘頭向下產(chǎn)生更大的位移，在結(jié)構(gòu)上吸能效果更好。但泡沫芯子越厚，錘頭逐漸向下受到的阻力更小，開始發(fā)生回彈時的位移更大(圖7(c))，較弱的芯子使試樣在沖擊過程中的峰值載荷更低。

圖8是試樣在42 J沖擊能量下得到的數(shù)據(jù)。從載荷-位移曲線上可以看出相比較10 J的沖擊能量，X1～X3試樣在42 J沖擊能量下的峰值載荷有了明顯提高。這是由于上蒙皮在10 J的沖擊能量下并沒有完全損傷，而在42 J沖擊能量下上蒙皮完全穿透。由于壓縮載荷傳遞作用，下蒙皮的CFRP也會承受一定的載荷作用，泡沫芯子越厚，在沖擊過程中吸收的能量越高，就會導致下蒙皮CFRP承受的載荷作用越低，因此X1～X4試樣在42 J和10 J沖擊能量下得到的峰值載荷差越低，X4試樣在兩種沖擊能量下的峰值載荷相近。從能量吸收的規(guī)律來看，兩種沖擊能量下對應試樣表現(xiàn)的趨勢相同，隨著泡沫膨脹倍率增大，試樣的能量吸收越高。由于厚度更大的泡沫夾芯板在受到?jīng)_擊載荷作用時，泡沫芯子受到壓縮載荷作用發(fā)生塌陷，在泡沫芯子損傷的過程中會不斷吸收錘頭的能量，相同質(zhì)量下，低密度大厚度的泡沫芯子相比較高密度低厚度的泡沫芯子更容易塌陷損傷吸收錘頭能量。

圖8 X1～X4試樣在42 J沖擊能量下得到的載荷-位移曲線(a)、沖擊能量-時間曲線(b)、位移-時間曲線(c)、峰值載荷和吸收能量的柱形圖(d)Fig.8 Load-displacement curves (a), impact energy-time curves (b), displacement-time curves (c) and bar graph of peak load and absorbed energy (d)obtained for X1-X4 samples at 42 J impact energy

2.2 泡沫夾芯板沖擊失效

不同試樣在不同沖擊能量下的損傷程度也不同，從圖9和圖10可以確定10 J和42 J沖擊能量下X1～X4試樣的凹坑深度都是逐漸增大的，并且表面的宏觀損傷面積也是逐漸增大的，這與前面得到的載荷和能量吸收規(guī)律相符合。泡沫芯子的厚度越大，密度越小，強度越低，錘頭向下的位移量就會越大，這導致了宏觀表面的損傷面積和深度都更大。從試樣的應力云圖來看，最大應力在10 J沖擊能量下表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，這是由于上蒙皮的CFRP并沒有完全損傷，當泡沫芯子厚度更大時，泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的承載能力降低，導致了上蒙皮的CFRP損傷程度增大。沖擊能量為42 J時，上蒙皮的CFRP已經(jīng)完全被錘頭穿透，導致了X1～X4試樣的應力水平相同(圖10)。

圖9 X1～X4試樣在10 J沖擊能量下的宏觀表面失效模式、局部放大圖和應力云圖Fig.9 Macroscopic surface failure modes, local magnification and stress clouds of X1-X4 samples at 10 J impact energy

圖10 X1～X4試樣在42 J沖擊能量下的宏觀表面失效模式、局部放大圖和應力云圖Fig.10 Macroscopic surface failure modes, local magnification and stress clouds of X1-X4 samples at 42 J impact energy

表3是根據(jù)試驗、超聲C掃和仿真分析得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計了兩種沖擊能量下不同試樣的損傷深度和宏觀表面損傷面積。對于損傷面積，試驗數(shù)據(jù)是直接觀測得到；仿真試驗上下蒙皮的CFRP設置了損傷狀態(tài)變量，根據(jù)設置的單元刪減計算得到損傷面積，當拉伸或者壓縮的損傷系數(shù)達到1時定義CFRP完全損傷；超聲C掃是根據(jù)CFRP蒙皮的吸收波特點，定義閾值為20%統(tǒng)計的損傷面積。

表3 X1～X4試樣沖擊試驗損傷數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of impact test damage data for X1-X4 samples

最大位移可以評價不同試樣抗沖擊載荷作用下的剛度和損傷深度，如圖11和圖12所示。在相同的能量下，位移越小，說明結(jié)構(gòu)的剛度越大，損傷深度越小。表3統(tǒng)計了不同試樣試驗和有限元分析得到的最大位移及有限元分析相對于試驗數(shù)值的誤差。可以確定隨著泡沫膨脹倍率增大，泡沫的厚度增大，壓縮強度和密度都降低，在相同能量下，泡沫夾芯板的損傷深度就越大。事實上，凹坑深度在一定范圍內(nèi)增大時CFRP蒙皮也會產(chǎn)生更嚴重的損傷，尤其是沖擊凹坑邊緣會發(fā)生裂紋擴展。當沖擊能量增大時，夾芯板的凹坑深度也表現(xiàn)出增大的趨勢。仿真和試驗得到的最大位移誤差在10%以內(nèi)，也說明了模型的精度較高。

圖11 10 J沖擊能量得到的試樣正面位移云圖：(a) X1；(b) X2；(c) X3；(d) X4Fig.11 Pit depth on the front obtained by 10 J impact energy: (a) X1; (b) X2; (c) X3; (d) X4

圖12 42 J沖擊能量得到的試樣正面位移云圖：(a) X1；(b) X2；(c) X3；(d) X4Fig.12 Pit depth on the front obtained by 42 J impact energy: (a) X1; (b) X2; (c) X3; (d) X4

對于復合材料產(chǎn)品，表面損傷面積決定了試樣的可修復性，因此低速沖擊后試樣的表面損傷面積是非常重要的參數(shù)。從試驗來看，隨著泡沫膨脹倍率增大，上蒙皮的CFRP宏觀表面損傷面積也逐漸增大，這是由于泡沫芯子的強度變低，厚度變大引起的錘頭向下位移量增大造成的。在10 J沖擊能量下，上蒙皮未完全穿透，但密度越低、強度越低的泡沫芯子向下塌陷越嚴重，上蒙皮也會發(fā)生向下更嚴重的不可逆變形損傷，這導致了X1～X4試樣損傷面積表現(xiàn)增大趨勢。在42 J沖擊能量下，上蒙皮已經(jīng)完全穿透，但隨著泡沫的塌陷損傷，錘頭向下位移量越大，內(nèi)部的泡沫芯子和錘頭對上蒙皮損傷邊緣的擠壓程度越大，小的裂紋也會不斷向邊緣擴展，導致了損傷面積表現(xiàn)增大的趨勢。從試驗、有限元分析和超聲C掃(圖13)都能看出明顯的變化趨勢。但從有限元分析得到的損傷面積數(shù)值最大，這是由于試驗后的試樣發(fā)生了明顯的損傷回彈，會存在少量的損傷宏觀上無法觀測。而超聲C掃是基于試驗后的試樣通過測試表面吸收聲波得到的損傷面積，數(shù)據(jù)精度更高一些，得到的表面損傷數(shù)值要高于實驗值，但依然比仿真得到的數(shù)據(jù)更低，這是由于試樣表面凹坑邊緣位置有少量損傷，但這少量的損傷與試樣整體處于同一平面，有限元分析通過應力水平能夠表現(xiàn)出單元刪減，但超聲C掃得到的回收波卻不明顯。因此嚴格來說，有限元分析得到的損傷面積數(shù)值雖然更大，但在實際分析中具有更高的參考意義。另外比較有意思的是在X1-42 J和X2-42 J試樣的沖擊反面可以觀測到少量損傷，而厚度更大的X3-42 J和X4-42 J試樣并沒有觀測到。這是由于試樣越厚，雖然產(chǎn)生的凹坑深度不斷增大，但這導致錘頭下降的過程中被吸收了更多的能量，就會對下蒙皮產(chǎn)生較小的損傷。這一方面給大厚度芯子的夾芯板設計提供了參考意義，在設計空間允許的范圍內(nèi)，當蒙皮材料用量相同時，芯子的厚度越大，越有利于試樣吸收沖擊能量。

圖13 X1～X4試樣超聲C掃表面損傷形貌：(a) 10 J正面；(b) 42 J正面；(c) 42 J反面Fig.13 Surface damage morphologies of ultrasonic C-scan for X1-X4 samples: (a) 10 J front; (b) 42 J front; (c) 42 J back

圖14和圖15是不同試樣的宏觀表面損傷云圖，包括纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮。42 J沖擊能量下的試樣表面損傷程度要明顯高于10 J沖擊能量，由于試驗的錘頭質(zhì)量都是一樣的，能量越高，錘頭開始接觸到試樣表面時的速度就越大，當錘頭能量完全損耗時，試樣吸收的能量會有部分耗散使錘頭回彈。在相同的沖擊能量下，不管是壓縮還是拉伸損傷模式，纖維的損傷程度要低于樹脂基體的損傷，這是由于基體的強度遠低于纖維的強度。在復合材料層間主要是靠樹脂連接了CFRP的層與層，在受到?jīng)_擊載荷作用時，不僅面內(nèi)會發(fā)生損傷，層間也會發(fā)生樹脂層的裂紋擴展。對于X1～X4試樣，隨著試樣的厚度增大，不管是纖維還是基體的拉伸或壓縮失效模式，都表現(xiàn)出損傷程度不斷增大的趨勢。這是泡沫芯子和復合材料蒙皮的綜合影響，從成型工藝來看，由于X1～X4試樣復合材料蒙皮成型的膨脹力是逐漸降低的，樹脂對于纖維的浸潤性會逐漸變差，因此蒙皮的復合材料質(zhì)量降低，抗沖擊損傷能力降低。另一方面，在相同能量下，低密度大厚度的泡沫芯子會導致錘頭向下的位移量更大，通過泡沫的塌陷及復合材料的損傷吸收更多的沖擊能量，這就導致了夾芯板的宏觀表面損傷程度增大。對于同一個試樣，由于設置了單元刪減，因此在纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮的失效云圖上，在中間位置完全失效刪除的白色區(qū)域，損傷形狀和尺寸都完全一致。從纖維的損傷來看，在沖擊載荷的作用下，除了會擊破試樣產(chǎn)生一定的凹坑，還會沿著纖維方向產(chǎn)生一定的裂紋擴展引起纖維的進一步損傷。但纖維的損傷程度要遠低于樹脂的損傷程度，從失效云圖上也可以明顯看出，基體的實際損傷面積是纖維損傷面積的3～5倍。因此復合材料試樣實際在受到低速沖擊載荷作用時，需要宏觀結(jié)合微觀，從纖維和樹脂基體的損傷綜合判定材料或者結(jié)構(gòu)的損傷程度，是否滿足繼續(xù)使用的要求，及需要通過何種程度的損傷修復能滿足使用要求。

圖14 不同試樣在10 J沖擊能量下的表面損傷云圖(纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮)Fig.14 Surface failure modes of different samples under 10 J impact energy (Fiber tensile, fiber compression, matrix tensile and matrix compression)

圖15 不同試樣在42 J沖擊能量下的表面損傷云圖(纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮)Fig.15 Surface failure modes of different samples under 42 J impact energy (Fiber tensile, fiber compression, matrix tensile and matrix compression)

2.3 泡沫夾芯板沖擊后壓縮性能

由于夾芯板已經(jīng)受到一定程度低速沖擊造成的損傷，材料和結(jié)構(gòu)的壓縮強度都會降低，以沖擊后壓縮強度來評價試樣的剩余強度。圖16為X1～X4試樣在沖擊前、10 J沖擊能量、42 J沖擊能量下得到的壓縮載荷-位移曲線和峰值載荷柱形圖。壓縮試驗的結(jié)果可以看出在相同能量下，不同試樣的壓縮峰值載荷都相近(X1～X4試樣的壓縮峰值載荷相差小于5%)。這是由于泡沫芯子相比較復合材料蒙皮的壓縮強度要小得多，泡沫芯子的密度及強度對夾芯板的剩余壓縮強度沒有影響，4種不同試樣的蒙皮區(qū)別在于成型的壓力不同，蒙皮的復合材料用量完全相同，導致壓縮強度相差不明顯。試樣在較低的沖擊能量下受到的損傷較小，壓縮強度相比較未沖擊的試樣變化較小，從圖16(d)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，10 J沖擊能量下的試樣相比未沖擊的試樣，峰值載荷下降7.68%～10.85%。而42 J沖擊能量下的試樣相比未沖擊的試樣，峰值載荷下降達到35.93%～40.61%。這說明試樣在低速沖擊損傷后，較低的沖擊能量對剩余壓縮強度影響較大，隨著沖擊能量增大，剩余壓縮強度逐漸降低。在沖擊后壓縮實驗中，當沖擊能量達到一定的程度，試樣的損傷程度達到較大水平，隨著沖擊能量進一步增大，錘頭完全穿透試樣，試樣不再有更嚴重的損傷，剩余壓縮強度的數(shù)值將趨于穩(wěn)定[32]。

圖16 X1～X4試樣在沖擊前(a)、10 J沖擊能量(b)、42 J沖擊能量(c)下得到的壓縮載荷-位移曲線和峰值載荷柱形圖(d)Fig.16 Compression load-displacement curves of X1-X4 samples obtained at before impact (a), 10 J impact energy (b), 42 J impact energy (c) and bar graph of peak load (d)

2.4 泡沫夾芯板沖擊后壓縮失效

圖17為不同試樣沖擊后壓縮試驗得到的宏觀表面失效圖。可以看出，不同試樣都是在中間位置發(fā)生斷裂，裂紋擴展路徑也比較有規(guī)則。對于未沖擊的試樣，都是裂紋瞬間從一端擴展到另一端，對于沖擊的試樣，由于中間位置發(fā)生了沖擊損傷，在試樣的中間位置已經(jīng)產(chǎn)生了小的初始裂紋，因此沖擊后的試樣受到軸向壓縮的載荷作用時，裂紋從中間損傷位置向兩邊擴展，初始的擴展路徑表現(xiàn)出隨機性，這主要與初始損傷位置有關。圖18為不同試樣沖擊后壓縮試驗得到的宏觀斷面失效圖。從斷面來看，泡沫芯子對裂紋的擴展路徑有較大的影響。對于X1試樣，由于芯子的強度和剛度較大，并且泡沫芯子與CFRP的界面粘結(jié)性能更好，因此上下蒙皮的裂紋位置相近。而X2～X4試樣由于泡沫芯子變得更厚，上蒙皮受到?jīng)_擊載荷的作用，裂紋主要在中間位置，當裂紋從中間擴展到芯層，再進一步擴展到下蒙皮時，會產(chǎn)生較大的偏移，表現(xiàn)出上下蒙皮的斷裂位置逐漸偏遠。從失效模式來看，蒙皮可能發(fā)生裂紋沿著45°方向擴展斷裂，也可能發(fā)生“插層式”斷裂失效模式。每個試樣的芯子都發(fā)生了較嚴重的縱向裂紋擴展及泡沫芯子和蒙皮的脫粘失效。在壓縮過程中，不管是蒙皮還是芯子都發(fā)生了一定程度的屈曲，這種屈曲導致了試樣最終的壓縮失效。

圖17 不同試樣沖擊后壓縮試驗得到的宏觀表面失效圖Fig.17 Macroscopic surface failure modes obtained from compression after impact tests for different samples

圖18 不同試樣沖擊后壓縮試驗得到的宏觀斷面失效圖Fig.18 Failure modes of macroscopic sections obtained from compression after impact tests for different samples

3 結(jié) 論

(1) 熱膨脹工藝能夠控制不同的模具型腔尺寸一體化成型不同厚度的泡沫夾芯板，相比較傳統(tǒng)的工藝具有更高的結(jié)構(gòu)可設計性，有望進一步擴展泡沫夾芯復合材料的應用領域。

(2) 泡沫的膨脹倍率越低，強度越高，導致夾芯板試樣的抗沖擊強度更高，結(jié)構(gòu)剛度也更高。但更高膨脹倍率的泡沫芯子具有更優(yōu)異的吸能效果，在10 J和42 J沖擊能量下，X4試樣相比較X1試樣吸收能量分別提高了38.17%和34.01%。

(3) 從失效模式來看，更高的沖擊能量下夾芯板的損傷更嚴重，10 J沖擊能量只有上蒙皮發(fā)生損傷，42 J沖擊能量下蒙皮開始發(fā)生損傷。隨著芯子的厚度增大，在相同沖擊能量下，上蒙皮的凹坑深度和損傷面積更大。

(4) 沖擊后壓縮可以確定不同厚度的泡沫芯子對夾芯板的損傷容限幾乎沒有影響。沖擊能量為10 J時，試樣的壓縮強度平均衰減率為8.2%，沖擊能量為42 J時，試樣的壓縮強度平均衰減率達到38.2%。