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        Z-pin增強(qiáng)K-Cor泡沫夾層及其強(qiáng)化機(jī)制

        2021-12-12 13:41:14鄭瑩瑩
        航空材料學(xué)報(bào) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:蒙皮模量夾層

        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。

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