結構參數對三維中空夾芯復合材料平壓性能的影響

曹海建 陳紅霞

摘要：三維中空夾芯復合材料是一種新型夾芯結構材料，具有輕質、高強、高模、抗沖擊、隔音、保溫等特性，可廣泛用于航空航天、汽車、儲油罐、船舶、建筑、能源等領域。本文選取芯材高度分別為 2、4、6 和 8 mm，以及芯材間距分別為 4、6 和 8 mm的兩組三維中空夾芯復合材料為樣品，測試其平壓性能，重點研究芯材高度、芯材間距等結構參數對三維中空夾芯復合材料平壓性能的影響，并分析材料的壓縮特性及損傷機理。結果表明，三維中空夾芯復合材料受到平壓載荷時的破壞模式為明顯的脆性破壞，同時，材料破壞形式主要表現為樹脂開裂、纖維斷裂、界面脫粘等特征。三維中空夾芯復合材料的平壓性能隨著芯材高度、芯材間距的增加而下降。研究結果將為該材料的結構優化設計和性能分析奠定理論基礎。

關鍵詞：三維中空夾芯復合材料；平壓性能；芯材高度；芯材間距；破壞模式；壓縮特性

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A

The Influence of Structural Parameters on the Flat-compression Property of Three-dimensional Hollow Sandwich Composites

Abstract： Three-dimensional hollow sandwich composites（3D composites）is a group of new sandwichstructure materials， which have been increasingly used in various industries covering aerospace， automobile， oil tank， ship， building and energy for their excellent properties， such as low weight， high strength， high modulus， impact resistance， sound insulation and thermal insulation. Two group of the 3D composites were investigated in terms of flat-compression properties by using Instron 3385H universal testing machine as a function of the z-direction pile height（2， 4， 6 and 8 mm）and pile distance（4， 6 and 8 mm）， and the influence of structural parameters such as pile height and pile density on the 3D composites was mainly studied， and the compression feature and damage mechanism of the 3D composites were analyzed too. The results show that the typical failure mode of the 3D composites is brittle damage when they suffered flatcompression loads， which is mainly reflected in resin fracture， fiber breakage and interface de-bonding. The flat-compression property of the 3D composites decreased with the increase of pile height and pile distance. The results will lay a foundation for further study on the 3D composites designing optimization and property analysis.

Key words： three-dimensional hollow sandwich composite； flat-compression property； pile height； pile distance； failure mode； compressive characterization

三維中空夾芯復合材料是一種新型夾芯結構，主要由100%的E-Glass纖維連續織造而成，其三明治結構通過Z向纖維整體連接織物的上、下兩層面。三維中空夾芯復合材料具有優異的整體性能，克服了傳統蜂窩、泡沫等夾芯結構易分層、不耐沖擊等缺陷，可廣泛用于航空航天、軌道交通、船舶、建筑、能源等領域。

近年來，國內外學者對三維中空夾芯復合材料進行了較為全面的研究。Bannister等研究了填充聚氨酯泡沫的三維中空夾芯復合材料力學性能，發現填充后的材料力學性能顯著提高；Vuure等用有限元方法對三維中空夾芯復合材料進行了模擬，并借此對材料的力學性能進行了估算；Shyr等對三維中空夾芯復合材料的低速沖擊性能進行了較為系統的研究。國內學者對該材料的研究工作始于本世紀初，如周光明等對比分析了三維中空夾芯復合材料與蜂窩結構復合材料的力學性能；高愛君等研究了三維中空夾芯復合材料力學性能的影響因素；曹海建等研究了三維中空夾芯復合材料的低速沖擊性能及損傷容限。

本文將重點研究芯材高度、芯材間距等結構參數對三維中空夾芯復合材料平壓性能的影響，并分析材料的壓縮特性及損傷機理，為此類材料的結構優化設計和性能分析奠定理論基礎。

1 試驗

1.1 試驗材料與設備

纖維原料：136 tex E-Glass纖維，山東泰山玻璃纖維有限公司提供。

樹脂基體：包括環氧樹脂E51、聚醚胺H023，無錫仁澤化工有限公司提供；脫模劑XTEND807，北京科拉斯科技有限公司提供。

儀器設備：三維織造專用設備，南京玻纖院提供；RTM注射系統，法國Isojet公司；Instron 3385H型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；101A-4S型電熱鼓風干燥箱，南京沃環科技實業有限公司；JA2003型電子精密天平，上海菁海儀器有限公司；S212型恒速攪拌器，上海申順生物科技有限公司。

1.2 三維中空夾芯復合材料的制備

三維中空夾芯織物的制備工藝可參考文獻[9]。三維中空夾芯復合材料的制備采用手糊成型工藝：第 1 步，在模具上先涂上脫模劑，然后貼上一層顏料薄膜，刮平，將已配置完成的樹脂傾倒1/3于薄膜上，用刷子把樹脂均勻鋪開至織物大小；第 2 步，將織物平鋪于已附著樹脂的區域，用輥子壓實織物直到玻璃薄膜上的樹脂基本滲入纖維；第 3 步，將剩余的樹脂均勻緩慢地傾倒于織物上，用刷子刮平或用輥子壓實，使樹脂浸透織物，并擠出氣泡，然后用刷子將上表面的樹脂涂刷均勻。利用上述方法制作了兩組符合質量要求的三維中空夾芯復合材料試樣（圖 1）。

1.3 測試標準

三維中空夾芯復合材料的平壓性能按照GB/T 1453 —2005《夾層結構或芯子平壓性能試驗方法》的相關規定進行。試驗原理：通過帶球形支座的壓縮夾具沿垂直夾層結構面板方向施加壓縮載荷，使芯子破壞，測出平壓強度，同時安裝測量變形儀表測出壓縮變形，可測定平壓彈性模量。圖 2 為試樣平壓受力示意圖，試件規格為60 mm×60 mm，測試加載速度為 2 mm/min。

三維中空夾芯復合材料的測試件規格如表 1 所示。根據平壓性能測試標準中規定的試樣尺寸，對板塊進行分割，得到符合要求的試樣，每種試樣數量為 5 件。

2 結果與討論

2.1 平壓特性

以芯材高度為 8 mm、間距為 6 mm的三維中空夾芯復合材料為例，材料的平壓載荷-位移曲線如圖 3 所示。結合圖 3 和試驗過程可知，材料的平壓特性：初始階段，平壓載荷隨位移增加呈線性增加趨勢，而后出現小段非線性，此時可看到芯材交叉部位及芯材與上下面板接觸部位均出現不同程度的樹脂基體破裂、“發白”等現象，且陸續聽到有試樣破壞時的爆鳴聲；其次，平壓載荷隨著位移的增加而繼續增加，并達到第一個“峰值”，此過程中可看到芯材逐漸發生倒塌，且芯材交叉處以及芯材與面板接觸部位的纖維均出現不同程度的斷裂，樹脂基體破裂現象嚴重，且試樣發出劇烈的爆鳴聲；再次，平壓載荷隨著位移的增加急劇下降，芯材纖維徹底倒覆，上下面板貼在一起；最后，平壓載荷隨著位移的增加出現急劇上升趨勢，此時可看到材料上下面板緊密地貼合在一起，材料變成實心結構，芯材纖維斷裂以及樹脂基體破裂等現象均十分嚴重，材料徹底破壞。

2.2 芯材高度對平壓性能的影響

當芯材間距均為 6 mm時，芯材高度對三維中空夾芯復合材料平壓性能的影響如圖 4 所示。由圖 4 可知，三維中空夾芯復合材料的平壓強度隨芯材高度的增加而逐漸減小。當芯材高度為 2 mm時，材料的平壓強度為7.8 MPa；高度為4 mm時，平壓強度為5.2 MPa；高度為 6 mm時，平壓強度為4.6 MPa；高度為 8 mm時，平壓強度為3.5 MPa。

分析其原因，主要是由三維中空夾芯復合材料的結構決定的。材料的芯材呈“8”字形結構，當高度小的時候，組成“8”字的兩根紗線貼合比較緊，成型后樹脂會填滿“8”字形的兩個空隙，使芯材成為一根較粗的桿，此時復合材料平壓強度較大。當芯材高度達到 4 mm時，“8”字結構主要由 4 根彎桿組成，此時芯材極易失穩，因此強度下降明顯。

2.3 芯材間距對平壓性能的影響

當芯材高度均為 8 mm時，芯材間距對三維中空夾芯復合材料平壓性能的影響如圖 5 所示。由圖 5 可知，三維中空夾芯復合材料的平壓強度隨著芯材間距的增加而下降。當芯材間距為 4 mm時，平壓強度為4.8 MPa；間距為 6 mm時，平壓強度為3.4 MPa；間距為 8 mm時，平壓強度為1.5 MPa。

分析這主要是由三維中空夾芯復合材料的結構決定的，當芯材間距較小時，“8”字形芯材會相互接觸，在承受平壓載荷時能產生協同效應，從而使平壓強度增加很多；相反，當芯材間距較大時，“8”字形芯材中的纖維獨自承擔平壓載荷，不能產生協同效應，因此平壓強度會明顯下降。

3 結論

（1）三維中空夾芯復合材料的破壞特性表現為明顯的脆性破壞，同時，材料破壞形式主要表現為樹脂開裂、纖維斷裂、界面脫粘等特征；（2）三維中空夾芯復合材料的平壓性能隨著芯材高度和間距的增加而下降。

參考文獻

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