整體縫合夾芯結構復合材料力學性能*

曾竟成，魏凱耀，杜　剛，楊金水，鞠　蘇

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙　410073)

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整體縫合夾芯結構復合材料力學性能*

曾竟成，魏凱耀，杜剛，楊金水，鞠蘇

(國防科技大學 航天科學與工程學院， 湖南 長沙410073)

摘要：所設計的新型整體縫合泡沫夾芯復合材料結構，能夠避免一般斜縫方式引起纖維交叉損壞的弊端。采用真空導入模塑工藝制備整體縫合泡沫夾芯結構復合材料，研究縫合結構、縫合方式以及縫合紗線用量對整體縫合泡沫夾芯復合材料平壓力學性能和彎曲性能的影響。結果表明，新型縫合結構在保證平壓力學性能的同時，相比于垂直縫合結構彎曲破壞載荷提高了94.4%；穿透縫合方式能夠顯著提高試樣的平壓強度和彎曲破壞載荷；隨著縫合紗線用量的增加，整體縫合泡沫夾芯復合材料的壓縮和彎曲性能顯著提高。

關鍵詞：夾芯結構；縫合；復合材料；平壓性能；彎曲性能

夾層結構是由上下兩層面板與輕質的芯材組成，面板采用高性能的復合材料，芯材為輕質的泡沫、蜂窩材料等。輕質材料使面板遠離中性面，使得夾芯結構具有優異的彎曲性能[1]。面芯結合是夾芯結構的薄弱部分，容易分層破壞。同時由于芯材力學性能較差，夾芯結構的平壓力學性能較弱[2-4]。利用纖維紗線，按照一定的排布，將干態的上下面板與泡沫芯材縫合在一起，形成整體結構，然后采用真空導入模塑工藝(Vacuum Infusion Molding Process,VIMP)制備整體縫合夾芯結構復合材料[5]。其中縫合紗線在樹脂固化之后形成承力柱，能夠有效增強夾芯結構面芯連接和提高結構的Z向力學性能。

縫合增強方法主要有垂直縫合與角縫合，其中角縫合的可設計性較好，需要的設計參數主要有縫合結構、縫合針距、行距、縫合角度和紗線用量等[6]。本文采用一種新型的縫合結構，利用不同股數紗線并股組成一束粗紗對傳統玻璃纖維增強泡沫夾芯結構進行縫合，并制備整體縫合夾芯結構復合材料。通過平壓實驗和外伸梁三點彎曲實驗研究縫合結構、縫合方式與縫合紗線用量對整體結構力學性能的影響。

1試樣制備

1.1原材料

未縫合的夾芯結構主要包括上下面板和芯材，其中芯材采用聚氯乙烯泡沫(常州天晟新材料股份有限公司提供)，面板材料為Lintex L1200玻璃纖維單向布(Lintex公司提供)，縫合紗線采用1200tex玻璃纖維紗(中材科技股份有限公司提供)，三種材料的相關性能如表1所示。使用的樹脂基體為Swancor 905-2乙烯基樹脂(上緯精細化工有限公司提供)。

表1　材料的基本性能

1.2預成型體制備

傳統的角縫合通過不同縫線的交叉排布可以有效增加縫線數量，提高縫合質量。但是由于交叉縫合需要在同一部位進行兩次縫合操作，第二次縫合會嚴重影響第一次縫合操作的縫線形態，改變纖維方向，降低材料整體性能，同時在兩次縫線相交部位呈現一種隨機交叉，使材料總體性能更加難以保證[7]。所采用的縫合結構面內縱向與橫向都進行縫合，并且全部縫線沒有交叉，避免前后縫合操作的相互影響。整體縫合結構主要的縫合參數包括縫合針距、行距、縫合角度等，如圖1所示。

圖1　整體縫合縫線構型Fig.1　Schematization of the stitched sandwich

由于面內縱向與橫向同時縫合，并且所有縫線不交叉的設計要求，縱向與橫向縫合針距相等，同時行距為縫合針距的1/2，并且在整體厚度確定的情況下，縫線的傾斜角度也被確定，即縫合針距可以確定這種縫合結構的拓撲結構。

單束紗線的縫合如圖2(a)所示，確定一個縫合平面，將紗線穿入針孔，由縫針刺穿干態夾芯結構，縫針按照設定的幾何構型，沿一定角度從結構上表面穿透整體結構并使縫線縫入，然后將縫針傾斜一定角度縫合，如此重復直到一個方向縫合完成，并拉緊縫線。對于整體縫合如圖2(b)所示，對Y方向的縫合按照圖中1，2兩個縫合平面的縫合方式交叉進行；對X方向的縫合按照圖中3，4兩個縫合平面的縫合方式交叉進行，縫合完成即可得到縫合預成型體。為便于縫合，可對泡沫芯材按照縫合要求進行預打孔處理。

縫合結構面板與縫線存在兩種不同的連接方式[8]，分別為穿透縫合和未穿透縫合。兩種連接方式的主要區別如圖3所示。

(a)單束紗線縫合(a) One yarn stitching

(b)整體縫合(b) Overall stitched operation圖2　縫合過程Fig.2　Stitched process

圖3　穿透縫合方式與未穿透縫合方式的區別Fig.3　Difference between the penetrate mode and the un-penetrate mode

1.3縫合夾芯復合材料構件的制備

縫合工藝制備預成型體完成后，采用VIMP制備整體縫合夾芯復合材料構件[9-11]。VIMP成型原理是在單面剛性模具上以柔性真空袋膜包覆、密封增強材料預成型體，抽真空排出模腔中的氣體，利用樹脂的流動、滲透實現樹脂對預成型體的浸漬，并加熱或在室溫條件下固化成型。VIMP示意圖如圖4所示。

圖4　VIMP 示意圖Fig.4　Schematic drawing of VIMP

主要研究新型縫合結構與垂直縫合結構[5]、面板與縫線的連接方式以及縫合紗線用量對整體結構力學性能的影響。確定縫合針距為40 mm，同時縫合用針的直徑確定為3.5 mm。設計以下五組縫合試樣編號并進行研究，如表2所示。制備完成后五組試樣的厚度和面密度如表3所示。

表2　研究試樣

表3　試樣面密度

整體縫合泡沫夾芯復合材料制備完成后，可通過去除芯材泡沫部分，使露出縫合纖維柱的桿件結構，如圖5所示。

圖5　縫合纖維柱桿件結構Fig.5　Structure of stitched fiber column bar

2壓縮性能

2.1平壓試驗方法

縫合纖維紗線經樹脂浸潤后形成復合材料柱體承力，能夠顯著增強泡沫夾芯結構的Z向壓縮模量和強度。按照夾芯結構或芯子平壓性能試驗方法(GB/T 1453-2005)[12]進行平壓試驗。夾具主要包括兩塊剛性平板墊塊，試驗在WDW-100多傳感器電子萬能試驗機上進行，試驗加載速度為1 mm/min。

通過試驗測定得到載荷-變形曲線，按照式(1)可計算得到試樣的Z向壓縮模量Ez。

(1)

式中，ΔP為載荷位移曲線上直線段的載荷增量值，單位為N；H為縫合夾芯結構復合材料試樣厚度，單位為mm；t為面板厚度，單位為mm；Δh為對應ΔP的壓縮變形增量值，單位為mm；l和b分別為試樣長度和寬度，單位為mm。

縫合泡沫夾芯復合材料的壓縮強度由式(2)求得。

(2)

式中，Pmax為載荷-位移曲線上的最大載荷值。

2.2平壓破壞模式

從試驗方案中可以看出，面板的力學性能對整體縫合泡沫夾芯結構復合材料的Z向力學性能的影響有限，芯材結構的力學性能對其有重要影響[13]。在平壓載荷的作用下，主要的變形與破壞都出現在芯材部分。

觀察去除泡沫后的結構發現，主要的破壞發生在縫合纖維柱上，并且以纖維柱剪切斷裂為主，破壞發生在纖維柱與面板的連接部位，如圖6所示。

圖6　平壓載荷下的破壞模式Fig.6　Failure mode in flatwise compression test

2.3平壓試驗結果

相同縫合紗線用量，不同縫合方式試樣的應力-應變曲線如圖7所示。從圖中可以看出，整體縫合夾芯結構在低應力水平下，呈線性行為。在達到一定載荷之后試樣破壞，承載能力下降。在破壞載荷之前，曲線呈現多鋸齒形波動。在加載初期，主要是縫合纖維柱承力，隨著變形加大，纖維柱發生屈曲，將載荷傳遞給泡沫部分。泡沫受到的主要是壓縮作用以及纖維柱變形引起的剪切作用。不同部位的泡沫受到的載荷水平差別很大，呈現不同的或局部的微小屈曲。在纖維柱完全屈曲并破壞之前，整體結構仍能保持一定的承力效果，呈現應力鋸齒形波動上升的現象。在纖維柱屈曲破壞之后，整體結構的承力效果顯著下降，并出現整體破壞的現象。

圖7　平壓載荷作用下的整體縫合夾芯結構復合材料應力-應變曲線Fig.7　Stress-strain curves of integrated stitched sandwich composite in flatwise compression test

表4給出所有研究試樣的平壓力學性能，新型縫合結構(8SY/AS/P)與垂直縫合(8SY/VS/P)相比，彈性模量降低了19.7%，壓縮強度降低了22.6%。垂直縫合試樣的壓縮力學性能可以作為相同幾何參數(縫合針距、芯材厚度等)下角縫合方式的極限值。

與未穿透縫合(8SY/AS/UP)相比，穿透縫合(8SY/AS/P)壓縮彈性模量提高了21.6%，壓縮強度提高了26.9%，說明縫合紗線與面板的連接方式對整體結構的壓縮性能影響很大。未穿透縫合使纖維柱與面板之間呈現一種鉸接連接，面板不能有效控制纖維柱的變形，但是穿透縫合使纖維柱與面板之間產生類似于固支的連接方式，面板可以有效控制承力纖維柱的變形，并使纖維柱所受到的應力有效傳遞。

將試樣(8SY/AS/P)、(6SY/AS/P)和(4SY/AS/P)比較可以看出，這種縫合結構下，試樣的平壓性能隨著縫合紗線用量的減少而線性下降，說明在相同縫合結構和縫合參數條件下，縫合纖維柱的力學性能在一定程度上決定著整體試樣的平壓力學性能。

由表4可以看出，整體縫合泡沫夾芯復合材料力學性能的離散度偏大，這與制備工藝有很大關系。纖維縫合由人工完成，縫合操作可能造成纖維錯位、纖維破損、縫線扭曲等多種損傷。同時由于整體縫合結構比較復雜，容易在VIMP注膠過程中形成富樹脂區等缺陷，這也會造成整體縫合泡沫夾芯復合材料力學性能的離散度偏大。

表4　整體縫合夾芯結構復合材料的壓縮性能

3彎曲性能

3.1外伸梁三點彎曲試驗方法

傳統泡沫夾芯復合材料在彎曲作用下主要靠面芯結合力抵抗分層破壞，縫合紗線的加入在增加芯材剛度的同時有效控制面芯結合[14]。為定量評估新型縫合結構對泡沫夾芯復合材料彎曲性能的影響，采用夾層結構的外伸梁三點彎曲試驗標準(GB/T 1456-2005)[15]進行測試。

在彎曲載荷作用下，縫合夾芯結構試樣同時受到彎矩和剪切作用的影響，處于復雜應力狀態[6]。為減小剪切作用對試驗的影響，采用的試樣為長L=420 mm；寬b=60 mm；厚度為試樣實際設計值。試驗跨距為200 mm；外伸梁測量點臂長為100 mm；加載速度為1 mm/min。

安裝調試好試樣，連續加載直至試樣破壞，自動記錄三個測量點的位移量，得到整體縫合夾芯復合材料試樣的彎曲載荷-撓度曲線，破壞載荷由曲線最高點確定，彎曲剛度按照式(3)計算得到。

(3)

式中：D表示整體縫合夾芯復合材料的彎曲剛度，單位為N·mm2；a表示外伸臂測量點距離支撐點的距離，單位為mm；ΔP表示載荷-撓度曲線初始段的載荷增量，單位為N；f1表示對應ΔP外伸點的撓度增量值(取左右兩點的平均值)，單位為mm。

3.2彎曲載荷下的破壞模式

縫合夾芯結構復合材料在彎曲載荷作用下的破壞模式如圖8所示。

未穿透縫合夾芯結構復合材料在彎曲載荷作用下的破壞模式主要是面芯分層，如圖8(a)所示。泡沫部位首先出現裂紋，發展至面芯連接處，導致未穿透縫合試樣出現面芯分層破壞。

(a) 未穿透縫合(a) Un-penetrate mode

(b) 穿透縫合(b) Penetrate mode圖8　彎曲載荷作用下整體縫合夾芯結構復合材料的破壞模式Fig.8　Failure mode of integrated stitched sandwich composite in bending test

穿透縫合夾芯結構在彎曲載荷作用下的破壞模式為面板與縫合紗線交接部位出現白斑，如圖8(b)所示。同時外伸梁部位也出現了白斑，說明兩跨距支撐點之間的彎曲載荷通過縫線傳遞到外伸梁部位。整體縫合夾芯結構復合材料在彎曲載荷作用下，能夠通過縫合紗線有效傳遞應力，使整體結構承載，從而提高結構的抗破壞能力。

3.3試驗結果

相同縫合紗線用量不同縫合方式試樣的載荷-撓度曲線如圖9所示。從圖中可以看出，整體縫合泡沫夾芯復合材料在低載荷水平下呈現線性行為；載荷提高時，呈現一種屈曲變形的力學行為；在載荷達到最大值處，整體結構的承載能力下降。

表5給出所有研究試樣的彎曲性能，新型縫合結構(8SY/AS/P)與垂直縫合(8SY/VS/P)相比，彎曲剛度提高了27.6%，破壞載荷提高了94.4%，縫合結構的差別對整體彎曲性能有很大影響。

圖9　彎曲載荷作用下整體縫合夾芯結構復合材料的載荷-撓度曲線Fig.9　Load-bending curves of integrated stitched sandwich composite in bending test

試樣編號破壞載荷/N離散度/%彎曲剛度/(109N/mm2)離散度/%8SY/AS/P8714.648.31.629.38SY/VS/P4482.815.11.272.38SY/AS/UP4287.683.61.605.66SY/AS/P5774.764.81.2110.14SY/AS/P5486.814.91.116.6

穿透縫合(8SY/AS/P)試樣的彎曲剛度與未穿透縫合(8SY/AS/UP)試樣相當，結合夾芯結構的彎曲性能可知，低載荷水平與連接方式無關。但穿透縫合試樣的破壞載荷是未穿透縫合試樣的2倍，說明縫合紗線與面板的連接方式對整體縫合泡沫夾芯復合材料的破壞模式影響很大，穿透縫合的連接方式能夠有效控制面板與芯材的分層破壞。

對比不同縫合紗線用量對整體縫合泡沫夾芯復合材料的彎曲力學性能的影響可以發現，縫合紗線的增加在提高縫合纖維柱力學性能的同時使整體結構的彎曲性能得到增強。

4結論

所設計的新型縫合結構對泡沫夾芯復合材料進行增強，并采用這種縫合結構制備整體縫合泡沫夾芯結構復合材料，研究其平壓力學性能和彎曲性能。通過與傳統垂直縫合泡沫夾芯復合材料相比，新型整體縫合泡沫夾芯復合材料在彎曲性能方面具有明顯優勢，彎曲破壞載荷提高了94.4%。

在這種縫合結構下，研究穿透縫合和未穿透縫合兩種縫合方式對整體結構力學性能的影響。對比發現，采用穿透縫合的連接方式，面板與縫合紗線呈現一種固支的連接方式，面板能夠有效控制承力纖維柱的變形，并使纖維柱受到的應力有效傳遞，同時提高整體結構的壓縮和彎曲力學性能。

測試不同縫合紗線數量對整體縫合泡沫夾芯復合材料壓縮和彎曲力學性能的影響，結果表明，隨著縫合紗線用量的增加，整體結構的壓縮和彎曲性能可以同時得到提升。

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Mechanical performance of integrated stitched sandwich composite

ZENGJingcheng,WEIKaiyao,DUGang,YANGJinshui,JUSu

(College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：The designed new type stitched sandwich structure of composite materials can avoid the disadvantages of fiber cross caused by the traditional angled stitch. The integrated stitched sandwich composite were prepared by VIMP (Vacuum Infusion Molding Process). The flatwise compression test and the three-point bending test were employed to study the effects of stitching structure, stitching mode and stitching yarn on compression properties and bending properties. Results show that the integrated stitched sandwich composites have excellent compression mechanical properties. Compared with the vertical structure, the flexure failure load is increased by 94.4%. Compared with the unpenetrate stitched mode, the compressive strength and the bending load of penetrating stitched mode are improved significantly. The compression properties and the flexure properties of stitched sandwich composite are improved with the increase of stitching yarn.

Key words：sandwich; stitched; composite; flatwise compression properties; bending properties

中圖分類號：TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)01-009-06

作者簡介：曾竟成(1962—)，男，湖南長沙人，研究員，碩士，碩士生導師，E-mail: 283174621@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51303208，51402235，11202231)；國防科技大學校預研基金資助項目(JC12-01-07)

*收稿日期：2015-09-09

doi:10.11887/j.cn.201601002

http://journal.nudt.edu.cn