王 非，許文彬，周秀燕，王寶瑞

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)(2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層材料的埋件結(jié)構(gòu)破壞形式分析

王 非1，許文彬2，周秀燕1，王寶瑞1

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱 150036)(2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)

本文介紹了2種螺紋規(guī)格M3、M6埋件在碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中受水平方向和垂直方向拉脫時的不同表現(xiàn)形式。通過對2種規(guī)格埋件垂直和水平方向加載測試可知：M3螺柱受載能力最弱，在水平拉力達到4 000N時，M3螺柱最先被剪斷破壞。同時通過實驗證實碳纖維蒙皮塑性變形優(yōu)于鋁蜂窩，但弱于屈服后的蜂窩結(jié)構(gòu)。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；垂直/水平拉脫力；埋件；碳纖維蒙皮

1 引 言

碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層材料一般由碳纖維網(wǎng)格蒙皮板和鋁蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)通過膠結(jié)而成。由于其比強度/比剛度高、質(zhì)量輕，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航天器的支撐和傳遞載荷的重要結(jié)構(gòu)部件中，滿足航天器中“輕型化、高承載”的要求[1-2]。而蜂窩中的埋件結(jié)構(gòu)作為航天器設(shè)計中的連接部件，被認為主要承受拉脫力和剪切力，同時外界載荷也是通過埋件傳遞并且分散到整個蜂窩結(jié)構(gòu)中。因此，埋件的結(jié)構(gòu)直接影響碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的可靠性和疲勞壽命[3-4]。對于夾層結(jié)構(gòu)來說，埋件的存在會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元中產(chǎn)生分層、孔隙、富樹脂等缺陷，因此作為一種缺陷因素，含埋件的碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的失效機理非常復(fù)雜，要綜合考慮種種因素。本文通過選擇不同螺紋規(guī)格的埋件，水平和垂直2個方向?qū)μ祭w維蒙皮/鋁蜂窩夾層材料進行拉脫實驗，分析有著不同螺紋規(guī)格埋件的碳纖維蒙皮/蜂窩夾層材料的破壞形式，進而判斷碳纖維蒙皮/蜂窩夾層結(jié)構(gòu)中埋件在不同方向上受拉條件下的破壞形式以及破壞載荷[5]。

2 實驗部分

2.1 材料

面板：碳纖維復(fù)合材料(M40JB/環(huán)氧)，厚度為0.4 mm；

芯材：鋁蜂窩(HB5443-90)，鋁箔厚度為0.04 mm，孔邊長為5 mm，高為39 mm；

埋件：鋁合金，內(nèi)嵌M3、M6鋼絲螺套；

膠黏劑：J-47系列。

2.2 碳纖維/鋁蜂窩夾層材料制備

(1)加工鋁合金埋件；(2)埋件表面磷酸陽極氧化處理；(3)蜂窩芯子用乙酸乙酯清洗；(4)膠結(jié)碳纖維蒙皮和鋁蜂窩；(5)碳纖維蒙皮/鋁蜂窩夾層材料在130℃下固化2h[6]。

2.3 測試方法

本實驗采用垂直、水平2種測試方法進行拉脫力實驗。

垂直/水平加載試驗：對試件預(yù)加載1 KN，消除試驗工裝配合間隙對試驗結(jié)果的影響，然后以2 mm/min的速度進行勻速加載，當(dāng)載荷—位移曲線出現(xiàn)拐點時，作為拉脫試驗破壞點，記錄破壞載荷。試驗工裝見圖1-2[7]。

3 結(jié)果與討論

3.1 垂直拉脫力試驗

M3、M6埋件進行垂直拉脫試驗，載荷-位移曲線見圖1-2，拉脫破壞載荷如表1所示。

圖1 M3埋件垂直拉脫試驗破壞載荷-位移曲線

圖2 M6埋件垂直拉脫試驗破壞載荷-位移曲線

根據(jù)測試結(jié)果可知，碳纖維蒙皮/鋁蜂窩(蜂窩板)垂直拉脫試驗的破壞形式主要為膨脹膠外側(cè)鋁蜂窩屈曲變形，上下蒙皮隨蜂窩形變，但與蜂窩及埋件未出現(xiàn)脫粘情況，埋件正上方蒙皮纖維有時出現(xiàn)分層破壞狀態(tài)。例如M6埋件1#蜂窩板在5 200 N載荷附近出現(xiàn)塑性變形拐點，膨脹膠外側(cè)鋁蜂窩屈曲變形，上下蒙皮隨蜂窩形變，與蜂窩及埋件未脫粘，在5 577 N載荷時，埋件正上方蒙皮纖維分層破壞。由表1平均值比較可知，M3埋件拉脫力要小于M6埋件的拉脫力。上下蒙皮及蜂窩板整體破壞形式如圖3-5所示。

表1 M3、M6埋件垂直拉脫試驗破壞載荷

圖3 埋件蜂窩板破壞形式剖視圖

圖4 埋件蜂窩板上蒙皮破壞形式

圖5 埋件蜂窩板下蒙皮破壞形式

3.2 水平拉脫力試驗

對M3、M6埋件進行水平拉脫試驗，載荷-位移曲線見圖6，拉脫破壞載荷如表2所示。

圖6 埋件水平拉脫試驗破壞載荷-位移曲線

項目M3M6拉脫力/N拉脫力/N1#1060043732#1322840583#1146229344#1216841065#147483908平均值124413336

根據(jù)水平拉脫試驗結(jié)果可知，M6埋件的碳纖維蒙皮/鋁蜂窩水平拉脫試驗中破壞形式主要為膨脹膠開裂，單側(cè)鋁蜂窩屈曲變形，上下蒙皮與蜂窩及埋件未脫粘，埋件正上方蒙皮纖維有時會出現(xiàn)分層情況，例如M6埋件2#蜂窩板在13 228 N載荷附近出現(xiàn)塑性變形拐點，膨脹膠外側(cè)鋁蜂窩屈曲變形，上下蒙皮隨蜂窩形變，與蜂窩及埋件未脫粘，正上方蒙皮纖維有時出現(xiàn)分層情況，如圖7所示。而M3埋件的碳纖維蒙皮/鋁蜂窩水平拉脫試驗破壞形式主要是M3螺柱剪切破壞，而上下蒙皮與蜂窩及埋件未脫粘。

圖7 M6埋件蜂窩板上蒙皮及剖面破壞形式

4 結(jié) 語

對M3、M6埋件的垂直與水平方向進行拉脫破壞測試結(jié)果表明：M3螺柱受載能力最弱，在水平拉脫試驗中4 000 N左右最先破壞；鋁蜂窩受載能力次之，在垂直拉脫試驗中M3試件4 800 N左右發(fā)生屈服破壞，M6試件5 200 N左右發(fā)生屈服破壞，破壞載荷與埋件外沿膨脹膠的周長存在線形關(guān)系；第3薄弱的是膨脹膠結(jié)構(gòu)強度，其在水平拉脫試驗中12 000 N左右發(fā)生破壞。此外，在鋁蜂窩發(fā)生屈服破壞后，部分蒙皮在螺紋孔附近發(fā)生分層破壞，這表明碳纖維蒙皮塑性變形優(yōu)于鋁蜂窩，但弱于屈服后的蜂窩結(jié)構(gòu)。

[1] 章令暉, 韓宇, 沃西源, 等. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常見制造缺陷分析[J]. 航天返回與遙感, 2006, 27(1): 57-61.

[2] Avery JL, Sankar BV. Compressive failure of sandwich beams with debonded face-sheets[J]. Journal of Composite Materials, 2000, 34(14): 1176-1199.

[3] 羅輯, 楊永忠, 陳新萍, 等. 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)挖補工藝[J]. 航空制造技術(shù), 2010(6): 28.

[4] 沃西源, 夏英偉, 涂彬. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特性及破壞模式分析[J]. 航天返回與遙感, 2006, 26(4): 45-49.

[5] 法洋洋, 陳秀華. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)拉脫破壞的有限元分析[J]. 機械工程材料, 2012, 36(10): 86-91.

[6] Burlayenko VN, Sadowski T. Effective elastic properties of foam-filled honeycomb cores of sandwich panels[J]. Composite Structures, 2010, 92(12): 2890-2900.

[7] 李鶯歌, 宮頊, 黎昱, 等. 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)埋件拉脫力的影響因素[J]. 宇航材料工藝, 2011, 41(3): 38-41.

Failure Mode Analysis of Embedded Structure in Carbon Fiber Skins /Aluminum Honeycomb Sandwich Material

WANG Fei1, XU Wenbin2, ZHOU Xiuyan1，WANG Baorui1

(1.Harbin FRP Institute, Harbin 150036) (2.Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201109)

The pull-out different forms of two kinds of M3 and M6 inserts in carbon fibers skin/aluminum honeycomb sandwich structure were tested. It was found that the M3 stud loading capacity was weakest, destroyed in the research of the level 4 000 N. At the same time, the experiment confirmed that carbon fibers skin plastic deformation is better than the core of aluminum honeycomb, but weaker honeycomb structure after yield.

honeycomb sandwich structure; horizontal/vertical pulling strength; inserts; carbon fibers skin

2015-01-17)

王非(1983-)，男，黑龍江人，碩士，工程師。研究方向：復(fù)合材料成型工藝技術(shù)。E-mail：15045016985@163.com.