泡沫夾層復合材料與復合材料層合板低速沖擊性能的比較

萬玉敏，張 發(fā)，竺鋁濤

（1.東華大學紡織學院，上海201620；2.中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540）

0 引 言

泡沫夾層復合材料具有高比剛度、高比強度、低密度等特點，在有效吸收沖擊載荷的同時又能通過選擇合適的面板、芯材和粘接劑來滿足特定條件下的使用要求，因此在運載火箭、航空、船舶、列車機車、風力發(fā)電機等領域得到了大量應用［1-4］。泡沫夾層復合材料的芯材一般采用輕質材料，以大幅減輕構件的質量，并通過高效結構設計達到每種材料的臨界最優(yōu)性能［5］。相對于實心復合材料層合板來說，泡沫夾層復合材料能夠在質量相同的條件下較大幅度提高材料的剛度［6］。泡沫夾層復合材料在制造和使用中常常會受到各種沖擊，其抗低速沖擊的能力取決于纖維面板、芯材的材料，以及面板與芯材的粘接性能［7］。面板在生產(chǎn)、使用和維護過程中受到低速沖擊作用后，破壞形式主要為纖維斷裂、基體開裂和分層等，芯材的破壞形式則以壓潰、剪切破壞或與面板脫粘為主。

國內(nèi)外學者對不同性能泡沫夾層復合材料的動態(tài)沖擊性能，尤其是低速沖擊性能進行了廣泛而深入的研究［8-13］，并分析了影響其沖擊性能的因素，但很少有人對泡沫夾層復合材料和復合材料層合板的抗沖擊性能進行比較，為此，作者對比研究了它們在低速條件下的沖擊性能，并進行了理論分析。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

泡沫夾層復合材料的面板由8層USN125B碳纖維單向預浸布制成，厚為1mm，其性能指標如表1所示。

芯材選用厚度為10mm的PMI（聚甲基丙烯酰亞胺）泡沫ROHACELL?51IG/IG-F，其力學性能如表2所示。

USN125B預浸布的鋪層結構分別采用單向［0°］8和正交［0°，90°］2s兩種方式，制得的泡沫夾層復合材料分別記為SU試樣和SC試樣。為了保證層與層之間的良好粘合，并使樹脂均勻分布，采用真空加壓、烘箱加熱的方法固化制備復合材料。在壓力為0.1MPa的條件下，從室溫升高到90℃，保持40min；然后再升溫至125℃，保持1h；之后再降至60℃，壓力恢復到大氣壓，降溫至室溫，完成固化。在固化過程中，試樣的頂面和底面分別放置一層脫膜紙，以保證試樣表面平整光滑。泡沫夾層復合材料的面板和泡沫芯材之間用環(huán)氧樹脂粘合。

表1 USN125B預浸布固化后的力學性能Tab.1 Mechanical properties of cured USN125B prepreg

表2 PMI泡沫ROHACELL?51IG/IG-F的力學性能Tab.2 Mechanical properties of PMI foam of ROHACELL? 51IG/IG-F

用相同的預浸料按單向［0°］16和正交［0°，90°］4s兩種鋪層結構經(jīng)相同的固化工藝制備16層復合材料層合板（厚2mm）分別記為LU試樣和LC試樣。

泡沫夾層復合材料（厚12mm）是在2mm厚的復合材料層合板中間加入了10mm厚的泡沫芯材。

1.2 試驗方法

用Instron-Dynatup 9250HV型落錘沖擊試驗機分別對泡沫夾層復合材料和復合材料層合板進行不同能量的沖擊試驗，沖頭為鋼制半球面，直徑為12.7mm，沖頭質量為11.4kg，泡沫夾層復合材料試樣的尺寸為150mm×28mm×12mm，復合材料層合板試樣的尺寸為150mm×28mm×2mm，夾持距離為120mm。通過調整沖頭的下落高度控制沖擊能量和沖擊速度，沖擊能量分別為1，3，10J，每個能量下分別測試3個試樣，計算在每個沖擊能量下試樣的平均載荷-位移曲線。

2 試驗結果與討論

2.1 低速沖擊性能

由圖1（a～b）可以看出，SU試樣和SC試樣的載荷-位移曲線呈現(xiàn)類似的變化趨勢，在1J沖擊能量下，只出現(xiàn)了一個載荷峰值，而后載荷下降到某一值。不同的是，SC試樣使沖頭發(fā)生一定程度的回彈。這說明沖擊頭只是破壞了SU試樣的上層面板，并未穿透上層面板；SC試樣經(jīng)受住了1J的沖擊能量。在3J沖擊能量下，載荷-位移曲線出現(xiàn)了類似于1J沖擊能量下沖擊頭沖破試樣上面板時出現(xiàn)的第一個載荷峰值，而后載荷急劇下降到某一值，此時沖擊頭穿過泡沫夾層，當沖擊頭接觸到試樣下層面板時，載荷又開始上升，但下層面板還未被穿透。在10J沖擊能量下，隨著沖擊頭逐漸接觸試樣，載荷呈平穩(wěn)增大的趨勢，當沖擊頭沖破上層面板時，出現(xiàn)第一個載荷峰值，而后載荷急劇降到某一值，此時沖擊頭穿過泡沫夾層，當沖擊頭接觸到試樣下層面板并沖破它時，第二個載荷峰值出現(xiàn)，此時試樣完全穿透，結構失效。

由圖1（c～d）可以看出，LU試樣和LC試樣載荷-位移曲線的變化趨勢相同，即在1J沖擊能量下，出現(xiàn)載荷峰值后，載荷緩慢下降到某一值，這說明此時復合材料層合板沒有完全失效；在3J和10J的沖擊能量下，隨著沖擊頭逐漸接觸試樣，載荷呈平穩(wěn)增大的趨勢，當沖擊頭沖破試樣時，出現(xiàn)載荷峰值，而后載荷急劇下降到某一值，此時復合材料層合板試樣完全失效。

圖1 不同復合材料在不同沖擊能量下的載荷-位移曲線Fig.1 Load versus displacement plot for different composites at different impact energies：（a）SU sample；（b）SC sample；（c）LU sample and（d）LC sample

另外，對于同種復合材料來說，沖擊能量越高，載荷-位移曲線上的沖擊載荷峰值越高，沖擊損傷程度越大。

由圖2可以看出，各復合材料的極限沖擊載荷均隨沖擊能量的增加而增大，泡沫夾層復合材料的趨勢更為明顯。由于正交鋪層在橫縱向都有纖維增強，這種結構比單向鋪層具有更好的各向同性，因此無論是泡沫夾層復合材料還是復合材料層合板，正交鋪層結構能承受的極限沖擊載荷都比單向鋪層結構的高。由于泡沫夾層的存在，泡沫夾層復合材料的比剛度和比強度都比復合材料層合板的高，所以泡沫夾層復合材料能承受的最大沖擊載荷比復合材料層合板能承受的高近50%。

2.2 破壞形貌

由圖3可以看出，在1J沖擊能量下，正交面板泡沫夾層復合材料上層面板的破壞形貌為部分層間分層和基體開裂，呈正方形破壞；在3J沖擊能量下，上層面板完全破壞，破壞形貌為層間分層、基體開裂和纖維斷裂；在10J沖擊能量下，上層面板和3J沖擊能量下的破壞形貌相同，但下層面板出現(xiàn)了部分層間分層，并且在最后一層預浸布上出現(xiàn)了纖維抽拔現(xiàn)象。

圖2 不同復合材料在不同沖擊能量下極限沖擊載荷的比較Fig.2 Comparison of limit compact load of different composites at different impact energies

由圖4可以看出，在不同的沖擊能量下，單向面板泡沫夾層復合材料的上層面板承受了最大程度的破壞，出現(xiàn)了基體開裂和纖維斷裂，主要沿纖維方向呈狹長的正方形破壞，但由于相鄰層間的纖維方向一致，并沒有出現(xiàn)層間分層現(xiàn)象；在10J沖擊能量下，下層面板沿纖維方向劈裂破壞。

由圖5可以看出，在1J沖擊能量下，單向結構復合材料層合板的部分層出現(xiàn)了破壞，但并未完全失效；在3J和10J沖擊能量下，由于相鄰層間纖維

的方向一致，主要以樹脂沿纖維方向發(fā)生劈裂破壞為主，同時位于沖頭中間的纖維出現(xiàn)了斷裂，最終材料完全失效，而且纖維斷裂的寬度明顯比泡沫夾層復合材料的小，這表明泡沫夾層復合材料的纖維利用率高。所以16層單向結構復合材料層合板所能承受的最大載荷比泡沫夾層復合材料8層上面板所能承受的小，而泡沫夾層復合材料的質量相對復合材料層合板卻增加很少。

圖3 不同沖擊能量作用下正交面板泡沫夾層復合材料的破壞形貌Fig.3 Failure morphology of the impact surface（a-c）and cross-section（d-f）of the foam sandwich composite with cross-ply face sheets at different impact energies

圖4 不同沖擊能量下單向面板泡沫夾層復合材料的破壞形貌Fig.4 Failure morphology of the impact surface（a-c）and cross-section（d-f）of the foam sandwich composite with unidirectional face sheets at different impact energies

從圖6可以看出，在1J沖擊能量下，正交結構復合材料層合板沒有發(fā)生破壞，而是處于彈性范圍內(nèi)，載荷最大值與泡沫夾層復合材料的相近，如圖2（d）所示；在3J和10J沖擊能量下，材料沿寬度方向折斷。這與泡沫夾層復合材料的破壞形式完全不同。正交面板泡沫夾層復合材料在3J和10J沖擊能量下，上層面板不僅發(fā)生了局域性正方形破壞，而且斷裂纖維區(qū)域比復合材料層合板的更大。可見，高剛度泡沫芯材使得復合材料在承受沖擊載荷時，纖維的利用率和能量吸收能力得到大幅提高。

圖5 不同沖擊能量下單向結構復合材料層合板的破壞形貌Fig.5 Failure morphology of the unidirectional laminates at different impact energies

圖6 不同沖擊能量下正交結構復合材料層合板的破壞形貌Fig.6 Failure morphology of the cross-ply laminates at different impact energies

3 結 論

（1）無論是泡沫夾層復合材料，還是復合材料層合板，其正交鋪層結構比單向鋪層結構的沖擊載荷峰值高，沖擊損傷程度小，抗沖擊能力好。

（2）在兩種鋪層方式下，泡沫夾層復合材料的沖擊載荷峰值比復合材料層合板的高，沖擊損傷程度小，抗沖擊能力好。

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