鄭瑩瑩,肖 軍

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程系, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 南京 210016）

泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕高強(qiáng)、損傷容限高和抗潮濕能力等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航天器和導(dǎo)彈外殼等領(lǐng)域。然而，由于泡沫芯材與面板之間膠接強(qiáng)度較低，在受沖擊、彎曲或剪切等載荷作用時(shí)，易導(dǎo)致面板與泡沫芯材之間脫粘或分層失效，嚴(yán)重限制其在飛機(jī)承載件上的應(yīng)用，因此，發(fā)展一種有效的Z向增強(qiáng)技術(shù)尤為必要[1-3]。近年來，許多學(xué)者提出采用三維增強(qiáng)技術(shù)提高夾層結(jié)構(gòu)的整體性和力學(xué)性能，主要包括三維縫紉技術(shù)和Z-pin技術(shù)增強(qiáng)的X-Cor[4]、K-Cor[5]泡沫層結(jié)構(gòu)。三維縫紉技術(shù)過程繁瑣，針頭容易折斷或?qū)е屡菽a(chǎn)生較大孔洞對(duì)泡沫造成損傷，外界注入滲透的樹脂均勻性難以保證。Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是將樹脂融入纖維中，固化后形成一定剛度，將固化好的纖維作為增強(qiáng)棒，沿著Z向植入泡沫進(jìn)行縱向連接增強(qiáng)的技術(shù)。

Z-pin技術(shù)是美國AZTEX公司研發(fā)的專利技術(shù)。將Z-pin技術(shù)橋接于泡沫夾層中的上下面板與泡沫芯材，減重的同時(shí)又能顯著提升結(jié)構(gòu)的完整性。由于Z-pin設(shè)計(jì)不同而產(chǎn)生兩種不同輕質(zhì)高強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)，即X-Cor和K-Cor兩種泡沫夾層結(jié)構(gòu)，Z-pin兩端和面板的結(jié)合差異使兩種泡沫夾層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。使用全固化Z-pin制備的X-Cor夾層如圖1（a）所示，兩端露出且刺穿面板，致使泡沫芯材與面板僅形成了機(jī)械連接；而KCor結(jié)構(gòu)（圖1（b））采用的是半固化Z-pin，露出泡沫表面的Z-pin兩端被折彎至泡沫表面，在固化過程中Z-pin與面板內(nèi)活性樹脂基團(tuán)發(fā)生強(qiáng)交聯(lián)作用，有利于泡沫與面板共固化一體化成型。

圖1 Z-pin增強(qiáng)的泡沫基夾層的結(jié)構(gòu)對(duì)比 （a）傳統(tǒng)XCor夾層；（b）新型K-Cor夾層Fig. 1 Comparison of Z-pin reinforced foam-matrix sandwich structures （a）traditional X-Cor sandwich；（b）newtype K-Cor sandwich

與傳統(tǒng)X-Cor夾層結(jié)構(gòu)相比，新型K-Cor夾層結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)[6]：(1) 不完全固化的Z-pin兩端露頭加熱固化時(shí)可更好地與蒙皮發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，顯著提升泡沫夾層的結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度；(2) 質(zhì)軟、不完全固化的Z-pin植入泡沫后可在泡沫表面折彎，無需植入到蒙皮內(nèi)部，降低了對(duì)蒙皮的損傷；(3) 不完全固化的Z-pin不需植入蒙皮，因此蒙皮可以是樹脂纖維或鋁合金等材料，可進(jìn)一步拓寬夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度，目前K-CorTM技術(shù)在國外航天器羽翼和高附加值的球桿上已得到廣泛應(yīng)用。借助三點(diǎn)彎曲和DCB實(shí)驗(yàn)，Casari等[7]發(fā)現(xiàn)采用Z-pin釘扎技術(shù)可延緩K-Cor結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展速率，減少脫膠或分層等缺陷。Nanayakkara等[8]為驗(yàn)證賽艇受到海浪反復(fù)沖擊的失效模型，比較了K-Cor結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的落球沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：相同質(zhì)量下K-Cor結(jié)構(gòu)是蜂窩結(jié)構(gòu)損傷容限的三倍，該結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用到帆船的船體和桅桿材料。Seibert等[9]借助X射線掃描技術(shù)表征了壓縮實(shí)驗(yàn)下K-Cor結(jié)構(gòu)的破壞形貌，表明Z-pin在拉擠過程中樹脂對(duì)纖維浸潤不完全，導(dǎo)致Z-pin在彈性階段發(fā)生“拔銷”失效。Andrea等[10]借助有限元分析軟件剖析了平面壓縮條件下的K-Cor夾層受力情況，得出Z-pin與面板的連接狀態(tài)為彈簧約束。Li等[11]開展了Zpin增強(qiáng)泡沫夾層在航天通信的服役壽命預(yù)測。采用半固態(tài)Z-pin制備新型K-Cor泡沫夾層結(jié)構(gòu)，是對(duì)傳統(tǒng)泡沫芯材進(jìn)行Z向增強(qiáng)的一種創(chuàng)新，比傳統(tǒng)蜂窩夾層和X-Cor夾層有更優(yōu)越的力學(xué)性能。然而K-Cor結(jié)構(gòu)在國內(nèi)研究起步較晚，其制備工藝及結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)等研究尚處于探索階段。

作者已對(duì)K-Cor結(jié)構(gòu)的拉伸性能、滾筒剝離性能和Z-pin熱擠壓工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但對(duì)不同固化度的Z-pin及其植入矩陣密度和角度對(duì)該夾層受力行為的影響未深入探討[5]。本工作遴選NHZP-1型雙馬樹脂拉擠成型低固化態(tài)的Z-pin，按設(shè)定角度將Z-pin植入Rohacell-51WF泡沫基芯，采用5429/HT7雙馬單向預(yù)浸料作為蒙皮，通過熱壓工藝一體化共固化成型。Z-pin處于較低固化度狀態(tài)，熱固化過程中與蒙皮發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，露出泡沫表面的Z-pin兩端被折彎到泡沫表面，通過觀察不同破壞模式下蒙皮上的Z-pin受損情況，評(píng)估其受損形式，優(yōu)化K-Cor泡沫夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)及方法

1.1 原材料及設(shè)備

泡沫芯材采用Rohacell-31wf泡沫，厚度為12.1 mm。單向預(yù)浸料為US12500 as[0/90/0/90]2s用作面板，名義厚度為1 mm，采用各向同性鋪層模式進(jìn)行鋪疊。由高模量T300/雙馬樹脂制成直徑為0.5 mm的Z-pin作為增強(qiáng)棒，按照設(shè)定的角度編植入泡沫中，實(shí)現(xiàn)“Z”向增強(qiáng)。

原材料：FW-125雙馬樹脂（昆山裕博公司）和T300碳纖維（模量5K，日本東麗公司），通過熱拉擠工藝制備直徑為0.5 mm和0.7 mm的Z-pin；泡沫芯采用厚度為12.5mm的Rohacell?31IG型PMI泡沫（德國Evonik Degussa公司）；蒙皮面板為US12500單向預(yù)浸料（威海光威公司）鋪疊而成，鋪層順序[0/90]2s，名義厚度1 mm。

設(shè)備：Z-pin熱拉擠機(jī)、數(shù)控自動(dòng)編植機(jī)等（實(shí)驗(yàn)室自制），平板熱壓機(jī)，萬能SANS試驗(yàn)機(jī)，熱流型差示掃描量熱儀DSC 200 F3 Mara和光學(xué)顯微鏡DVM5000。

1.2 K-Cor夾層制備

在制備K-Cor夾層結(jié)構(gòu)前，采用DSC測定Zpin固化度并調(diào)控，確保后續(xù)Z-pin與蒙皮樹脂發(fā)生交聯(lián)共固化反應(yīng)（兩者所用樹脂的放熱峰處于同一溫度區(qū)間）。一般影響固化度的因素包括：樹脂中膠含量、熱拉擠參數(shù)和纖維種類等。經(jīng)前期對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將固化度為55.3%的Z-pin通過數(shù)控自動(dòng)化機(jī)械手植入PMI泡沫中，植入角(Z-pin和面板法線方向的夾角)為20°。通過整體熱壓工藝將露在泡沫表面的Z-pin折彎（圖2（b））。熱壓板溫度為140～150 ℃，加熱樹脂至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），Zpin端部發(fā)生塑化，按設(shè)定方向壓貼合于泡沫表面。將蒙皮面板鋪覆于兩種芯子上下表面，在熱壓機(jī)上進(jìn)行一體化固化成型，熱壓在0.2 MPa負(fù)壓滅菌器中進(jìn)行，溫度（140 ± 5） ℃，時(shí)間2 h，得到KCor夾層結(jié)構(gòu)（實(shí)物圖2（c））。相對(duì)傳統(tǒng)X-Cor結(jié)構(gòu)的表面凸起和毛刺（圖2（a））等表面損傷，KCor結(jié)構(gòu)表面Z-pin頂端被整體壓制至蒙皮底部，表面平整光滑（圖2（b））。

圖2 實(shí)驗(yàn)室制備夾層結(jié)構(gòu)實(shí)物OM圖 （a）X-Cor表面；（b）K-Cor表面；（c）K-Cor橫截面Fig. 2 OM images of foam structures prepared by laboratory （a）X-Cor surface;（b）K-Cor surface;（c）K-Cor cross-section

1.3 Z-pin固化度測定

固化度直接決定Z-pin對(duì)泡沫夾層整體性能的增強(qiáng)效果。前期實(shí)驗(yàn)表明：固化度低于30%，會(huì)導(dǎo)致Z-pin剛度不夠而不易植入泡沫；固化度高于60%則Z-pin脆性大，植入過程中易發(fā)生折斷，致使Z-pin尖端受損而發(fā)生“纖維粉化”現(xiàn)象，難以被壓實(shí)至泡沫表面。用DSC技術(shù)測定T300纖維/雙馬樹脂（Z-pin）和蒙皮面板所用的樹脂的玻璃化溫度點(diǎn)(Tg)。從圖3中DSC曲線可知：T300/雙馬樹脂的放熱峰值在135 ℃附近，蒙皮面板放熱峰處于120～140 ℃范圍內(nèi)。因此，熱壓溫度選擇120～140 ℃，對(duì)應(yīng)地，模具溫度選擇120 ℃左右。

圖3 Z-pin（T300/雙馬樹脂）和蒙皮的DSC曲線 (5 °C/min)Fig. 3 DSC curves of Z-pin (T300 / epoxy) and skin panel for K-Cor structures

Z-pin的固化度按式（1）和（2）計(jì)算：

式中：ΔH為纖維的反應(yīng)焓，kJ/mol；ΔP′是輸入功率的平均值，mW；t1和t2對(duì)應(yīng)于DSC放熱峰的起始溫度和終止溫度，℃；ξ為試樣的固化度；測試溫度從t1到t2時(shí)，試樣放熱焓用ΔHt1和ΔHt2表示，kJ/mol。

表1為固化度ξ測試結(jié)果。在120 ℃（模具）/130 ℃（熱 壓）/3.24 mm/s（拉 擠 速 率）條 件 下，Z-pin固化度為31.55%，此時(shí)Z-pin剛度不夠；然而，在120 ℃/150 ℃/3.24 mm/s（固化度51.22%）和130 ℃/150 ℃/3.24 mm/s（固化度62.78%）兩種情況下，Z-pin在植入過程中發(fā)生折斷，尖端易受損而發(fā)生“粉化”現(xiàn)象。高固化度的Z-pin中剩余的活性官能團(tuán)較少，與面板發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)較弱，主要形成機(jī)械嵌合[12]。在120 ℃/140 ℃/3.24mm/s（固化度45.59%）和130 ℃/130 ℃/3.24 mm/s（固 化 度49.83%）兩種條件下，Z-pin韌性好，能完整地植入泡沫中沒有發(fā)生折斷，通過熱壓工藝能較好地貼合于泡沫表面。然而，較高的模具溫度會(huì)導(dǎo)致膠聯(lián)反應(yīng)過快，不利于后續(xù)蒙皮與低固化態(tài)Z-pin截面發(fā)生膠連固化反應(yīng)。

表1 不同工藝條件下Z-pins固化度測定Table 1 Results of curing degrees for Z-pins under different pultrusion conditions

綜合考慮Z-pin的強(qiáng)度、剛度和在大氣環(huán)境中存放時(shí)間（受潮軟化），最終選擇在120 ℃/140 ℃/3.24 mm/s工藝條件下制備Z-pin。

2 結(jié)果與討論

2.1 單根Z-pin強(qiáng)韌性影響

Z-pin作為增強(qiáng)棒，以矩陣排布的形式植入泡沫芯中，與表面蒙皮在熱壓過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)以強(qiáng)化泡沫夾層。Z-pin固化度、強(qiáng)度以及與蒙皮之間的交聯(lián)強(qiáng)度對(duì)K-Cor夾層整體性能影響顯著。固化度和直徑對(duì)Z-pin本身強(qiáng)度影響最大，而與蒙皮的黏結(jié)力則主要取決于固化度和熱壓工藝[13]。圖4為不同固化度Z-pin經(jīng)熱壓后的端部形貌。高固化度（62.78%）Z-pin的剛度高，經(jīng)壓折后，脆性大導(dǎo)致壓折后的纖維端部出現(xiàn)“粉化”現(xiàn)象（圖4（a））；低固化度（45.59%）的Z-pin韌性較好，壓折后保持完整性并貼合泡沫表面，明顯增強(qiáng)泡沫夾層性能（圖4（b））。

圖4 不同固化度Z-pin壓折之后端部 （a）高固化度：纖維“粉化”；（b）低固化度：韌性好Fig. 4 Surface of Z-pin telos after being crushed into foam surface （a）high-curing degree：fiber pulverization；（b）low-curing degree：superior toughness

圖5為單根Z-pin拉伸力學(xué)性能測試。圖5（a）為單根Z-pin拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，插圖為Z-pin匝圈，線圈軋輥沒有折斷，顯示出Z-pin具有較好的韌性，存放3天后沒有由于吸潮而變軟，表現(xiàn)出較好的環(huán)境適應(yīng)性。然而，較大固化度的Z-pin在空氣環(huán)境中由于水氣等吸附會(huì)導(dǎo)致其剛度降低而發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象。圖5（b）為不同直徑（0.5 mm、0.7 mm）單根Z-pin拉伸曲線，可見0.7 mm的Zpin抗拉強(qiáng)度為65.2 MPa，比0.5 mm（58.1 MPa）的提高約10%，這主要是由于大橫截面的Z-pin具有高的穩(wěn)定性，表面缺陷容易控制。綜合考慮泡沫中Z-pin所占體積分?jǐn)?shù)和植入矩陣密度、角度等因素，實(shí)驗(yàn)優(yōu)選0.5 mm直徑的Z-pin。

圖5 單根Z-pin拉伸力學(xué)性能測試 （a）拉伸裝置；（b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Tensile mechanical tests for single Z-pin （a）tensile device；（b）stress-strain curves

2.2 Z-pin植入矩陣密度對(duì)K-Cor力學(xué)性能影響

2.2.1 平面外拉伸

按GB 1452—1987“非金屬夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法”，在電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行平面外拉伸破壞性測試。線切割成60 mm×60 mm試樣尺寸。待夾頭完全預(yù)緊后，載荷呈線性增長。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣破壞并伴隨裂紋擴(kuò)展，Z-pin斷裂或被“拔銷”，隨著“嘭”的一聲載荷突然下降，試樣完全破壞。裂紋源起始在泡沫中間，而不是泡沫芯材與上下面板的膠合處，說明Z-pin強(qiáng)度對(duì)K-Cor拉伸性能起決定性作用。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋的擴(kuò)展方向會(huì)隨著Z-pin的滑移面而發(fā)生一定程度的改變，可見Z-pin與蒙皮之間由于交聯(lián)反應(yīng)而形成了良好的橋接作用，牢固的結(jié)合促使夾層結(jié)構(gòu)的縱向性能增強(qiáng)，進(jìn)而提高K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的平拉強(qiáng)度[14-15]。K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度和模量，計(jì)算公式如下：

式中：Pmax為拉伸實(shí)驗(yàn)的最大載荷，N；σ是K-Cor平拉強(qiáng)度，MPa；A對(duì)應(yīng)于試樣的橫截面積，mm2；E為K-Cor的平拉模量，MPa；ΔP為載荷增量值，N；h為試樣厚度，mm；Δh對(duì)應(yīng)于ΔP的壓縮變形值，mm。

表2為不同工藝參數(shù)下的K-Cor夾層結(jié)構(gòu)和空白泡沫基芯平拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表2可以看出，空白泡沫（無Z-pin增強(qiáng)）的抗拉模量為26.62 MPa，較空白泡沫夾層結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)Z-pin增強(qiáng)的KCor夾層結(jié)構(gòu)平面拉伸強(qiáng)度和模量均大幅度提高，可見Z-pin技術(shù)對(duì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的拉伸性能起到了顯著的增強(qiáng)作用。

表2 不同規(guī)格下K-Cor夾層的平拉測試結(jié)果Table 2 Effects of different processing parameters on flat tensile properties of K-Cor structures

由表2還可知，在相同植入角度情況下，Z-pin植入矩陣密度為5 mm×5 mm時(shí)，其平拉強(qiáng)度和模量均大于植入密度為7 mm×7 mm的試樣?？梢婋S著植入密度增大，Z-pin在泡沫基芯中所占體積分?jǐn)?shù)變大，同時(shí)與面板有效接觸長度增加，高分子官能團(tuán)的增加從而促使交聯(lián)反應(yīng)更加完全，面板與Zpin交聯(lián)結(jié)合更牢固，抵抗變形能力越強(qiáng)。植入密度一定時(shí)，K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的平拉強(qiáng)度隨Z-pin植入角度的增加而變大。特別是在70°時(shí)，試樣的平拉強(qiáng)度和模量最佳，分別為1.65 MPa和56.19 MPa，較植入角為60°和45°時(shí)試樣的增強(qiáng)效果明顯，這主要?dú)w因于大的植入角有利于泡沫夾層在高載荷拉伸過程中保持穩(wěn)定，Z軸向分力較小，故抗變形的能力變強(qiáng)。

圖6為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平面外拉伸測試。失效破壞模式為從泡沫中間分離并撕裂破壞，Z-pin分別與兩側(cè)面板脫粘，蒙皮上留有Z-pin被拔出后的孔洞。從圖6（b）虛框標(biāo)注及Z-pin斷裂形式，觀察到樹脂固化在Z-pin折彎部分；另外，加熱固化時(shí)膠液順著Z-pin植入的孔洞而流至泡沫內(nèi)部一起被固化，增強(qiáng)了對(duì)Z-pin滑動(dòng)和拔銷的約束。殘留在無泡沫部分的Z-pin從側(cè)面板脫離拔出，折彎部分由于泡沫的阻擋，增加了試樣的承載力。半固化Z-pin具有良好的韌性，在折角處并未斷裂。

圖6 K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉測試 （a）拉伸實(shí)驗(yàn)裝置；（b）破壞截面圖Fig. 6 Horizontal-tension tests for K-Cor sandwich structures （a）tension device；（b） cross-sectional failure images

測試過程中，裂紋起源于泡沫與面板的弱膠接處，接著向泡沫中間擴(kuò)展，最終泡沫被隨機(jī)撕裂破壞，多數(shù)Z-pin在折彎處與蒙皮脫落，如圖6（b）所示，可見Z-pin與蒙皮的膠接強(qiáng)度是導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)失效的主要因素。選擇半固化的Z-pin與蒙皮進(jìn)行共固化成型，顯著提高了Z-pin與蒙皮的交聯(lián)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的完整性。

2.2.2 縱向剪切測試

按GB 1455—1988《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法》，在CMT5105型電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行縱向剪切測試，加載速率為1 mm/min。試樣尺寸150 mm×60 mm，在上下兩載頭之間固定粘貼試樣并裝有引伸計(jì)的加載金屬板，以確保載荷沿豎直方向（試樣對(duì)角線方向）傳遞。

圖7為K-Cor夾層和空白泡沫試樣的載荷-位移曲線。由圖7看出，45o [5mm×5mm] 試樣的抗剪切載荷最大。從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析，沿著縱向剪切45o方向上受力最大，沿此方向采用Z-pin增強(qiáng)效果最優(yōu)。隨著Z-pin植入密度的增大，增強(qiáng)效應(yīng)增加；植入密度相同時(shí)，剪切載荷隨著植入角度的增加而降低[16]：

圖7 不同植入矩陣下Z-pin試樣的剪切載荷-位移曲線圖Fig. 7 Load-displacement shear curves of K-Cor sandwich structure with different Z-pin densities

式中：Pmax為剪切最大載荷，N；τ為剪切強(qiáng)度，MPa；G為剪切模量，MPa；l為試樣長度，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm； Δp為載荷-位移曲線上線性載荷增量值，N；Δh對(duì)應(yīng)Δp時(shí)的長度增量值，mm。

結(jié)果表明：45°[5 mm×5 mm]工藝條件下，K-Cor夾層試樣顯示出最佳的抗剪切性能，剪切性能和模量較空白泡沫分別提高2.56和1.97倍，增強(qiáng)效果顯著。

圖8為剪切破壞后的兩種典型形式。其中，圖8（a）顯示沿著Z-pin的植入方向在泡沫中間局部缺陷區(qū)萌發(fā)裂紋源，泡沫由此撕裂，接著沿45°方向迅速擴(kuò)展，直至完全分離失效。隨著剪切力的不斷增加，當(dāng)形變量大于泡沫的抗撕裂強(qiáng)度時(shí)，首先在泡沫頂端靠近面板處先發(fā)生變形，但受到Z-pin約束，泡沫芯材側(cè)面出現(xiàn)許多沿Z-pin方向的斜向滑移，接著裂紋擴(kuò)展至整個(gè)試樣，直至Z-pin受拉或受壓與面板脫離或從泡沫中拔出，試樣最終失效（圖8（b））。

圖8 K-Cor夾層兩種典型剪切破壞形式 （a）沿45o方向；（b）局部缺陷誘發(fā)整體撕裂Fig. 8 Two-typical shear failure modes for K-Cor structures during shear tests （a）along 45°；（b）overall destruction by local defects

2.2.3 單位體積Z-pin對(duì)夾層剪切性能影響

為了精準(zhǔn)分析不同體積分?jǐn)?shù)Z-pin對(duì)夾層性能的影響，系統(tǒng)研究單位體積Z-pin的增強(qiáng)效果，假設(shè)Z-pin和泡沫對(duì)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度和模量的貢獻(xiàn)相互獨(dú)立，則K-Cor的剪切強(qiáng)度和模量按式（7）、（8）測算[17]：

式中：τ為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度，MPa；τfoam對(duì)應(yīng)于泡沫對(duì)夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；Vpin為Z-pin體積分?jǐn)?shù)，%；τpin為1%體積分?jǐn)?shù)對(duì)K-Cor剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；G為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切模量，MPa；Gfoam為泡沫對(duì)夾層結(jié)構(gòu)剪切模量的貢獻(xiàn)，MPa；Gpin為1%體積分?jǐn)?shù)對(duì)K-Cor剪切模量的貢獻(xiàn)（固定植入角條件下），MPa。

圖9為由式（7）、（8）計(jì)算得出的1%單位體積分?jǐn)?shù)Z-pin對(duì)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度和模量的增強(qiáng)效果。

圖9 1%單位體積Z-pin對(duì)K-Cor夾層性能影響 （a）剪切強(qiáng)度；（b）剪切模量Fig. 9 Effects of 1% Z-pin on shear strength of K-Cor structures （a）shear strength；（b）shear modulus

綜上所述，該夾層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和模量隨著Z-pin植入角度的增加而降低，特別是小直徑Z-pin制備的夾層，下降尤為明顯。這主要是由于大直徑Z-pin覆蓋泡沫有效面積大，可部分覆蓋缺陷表面，同時(shí)大比表面對(duì)應(yīng)的強(qiáng)化“積分”效應(yīng)增強(qiáng)。此外，在Z-pin植入角度相同時(shí)，7 mm×7 mm植入密度試樣的剪切強(qiáng)度、模量均大于植入密度為5 mm×5 mm的試樣，這主要與在泡沫表面上Zpin折彎后預(yù)留的長度有關(guān)，在相同Z-pin體積分?jǐn)?shù)下，Z-pin兩端預(yù)留長度越長，交聯(lián)反應(yīng)越充分，則連接強(qiáng)度就越強(qiáng)。在受拉應(yīng)力的作用時(shí)，較長的預(yù)留長度延遲了Z-pin被拉出泡沫。

圖10 剪切實(shí)驗(yàn)過程中Z-pin受力分解示意圖。通過壓縮與拉伸測試對(duì)比，Z-pin對(duì)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)壓縮性能的增強(qiáng)作用明顯高于對(duì)拉伸性能的增強(qiáng)。這可能是因?yàn)楦邚?qiáng)度的Rohacell-51WF泡沫基芯在K-Cor夾層壓縮過程中承載了部分應(yīng)力，緩解了Z-pin有效載荷；然而在拉伸或剪切過程中，主要承載對(duì)象為Z-pin增強(qiáng)棒，最容易發(fā)生折斷之處位于Z-pin嵌入泡沫后裸露在外面的節(jié)點(diǎn)（圖10（a）☆標(biāo)注）。可見，Z-pin與面板的膠接強(qiáng)度是影響K-Cor夾層結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，其中Z-pin在嵌入泡沫表面折彎處的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量對(duì)夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響最大。

Z-pin嵌入泡沫時(shí)，在折彎處易造受損傷與應(yīng)力集中，易發(fā)生折斷。鑒于此，借助結(jié)構(gòu)力學(xué)，對(duì)Zpin節(jié)點(diǎn)在剪切過程中的受力情況，將剪切力F沿Z-pin方向（F2）和與之垂直方向（F1）兩個(gè)方向進(jìn)行分解，分解為受拉應(yīng)力（F1）和受壓應(yīng)力（F2）兩種（圖10）。其中，受F1作用的Z-pin破壞模式為Zpin與面板脫粘分離，或者從折彎處斷裂失效，這主要取決于Z-pin與面板的膠接程度；而受F2影響的Z-pin破壞模式則為Z-pin斷裂失效，這主要取決于Z-pin本身強(qiáng)度，但F2數(shù)值隨著植入角α的變大而變小，有利于Z向軸向分力變小，促使Z-pin抗破壞能力增強(qiáng)，這一機(jī)理與上述拉伸測試結(jié)果相吻合。

此外，當(dāng)Z-pin植入角度α較大時(shí)，所受外力的軸向分力F2較小，Z-pin由于F1的作用傾向于轉(zhuǎn)動(dòng)，易發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效率較低[18]。圖10（b）表明，當(dāng)Z-pin植入角度變小時(shí)，則軸向分力F2變大，促使發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的F1變小，而碳纖維Z-pin本身強(qiáng)度和模量均較高，故能承受的壓力載荷較大，對(duì)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用明顯。由受力分析可知，當(dāng)Z-pin以45°成交叉式植入且露出泡沫的預(yù)留長度較長時(shí)，則Z-pin受壓抵抗變形能力變強(qiáng)；在有塑性形變時(shí)，強(qiáng)交聯(lián)結(jié)合可提升該夾層的抵抗變形的能力，故Z-pin植入角度為45°時(shí)，對(duì)提高K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的剪切性能貢獻(xiàn)最優(yōu)。

圖10 剪切實(shí)驗(yàn)過程中Z-pin受力分解示意圖Fig. 10 Schematic diagram of shear-stress decomposition for Z-pins in foam matrix

3 結(jié)論

（1）不同的固化度和直徑對(duì)Z-pin性能影響顯著。選擇120 ℃/140 ℃/3.24 mm/s工藝來制備固化度適中的Z-pin作為該夾層的Z向增強(qiáng)棒。直徑為5 mm，固化度為45.59%的半固態(tài)Z-pin具有較好的韌性且能完整地被壓折并貼合于泡沫表面。

（2）當(dāng)Z-pin植入密度相同時(shí)，隨著植入角度的增加，K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度增大。在Z-pin植入角度相同時(shí)，該夾層的平拉強(qiáng)度與模量隨著植入密度變大而增強(qiáng)。當(dāng)Z-pin植入矩陣為70°[5 mm×5 mm]時(shí)，K-Cor泡沫夾層的平拉強(qiáng)度和模量最高，為1.65 MPa和56.19 MPa，這主要?dú)w因于大的植入角有利于泡沫夾層在高載荷拉伸過程中保持穩(wěn)定，Z向軸向分力變小，則Z-pin抗破壞能力增強(qiáng)。

（3）半固化Z-pin對(duì)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)壓縮性能增強(qiáng)效果明顯高于對(duì)其拉伸性能的增強(qiáng)，這主要由于高強(qiáng)度Rohacell-51WF泡沫基芯在壓縮過程中承載了部分應(yīng)力，緩解了Z-pin有效載荷；而在拉伸或縱向剪切過程中，該結(jié)構(gòu)的失效受到Z-pin折彎處的應(yīng)力集中和Z-pin與蒙皮的交聯(lián)強(qiáng)度等眾多因素影響。Z-pin沿45°[5 mm×5 mm]植入且預(yù)留長度較長時(shí)，可遲緩Z-pin被拉出的時(shí)間，提高其抗形變能力，此時(shí)K-Cor夾層結(jié)構(gòu)抗剪切性能最優(yōu)，其剪切強(qiáng)度和模量較空白泡沫試樣提高約2.56倍和1.97倍。