PET芯層減材工藝處理對(duì)三明治結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

摘要：以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）泡沫芯層和鋁合金面板制成的三明治結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。首先，在制備三明治結(jié)構(gòu)過程中，使用4類芯層，分別為未處理PET泡沫芯層，以及進(jìn)行減材工藝處理（單向開槽、雙向開槽、打孔）的PET泡沫芯層；然后，通過滾筒剝離試驗(yàn)測(cè)試鋁合金面板與PET泡沫芯層的抗剝離性能，通過純剪切試驗(yàn)測(cè)試減材工藝處理對(duì)三明治結(jié)構(gòu)剪切性能的影響；最后，分析結(jié)構(gòu)的剝離及剪切失效模式、載荷-位移響應(yīng)、剝離及剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明，雙向開槽、單向開槽、打孔工藝使得三明治結(jié)構(gòu)面板與PET泡沫芯層的剝離強(qiáng)度相對(duì)未處理試樣分別提升了48. 31%、32. 29%、16. 67%；雖然雙向開槽、單向開槽、打孔工藝對(duì)PET泡沫芯層有損傷，但3種芯層處理工藝反而使得三明治結(jié)構(gòu)的剪切屈服強(qiáng)度相對(duì)未處理試樣分別提升了3. 12%、3. 90%、2. 92%。

關(guān)鍵詞：PET泡沫三明治；芯層減材處理；滾筒剝離；剝離性能；剪切試驗(yàn)；剪切性能

中圖分類號(hào)：TB383. 4；TG146. 2+1 DOI： 10. 16579/j. issn. 1001. 9669. 2025. 04. 012

0 引言

三明治結(jié)構(gòu)具有高比剛度和比強(qiáng)度的性能優(yōu)勢(shì)，在航空航天、船舶、汽車、軌道列車、建筑等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用［1］。一般來說，三明治結(jié)構(gòu)由剛性面板與柔性芯層匹配組成，組分材料之間通常采用膠黏等方式實(shí)現(xiàn)連接。根據(jù)芯層和面板材料的不同，三明治結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)阻燃、隔音、防腐蝕等功能，以滿足工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜需求。三明治結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及輕量化特性表現(xiàn)優(yōu)異，核心在于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部良好的載荷分配；其中面板主要承受面內(nèi)拉伸/壓縮載荷，芯層則主要承受剪切載荷［2］。膠層界面作為三明治結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其主要功能在于實(shí)現(xiàn)面板與芯層的載荷傳遞，膠層性能的優(yōu)劣對(duì)三明治結(jié)構(gòu)的整體性能表現(xiàn)至關(guān)重要。泡沫芯層與膠層的結(jié)合界面是三明治結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接的薄弱環(huán)節(jié)，為了提高三明治結(jié)構(gòu)的界面連接性能，通常會(huì)對(duì)芯層表面進(jìn)行高效、低成本的減材工藝處理，如單向開槽［3］、雙向開槽［4-5］、打孔［6］和半圓環(huán)槽［7］等。芯層經(jīng)過開槽處理后不僅能在成型過程中為膠黏劑導(dǎo)流，還增大了膠黏連接面積，因此能夠顯著提高三明治結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。

以上研究缺乏對(duì)其增強(qiáng)機(jī)制的深入研究。為此，不少研究學(xué)者著眼于探究芯層開槽方式對(duì)三明治結(jié)構(gòu)性能的影響及機(jī)制。肖雪瑞［8-9］結(jié)合理論模型，Ansys有限元模型及試驗(yàn)，研究了芯層表面處理的切縫尺寸參數(shù)（切縫的深度、間距、寬度）對(duì)芯層及三明治結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)芯層進(jìn)行表面處理能夠有效地提高芯層以及三明治結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。姚秀冬等［10］使用Ansys軟件建立了復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型并進(jìn)行彈性分析，研究了芯層開正交溝槽對(duì)三明治結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力分布及豎向位移的影響。FATHI等［11］487-508使用不同的開槽方式對(duì)輕木、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）泡沫、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）泡沫、聚氨酯（Polyurethane， PU）泡沫等芯層進(jìn)行處理，與玻璃纖維復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer， GFRP）面板制成三明治結(jié)構(gòu)后進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了不同開槽方式對(duì)不同三明治結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明同種芯層處理方式對(duì)不同芯層泡沫材料的結(jié)構(gòu)彎曲性能影響有差異。朱波等［12］基于Ansys軟件分析了輕木芯層經(jīng)過打孔處理并填滿樹脂的三明治結(jié)構(gòu)的屈曲特性及動(dòng)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)樹脂柱能夠在一定程度上減小三明治結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)載荷作用下的豎向位移，提高三明治結(jié)構(gòu)的軸向承載能力和動(dòng)力學(xué)性能。MOSTAFA 等［13］通過在PVC/PU 芯層導(dǎo)流槽中加入剪切增強(qiáng)鍵，同樣可以增強(qiáng)三明治結(jié)構(gòu)（GFRP面板）的剪切性能。KABOGLU等［14］開展了泡沫芯層表面處理方式對(duì)三明治結(jié)構(gòu)沖擊性能影響的相關(guān)研究，考慮了平切、柔性切割、刀切、鋸切等切割方式，并提升了三明治結(jié)構(gòu)的韌性，以及吸能防護(hù)性能。REUTERLOEV［15］基于試驗(yàn)方法對(duì)泡沫芯層開槽處理的影響進(jìn)行了研究，考慮了三明治結(jié)構(gòu)的疲勞和拉伸等力學(xué)性能。王順吉等［16］61-65通過改變PET泡沫材料的開槽方式，提高了PET泡沫材料的壓縮和剪切力學(xué)性能。QIN等［17］引入薄槽、穿孔和厚輪廓切割等方式，對(duì)聚氨酯樹脂（Polyurethane Resin， PUR）泡沫表面開槽方式進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，考慮了三明治結(jié)構(gòu)（GFRP面板）在平拉、平壓、剪切和滾筒剝離工況下的性能表現(xiàn)。吉祥等［18］通過有限元方法研究了槽孔尺寸對(duì)芯層力學(xué)性能的影響。