濕熱環(huán)境下泡沫復(fù)合材料夾芯板的Ⅱ型界面剝離

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1 前 言

復(fù)合材料夾芯板通常由上層面板、芯材、下層面板三大部分組成。面板采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，芯材通常采用強(qiáng)度相對(duì)較低的木材、泡沫、蜂窩等。上層面板主要承受壓力作用，下層面板主要承受拉力作用，芯材主要承受剪力作用。各組分根據(jù)各自力學(xué)特性，復(fù)合成承載能力更加優(yōu)異的結(jié)構(gòu)。隨著制造工藝的成熟及成本的降低，復(fù)合材料夾芯板正逐漸應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域[1-3]。現(xiàn)代橋梁建設(shè)中，泡沫復(fù)合材料夾芯板已經(jīng)開始應(yīng)用。但是，橋面板通常處于高溫高濕的工作環(huán)境中，長(zhǎng)期的濕熱環(huán)境勢(shì)必對(duì)夾芯板的各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)表明，在造成泡沫復(fù)合材料夾芯板損傷破壞的諸多因素中，界面剝離損傷占據(jù)了很大比例[4-5]。因此，研究泡沫復(fù)合材料夾芯板在濕熱環(huán)境下的界面剝離性能十分必要。

Majumdar等[6]指出泡沫夾芯復(fù)合材料的性能和可靠性與芯材和面板的粘結(jié)性能緊密相關(guān)。Verghese[7]探討了乙烯基樹脂基體復(fù)合材料的濕熱耐久行為，結(jié)果表明，樹脂基體的吸水率隨著溫度的升高而增加，并且玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)含水率越高，抗拉強(qiáng)度越低。Springer[8]等研究表明乙烯基樹脂類GFRP在濕熱環(huán)境中老化180天后，抗拉強(qiáng)度降低9.5%，而不飽和聚酯樹脂類GFRP抗拉強(qiáng)度則降低14.5%。姚宇超[9]研究了復(fù)合材料層合板在6種濕熱環(huán)境條件下開孔壓縮的極限強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單純吸濕或加熱都使壓縮強(qiáng)度降低，而濕熱耦合作用更為明顯，120℃濕態(tài)下壓縮強(qiáng)度相比于22℃干態(tài)降低了17.05%。于志成[10]對(duì)復(fù)合材料Ⅱ型層間斷裂韌性測(cè)試方法進(jìn)行研究，研究表明端部切口彎曲(ENF)試驗(yàn)測(cè)出的GⅡ是材料的固有常數(shù)，試件尺寸對(duì)ENF試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。目前，前人對(duì)泡沫復(fù)合材料夾芯板Ⅰ[11]型(張開型)剝離研究相對(duì)較多，而對(duì) Ⅱ 型[12,14](滑移型)剝離機(jī)理研究較少。由于夾層結(jié)構(gòu)通常受到復(fù)雜應(yīng)力作用，且面板與芯材材料性能相差較大，在破壞形式中Ⅱ型界面剝離破壞同樣不容忽視[15]。

本文以泡沫復(fù)合材料夾芯板為研究對(duì)象，探討濕熱環(huán)境老化后GFRP面板、泡沫芯材的抗壓強(qiáng)度、壓縮模量變化規(guī)律，以及夾芯板結(jié)構(gòu)中GFRP面板與泡沫芯材Ⅱ型界面剝離臨界能量釋放率(Gc)變化規(guī)律。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

樹脂：選取牌號(hào)為HS-4430的雙酚A型環(huán)氧乙烯基酯樹脂為基體材料。纖維布：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量為800g/m2的雙軸向E型無(wú)堿玻璃纖維布為增強(qiáng)材料，纖維鋪層方向?yàn)?°/90°。引發(fā)劑：過(guò)氧化甲乙酮。促進(jìn)劑：主要原料為異辛酸鉻和苯乙烯。稀釋劑：主要原料為苯乙烯。芯材：100kg/m3的聚氨酯泡沫。

試驗(yàn)所用泡沫復(fù)合材料夾芯板、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試件均采用手糊工藝制備。

2.2 試件制備及老化環(huán)境

試驗(yàn)選取泡沫復(fù)合材料夾芯板試件尺寸為： GFRP面板：250×60×2mm(長(zhǎng)×寬×厚度)，兩層玻璃纖維布(0°/90°);泡沫芯材：250×60×20mm(長(zhǎng)×寬×厚度)。為了模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)界面尖端裂紋擴(kuò)展分層，本次試驗(yàn)根據(jù)ASTM推薦，在夾芯板一端界面處預(yù)留長(zhǎng)度為50mm的裂縫。界面膠合過(guò)程中由不粘附薄膜引入到層板中。試件尺寸如圖1所示。

圖1 端部切口彎曲試驗(yàn)試件尺寸Fig.1 End notched flexure specimen configuration

試驗(yàn)的老化過(guò)程在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行，該濕熱箱由常州國(guó)立實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究所生產(chǎn)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置濕熱箱溫度變化如圖2所示，24h為一個(gè)周期，測(cè)試時(shí)間為90天。相對(duì)濕度設(shè)定為95%。

圖2 濕熱箱溫度變化Fig.2 Temperature change in the hygrothermal chamber

2.3 材性測(cè)試

本試驗(yàn)所用加載設(shè)備為CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2.3.1玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗壓性能 根據(jù)GB/T1448-2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》，GFRP面板壓縮材性試件長(zhǎng)寬高分別取10、10及30mm。挑選出表面無(wú)明顯缺陷的GFRP材性試件放入濕熱箱。分別在老化15、30、60及90天時(shí)取出5個(gè)試件，用游標(biāo)卡尺量得試件長(zhǎng)寬高，并黏貼橫向、縱向應(yīng)變片，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

2.3.2聚氨酯泡沫抗壓性能 根據(jù)GJB1585A-2004《聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料力學(xué)性能試驗(yàn)方法》，將泡沫切割為長(zhǎng)寬高均為60mm的試塊，放入濕熱箱，每次在老化15、30、60及90天時(shí)，分別取出5個(gè)試件在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

2.4 端部切口彎曲試驗(yàn)

將泡沫復(fù)合材料夾芯板放入濕熱箱，每次在老化 15、30、60及90天時(shí)分別取出5個(gè)試件，在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 端部切口彎曲(ENF)試驗(yàn)裝置Fig.3 Set-up of end notched flexure (ENF) testing

試驗(yàn)機(jī)加載頭壓縮速率設(shè)置為1mm/min，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1Hz，同時(shí)以高倍攝像設(shè)備記錄下夾芯板界面剝離裂縫發(fā)生、擴(kuò)展的整個(gè)分層過(guò)程。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)方法要求從夾芯板的預(yù)留裂縫處發(fā)生分層擴(kuò)展。在夾芯板界面處的預(yù)裂紋發(fā)展方向上，涂抹白色修正液以便于能夠直觀地觀測(cè)到界面裂縫分層擴(kuò)展，且在界面下方粘上刻度紙，便于視頻能夠清晰地記錄到裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度。本次試驗(yàn)跨距為210mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板材性試驗(yàn)結(jié)果分析

濕熱老化后夾芯板面板抗壓強(qiáng)度、壓縮模量變化如表1和表2所示。

表1 濕熱老化后GFRP面板抗壓強(qiáng)度值Table 1 Compressive strength of GFRP laminates after hygrothermal ageing

表2 濕熱老化后GFRP面板壓縮模量值Table 2 Compressive modulus of GFRP laminates after hygrothermal ageing

由表1可知，濕熱老化15天，GFRP面板抗壓強(qiáng)度上升幅度較大，此后面板抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢(shì)。由表2可知，濕熱老化15天，壓縮模量大幅上升，15天后，壓縮模量出現(xiàn)較大幅度下降。濕熱環(huán)境對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)的樹脂基體以及基體/纖維界面都有較大影響[16-17]。濕熱環(huán)境易使基體發(fā)生物理、化學(xué)老化，降低基體韌性，降低纖維與基體整體性等。30、60及90天時(shí)，GFRP樹脂在水解和溶脹等作用下，強(qiáng)度和模量均降低。而在濕熱老化15天時(shí)，抗壓強(qiáng)度和模量卻有較大幅度上升，這是因?yàn)闃渲暮蠊袒饔檬沟肎FRP抗壓強(qiáng)度和壓縮模量提高，其影響要大于樹脂水解和溶脹等作用[18]。

3.2 聚氨酯泡沫壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

濕熱老化后聚氨酯泡沫抗壓強(qiáng)度、壓縮模量如表3和表4所示。

表3 濕熱老化后泡沫抗壓強(qiáng)度值Table 3 Compressive strength of foam after hygrothermal ageing

表4 濕熱老化后泡沫壓縮模量值Table 4 Compressive modulus of foam after hygrothermal ageing

從表3和表4可以得出，老化15天、30天，聚氨酯泡沫抗壓強(qiáng)度、壓縮模量都有顯著下降，此后隨著老化時(shí)間增加，泡沫抗壓強(qiáng)度、壓縮模量趨于穩(wěn)定。其主要原因是，濕熱環(huán)境引起氨基甲酸酯基水解，導(dǎo)致分子鏈斷裂而降解老化，在濕熱老化初期水解速度較快，隨著老化時(shí)間增加，水解速度逐漸減慢[19]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1破壞模式 未經(jīng)濕熱老化的夾芯板，裂紋沿著泡沫與GFRP面板界面較緩慢地穩(wěn)定擴(kuò)展，試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯“噼啪”脆斷聲。試驗(yàn)結(jié)束后，分開面板與泡沫，可觀察到面板上黏有少量泡沫，泡沫表面較平整，無(wú)明顯破壞，如圖4所示。

圖4 (a) 未經(jīng)老化夾芯板剝離試驗(yàn)的側(cè)面圖像； (b) 試驗(yàn)結(jié)束后手動(dòng)剝開后的上面板界面粘有少量泡沫Fig.4 Face sheet with a little foams

老化15天后，裂紋由初始點(diǎn)穩(wěn)定擴(kuò)展一小段，此后隨著“噼啪”響聲，裂紋急速失穩(wěn)擴(kuò)展,此時(shí)力-位移曲線突降。由于濕熱老化使得泡沫強(qiáng)度下降較大，部分試件起始裂紋先向泡沫擴(kuò)展10mm左右后，繼續(xù)沿著界面擴(kuò)展，如圖5所示，撕開夾芯板面板，可觀察到面板上黏有的泡沫增多。

圖5 (a) 經(jīng)15天老化后夾芯板的剝離試驗(yàn)側(cè)面圖像；(b) 剝開后夾芯板界面粘有較多泡沫Fig.5 Face sheet with more foams

圖6 濕熱老化后試件端部切口彎曲(ENF)試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of ENF experimental specimen after hygrothermal ageing

3.3.2荷載-位移曲線 未經(jīng)濕熱老化及濕熱老化15天、30天、60天、90天的試件端部切口彎曲(ENF)試驗(yàn)荷載-位移曲線如圖6所示。由圖6可見，未經(jīng)濕熱老化夾芯板試驗(yàn)構(gòu)件在荷載到達(dá)650 N處開始下降，荷載-位移曲線沒有突降段，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。

濕熱老化15天時(shí)，在0～5mm位移內(nèi)，荷載上升幅度增大，表明夾芯板抗彎剛度增強(qiáng)。主要原因是GFRP后固化作用，使得面板剛度增強(qiáng)，而夾芯板抗彎剛度主要由面板決定。荷載達(dá)峰值后，界面裂紋開始亞臨界擴(kuò)展，曲線斜率變小，夾芯板剛度降低。此后伴隨“噼啪”聲響，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，荷載-位移曲線突降。濕熱老化30天時(shí)，變化情況和老化15天相似。濕熱老化60天時(shí)，在0～5mm位移內(nèi)，荷載增幅接近于未老化試件荷載增幅，5～6.5mm位移內(nèi)，荷載近似保持不變，而后荷載突降。濕熱老化90天時(shí)，在0～6mm位移內(nèi)，荷載增幅減小，夾芯板抗彎剛度降低，此后荷載突降，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

3.3.3臨界能量釋放率計(jì)算 根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)，有式(1)所示關(guān)系式：

(1)

其中，G為能量釋放率，?U為材料的應(yīng)變能變化，?A為裂紋擴(kuò)展的面積變化量。

對(duì)Ⅱ型計(jì)算模型進(jìn)行如圖7所示簡(jiǎn)化[20]。

圖7 Ⅱ型計(jì)算模型簡(jiǎn)化Fig.7 Simplified calculation of mode Ⅱ interfacial delamination

假設(shè)C處轉(zhuǎn)角趨于零，由梯形關(guān)系可得如式(2)所示關(guān)系式：

(2)

式中：δC、δA、δD分別為C、A、D處的位移。

在A處有式(3)所示關(guān)系式：

δA=δAB+δBC

(3)

根據(jù)材料力學(xué)可推導(dǎo)出δBC，δAB，分別見式(4)、式(5)。

(4)

(5)

式中，δAB為A點(diǎn)到裂紋尖端B點(diǎn)的垂直方向距離，δBC為B點(diǎn)到C點(diǎn)垂直方向距離，P為荷載，L為試驗(yàn)半跨距，a為裂紋長(zhǎng)度，E11為彈性模量，b為試件寬度，h為試件厚度之半。

CD懸臂梁D點(diǎn)位移如式(6)所示：

(6)

結(jié)合式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)，可得式(7)：

(7)

應(yīng)變能U：

(8)

則Ⅱ型能量釋放率：

(9)

Ⅱ型臨界能量釋放率，即當(dāng)P=Pcr時(shí)：

(10)

式中：GⅡC為Ⅱ型臨界能量釋放率，單位N/mm；Pcr為層間裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為a時(shí)的臨界荷載，單位N；δ為對(duì)應(yīng)于P的加載點(diǎn)撓度，單位mm；a為裂紋長(zhǎng)度，單位mm；b為試樣寬度，單位mm(本試驗(yàn)中b為60mm)；L為試驗(yàn)半跨距，單位mm(本試驗(yàn)中L為105mm)。

當(dāng)荷載—撓度曲線無(wú)非線性段時(shí)，層間裂紋起始擴(kuò)展的臨界荷載取最大載荷；當(dāng)荷載—撓度曲線有非線性段時(shí)，層間裂紋起始擴(kuò)展的臨界荷載取直線段斜率下降5%時(shí)相對(duì)應(yīng)的荷載，如圖8所示。

圖8 臨界荷載取值方法Fig.8 Method of choosing critical load

試驗(yàn)完成后，經(jīng)測(cè)試并計(jì)算得出Ⅱ型臨界能量釋放率，結(jié)果如表5所示。

表5 不同濕熱老化時(shí)間下Ⅱ型臨界能量釋放率Table 5 Calculation results of mode Ⅱ critical energy release rate in different hygrothermal ageing time

研究表明，復(fù)合材料夾芯板Ⅱ型臨界能量釋放率大小主要由界面結(jié)合情況、面板模量、芯材模量決定[5,21]。由表5可知，隨著濕熱老化時(shí)間的增加，能量釋放率總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)闈駸岘h(huán)境使得GFRP面板與聚氨酯泡沫界面結(jié)合能力下降及面板、芯材模量降低。濕熱老化后，聚氨酯泡沫中氨基甲酸酯基水解，界面處泡沫部分孔洞發(fā)生坍塌，加之GFRP面板樹脂水解、溶脹，使得兩種材料界面結(jié)合能力降低。同時(shí)，濕熱老化使得復(fù)合材料面板、泡沫芯材模量都有較大幅度的下降。

4 結(jié) 論

1.濕熱老化15天， GFRP面板由于后固化作用，抗壓強(qiáng)度、壓縮模量提高。此后，隨著老化的持續(xù)進(jìn)行，抗壓強(qiáng)度、壓縮模量呈下降趨勢(shì)。

2.聚氨酯泡沫在濕熱老化15、30天時(shí)，抗壓強(qiáng)度、壓縮模量下降迅速，老化30天后抗壓強(qiáng)度、壓縮模量趨于穩(wěn)定。

3.未經(jīng)濕熱老化的泡沫復(fù)合材料夾芯板裂紋均處于亞臨界擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為較緩慢的穩(wěn)定擴(kuò)展;濕熱老化15天后，裂紋出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展，界面脆性破壞。

4.Ⅱ型能量釋放率隨著濕熱老化時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，老化90天，Gc下降26.68%。

[1] 葉列平, 馮鵬. FRP 在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與發(fā)展 [J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2006, 39(3): 24～36.

[2] 咸貴軍, 李惠. FRP 復(fù)合材料土木工程應(yīng)用與耐久性 [J]. 材料工程, 2010, (z1):121～126.

[3] 王全鳳, 楊勇新, 岳清瑞. FRP復(fù)合材料及其在土木工程中的應(yīng)用研究 [J]. 華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 26(1): 1～6.

[4] 唐桂云, 王云飛, 吳東輝, 李建國(guó). 先進(jìn)復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè) [J]. 纖維復(fù)合材料, 2006, 23(1): 33～36.

[5] 王燦. 泡沫夾芯復(fù)合材料界面破壞行為及增韌研究 [D]. 大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文,陳浩然, 大連, 2012. 2.

[6] Majumdar P, Srinivasagupta D, Mahfuz H, et al. Effect of Processing Conditions and Material Properties on the Debond Fracture Toughness of Foam-core Sandwich Composites: Experimental Optimization [J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2003,34(11): 1097～1104.

[7] Verghese N, Hayes M D, Garcia K, et al. Influence of Matrix Chemistry on the Short Term, Hydrothermal Aging of Vinyl Ester Matrix and Composites under Both Isothermal andThermal Spiking Conditions [J]. Journal of Composite Materials, 1999, 33(20): 1918～1938.

[8] Springer G, Sanders B, Tung R. Environmental Effect on Glass Fiber Reinforced Polyester and Vinylester Composites, Environmental Effects on Composite Materials [M]. Westport, CT: Technomic Publishing Company, 1981.

[9] 姚宇超, 許希武, 毛春見. 濕熱環(huán)境下開孔復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度 [J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015, 33(3): 425～431.

[10] 于志成. 復(fù)合材料Ⅱ型層間斷裂韌性試驗(yàn)方法研究 [J]. 航空材料學(xué)報(bào), 1997, 17(4): 54～61.

[11] Avilés F, Carlsson L A. Analysis of the Sandwich DCB Specimen for Debondcharacterization[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2008, 75(2): 153～168.

[12] ShindoY, NaritaF, Sato T. Analysis of Mode II Interlaminar Fracture and Damage Behavior in End Notched Flexuretesting of GFRP Woven Laminates at Cryogenictemperatures [J]. Acta Mechanica, 2006, 187(1～4): 231～240.

[13] Horiguchi K, Shindo Y, Kudo H, Kumagai S. End-notched Flexure Testing and Analysis of Mode ii Interlaminar Fracture Behavior of Glass-cloth/epoxy Laminates at Cryogenictemperatures [J]. Journal of Composites Technology & Research, 2002, 24(4): 239～245.

[14] Ducept F, Davies P, Gamby D. Mixed Mode Failure Criteria for a Glass/Epoxy Composite and an Adhesively Bonded Composite/Composite Joint [J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2000, 20(3): 233～244.

[15] 朱華東. 縫合復(fù)合材料II型層間斷裂特性研究 [J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2001, 18(2): 85～89.

[16] Abanilla M A, Li Y, Karbhari V M. Durability Characterization of Wet Layup Graphite/epoxy Composites Used in External Strengthening [J]. Composites Part B: Engineering, 2006, 37(3): 200～212.

[17] 周萌. GFRP與BFRP復(fù)合材料的濕熱耐久性能研究 [D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,咸貴軍,哈爾濱,2013, 6.

[18] 王曉潔. 濕熱老化對(duì)高性能復(fù)合材料性能的影響 [J]. 固體火箭技術(shù), 2006, 29(3): 301～304.

[19] 鄧?yán)? 聚氨酯保溫材料人工加速濕熱老化性能研究 [J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 14(3): 49～53.

[20] 尹凱. 濕熱環(huán)境下復(fù)合材料層間斷裂特性試驗(yàn)研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 矯桂瓊, 西安,西北工業(yè)大學(xué), 1998.6.

[21] Quispitupa A, Berggreen C, Carlsson L A. On the Analysis of a Mixed Mode Bending Sandwich Specimen for Debond Fracture Characterization [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2009, 76(6): 594～613.