張喬斌，李 浩，昌放輝

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033;2.海軍92854部隊(duì)，廣東 湛江 524005)

輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的制備及性能

張喬斌1，李 浩1，昌放輝2

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033;2.海軍92854部隊(duì)，廣東 湛江 524005)

為減輕以往夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的密度，采用高強(qiáng)玻璃鋼材料作為表層、多種空心玻璃微珠填充聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂合成的輕質(zhì)吸聲材料作為芯材，制備了一種新型的輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對(duì)夾層復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究其水聲性能和力學(xué)性能。結(jié)果證明，以南京玻纖院的S2高強(qiáng)織物采用真空成型合成的玻璃鋼作為表層材料和輕質(zhì)聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂材料作為芯材來(lái)制作的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有重量輕、水聲性能和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)，在降低夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重量的同時(shí)，具有良好的聲隱身性能和承載性能，更有利于工程應(yīng)用。

復(fù)合材料;夾層;輕質(zhì);空心玻璃微珠;水聲性能;力學(xué)性能

0 引言

國(guó)外把三明治夾層復(fù)合材料用于水下吸聲結(jié)構(gòu)，已有近40年時(shí)間［1］，應(yīng)用部位也由原來(lái)的舵、穩(wěn)定翼等附體結(jié)構(gòu)，發(fā)展到了潛艇非耐壓殼體等主要結(jié)構(gòu)上［2］。夾層結(jié)構(gòu)吸聲材料集承載與吸聲功能于一體，具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，成型工藝方便。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，為解決吸聲覆蓋層的脫落問(wèn)題，可以直接使用夾層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)來(lái)代替原有的“鋼板+消聲覆蓋層”結(jié)構(gòu)［3－5］。因此，夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已成為未來(lái)水下吸聲結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)之一［1］。

海軍工程大學(xué)采用夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)代替鋼質(zhì)舵殼板，研究了一種夾層復(fù)合材料空心舵結(jié)構(gòu)［3－5］，該結(jié)構(gòu)的芯材為聚氨酯材料，取得了較好的聲隱身效果。美海軍使用的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾層薄板結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是未來(lái)發(fā)展的一種趨勢(shì)［6］，但以往研究的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的芯材密度較大，使用受限。

本研究高強(qiáng)耐壓材料作為表層、多種空心玻璃微珠填充聚氨酯基樹(shù)脂合成的輕質(zhì)吸聲材料作為芯材，制備了一種輕質(zhì)的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對(duì)夾層復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，并研究其水聲性能和力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和試劑

乙烯基酯樹(shù)脂(3201):工業(yè)級(jí)，上海光華樹(shù)脂廠;聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂:工業(yè)級(jí)，湖北京山北化復(fù)合材料廠;高強(qiáng)玻璃纖維:南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院和253廠;空心玻璃微珠:10～600 μm，秦皇島秦皇玻璃微珠有限公司;過(guò)氧化甲乙酮、環(huán)烷酸鈷:A.R.試劑，上海光華化學(xué)試劑廠;硅烷偶聯(lián)劑:KH－550，南京曙光化工廠;固化劑593:武漢市江北化學(xué)試劑廠。在使用前，乙烯基酯樹(shù)脂、聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂等進(jìn)行真空除水處理備用;空心玻璃微珠用偶聯(lián)劑KH－550進(jìn)行表面處理后在真空烘箱中進(jìn)行干燥除水。

1.2 表層材料制備

鑒于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(玻璃鋼)的優(yōu)越性能和使用范圍越來(lái)越廣［5］，因此夾層結(jié)構(gòu)的表層材料定為玻璃鋼。玻璃鋼的合成原料和制備方法有很多種，本試驗(yàn)采用253廠S2高強(qiáng)織物和南京玻纖院的S2高強(qiáng)織物2種玻纖材料，以3201乙烯基樹(shù)脂為基體，加入稀釋劑、固化劑和促進(jìn)劑并采用手工和真空成型2種方法制備玻璃鋼。

1.3 芯材合成

1 .3 .1 原料選取

在芯材合成方面，鑒于空心玻璃微珠為球形薄殼顆粒，具有質(zhì)輕，能有效降低材料的密度，提高比強(qiáng)度和機(jī)械性能，并具有孔隙率低，填充量高和微波吸收性能等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)高分子材料的阻尼性能也有優(yōu)良的改性效果［7］，并且當(dāng)聲波入射后，聲波會(huì)與微珠產(chǎn)生相互作用，延長(zhǎng)了其在基體中的傳播路徑，增強(qiáng)基體對(duì)聲波的衰減性能。由于空心玻璃微珠存在空腔諧振吸聲，與基體之間可產(chǎn)生微相分離，從而增強(qiáng)了材料的吸聲性能［8］。聚氨酯基樹(shù)脂具有機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣性能優(yōu)良、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，與固化劑作用后可形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有良好的阻尼性能［8］?？紤]到聲波的頻段對(duì)微珠的粒徑具有選擇性，所以本研究采用粒徑不同的多種空心玻璃微珠混合填充聚氨酯基樹(shù)脂合成吸聲芯材。

1 .3 .2 合成過(guò)程

先將稱量好的聚氨酯基樹(shù)脂適當(dāng)加溫并與KH550攪拌均勻，再加入593固化劑，最后按計(jì)量加入玻璃微珠以及自制的增韌劑、分散劑和消泡劑，采用適當(dāng)?shù)姆稚⒐に囀刮⒅樵跇?shù)脂基體中充分分散，引發(fā)交聯(lián)并進(jìn)行抽真空處理，然后倒入模具中，采取先下層后上層的分層澆注方法(其中上層玻璃微珠填料含量是下層的1/2)，下層澆注0.5 h進(jìn)行上層澆注，然后在常溫下固化24 h，脫模后放入一定溫度的烘箱中進(jìn)行后固化處理2 h得到芯材。實(shí)驗(yàn)中加入玻璃微珠粉后，要注意低速攪伴，避免將微珠打破，上下層比例為1:3。所合成芯材的相對(duì)密度為0.8±0.05。

1.4 試樣制備

1 .4 .1 表層玻璃鋼試件制備

按第1.2節(jié)中方法制備玻璃鋼試樣，制成試樣并編號(hào)(針對(duì)生產(chǎn)廠家、手工和真空成型，試樣分別編號(hào)為253－SG，NJ－SG，253－ZK和NJ－ZK)。各試樣的規(guī)格、鋪層總數(shù)、工藝、含膠量和厚度等參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣的規(guī)格及參數(shù)Tab.1 Specifications and parameters of specimen

試件的制作按照 GB1446－83，GB1447－83和GB1449－83的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，其中拉伸試件的形式及尺寸如圖1所示。

圖1 表層材料拉伸試件形狀及尺寸Fig.1 The shape and size of surface material tensile specimen

1 .4 .2 芯材試件制備

按照試驗(yàn)所需制備的試樣有:①聲學(xué)性能測(cè)試試樣，試樣形狀為圓柱形夾層結(jié)構(gòu)，直徑56.2 mm，芯材厚度25 mm，上下表面各貼4 mm厚玻璃鋼;②壓縮性能測(cè)試試樣，可分為2種形狀，一為方形塊體40 mm×40 mm×60 mm，一為圓柱形直徑50 mm、高60 mm;③拉伸性能測(cè)試試樣，同圖1中玻璃鋼試樣形狀和尺寸;④剪切性能測(cè)試試樣，為方形條狀體，截面尺寸8 mm×8 mm。各試樣形狀如圖2所示。

圖2 芯材的測(cè)試試樣Fig.2 The test specimen of core

1 .4 .3 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板制備

采用在芯材表面貼附玻璃鋼的方法來(lái)制備夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板試件，試件表層玻璃鋼厚度為4 mm，芯材厚度為25 mm，板子整體尺寸為600 mm×560 mm×33 mm。

1.5 水聲性能測(cè)試

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14369－93在中船重工第七一五研究所國(guó)防水聲測(cè)量一級(jí)站的脈沖聲管中分別測(cè)量試樣的聲壓反射系數(shù)R和聲壓透射系數(shù)T，然后計(jì)算出吸聲系數(shù)α。測(cè)試前為更好地測(cè)量試樣的聲學(xué)參數(shù)，所有試樣在水中浸泡24 h以上。

1.6 力學(xué)性能測(cè)試

表層玻璃鋼材料的拉伸、彎曲和沖壓式剪切性能按照GB1446－83標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;玻璃鋼的面內(nèi)拉伸常數(shù)(彈性模量ET、泊松比v、強(qiáng)度XT和斷裂伸長(zhǎng)率δb)和面內(nèi)剪切常數(shù)(剪切模量G、剪切強(qiáng)度S)按照GB1446－83，GB/T 1447－83和 GB 3355－82標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試;芯材的拉伸、壓縮、剪切等力學(xué)性能和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的強(qiáng)度測(cè)試參數(shù)按照GB/T 2567－1995，GB/T 2568－1995，GB/T 2569－1995和GB1450.2－83標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。前3種試驗(yàn)測(cè)試均采用西安力創(chuàng)計(jì)量?jī)x器有限公司生產(chǎn)的WDW－100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī);夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料夾板的強(qiáng)度采用均布載荷靜壓測(cè)試，其中位移測(cè)量采用CW－YB－2A位移傳感器，量程10 mm，測(cè)試精度0.02 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 表層玻璃鋼材料的制備工藝對(duì)其力學(xué)性能影響

表層玻璃鋼材料的拉伸、彎曲和沖壓剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(均為多次測(cè)試后的平均值)如表2所示。

表2 玻璃鋼試樣力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of GFRP specimen

由表2可知，就工藝而言，真空成型較手工成型的材料拉伸性能(包括拉伸強(qiáng)度，拉伸彈性模量)有所提升，彎曲性能(包括彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量)則有所下降，而沖壓剪切性能，手工成型時(shí)試件沖壓剪切強(qiáng)度比真空成型時(shí)低?？紤]到夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料形式和橫向承載特性，并且真空成型所制玻璃鋼板性能要較手工成型均勻穩(wěn)定，其相對(duì)密度可以穩(wěn)定在1.7左右(含膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)約30%)，所以表層玻璃鋼制作工藝確定為真空成型。

對(duì)于玻纖材料而言，南京S2玻纖織物的綜合性能比253廠S2玻纖織物具有明顯優(yōu)勢(shì)，所以玻璃纖維選用南京玻纖院生產(chǎn)的S2玻纖織物。另外要說(shuō)明的是:在本次測(cè)試試件的制作過(guò)程中，真空成型試件表面存在一層富集樹(shù)脂層(厚度0.3～0.5 mm)，在測(cè)試時(shí)沒(méi)有磨平，從而對(duì)真空成型試件的強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果造成了一定影響，使整個(gè)體系測(cè)量的平均強(qiáng)度值偏低。

綜合考慮以上特點(diǎn)后，確定表層玻璃鋼合成的技術(shù)方案為:南京玻纖院生產(chǎn)的S2玻纖織物為增強(qiáng)體，3201乙烯基樹(shù)脂為基體，制作工藝為真空成型。以下實(shí)驗(yàn)所用到的玻璃鋼均采用此方案制作。

采用上述方案所制備的玻璃鋼的面內(nèi)拉伸常數(shù)和面內(nèi)剪切常數(shù)的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 表層材料的基本力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical properties parameters of surface materials

由表3可知，本文所制備的玻璃鋼具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散系數(shù)進(jìn)行分析可知，所得到的表層材料基本力學(xué)常數(shù)(強(qiáng)度、斷裂延伸率和剪切強(qiáng)度、泊松比和剪切模量)基本穩(wěn)定，離散系數(shù)均在0.015～0.1之間，可以滿足工程設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真計(jì)算的要求。

2.2 芯材的合成配方對(duì)其力學(xué)性能的影響

本研究的夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:表層玻璃鋼的強(qiáng)度和模量都大于吸聲芯材，其力學(xué)性能參數(shù)相對(duì)恒定;而吸聲芯材的力學(xué)參數(shù)可隨組分的變化進(jìn)行適度的調(diào)整;另外，芯材的厚度大于表層材料的厚度。針對(duì)這類結(jié)構(gòu)形式，文獻(xiàn)［5］中作了較為詳細(xì)的分析，認(rèn)為對(duì)于芯材較厚而表層厚度相對(duì)較薄的夾層結(jié)構(gòu)，主要由芯材承受變形引起的橫向剪應(yīng)力，且最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在夾芯層的中心位置。因此，夾層結(jié)構(gòu)芯材的力學(xué)性能參數(shù)對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響很大。根據(jù)芯材的應(yīng)力狀態(tài)，其拉伸、壓縮、剪切等力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。其中配方II是在配方I的基礎(chǔ)上添加了一定量的短切纖維進(jìn)行改性。

由表4可知，2種配方的剪切強(qiáng)度相近，配方I芯材的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度相對(duì)較好，但其壓縮模量和拉伸模量也較大，剛性較大;在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，配方Ⅱ的芯材力學(xué)參數(shù)(強(qiáng)度、失效應(yīng)變、彈性模量、泊松比及剪切強(qiáng)度)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性良好，除拉伸性能波動(dòng)較大外，其他數(shù)據(jù)的離散系數(shù)均小于0.1，其精確度可以滿足工程和計(jì)算需要，本研究選用配方Ⅱ的芯材。

2.3 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的水聲性能

芯材對(duì)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的聲學(xué)性能影響較大，以PUEP配方Ⅱ制作芯材，并用其制作夾層結(jié)構(gòu)聲學(xué)測(cè)試試件，在脈沖聲管中測(cè)試其水聲性能，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在吸聲芯材厚度只有25 mm的情況下，夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的綜合水聲性能良好，在10 kHz以上頻段內(nèi)，吸聲系數(shù)都在0.4以上;在20 kHz以上頻段內(nèi)，吸聲系數(shù)在0.8左右，具有較好的水下聲隱身性能。

圖3 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的反射系數(shù)和吸聲系數(shù)頻譜Fig.3 Sound reflection coefficient and sound absorption coefficient spectra of sandwich composite

2.4 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板的力學(xué)性能

采用上述的表層材料和芯材制作了夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料平板，整板面密度在37 kg/m2左右，具有質(zhì)輕的特點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和Abaqus理論計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板強(qiáng)度的測(cè)試和理論計(jì)算結(jié)果Tab.5 Test and theoretical calculation results of strength of sandwich structural composite plate

由表5可知，當(dāng)均勻載荷為93.75 kPa時(shí)，板子的撓度為6.96 mm;當(dāng)均勻載荷為104.17 kPa時(shí)，板子的撓度為7.83 mm.與理論計(jì)算結(jié)果相比，測(cè)試結(jié)果偏大，可能是因?yàn)榘遄蛹庸r(shí)，表層材料和芯材加工工藝以及二者的粘結(jié)工藝都不夠理想所致。由表5還可知，卸載后復(fù)合材料平板基本可恢復(fù)原狀，板子表面無(wú)明顯變形，證明該復(fù)合材料板可以滿足正常的力學(xué)安全需求。另外，本研究還在該板中央加載了100 kg、作用面積250 cm2(0.04 MPa)的集中載荷，以測(cè)試板子的剛度，撓度的測(cè)量值是0.56 mm，而在該工況下，理論計(jì)算的最大安全撓度6.6 mm，也符合安全要求。該力學(xué)實(shí)驗(yàn)證明了本研究關(guān)于夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)是合理的，可以滿足承載的要求。

表4 芯材的力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of mechanical properties parameters of core

3 結(jié)語(yǔ)

為降低夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的密度，對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的表層材料和芯材進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，主要結(jié)論:

1)采用南京玻纖院的S2高強(qiáng)玻纖織物為增強(qiáng)體、3201樹(shù)脂為基體，真空成型的玻璃鋼具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能，可作為夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的表層材料;

2)空心玻璃微珠填充聚氨酯基樹(shù)脂可以降低所制備材料的密度并具有較好的力學(xué)性能;可以作為夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的芯材;

3)以玻璃鋼為表層材料，輕質(zhì)聚氨酯基材料為芯材的夾層復(fù)合材料具有質(zhì)輕、水下聲隱身性能和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。

［1］李浩，朱錫，楊國(guó)才.聚氨酯水聲吸聲材料的體系探討及其吸聲結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］.聚氨酯工業(yè)，2009，24(5):1 －6.

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［2］羅忠，朱錫，林志駝，等.水下吸聲覆蓋層結(jié)構(gòu)及吸聲機(jī)理研究進(jìn)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(8):23－30.

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Preparation and performance of lightweight sandwich composite

ZHANG Qiao-bin1，LI Hao1，CHANG Fang-hui2
(1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Unit NO.92854，Zhanjiang 524005，China)

To alleviate the density of the sandwich composite，a new light sandwich composite was prepared using high-strength glass fiber-reinforced composite materials as the surface and light polyurethanemodified epoxy resin absorption material as the core which was synthesized from a variety of hollow glass microsphere and polyurethane-based resin.The preparation，underwater acoustic property mechanical property of sandwich composite were study.The research results showed that the sandwich composite has a low density，excellent underwater acoustic property and mechanical properties using GFRP synthesized from the S2 high-strength glass fiber fabric of Nanjing Institute as the surface material and light polyurethanemodified epoxy resin material as the core.This sandwich composite has a good bearing property and underwater sound stealth property while the weigh of the sandwich structure was reduced.This light sandwich structure must be more conducive to engineering applications.

composite;sandwich;lightweight;hollow glass microsphere;underwater acoustic property;mechanical property

O327

A

1672－7649(2011)12－0129－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.031

2010－12－15;

2011－02－25

張喬斌(1972－)，男，碩士，工程師，主要從事艦船動(dòng)力維修保障以及船用材料的應(yīng)用研究。