縫合復合材料泡沫夾層結構的平壓和剪切性能研究

劉華峰 趙凱輝 王佩艷 岳珠峰

1.西北工業大學，西安，710072 2.河南理工大學，焦作，454000

縫合復合材料泡沫夾層結構的平壓和剪切性能研究

劉華峰1趙凱輝2王佩艷1岳珠峰1

1.西北工業大學，西安，710072 2.河南理工大學，焦作，454000

選用3種相同材料制造的復合材料泡沫夾層結構形式（未縫合、鎖式縫合和達夫汀縫合），進行了面外壓縮（平壓）和面內剪切兩項試驗，研究了縫合方法對縫合夾層結構力學性能和破壞模式的影響。試驗數據和觀察結果表明，泡沫夾層結構縫合后較未縫合結構，面外壓縮和面內剪切的強度和模量均得到了極大提高；不同的縫紉方法使得結構強度和模量的提高程度不同；達夫汀縫合方式使面外壓縮和面內剪切的強度和模量的提高程度均優于鎖式縫合方式。試驗結果為進一步的結構設計和理論分析提供性能分析數據。

復合材料；泡沫夾芯；達夫汀縫合；鎖式縫合

0 引言

2001年Utah大學的Stanley 等在美國國家航空航天局（NASA）的支持下，提出了縫紉泡沫夾層復合材料的新概念［1］。用Keviar縫線將碳纖維復合材料面板和閉孔硬質泡沫芯材縫在一起，采用真空輔助樹脂傳遞模塑成形（VARTM）工藝將低溫固化樹脂注入并固化，制成縫紉泡沫夾層復合材料。由于縫線在Z向穿過了面板和泡沫芯材，對泡沫夾層復合材料進行了整體的橫向加強，故復合材料夾層結構的力學性能和損傷容限都有顯著提高。但是縫線的引入使得縫紉泡沫夾層復合材料結構的細觀結構有了特殊性，其變形特點和破壞模式不同于未縫泡沫夾層復合材料，損傷和破壞機理十分復雜。目前，對其力學性能的認識、損傷破壞模式和機理的研究都處于研究摸索階段［2］。

Xia等［3］用試驗的方法研究了全厚度縫合泡沫夾芯材料的沖擊性能。Lascoup［4］采用均勻化理論用解析的方法預測了縫合夾芯材料在彎曲載荷下彈性范圍內的材料性能。黃濤等［5］將計算纖維增強復合材料有效彈性模量的方法應用于縫紉芯材剪切模量的計算，預測典型縫紉泡沫芯材的面內剪切模量。但是目前的研究都沒有涉及不同的縫紉方法對材料力學性能的影響。本文采用對比試驗的方法，探討了縫紉方法對縫紉泡沫夾層復合材料各種力學性能的影響。

1 面外壓縮和面內剪切試驗

為了定量比較不同縫合方式復合材料夾層結構的性能，選擇3種夾層結構進行試驗對比研究：①未縫合泡沫芯層結構，即由復合材料面板、閉孔泡沫芯組成，面板和芯層未縫合；②全厚度采用鎖式縫合的泡沫芯夾層結構；③全厚度采用達夫汀方式縫合的泡沫芯夾層結構。3種夾層結構均由國內某研究所研制。面板為T300碳纖維織物，夾層芯材為ROHACELL 51 WF閉孔泡沫，面線和底線分別為400旦和1500旦的Kevlar29紗線。兩類試驗中試件均分為未縫合、鎖式縫合、達夫汀縫合3組，每組各包含6個試件。Z向增強泡沫夾芯復合材料的力學性能按照GB／T1453－2005（平壓強度和彈性模量）、GB1455－88（剪切強度和彈性模量）進行測試。所有試驗在CSS44200電子萬能試驗機上完成。試驗溫度為室溫25℃，相對濕度為52%。試件上貼應變片測量應變，由自動采集系統記錄數據。

2 試驗結果及分析

力學性能綜合試驗結果如表1所示。

表1 3種夾層結構的力學性能綜合表 MPa

2.1 面外壓縮載荷下試驗結果

3種泡沫夾層結構在面外壓縮下的載荷位移曲線如圖1所示。與未縫合結構相比，兩種縫合結構的載荷位移曲線先是呈現線性增加，載荷平穩增加到很高水平才出現第1次峰值，這個峰值即為結構破壞的最大破壞載荷。對應此破壞載荷，結構也呈壓塌破壞。然后載荷在較低水平但仍高于未縫合泡沫芯夾層結構最大破壞載荷下保持緩慢增加，但變形增加很快，直至部分邊緣縫線受壓失穩，泡沫夾層失效。

圖1 3種夾層結構面外壓縮下的載荷位移曲線

破壞模式對比如圖2所示。未縫合結構由于泡沫已經完全壓塌壓實，結構厚度減小了一半，而縫合結構中泡沫已經部分壓壞，由于縫線樹脂柱起到了支撐的作用，破壞時厚度變化不大。

圖2 3種結構面外壓縮下的破壞模式

對于面外壓縮的破壞載荷，未縫合為1k N，鎖式縫合為50k N，達夫汀縫合為100k N。鎖式縫合與未縫合夾層相比較，強度提高44.6倍，模量提高26.57倍。達夫汀縫合與未縫合夾層相比較，強度提高87.78倍，模量提高33.46倍。這表明縫線增強了泡沫夾層結構的面外壓縮模量和強度。這是因為縫合試件中縫線樹脂柱參與承擔了壓力，因此較未縫合試件可以承受更大的壓力。

在兩種縫合方式中達夫汀縫合方式對強度和模量的提高效果更好。雖然兩種縫合方法中縫線樹脂柱都參與承擔壓力，但是鎖式縫合中底線和面子線在材料中間相交打結，縫線初始處于拉緊狀態，并有應力集中點，因此兩種縫合方法中縫線樹脂柱同時承受壓力時，達夫汀縫合方法中的縫線可以承受更大的載荷。

2.2 面內剪切載荷下的試驗結果

由表1可知，鎖式縫合與未縫合夾層相比較，剪切強度和剪切模量分別提高2.87倍和5.7倍。而達夫汀縫合與未縫合夾層比較，強度提高了7倍，模量提高了15.9倍。說明縫線的存在提高了泡沫夾層結構的剪切強度和剪切模量。而兩種縫合方法中達夫汀縫合方法較鎖式縫合方法對結構強度和模量的提高更好。

3種泡沫夾層結構剪切載荷下的載荷－位移曲線如圖3所示。3種結構的加載曲線都是載荷增加到最大后，突然下降。表明結構都是在最大載荷下突然剪切破壞。

圖3 3種結構剪切載荷下的載荷－位移曲線

破壞模式對比如圖4～圖6所示。未縫合泡沫夾層由于是泡沫承受剪力，最后沿泡沫厚度中部被剪斷，夾層結構在瞬間失效（圖4）。而縫紉泡沫夾層除了泡沫，縫線也參與承受剪切載荷，但是鎖式縫合結構，因面線和底線交叉，有應力集中點，縫線較單邊達夫汀縫合的相對較弱，因此破壞模式大部分為泡沫夾芯和縫線在面板之間被剪斷（圖5）。而達夫汀縫合因為縫線能承受更大剪切載荷，因此縫線和泡沫并不破壞，最后的破壞模式為夾層面板和泡沫之間脫膠（圖6）。

圖4 未縫合結構面內剪切載荷下破壞模式

3 結論

（1）使用低成本真空輔助樹脂滲透成形技術（VARI）工藝制造的鎖式縫合和達夫汀縫合兩種全厚度縫合的復合材料閉孔泡沫芯夾層結構在承受面外壓縮和面內剪切載荷時與未縫合結構相比，強度和模量大大提高。

圖5 鎖式縫合結構面內剪切載荷下破壞模式

圖6 達夫汀縫合結構面內剪切載荷下破壞模式

（2）鎖式縫合和達夫汀縫合方式對縫合結構的強度和模量的提高程度是不同的。達夫汀縫合方式在提高面外壓縮和面內剪切的模量和強度方面均優于鎖式縫合。

（3）鎖式縫合結構的縫線因面線和底線交叉，有應力集中點，相對于單邊達夫汀縫合較弱。同樣受力狀態下，鎖式縫合的試件更易破壞。

［1］黃濤.縫紉泡沫夾層復合材料力學性能研究［D］.西安：西北工業大學，2004.

［2］黃濤，矯桂瓊.縫紉泡沫夾層結構彎曲性能研究［J］.材料科學與工程學報，2006，24（4）：535－538.

［3］Xia Fan，Wu Xiaoqing.Study on Impact Properties of Through－thickness Stitched Foam Sandwich Composites［J］.Composite Structures，2010，92：412－421.

［4］Lascoup B.Homogenization of the Core Layer in Stitched Sandwich Structures［J］.Composites Science and Technology，2010，70：350－355.

［5］黃濤，矯桂瓊.縫紉泡沫夾層結構芯子剪切模量研究［J］.機械強度，2007，29（1）：113－117.

Study on Mechanical Behavior of Composites Stitched Foam
Sandwich Panels under Flatwise Compression and Shear

Liu Huafeng1Zhao Kaihui2Wang Peiyan1Yue Zhufeng1
1.Northwestern Polytechnical University，Xi’an，710072 2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan，454000

Experiments on three kinds of composite foam core sandwich structures under flatwise compression and shear were present herein.Unstitch foam，lock－stitch foam and Tufting stitch foam sandwich structures were produced using the same face materials in order to study the stitch methods how to influence the mechanical property and failure modes.The experimental results show the significant increase in the strength and modulus of flatwise compression and shear of the stitched foam sandwich structures.Different stitch methods brought the different extent increases of the stitched structures.Tufting stitch is better than lock－stitch in the increasing of the strength and modulus.The results can be used in structural design and theoretical analysis.

composite material；foam core sandwich panel；Tufting stitch；lock－stitch

TB332

1004—132X（2011）10—1213—03

2010—08—02

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2009AA04Z418）；國家自然科學基金資助項目（50775183）

（編輯 袁興玲）

劉華峰，女，1972年生。西北工業大學力學與土木建筑學院博士。主要研究方向為復合材料力學性能。趙凱輝，男，1971年生。河南理工大學機械學院副教授。王佩艷，女，1983年生。西北工業大學力學與土木建筑學院博士研究生。岳珠峰，男，1965年生。西北工業大學力學與土木建筑學院教授、博士研究生導師。