李恒 謝緯安 瞿磊

摘要：對VARI成型碳纖維泡沫夾層結構預埋件拉脫強度進行研究，分析了不同材質(zhì)的金屬預埋件的拉脫強度。結果表明：進行加強處理的鋼預埋件拉脫強度能夠達到20kN以上，夾層板表面基本無變形，預埋件處出現(xiàn)脫絲現(xiàn)象，鋁預埋件拉脫強度較低，適合載荷較小的部位。

Abstract： The pull-off strength of VARI formed carbon fiber foam sandwich structure pre-buried parts was studied， and the pull-off strength of metal pre-buried parts of different materials was analyzed. The results show that： the tensile strength of steel pre-buried parts with strengthening treatment can reach more than 20kN， the surface of sandwich structure is basically free of deformation， and the phenomenon of stripping occurs at the pre-buried parts， and the tensile strength of aluminum pre-buried parts is lower and suitable for the parts with smaller load.

關鍵詞：VARI;碳纖維泡沫夾層結構;金屬預埋件;拉脫強度

Key words： VARI;carbon fiber foam sandwich structure;metal pre-buried parts;pull-off strength

中圖分類號：TB3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0029-03

0? 引言

碳纖維復合材料具有重量輕、比強度高、比剛度大、抗疲勞、耐腐蝕、可設計性強等優(yōu)點，能有效減輕結構重量，提高結構效率，降低結構的維護成本[1-2]，廣泛應用在航空航天、武器裝備、汽車制造等領域。

作為碳纖維復合材料常用的結構形式，復合材料泡沫夾層結構具有輕質(zhì)、減振、隔熱、隔音、吸能等性能，在工程應用中得到了普遍的認可[3]。碳纖維復合材料夾層結構由上下蒙皮材料和芯材組成，蒙皮采用強度高、可設計性強的碳纖維材料，芯材一般選用輕質(zhì)材料，在滿足結構強度的前提下可有效降低結構重量，最常用的芯材主要有蜂窩芯材、泡沫芯材。夾層結構與其它結構進行連接、安裝設備時，由于芯材本身的特性，難以在單純的夾層結構中進行機械連接安裝，這就需要在該部位設置埋件，如鋼、鋁等金屬埋件，通過埋件將載荷擴散到結構中。由于埋件是夾層結構與其它結構連接時的主要受力部件，因此，埋件的拉脫強度直接影響著夾層結構的可靠性和疲勞壽命。

婁程飛等[4]對蜂窩夾層結構不同尺寸的玻璃纖維板預埋件拉脫強度進行了研究，得出直徑30mm以下預埋件，隨著直徑的增加，拉脫載荷不斷增加，當預埋件直徑大于30 mm后，預埋件直徑的增加對拉脫載荷的提高影響不大。劉峰等[5]采用有限元法對含不同形狀金屬預埋件碳纖維層合板的強度進行了分析，得出階梯型結構預埋件比圓柱形結構預埋件極限載荷提高了40.36%。Ruixiang Bai等[6]采用三維數(shù)字圖像相關的非接觸全場光學測量方法，研究了具有嵌固件的正六邊形蜂窩夾層結構在軸向拉拔載荷作用下的變形破壞行為。梁月華等[7]采用有限元法對蜂窩夾層結構鑲嵌件拉伸承載力進行分析，得出蜂窩芯子是決定鑲嵌件拉伸承載力的關鍵因素。目前，對夾層結構埋件的研究主要集中在熱壓罐成型工藝和蜂窩夾層結構形式，對于真空輔助樹脂注射工藝（Vacuum Assisted Resin Infhsion，VARI）和泡沫夾層結構的預埋件拉脫強度研究較少。因此，本文主要對VARI成型工藝下碳纖維泡沫夾層結構預埋件的拉脫強度進行研究，研究了鋼預埋件和鋁預埋件的拉脫強度。

1? 拉脫強度試驗

1.1 制備工藝

試件制備采用真空輔助樹脂注射工藝（VARI），VARI是基于樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）技術基礎上發(fā)展起來的一種低成本新型的復合材料成型工藝，通過在真空負壓條件下，利用樹脂的流動和滲透實現(xiàn)對密封膜腔內(nèi)的纖維織物增強材料的浸漬。此種工藝具有易于控制構件整體性能、一體成型、工藝周期短、所需真空壓力低、設備及工藝成本低、污染小等優(yōu)點，已廣泛應用于復合材料制備中[8-10]。碳纖維泡沫夾層結構VARI成型工藝典型工序主要有模具準備、碳纖維材料裁剪、泡沫加工、埋件加工、埋件預埋、纖維織物鋪層、泡沫鋪放、預成型、抽真空保壓、樹脂導入、升溫固化、脫模、后期處理等，碳纖維泡沫夾層結構VARI成型工藝流程如圖1所示。

1.2 試件材料

纖維材料是復合材料的承載主體，碳纖維材料在性能上可分為T300、T700、T800等，試樣制備中纖維材料采用江蘇恒神股份有限公司的T300平紋碳纖維編織布，纖維材料參數(shù)如表1所示。

樹脂基體作用是把纖維材料結合在一起，使其保持特定的位置和方向，為纖維提供支撐、保護并傳遞載荷[11]。適用于VARI工藝的樹脂類型主要有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂等低密度樹脂，其中環(huán)氧樹脂成本低、工藝及力學性能優(yōu)異，具有較好的流動性和粘合力，用量最大。試件制備中樹脂采用藹科頌化工產(chǎn)品有限公司2040環(huán)氧樹脂，樹脂參數(shù)如表2所示。

芯材采用科拉斯公司PVC泡沫，泡沫厚度45mm，使用中雙面開槽、打孔，槽深2mm，槽寬2mm，開槽間隙30mm，打孔孔徑2mm，孔在槽內(nèi)，便于樹脂流動，泡沫參數(shù)如表3所示。

試件制備中采用的纖維材料、樹脂基體、泡沫材料的牌號/規(guī)格如表4所示。

1.3 試件結構

碳纖維夾層結構試件制備的尺寸為350×350mm，埋件中心與碳纖維夾層板的中心位置重合，試件外形圖如圖2所示，剖面結構示意圖如圖3所示。

1.4 預埋件處理

根據(jù)碳纖維夾層板安裝部件、需要承受的載荷不同，本文設計了厚度為5mm的鋼質(zhì)及厚度為3mm的鋁質(zhì)兩種類型的埋件。夾層結構中常用的埋件形式有前期添加的預埋件和后添加埋件，對于后添加埋件，為了將金屬件埋入夾層板中，需要后期對碳纖維蒙皮進行切割開槽，這將導致增強纖維材料出現(xiàn)不連續(xù)特征，影響夾層結構的力學性能，但后添加埋件可以實現(xiàn)復雜結構安裝位置的精確埋入。

本文采用預埋件形式，在成型前將金屬埋件埋入夾層結構中，通過在泡沫芯材上加工出預埋件槽，如圖4所示，鋪層前將金屬埋件安裝到泡沫槽中。整個過程可以實現(xiàn)增強纖維材料連續(xù)鋪層而不需要斷開，提高了埋件及夾層結構的力學性能。

埋件作為夾層結構的主承力部件，預埋不合理會導致應力集中，在服役過程中容易出現(xiàn)界面分層破壞、連接處失效等，極大影響結構的整體性和承載力。普通的預埋只是單純把預埋件放入泡沫預埋件槽中，由于金屬與纖維增強樹脂的材料特性差別較大，剛度的不連續(xù)勢必造成在預埋件與母體層合板的界面上出現(xiàn)較為嚴重的應力集中現(xiàn)象[12]。對于承受載荷較大的預埋件部位，本文單獨對預埋件進行碳布十字加強處理，增大埋件與蒙皮、芯材間的接觸面積，增強界面間的粘結，提高整體抗脫層能力，預埋件加強處理如圖5所示。

對于鋁質(zhì)預埋件，由于鋁會和碳纖維材料發(fā)生化學反應，產(chǎn)生電化學腐蝕，所以在進行預埋時可以采用玻璃纖維增強材料對鋁預埋件進行包覆處理，隔開鋁埋件和碳纖維材料，降低電化學腐蝕的產(chǎn)生，如圖6所示。

2? 測試條件

試驗中采用試驗機對試件的拉脫強度進行測試，試驗前在試件中心預埋件處開M6螺紋孔，裝上M6螺桿，用底板和上壓板將試件安裝到試驗機上并將試件居中，測試中對螺桿施加縱向拉伸力，以2mm/s的速率對試件加載。

試件預埋件尺寸及處理情況：

1#：80*80*5mm鋼預埋件，包覆兩層80*370mm碳纖維布十字加強;

2#：50*50*5mm鋼預埋件，包覆兩層80*350mm碳纖維布十字加強;

3#：50*50*3mm鋁預埋件，包裹一層50*130mm玻璃纖維布;

4#：50*50*3mm鋁預埋件，包裹一層50*130mm玻璃纖維布。

1#、2#、3#試件上下蒙皮鋪層均為5層，VARI成型后單層碳纖維編織布的厚度為0.3mm，1#、2#、3#試件上下蒙皮總厚度均為1.5mm，4#試件上下蒙皮鋪層均為3層，上下蒙皮總厚度均為0.9mm。

3? 試驗結果

試件拉脫強度和實驗現(xiàn)象如表5所示。

1#、2#試件拉脫強度基本相同，拉脫強度可達20kN以上，預埋件尺寸對拉脫強度影響不明顯，試驗中夾層板表面基本無變形，說明預埋件能夠抵抗20kN以下的拉力而不變形。編號2#3的夾層板發(fā)生了脫層現(xiàn)象，原因是此夾層板樹脂含量達到了49%，樹脂含量較高，導致層間結合較差，抗彎曲性能變差。

3#、4#試件鋁預埋件拉脫強度分別為3.67kN、3.07kN，拉脫強度較低，與鋁預埋件的材質(zhì)和鋁預埋件的加強方式有關，鋁埋件適合載荷較小部位的預埋。4#夾層板預埋件處出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，預埋件處變鼓與蒙皮的厚度較薄有關，蒙皮厚度將影響埋件處纖維材料的失效。

4? 結論

①本文研究了VARI成型碳纖維夾層結構兩種材料的預埋件，進行加強處理的鋼預埋件拉脫強度在20kN以上，鋁預埋件拉脫強度較小。對于承載較大的部位可以采用鋼預埋件加強的形式，對于承載較小的部位可以采用鋁預埋件的形式。

②對預埋件進行加強處理可以將力傳遞給周圍蒙皮、泡沫，提高拉脫強度。

③對減重要求高且機械連接較多的碳纖維復合材料夾層構件，在進行埋件設計時應根據(jù)各部位承載大小，合理選擇埋件材質(zhì)及加強設計，盡量減輕構件重量，充分發(fā)揮碳纖維材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)輕量化。

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