趙金華，曹海琳,2，晏義伍，丁 莉

(1深圳航天科技創(chuàng)新研究院 深圳市復(fù)合材料重點實驗室，廣東 深圳 518057；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，哈爾濱 150001)

夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)異特性已廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電葉片、體育用品以及軌道交通等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的常用芯材有鋁蜂窩、NOMEX蜂窩和有機(jī)聚合物泡沫等，蜂窩芯材由于粘接面積較小導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)界面脫粘，而有機(jī)泡沫芯材由于耐高溫阻燃性能較差使得各自的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制[2-8]。泡沫鋁芯材由于質(zhì)輕、耐高溫、隔熱阻燃以及抗沖擊性能好等優(yōu)異的綜合性能具有廣泛的應(yīng)用前景[9-12]。

夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展對材料的抗沖擊性能提出了越來越高的要求，夾層結(jié)構(gòu)的沖擊損傷和損傷容限等相關(guān)沖擊性能的研究也已成為國內(nèi)外的研究熱點[13-14]。Singh等[15]對復(fù)合材料面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜壓痕實驗，研究了芯體厚度、芯體密度、面板鋪層以及沖頭直徑對夾層結(jié)構(gòu)損傷情況的影響。張俊琪等[16]對薄面板復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊實驗，分析了沖擊能量、面板厚度和沖頭直徑對夾層結(jié)構(gòu)接觸力響應(yīng)和損傷情況的影響。目前對夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的低速沖擊實驗大多側(cè)重于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)、動態(tài)沖擊分析、有限元模擬及破壞形式，而對高性能泡沫鋁芯材等夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低速沖擊性能進(jìn)行研究的相關(guān)報道較少。

本工作設(shè)計并制備了不同結(jié)構(gòu)的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，分析纖維類型、面板鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計和芯材厚度對該夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料低速沖擊性能和損傷模式的影響規(guī)律，對比分析泡沫鋁和鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊性能和損傷模式的差異，為泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在軌道交通和方艙等領(lǐng)域的應(yīng)用需求提供實驗和理論支持。

1 實驗

1.1 實驗材料

夾芯材料分別為密度0.25g/cm3的泡沫鋁和0.08g/cm3的鋁蜂窩芯材，泡沫鋁芯材厚度分別為20mm和30mm，鋁蜂窩厚度為20mm。面板纖維材料選用玄武巖纖維(BF)和超高分子量聚乙烯纖維(UHMWPE)平紋織物，其中BF纖維織物面密度為340g/m2，UHMWPE纖維織物面密度為200g/m2。制備復(fù)合材料的樹脂體系選用環(huán)氧E51/2-乙基-4-甲基咪唑固化體系。

1.2 試樣制備

不同纖維復(fù)合材料面板均采用模壓成型工藝制備，固化制度為70℃/0.5h+100℃/1h，成型壓力為2MPa。制備的復(fù)合材料面板厚度為(1.5±0.1)mm，樹脂體積分?jǐn)?shù)(40±3)%。夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料采用模壓二次膠接成型工藝制備，夾層結(jié)構(gòu)的上下復(fù)合材料面板與芯材通過低溫固化環(huán)氧樹脂膠黏劑膠接固化，膠接固化工藝為80℃/2h，成型壓力為0.2MPa。其中BF和UHMWPE兩種鋪層設(shè)計方式如圖1所示，其中圖1(a)為兩種纖維的疊加鋪層設(shè)計(UHMWPE /BF-A)，圖1(b)為兩種纖維的分層混雜鋪層設(shè)計(UHMWPE/BF-B)。

圖1 纖維織物鋪層設(shè)計示意圖 (a)UHMWPE/BF疊加鋪層；(b)UHMWPE/BF分層混雜鋪層Fig.1 Images of fiber fabric interlayers design(a)UHMWPE/BF overlay hybrid；(b)UHMWPE/BF inter-layer hybrid

1.3 沖擊測試

復(fù)合材料面板和夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊實驗采用Instron9350落錘式?jīng)_擊試驗機(jī)完成，實驗方法參照ASTM D7136[17]，沖擊試樣均為100mm×100mm的正方形。所采用的沖頭為半徑12.7mm的半球形，具體形狀尺寸如圖2所示。沖擊落錘質(zhì)量為3.8kg，其中復(fù)合材料面板沖擊性能測試的沖擊能量為25J，夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的沖擊能量為30J。

圖2 沖頭形狀和尺寸Fig.2 Form and size of impactor

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 纖維類型對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊性能的影響

不同纖維類型面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊測試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，BF/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)比UHMWPE/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有更高的最大沖擊載荷，但最大沖擊載荷對應(yīng)的吸收能量則相對較低。最大沖擊載荷為試樣發(fā)生主要損傷的載荷值，其對應(yīng)的能量為主要損傷能量，因此BF及泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在沖擊作用下的主要損傷能量較低。

表1 不同纖維類型面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣的沖擊實驗數(shù)據(jù)Table 1 Impact data of faceplate and aluminum foam sandwich structure with different fibers

圖3(a)為不同纖維類型及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的載荷-時間沖擊曲線。纖維類型對面板材料的沖擊曲線具有顯著的影響，BF復(fù)合材料載荷-時間沖擊曲線在初始階段迅速上升，在沖擊載荷達(dá)到峰值前即存在較為明顯的波動，達(dá)到峰值后，沖擊載荷迅速下降，并呈現(xiàn)明顯的波動。說明BF面板試樣發(fā)生穿透損傷，失效模式主要以纖維斷裂和基體開裂為主[18]。UHMWPE纖維復(fù)合材料沖擊曲線的上升和下降均較為平緩，且沒有明顯的波動現(xiàn)象。說明UHMPE纖維復(fù)合材料面板沖擊后的失效以基體開裂和分層為主，基本沒有纖維的斷裂現(xiàn)象。

BF/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)(BF-Al-F)和UHMWPE/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)(UHMWPE-Al-F)復(fù)合材料較純纖維復(fù)合材料面板的最大沖擊載荷和對應(yīng)的損傷能量均有明顯提高，而且兩種不同纖維間的差異趨勢不變。與純UHWMPE纖維復(fù)合材料面板相比，UHMWPE-Al-F試樣沖擊曲線在初始階段的上升過程中存在較為明顯的波動，這可能是因為泡沫鋁在沖擊作用下發(fā)生碎裂破壞。

圖3 不同類型纖維面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊測試曲線 (a)沖擊載荷-時間曲線；(b)位移-時間曲線Fig.3 Impact curves of faceplate and aluminum foam sandwich structure with different fibers(a)curves of impact force vs time;(b)curves of displacement vs time

從圖3(b)位移-時間沖擊曲線可以看出，沖擊作用下UHMWPE和UHMWPE-Al-F的位移明顯大于BF和BF-Al-F試樣，這主要是因為BF纖維脆性較大，沖擊作用下以纖維斷裂為主；UHMWPE纖維韌性好，具有較大的斷裂伸長率，受沖擊后變形較大。泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的位移較純面板復(fù)合材料均有所降低，這主要是因為夾芯材料使得試樣的整體厚度增加，剛度變大，抵抗變形的能力增強(qiáng)。

圖4為BF纖維和UHMWPE纖維復(fù)合材料面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊后的破壞照片。由圖4(a)可見，BF復(fù)合材料面板沖擊測試后，試樣被穿透，發(fā)生貫穿損傷?？梢姶罅康睦w維斷裂、分層和樹脂基體的開裂現(xiàn)象，在試樣的上表面區(qū)域可以看到明顯的沿纖維編織紋路的基體裂紋。說明BF復(fù)合材料面板的韌性較差，在沖擊作用下發(fā)生整體貫穿破壞。圖4(b)為UHMWPE纖維復(fù)合材料面板沖擊測試后照片，沖擊處存在明顯的凹坑，基本沒有纖維斷裂和裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，但表面存在部分樹脂碎裂現(xiàn)象。說明UHMWPE纖維復(fù)合材料具有較好的沖擊韌性，主要通過纖維拉伸、界面分層等形式吸收沖擊能量。與純復(fù)合材料面板相比，BF-Al-F試樣沖擊后面板未發(fā)生完全貫穿破壞，纖維斷裂現(xiàn)象不明顯，如圖4(c)所示；圖4(d)為UHMWPE-Al-F沖擊后照片，可見凹陷深度和變形明顯減小，說明泡沫鋁芯材具有較好的吸能作用，顯著降低了沖擊對面板材料的破壞。

2.2 鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計對泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊性能的影響

圖4 不同纖維類型面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊面層破壞照片(a)BF試樣；(b)UHMWPE試樣；(c)BF-Al-F試樣;(d)UHMWPE-Al-F試樣Fig.4 Photographs of impact damage of faceplate and aluminum foam sandwich structure with different fiber(a)BF sample;(b)UHMWPE sample;(c)BF-Al-F sample；(d)UHMWPE-Al-F sample

表2 不同鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣的沖擊實驗數(shù)據(jù)Table 2 Impact data of faceplate and aluminum foam sandwich structural composites with different layer designs

表2為不同纖維鋪層設(shè)計面板復(fù)合材料及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊測試結(jié)果。兩種層間鋪層設(shè)計的復(fù)合材料面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊性能存在顯著的差異。分層混雜鋪層設(shè)計面板/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)(PE/BF-B-Al-F)的最大沖擊載荷和對應(yīng)的主要損傷能量明顯大于疊加鋪層設(shè)計面板/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)(PE/BF-A-Al-F)。

圖5為不同纖維鋪層設(shè)計復(fù)合材料面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊曲線。由圖5(a)載荷-時間曲線可以看出，PE/BF-A試樣在沖擊載荷達(dá)到峰值后迅速降低，并維持在較低值一段時間后繼續(xù)降低。PE/BF-B試樣在沖擊載荷峰值力附近存在明顯的波動。這主要是因為復(fù)合材料試樣在受到?jīng)_擊作用時，沖擊面主要受橫向剪切應(yīng)力作用，試樣背面則主要受彎曲拉伸應(yīng)力作用。對于疊加鋪層試樣，在沖擊作用下沖擊面的PE層存在較大的剪切變形，導(dǎo)致處于背面的BF層由于脆性較大而提前發(fā)生纖維斷裂破壞，從而導(dǎo)致試樣的沖擊載荷達(dá)到峰值后迅速降低。PE/BF-B試樣由于BF和UHMWPE相互隔離，BF斷裂破壞的縱向擴(kuò)展過程時間較長，從而導(dǎo)致沖擊載荷在峰值力附近明顯波動。圖5(b)位移-時間曲線表明PE/BF-A-Al-F試樣比PE/BF-B-Al-F試樣具有更大的位移變形。

圖5 不同纖維鋪層設(shè)計面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊曲線 (a)沖擊載荷-時間曲線；(b)位移-時間曲線Fig.5 Impact curves of faceplate and aluminum foam sandwich structure with different inter-layer design(a)impact force vs time curves; (b)displacement vs time curves

圖6為不同纖維鋪層設(shè)計面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊測試后的損傷照片。由圖6可以看出，PE/BF-A試樣背面纖維斷裂現(xiàn)象更為明顯，對應(yīng)的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊作用處的凹坑深度更大。由以上分析可見，對兩種不同性能特點纖維進(jìn)行合理的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計是提高復(fù)合材料面板及夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料抗沖擊性能的有效方法。

2.3 芯材對夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊性能的影響

不同芯材夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣沖擊實驗結(jié)果如表3所示,其中Al-F-20和Al-F-30為芯材厚度分別為20mm和30mm的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣，Al-H-20是厚度為20mm的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣，3種試樣的面板材料均為UHMWPE/BF疊加鋪層設(shè)計復(fù)合材料。可以看出，隨著芯材厚度的增加，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊作用下的最大載荷有所降低，但主要損傷能量有明顯的增加。與泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)相比，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣的沖擊載荷較小，但峰值載荷對應(yīng)的主要損傷能量明顯更大。

表3 不同芯材夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣沖擊實驗數(shù)據(jù)Table 3 Impact data of sandwich structure composites with different core materials

圖7為不同夾芯材料夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的沖擊曲線。由圖7(a)可見，隨著泡沫鋁芯材厚度的增加，載荷-時間曲線在初始階段的上升較為緩慢，這主要是由于芯材厚度的增加提高了夾層結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，從而使得彈性儲能增加。因此泡沫鋁芯材厚度的增加有利于夾層結(jié)構(gòu)在沖擊過程中儲存更多的能量，減少面板的變形和損傷面積。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于芯材密度較小，在沖擊作用下的變形較大，其初始階段的沖擊載荷上升更為緩慢。從圖7(b)位移-時間曲線可以看出，隨著泡沫鋁厚度的增加，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊位移增加。與泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)相比，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的沖擊位移更大。

圖8為不同芯材夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊測試后的破壞照片。由圖8(a)可見，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊測試后在沖擊作用處存在明顯的凹坑，芯材的邊緣區(qū)域則沒有明顯的破壞損傷現(xiàn)象。由圖8(b)可見，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣在沖擊作用后存在整體壓潰現(xiàn)象，面板材料邊緣存在沖擊后的變形，鋁蜂窩芯材邊緣也存在壓縮變形現(xiàn)象。這可能是因為一方面泡沫鋁密度更大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，另外泡沫鋁的閉孔結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，且脆性較大，沖擊能量的擴(kuò)散相對困難，從而使得泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)更多是沖擊作用處的破壞。而鋁蜂窩密度較小，網(wǎng)格規(guī)則，且鋁蜂窩芯材的鋁箔韌性較好，利于沖擊能量的擴(kuò)散，從而表現(xiàn)為整體壓縮變形。

圖7 不同芯材夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣沖擊曲線 (a)沖擊載荷-時間曲線；(b)位移-時間曲線Fig.7 Impact curves of sandwich structure composites with different core materials(a)curves of impact force vs time;(b)curves of displacement vs time

圖8 不同芯材夾層結(jié)構(gòu)試樣沖擊破壞照片 1-泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)試樣；2-鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試樣(a)面板；(b)側(cè)面；(c)正面Fig.8 Photographs of impact damage of sandwich structure targets with different core materials 1-aluminum foam sandwich structure sample;2-aluminum honeycomb sandwich structure sample(a)faceplate;(b)side face;(c)front face

3 結(jié)論

(1)BF面板/泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料比UHMWPE面板夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有更高的沖擊載荷峰值力，但對應(yīng)的主要損傷能量較小，沖擊后BF復(fù)合材料損傷以纖維斷裂為主，UHMWPE復(fù)合材料以樹脂碎裂、分層變形為主。UHMWPE復(fù)合材料在沖擊作用下更利于能量分散，具有更好的沖擊韌性。

(2)BF和UHMWPE織物分層混雜鋪層設(shè)計的面板及泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊破壞載荷主要損傷能量均大于兩者的疊加鋪層設(shè)計，且沖擊測試后損傷較小。通過對兩種不同性能特點纖維織物的合理分層混雜鋪層設(shè)計可提高泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)材料的抗沖擊性能。

(3)隨著泡沫鋁芯材厚度的增加，泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料最大沖擊載荷減小，主要損傷能量增加。與相同厚度的泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)相比，鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的最大沖擊載荷較小，但具有更高的主要損傷能量。沖擊過程中泡沫鋁芯材的破壞以受沖擊部位的碎裂為主，鋁蜂窩芯材表現(xiàn)為明顯的整體壓縮變形現(xiàn)象。鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有更好的抗沖擊吸能性能，但泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)沖擊后的整體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

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