軒立新 夏晨斌 蘇 韜 陳麗春 周凱運(yùn) 趙小嬌 王 宜，* 胡 健

（1.航空工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，山東濟(jì)南，250023；2.華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510641）

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)蜂窩材料）是一類(lèi)重要的結(jié)構(gòu)減重材料，由蜂窩芯與上、下表面的蒙皮組成，是結(jié)構(gòu)效率最高的形式之一，在保證材料滿足強(qiáng)度要求的前提下，能夠盡可能得輕，因此具有優(yōu)異的強(qiáng)度/質(zhì)量比。蜂窩材料還有彎曲剛度和強(qiáng)度大、抗失穩(wěn)能力強(qiáng)、耐疲勞、隔音隔熱的優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)備受航空領(lǐng)域的關(guān)注[1-3]。紙這一傳統(tǒng)材料作為蜂窩芯早已得到了研究和應(yīng)用，但局限于植物纖維紙本身的力學(xué)性能，傳統(tǒng)植物纖維紙蜂窩結(jié)構(gòu)材料主要應(yīng)用于包裝行業(yè)[4-6]。芳綸紙由高強(qiáng)高模的芳綸短切纖維與芳綸漿粕通過(guò)傳統(tǒng)造紙濕法成型技術(shù)制造，后經(jīng)過(guò)高溫壓光等工序提高結(jié)構(gòu)致密性和纖維間結(jié)合，從組成和結(jié)構(gòu)兩方面克服了植物纖維紙的缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)涂膠、疊合、壓制和拉伸后變成蜂窩形狀，通過(guò)浸漬樹(shù)脂和固化令蜂窩定型，最終形成芳綸蜂窩芯。截至目前芳綸紙蜂窩材料已應(yīng)用于航空航天和軌道交通等重要行業(yè)[7-8]。

Kelsey 等人[9]對(duì)蜂窩材料的剪切模量和異面壓縮模量等性能進(jìn)行了研究，王厚林等人[10-11]在芳綸紙蜂窩材料中進(jìn)行了驗(yàn)證。Gibson 等人[12]對(duì)蜂窩材料的異面壓縮破壞行為做過(guò)系統(tǒng)性的研究，Wang 等人[13]、劉杰等人[14]對(duì)對(duì)位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞強(qiáng)度影響因素做了初步分析。針對(duì)不同力學(xué)特性的蜂窩孔格壁，異面壓縮強(qiáng)度的理論公式有所不同。對(duì)于具有彈性材料特性的孔格壁，影響蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的關(guān)鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的楊氏模量（Es），具體表達(dá)式見(jiàn)式(1)[12]。

針對(duì)具有塑性材料特性的孔格壁，Alexander[15]、McFarland[16]、 Wierzbicki 等 人[17-18]、 Ashby 等 人[19]和Zhang 等人[20]研究表明，影響蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的關(guān)鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的屈服強(qiáng)度（σys），具體表達(dá)式見(jiàn)式(2)。

針對(duì)具有脆性材料特性的孔格壁[12,19]，影響蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的關(guān)鍵變量為：蜂窩芯的孔格尺寸（l）、孔格壁的厚度（t）及孔格壁的拉伸強(qiáng)度（σfs），具體表達(dá)式見(jiàn)(3)。

本研究將對(duì)位芳綸紙直接浸漬樹(shù)脂并固化制成浸膠紙來(lái)模擬對(duì)位芳綸紙蜂窩材料的孔格壁，研究了樹(shù)脂在孔格壁中的比例對(duì)孔格壁及蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的影響，對(duì)位芳綸紙蜂窩材料在異面壓縮破壞時(shí)的失效模型。在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上總結(jié)出影響特定密度下對(duì)位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的關(guān)鍵力學(xué)性能，為芳綸紙蜂窩材料的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

短切對(duì)位芳綸纖維、漿粕由中藍(lán)晨光化工有限公司提供，纖維直徑（12±1）μm，長(zhǎng)度6.0 mm，漿粕長(zhǎng)度1.0～1.5 mm，打漿度60～65°SR。短切對(duì)位芳綸纖維與漿粕按照固定的比例制備不同定量的對(duì)位芳綸紙，分別記為a（45 g/m2）、b（48 g/m2）、c（50 g/m2）、d（60 g/m2）。浸漬用樹(shù)脂為自制醇溶性酚醛樹(shù)脂。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

L&W 250 厚度儀，瑞典Lorentzen& Wettre 公司；INSTRON 3300 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron 公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡，荷蘭Phenom公司。

1.3 浸膠對(duì)位芳綸紙制備與性能表征

實(shí)驗(yàn)選用不同定量的對(duì)位芳綸紙通過(guò)浸漬樹(shù)脂并固化（以下簡(jiǎn)稱(chēng)浸膠紙）來(lái)模擬蜂窩孔格壁，制成孔格邊長(zhǎng)1.83 mm、密度80 kg/m3的對(duì)位芳綸紙蜂窩芯（以下簡(jiǎn)稱(chēng)1.83-80）。根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算得到浸膠紙的定量及每種對(duì)位芳綸紙所需要的上膠量，A 為以對(duì)位芳綸紙a 為原料浸膠制成的浸膠紙，B、C、D類(lèi)似，對(duì)位芳綸紙與浸膠紙的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及浸膠紙中樹(shù)脂所占的比例見(jiàn)表1。用掃描電子顯微鏡觀察浸膠紙的截面樹(shù)脂分布及其滲透情況，測(cè)定浸膠紙的相關(guān)力學(xué)性能作為孔格壁的性能。

表1 對(duì)位芳綸紙與浸膠紙的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及浸膠紙中樹(shù)脂所占的比例Table 1 Relationship between para-aramid paper and impregnated paper and the proportion of resin in impregnated paper

式中，ρ為蜂窩密度，kg/m3；ρs為浸膠紙密度，kg/m3；t為浸膠紙厚度，mm；l為蜂窩孔格邊長(zhǎng)，mm；M為浸膠紙的定量，g/m2。

對(duì)位芳綸紙和浸膠紙的定量、厚度分別按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002 進(jìn)行測(cè)試；對(duì)位芳綸紙和浸膠紙的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量測(cè)試按照GB/T 22898—2008《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定-恒速拉伸法(100 mm/min)》進(jìn)行測(cè)試。

1.4 對(duì)位芳綸蜂窩壓縮樣品破壞情況表征

對(duì)位芳綸紙由華南理工大學(xué)夏晨斌課題組實(shí)驗(yàn)室自制，對(duì)位芳綸紙蜂窩材料由航空工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所使用夏晨斌課題組提供的對(duì)位芳綸紙制作。

1.83-80 的對(duì)位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞的方式參照GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》。采用相機(jī)和掃描電子顯微鏡拍攝經(jīng)過(guò)異面壓縮破壞后的蜂窩樣品，觀察蜂窩芯的變形情況，與現(xiàn)有的3 種壓縮破壞模型[12]進(jìn)行對(duì)比，判斷對(duì)位芳綸紙蜂窩材料壓縮破壞的失效模型。

1.5 對(duì)位芳綸紙蜂窩異面壓縮強(qiáng)度測(cè)試

將對(duì)位芳綸紙蜂窩材料的異面壓縮強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與根據(jù)對(duì)應(yīng)浸膠紙力學(xué)性能計(jì)算得到的蜂窩異面壓縮強(qiáng)度理論值作比較，通過(guò)兩者的對(duì)比驗(yàn)證所判斷的破壞模式的正確性。

蜂窩密度和壓縮強(qiáng)度的測(cè)試按照GB/T 1464—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子密度試驗(yàn)方法》、GB/T 1453—2005《夾層結(jié)構(gòu)或芯子平壓性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)位芳綸紙和浸膠紙形態(tài)與性能對(duì)比

使用掃描電子顯微鏡觀察4 種對(duì)位芳綸紙和浸膠紙截面狀況，結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，對(duì)位芳綸紙表面沒(méi)有傳統(tǒng)間位芳綸紙一樣的致密薄膜[11]，因此使得對(duì)位芳綸紙的樹(shù)脂滲透較為容易。對(duì)比對(duì)位芳綸紙截面和對(duì)應(yīng)浸膠紙截面可以發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂能滲透到紙張內(nèi)部，填充孔隙，增強(qiáng)纖維間結(jié)合強(qiáng)度，但并未將所有孔隙完全滲透，在芳綸紙上、下表面形成致密的樹(shù)脂層，有效地提高了浸膠紙的厚度，這歸因于對(duì)位芳綸紙內(nèi)部漿粕的作用，隔絕了部分樹(shù)脂的滲透。

圖1 浸漬樹(shù)脂前后對(duì)位芳綸紙截面形貌Fig.1 Cross section of papers before and after impregnation

圖2 為4 種浸膠紙的厚度對(duì)比圖，通過(guò)對(duì)比4 種浸膠紙可以發(fā)現(xiàn)，相同定量的浸膠紙，其厚度隨對(duì)位芳綸紙定量的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。圖3 為4 種浸膠紙的拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖，圖4 為4 種浸膠紙的楊氏模量對(duì)比圖。由圖3 和圖4 可知，拉伸強(qiáng)度和楊氏模量呈現(xiàn)出相類(lèi)似的趨勢(shì)：浸膠紙A、D 的性能均略高于B、C，且浸膠紙C 的性能最差。從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，一方面是因?yàn)楦投康膶?duì)位芳綸紙脫水壓力小，可以以更低的濃度成型，紙張勻度更好，更均勻的體系對(duì)纖維力學(xué)性能的發(fā)揮有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，增加纖維比例有利于浸膠紙綜合力學(xué)性能的提升。更深層次的原因可能是芳綸紙和樹(shù)脂存在最佳比例，過(guò)高或者過(guò)低的樹(shù)脂含量均不利于浸膠紙力學(xué)性能的充分發(fā)揮。

圖2 浸膠紙厚度對(duì)比Fig.2 Comparison of thickness of impregnated papers

圖3 浸膠紙拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Comparison of tensile strength of impregnated papers

圖4 浸膠紙楊氏模量對(duì)比Fig.4 Comparison of Young’s modulus of impregnated papers

2.2 對(duì)位芳綸紙蜂窩壓縮破壞后樣品截面形貌

使用相機(jī)和掃描電子顯微鏡拍攝浸漬紙蜂窩壓縮破壞后樣品的表面、截面形貌（見(jiàn)圖5）以及壓縮破壞后試樣格壁變形情況（見(jiàn)圖6）。

從圖5(b)中可以較為明顯地發(fā)現(xiàn)，蜂窩樣件在壓縮破壞后蜂窩孔格發(fā)生較為明顯的變形，由原先規(guī)則的六邊形蜂窩孔格變?yōu)榉且?guī)則六邊形，部分變形嚴(yán)重的孔格甚至變成了五邊形。蜂窩芯孔格的不規(guī)則一方面可以認(rèn)為是蜂窩芯在制造過(guò)程中工藝不佳所導(dǎo)致，另一方面是因?yàn)榉涓C材料存在樹(shù)脂分布不均的問(wèn)題，在均勻受壓時(shí)樹(shù)脂含量較低處率先發(fā)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致平面傾斜，面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力分量，從而導(dǎo)致蜂窩孔格形狀的改變。

從圖5(c)～圖5(d)中可以發(fā)現(xiàn)，蜂窩孔格壁大都發(fā)生了類(lèi)似彎折或者位錯(cuò)的變形，根據(jù)Gibson 等人[12]提出的3種蜂窩異面壓縮的理論模型，對(duì)位芳綸紙蜂窩的壓縮破壞更趨近于塑性坍塌破壞模型。從圖6(a)也可以發(fā)現(xiàn)，蜂窩中較薄的單層壁出現(xiàn)塑性坍塌模型中非常典型的“塑性鉸”結(jié)構(gòu)，而較厚的雙層壁除了出現(xiàn)“塑性鉸”結(jié)構(gòu)、“位錯(cuò)”結(jié)構(gòu)，還出現(xiàn)了雙層壁開(kāi)裂（圖6(c)～圖6(d)）的情況，原因可能是節(jié)點(diǎn)膠強(qiáng)度不足。據(jù)此，根據(jù)塑性坍塌模型式（2）可以歸納出影響蜂窩異面壓縮強(qiáng)度孔格壁的關(guān)鍵力學(xué)性能為：孔格壁的屈服強(qiáng)度（浸膠紙的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)，因此使用拉伸強(qiáng)度代替屈服強(qiáng)度）、孔格的尺寸以及孔格壁的厚度。

圖5 對(duì)位芳綸紙蜂窩孔格變形情況和蜂窩壁變形情況Fig.5 Deformation of the aramid paper honeycomb cells and walls

圖6 對(duì)位芳綸紙蜂窩壓縮破壞后格壁變形情況Fig.6 Deformation of the aramid paper honeycomb wall after the compression failure

2.3 對(duì)位芳綸紙蜂窩異面壓縮強(qiáng)度研究

根據(jù)蜂窩樣件壓縮破壞后的形貌分析，假定對(duì)位芳綸紙蜂窩的壓縮破壞模式更趨近于塑性坍塌模型。將4種對(duì)位芳綸紙a、b、c、d按照標(biāo)準(zhǔn)的工藝流程制成 4 種對(duì)應(yīng)的 1.83-80 蜂窩材料，記為 Ha、Hb、Hc、Hd，按照平壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行異面壓縮強(qiáng)度測(cè)試，將蜂窩材料壓縮強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與根據(jù)浸膠紙A、B、C、D 厚度和橫向拉伸強(qiáng)度計(jì)算得到的異面壓縮理論強(qiáng)度比較，具體結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7 可知，對(duì)位芳綸紙蜂窩的異面壓縮強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值與根據(jù)塑性坍塌模型計(jì)算得到的蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度理論值差距較小，這一結(jié)果也與2.2 得出的結(jié)論相吻合。浸膠紙D 的橫向拉伸強(qiáng)度和厚度均高于浸膠紙A，但是由這2 種浸膠紙制得的蜂窩壓縮強(qiáng)度卻是Ha＞Hd，原因之一是高定量的芳綸紙加工難度大。

圖7 蜂窩異面壓縮強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與理論值比較Fig.7 Comparison of measured and theoretical values of out-of-plane compression strengths of honeycombs

3 結(jié) 論

本研究探討并驗(yàn)證了對(duì)位芳綸紙蜂窩在受到異面壓縮破壞時(shí)的失效模型，通過(guò)將對(duì)位芳綸紙直接浸漬樹(shù)脂模擬對(duì)位芳綸紙蜂窩的孔格壁，研究了樹(shù)脂在孔格壁中的比例對(duì)孔格壁力學(xué)性能的影響。

3.1 1.83 mm-80 kg/m3的對(duì)位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮破壞的模式更符合塑性坍塌破壞模型，在該密度規(guī)格下，改變芳綸紙與樹(shù)脂的比例后，壓縮強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)性良好，通過(guò)理論值預(yù)測(cè)對(duì)位芳綸紙蜂窩異面壓縮強(qiáng)度的方法具有可行性。

3.2 影響對(duì)位芳綸紙蜂窩材料異面壓縮強(qiáng)度的主要因素為：蜂窩材料的孔格尺寸、孔格壁的厚度及其拉伸強(qiáng)度。