整體中空夾層復合材料側壓性能的研究

周紅濤(, )

整體中空夾層復合材料是一種新型的夾層結構材料，其預成型件是利用特殊三維機織工藝，將纖維聯結成厚度方向具有纖維增強的特種織物，即織物的纖維面板與芯材交織聯結在一起，面板和芯材纖維為整體連接。與傳統夾層材料如蜂窩、泡沫夾層復合材料相比，整體中空夾層復合材料由織物經樹脂復合后直接形成三維整體復合材料夾層結構，克服了傳統復合材料層間性能低、易分層而引起的沖擊損傷容限差等弱點，并具有加工工藝好，制造成本低的優點。圖1為整體中空夾層復合材料的“8”字形芯材效果。由于整體中空夾層復合材料具有多功能性，該材料在交通、航海、建筑、航空以及管道等領域的應用前景廣闊。

圖1 復合板材的“8”字形芯材效果

本文設計了具有不同組織結構面板的預制件，并分析了預制件面板結構對整體中空夾層復合材料側壓性能的影響。

1 試驗

1.1 預制件的制備及規格

纖維材料：無堿E-玻璃纖維作為原料，地經細度為33×2×2 tex，地經密度為10根/cm，絨經細度為33×2×1 tex。

預制件的規格：組織結構分別為經重平和平紋；地經密度為10根/cm，絨經密度為5根/cm，密度為8根/cm。

預制件的織造設備：江南大學紡織服裝學院復合材料實驗室自行研發的小樣織機。

1.2 整體中空夾層復合材料的制備

樹脂體系：樹脂是WSR618環氧樹脂，聚酰胺651#，稀釋劑是660(501)活性稀釋劑。

經過實驗工藝調整，最終確定的樹脂配方如表1所示。

表1 樹脂配方

1.3 測試儀器及測試標準

測試標準：GB/T 1454-2005夾層結構側壓性能試驗方法。

測試儀器：LRXplus電子材料試驗機。

試樣規格：長×寬為80 mm×40 mm，芯材厚度為6 mm，傾角均約為80°。

試驗過程：實驗室標準環境條件：溫度：23 ℃±2 ℃；相對濕度：50%±10%；實驗前，試樣在實驗室標準環境條件下至少放置24 h；采用位移控制加載，對試驗件進行了側壓實驗，加載速率為5 mm/min。

2 試驗結果與分析

本文以面板結構分別為平紋組織結構及經重平組織結構的預制件對整體中空夾層復合材料的側壓性能進行了研究。試驗過程及破壞形式如圖2所示。

圖2 側壓實驗夾具及試驗件破壞后形式

試樣件的夾層結構側壓強度和面板的側壓強度，每項取其算術平均值得到的試驗結果如表2所示。

表2 整體中空夾層復合材料側壓性能測試表

由表2可知，以平紋組織為面板的整體中空夾層復合材料的夾層結構側壓強度及面板側壓強度均大于以經重平組織為面板的該材料。在彈性模量相同的情況下，相同規格的試樣件，質量越大，材料的慣性矩也就越大，越不容易失穩，因此，其側壓性能也隨之增強。而以平紋組織為面板的整體中空夾層復合材料的質量大于以經重平組織為面板的整體中空夾層復合材料(因為材料面板的織造縮率不同的情況造成了材料的質量不同)，這也就解釋了以平紋組織為面板的整體中空夾層復合材料的側壓性能優于以經重平組織為面板的整體中空夾層復合材料。

試樣件的側壓位移—載荷曲線如圖3所示。

由圖3可知，以兩種不同的組織作為面板的整體中空夾層復合材料的側壓位移—載荷曲線的變化趨勢基本相同，即在試驗的初始階段，側壓載荷和位移呈十分明顯的線性變化關系，此時材料處于彈性變形階段；隨著載荷的不斷增加，當施加在試樣件上的側壓載荷達到或者超過臨界載荷時，載荷迅速下降。結合圖1材料的破壞試樣知，整體中空夾層復合材料最后的破壞形式不是由于兩個層面在載荷方向上被壓壞，而是材料喪失穩定后導致試樣件的兩個面層的錯位，從而受壓破壞，側壓位移—載荷曲線急劇下降。由此可以看出，該材料夾層結構側壓性能的好壞主要取決于其抗失穩的能力。

圖3 以不同組織為面板的整體中空夾層復合材料的側壓位移—載荷曲線圖

3 結論

本文通過對以平紋組織結構和經重平組織結構為面板的整體中空夾層復合材料的側壓性能進行研究，發現以平紋組織為面板的整體中空夾層復合材料無論是夾層結構側壓性能還是面板的側壓性能均優于以經重平組織為面板的整體中空夾層復合材料。這主要是由于預制件面板不同的組織結構使其織造縮率及其經緯交織情況不同，進而影響復合材料的側壓性能。實際應用中，應根據實際應用要求，合理設計材料的面板組織，結構載荷的實際承載大小及方向，使材料受力達到最佳狀態，進而優化整個材料結構的性能。

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