熱膨脹模壓法成型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制備工藝及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

摘" 要：該文主要探究熱膨脹模壓法成型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制作工藝，并對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析。選用A3鋼制作模具，將EPS泡沫進(jìn)行水浴發(fā)泡后倒入模具中，使用熱膨脹模壓法成型工藝制作泡沫芯材。然后制作蒙皮并將其鋪疊在泡沫型材上，固化后得到復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。選取彎曲性能和剝離強(qiáng)度2項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)證夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，結(jié)果表明增大發(fā)泡密度、縮短發(fā)泡時(shí)間、降低發(fā)泡溫度，可以獲得更大的發(fā)泡壓力，從而使夾層結(jié)構(gòu)具備更強(qiáng)的彎曲性能。在發(fā)泡密度較低的情況下，夾層結(jié)構(gòu)的膠含量較高，有助于提高其剝離強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：熱膨脹模壓法；復(fù)合材料；夾層結(jié)構(gòu)；彎曲強(qiáng)度；滾筒剝離實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB33" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）03-0082-04

Abstract： This paper mainly explores the manufacturing process of composite sandwich structures formed by thermal expansion molding， and tests and analyzes the mechanical properties of the sandwich structures. A3 steel was used to make a mold， EPS foam was foamed in a water bath and poured into the mold， and the foam core material was made using a thermal expansion molding process. The skin is then made and laid on the foam profiles， and cured to obtain a composite sandwich structure. Two indicators， bending property and peel strength， were selected to verify the mechanical properties of the sandwich structure. The results show that increasing the foaming density， shortening the foaming time， and lowering the foaming temperature can achieve greater foaming pressure， thus making the sandwich structure have stronger bending properties. When the foam density is low， the glue content of the sandwich structure is higher， which helps to improve its peel strength.

Keywords： thermal expansion molding process; composite; sandwich structure; flexural strength; roller peel test

熱膨脹模壓工藝是利用膨脹系數(shù)較大的軟膜作為膨脹源，將復(fù)合材料蒙皮置于軟膜和陰模（剛性材料）之間。隨著溫度升高，模具受熱后膨脹并產(chǎn)生壓力，使蒙皮與夾層結(jié)構(gòu)固化成型。軟膜材料通常使用硅橡膠，如果用泡沫塑料代替硅橡膠，除了在受熱時(shí)產(chǎn)生較大的膨脹壓力外，發(fā)泡成型后剩余的發(fā)泡劑受熱后還能使泡沫再次膨脹，使得夾層結(jié)構(gòu)受到了更大的壓力，固化成型效果更好，彎曲性能和剝離強(qiáng)度也會(huì)得到進(jìn)一步提升。在制備夾層結(jié)構(gòu)后，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，確保復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能滿足材料設(shè)計(jì)要求。

1" 熱膨脹模壓法成型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的制備工藝

1.1" 模具與發(fā)泡系統(tǒng)

選用熱膨脹系數(shù)較小的A3鋼制作模具。水浴發(fā)泡系統(tǒng)由水浴爐、加熱電阻絲、溫度計(jì)等組成，可以靈活調(diào)節(jié)水域溫度從而獲取均勻穩(wěn)定的預(yù)發(fā)泡顆粒。泡沫材料為EPS（模塑聚苯板）， 將水溫升高到75 ℃后加入EPS泡沫并進(jìn)行水浴發(fā)泡，持續(xù)時(shí)間為2 min，讓EPC材料吸收空氣平衡壓力，避免成型后發(fā)生收縮。將EPC材料去除并置于敞口容器中，設(shè)置溫度為25 ℃、保存時(shí)間為10 h。取出完全熟化的EPC泡沫進(jìn)行熱膨脹模壓加工。

1.2" 熱膨脹工藝參數(shù)的設(shè)定

在熱膨脹模壓法成型工藝中，發(fā)泡壓力是決定泡沫型材成型效果的主要因素，而發(fā)泡壓力又取決于發(fā)泡溫度、發(fā)泡時(shí)間及泡沫密度等因素。以發(fā)泡時(shí)間為例，與發(fā)泡壓力的關(guān)系曲線如圖1所示。

為了確定最佳工藝參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)。其中，發(fā)泡溫度設(shè)置2個(gè)水平，分別是90 ℃和100 ℃；發(fā)泡時(shí)間設(shè)置了2個(gè)水平，分別是5 min和10 min；泡沫密度設(shè)置了4個(gè)水平，分別是120、150、200、300 kg/m3。

1.3" 泡沫夾層結(jié)構(gòu)的成型

制作夾層結(jié)構(gòu)包含3個(gè)關(guān)鍵步驟，分別是制備蒙皮預(yù)浸料，鋪疊蒙皮，以及固化夾層結(jié)構(gòu)。

采用溶液浸漬法制作蒙皮預(yù)浸料，用E-51環(huán)氧樹脂溶液作為基體?？紤]到常溫下環(huán)氧樹脂的黏度較大（通常在12 Pa·s左右），不容易浸透，因此采取了加入有機(jī)溶劑進(jìn)行稀釋的方式，使其濃度降低至1 Pa·s左右。操作方法如下：選擇一個(gè)干凈容器，將適量的環(huán)氧樹脂溶液放入容器中，持續(xù)加入工業(yè)乙醇并測(cè)定黏度，在膠液黏度達(dá)到1 Pa·s后停止加入，此時(shí)得到的膠液可以達(dá)到浸漬要求。需要注意的是，加入稀釋劑雖然能降低黏度、提高浸漬效果，但是稀釋劑大量殘留在環(huán)氧樹脂中，在膠液固化后容易產(chǎn)生孔隙。為避免此類問題，在制作蒙皮預(yù)浸料時(shí)將膠液放在空氣流動(dòng)較好的環(huán)境下至少6 h，讓工業(yè)乙醇得到有效揮發(fā)。在觀察到膠液表面無明顯的局部光澤后方可使用。選擇厚度為1.0 mm左右的8層玻璃布，將制備的膠液均勻涂刷在玻璃布上，在常溫環(huán)境下放置到空氣流動(dòng)性較好的地方，大約2 h后完全固化，即可得到蒙皮[1]。

蒙皮的鋪疊采用手糊工藝。根據(jù)模具尺寸裁剪蒙皮，并將蒙皮鋪貼在泡沫型材的表面。上下各鋪4層，將蒙皮與泡沫型材一同裝入模具中。將壓力機(jī)的參數(shù)設(shè)定為0.05 MPa，通過初始模壓能夠擠出預(yù)浸料內(nèi)部的氣泡，讓材料變得更加緊實(shí)，同時(shí)還能起到壓實(shí)夾層結(jié)構(gòu)的作用。隨后維持壓力不變，利用電阻絲加熱將溫度從常溫升高至100 ℃，恒溫30 min后置于常溫環(huán)境下自然冷卻成型。注意保溫時(shí)間不宜太長，否則可能會(huì)出現(xiàn)泡沫塌陷情況。夾層結(jié)構(gòu)固化工藝如圖2所示。

在固化期間，利用壓力溫度傳感器實(shí)時(shí)采集泡沫芯材產(chǎn)生的壓力。正常情況下，隨著溫度的不斷升高，壓力值也會(huì)同步遞增，在80 ℃以下壓力增速較慢，尤其是60～80 ℃增速基本停滯，在溫度超過80 ℃后壓力增速明顯加快。分析其原因，在溫度達(dá)到60 ℃后環(huán)氧樹脂的黏度變得極低，此時(shí)模具內(nèi)部的壓力大概在0.1 MPa，在壓力作用下有少量環(huán)氧樹脂被擠出，使得成型壓力的增速趨于平緩。

2" 熱膨脹模壓法成型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析

力學(xué)實(shí)驗(yàn)是復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制備環(huán)節(jié)中不可或缺的內(nèi)容，除了能直觀地反映復(fù)合材料的設(shè)計(jì)是否合格、質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)外，還能為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。本文主要選取彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)和滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定熱膨脹模壓法制備夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

2.1" 夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能測(cè)試

2.1.1" 實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)主要參照GB/T 1456—2021《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。其中，夾層結(jié)構(gòu)的芯子厚度為20 mm，上面板厚度0.8 mm，下面板厚度1.0 mm，所有試樣長度統(tǒng)一為200 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，主要使用了CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)和游標(biāo)卡尺。

實(shí)驗(yàn)中，首先將試樣放置到試驗(yàn)機(jī)的支座上，將加載壓頭移動(dòng)至試樣正上方并與試樣表面留出約10 mm的距離。在該空隙中插入一塊厚度約為5 mm的硬質(zhì)橡膠墊片，隨后調(diào)整試驗(yàn)機(jī)至載荷零點(diǎn)。設(shè)定加載速度為3 mm/min，均勻連續(xù)加載。當(dāng)觀察到試樣被完全破壞時(shí)立即停止加載，并記錄此時(shí)的破壞荷載[2]。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并按照下式計(jì)算夾層結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度。計(jì)算式為

式中：λ表示面板的拉應(yīng)力，單位為MPa；L表示跨距，單位為mm；t表示面板的厚度，單位為mm；P為跨中載荷，單位為N；b和h分別為試樣的寬度和厚度，單位均為mm。

2.1.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在試樣完全破壞后，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)試樣的斷裂部位集中在上面板與壓縮頭處，并且大部分試樣在破壞以后存在泡沫芯與上面板黏結(jié)的現(xiàn)象。不同成型工藝下制作的泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能見表1。

表1中成型工藝編號(hào)采用A-B-C形式，A表示發(fā)泡密度，B表示發(fā)泡溫度，C表示發(fā)泡時(shí)間。觀察表1數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，選擇較大的發(fā)泡密度，較低的發(fā)泡溫度和較短的發(fā)泡時(shí)間，制作的成型泡沫夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能越強(qiáng)。分析其原因，在發(fā)泡溫度與發(fā)泡時(shí)間相同的情況下，發(fā)泡密度越大，剩余的發(fā)泡劑質(zhì)量越大，再次加熱時(shí)產(chǎn)生的壓力也會(huì)更大，因此成型泡沫夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能越強(qiáng)。同樣的，在發(fā)泡密度相同的情況下，發(fā)泡溫度越低、發(fā)泡時(shí)間越短，泡沫能夠很好地維持十二面體結(jié)構(gòu)，此時(shí)成型夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能較強(qiáng)；而隨著發(fā)泡溫度的升高、發(fā)泡時(shí)間的延長，這種十二面體結(jié)構(gòu)被破壞，泡沫發(fā)生扭曲變形甚至從粒子內(nèi)部撕裂，相應(yīng)的成型夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能也會(huì)下降[3]。

2.2" 夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離測(cè)試

2.2.1" 實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的面板與芯子之間必須保持良好的膠接性能，才能保證復(fù)合材料在受到外部作用力時(shí)不會(huì)出現(xiàn)裂縫、分層的情況，使材料本身具備更強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度。因此，膠接性能是檢驗(yàn)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。常用于衡量膠接性能的方式有2種，其一是平拉強(qiáng)度，可根據(jù)GB/T 1452—2018《夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行；其二是夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度，可根據(jù)GB/T 1457—2005《夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行，本文選擇了后者。該實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為CMT5105萬能試驗(yàn)機(jī)，滾筒直徑為96 mm，寬度為68 mm，滾筒凸緣直徑為108 mm。

在試樣的左右兩端各切掉20 mm的泡沫芯，保留下方的蒙皮板，如圖3所示。

將試樣被剝離面板的一邊夾在滾筒夾具上，讓試樣呈垂直狀態(tài)；另一邊則與試驗(yàn)機(jī)相連。固定好試樣后，將試驗(yàn)機(jī)的載荷調(diào)至零點(diǎn)，并以25 mm/min的加載速度進(jìn)行連續(xù)均勻加載。在加載開始后，同步啟動(dòng)自動(dòng)繪圖儀繪制“載荷-剝離距離”關(guān)系曲線。當(dāng)試樣被剝離到120 mm后開始卸載，使?jié)L筒勻速回到未剝離的初始位置[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，記錄破壞載荷和抗力載荷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算平均剝離強(qiáng)度（M），計(jì)算公式如下

式中：P1和P2分別表示平均剝離載荷和抗力載荷，單位為N；D和d分別表示滾筒凸緣直徑和滾筒直徑，單位均為mm；b表示試樣的寬度，單位為mm。

2.2.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

觀察可以發(fā)現(xiàn)，密度較低的夾層結(jié)構(gòu)在剝離后，有大量泡沫塑料黏在上面板上，而密度較高的基層結(jié)構(gòu)則是面板與泡沫型材完全分離[5]。不同成型工藝下夾層結(jié)構(gòu)的平均剝離強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，平均剝離強(qiáng)度并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，說明發(fā)泡壓力與夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度之間沒有必然關(guān)系。從夾層結(jié)構(gòu)的組成上來看，面板厚度、膠黏劑的類型、蒙皮的含膠量等均有可能影響剝離強(qiáng)度，本文重點(diǎn)探討了蒙皮含膠量與剝離強(qiáng)度的關(guān)系。參照GB/T 2577—2005《玻璃纖維增強(qiáng)塑料樹脂含量試驗(yàn)方法》，分別選取發(fā)泡密度為120、150、200和300 kg/m3的成型夾層結(jié)構(gòu)，并從蒙皮表面處切割取樣獲得帶有樹脂材料的樣品，置于高溫的茂福爐中處理20 min。通過高溫燃燒去除蒙皮中的樹脂，測(cè)定其含膠量，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在低密度夾層結(jié)構(gòu)中，其樹脂含量要明顯高于高密度夾層結(jié)構(gòu)。分析其原因，在夾層成型期間高密度的芯材產(chǎn)生的壓力更大，使得一部分黏度較低的樹脂材料被擠出模具。由于膠黏劑減少，相應(yīng)的夾層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度也會(huì)降低。

3" 結(jié)論

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由外側(cè)硬質(zhì)外殼和內(nèi)側(cè)輕質(zhì)芯體組成，這種材料具有自重輕、韌性強(qiáng)、抗彎曲性能好等諸多特點(diǎn)，在飛機(jī)的地板、機(jī)翼等構(gòu)件上廣泛應(yīng)用。在制作夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，除了要科學(xué)選擇芯材、蒙皮等基礎(chǔ)材料外，還要選用科學(xué)的夾層結(jié)構(gòu)成型工藝。實(shí)踐表明，熱膨脹模壓法成型工藝具有操作簡單、壓力足夠大、熱膨脹速度快等特點(diǎn)，可以快速加工出符合要求的夾層結(jié)構(gòu)。使用該工藝制作復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量提高發(fā)泡密度，將發(fā)泡溫度設(shè)定在90 ℃、發(fā)泡時(shí)間設(shè)定為6 min，可以使夾層結(jié)構(gòu)獲得更好的彎曲性能。

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