嵌入式共固化縫合阻尼復合材料的力學性能

閆盛宇,梁森,鄭長升,陳新樂,王玲

(青島理工大學機械工程學院,266520,山東青島)

樹脂基纖維增強復合材料由于具有很高的比剛度、比強度以及優良的阻尼特性,近年來在高速列車、航空、航天等領域得到了廣泛應用[1-5]。復合材料力學性能的可設計性又為其阻尼性能的進一步提高和結構的優化提供了廣闊的空間。嵌入式共固化復合材料阻尼結構(ECCDS)是在傳統樹脂基纖維增強復合材料的基礎上,把阻尼材料通過共固化的方式嵌入其中。目前的ECCDS有兩種固化方式:一種是使用市售已硫化的橡膠片作為阻尼材料,并使用膠黏劑黏結,最后固化成型[6-8]。該固化方式只是使用膠黏劑把兩種材料黏結在一起,已硫化阻尼材料在固化時受到高溫高壓作用后會返原老化,導致樹脂層與橡膠層開裂。梁森等針對上述問題,通過研究并配制阻尼材料,提出了一種新的固化方式,即使用未硫化的阻尼材料直接與復合材料預浸料發生共固化,阻尼材料通過物理融合、化學交聯與復合材料形成互穿網絡結構長在基體樹脂上,大大提高了黏彈性材料與復合材料的層間結合性能[9]。

然而,由于ECCDS層間剪切強度主要由阻尼層決定,在很多情況下阻尼層強度仍弱于基體樹脂,導致該材料的應用范圍受到限制。基于此,本文提出了一種嵌入式共固化縫合阻尼復合材料(ECSDC)。ECSDC是在ECCDS的基礎上,用線狀纖維對復合材料預成型體進行縫合,然后進行共固化而成。縫合后的復合材料進行共固化時,預浸料中的樹脂會沿著縫合材料流動,待固化完成后,在復合材料板的法線方向上形成樹脂和縫合材料的復合體,可有效增強復合材料的層間剪切強度和面外力學性能。本文還開發了ECSDC的制作工藝,完成了試件的加工,并對其進行了層間剪切試驗、自由衰減試驗和拉伸試驗,得到材料的層間結合性能、阻尼性能與拉伸強度隨針距的變化規律,可為對三向力學性能有要求的復雜受載大阻尼復合材料構件的廣泛應用提供參考。

1 試驗材料與制作工藝

1.1 ECSDC板制作材料的選擇

本文選擇的預浸料為玻璃纖維預浸料(型號HFS10,中國兵器工業集團第五三研究所),以酚醛樹脂(型號93-68123,無錫欣葉豪化工有限公司)作為基體,E-玻璃纖維(型號EW210F-120,宏達玻璃纖維布廠)作為增強體,酚醛樹脂的固化溫度為165 ℃。黏彈性阻尼材料主要成分為丁腈橡膠(型號1072,豐源橡膠制品廠)、炭黑、白炭黑、防老劑、促進劑(型號分別為N330、T40、防老劑4020、橡膠促進劑TMTD,青島金蘭化工有限公司)等,通過調節阻尼材料的組分使阻尼材料的硫化溫度曲線與酚醛樹脂的固化溫度曲線相吻合,最終達到共固化的目的[10-12]。縫合材料選擇1500旦的Kevlar49纖維(型號220dtex,常州高遠化工有限公司),Kevlar49纖維力學性能良好,并且具有耐高溫性能?？p線為三股纖維編織而成,Kevlar49纖維密度為1.44 g/cm3,纖維橫截面積為0.12 mm2[13-14]。

1.2 ECSDC板的制備工藝

1.2.1 阻尼材料的制作 按照阻尼材料的預定組分量取材料,利用密煉機把所用材料混合均勻,混煉出膠料。為了方便阻尼材料的溶解,把混合好的膠料放在開煉機上壓成厚度大約為1 mm的薄片。

1.2.2 阻尼材料的溶解 把煉制好的阻尼材料薄片剪成小碎片,然后把四氫呋喃(型號109-99-9,國藥集團化學試劑有限公司)與阻尼材料按照7∶1的質量比放在燒杯中進行溶解。為了使阻尼材料溶解完全,使用玻璃棒多次攪拌,最后密封燒杯口放入陰涼處保存,期間每4 h攪拌一次,直至阻尼材料徹底溶解。圖1為處理好的阻尼材料與制備完成的阻尼材料溶液。

圖1 阻尼材料與阻尼材料溶液

1.2.3 刷涂阻尼薄膜與復合材料的縫合 把溶解好的阻尼膠漿用齊頭軟毛刷均勻地刷涂在復合材料預浸料上。多次試驗探索發現,由于阻尼材料與四氫呋喃的混合比例是固定的,只要控制好刷涂速度,每刷涂一層阻尼膠漿,晾干后的厚度即為0.025 mm,本文制作的試件阻尼層厚度為0.1 mm,需要刷涂4次。刷涂過程中采用雙面刷涂的方法,每刷涂一次之后,需要等待2～3 h,直至四氫呋喃完全揮發后再進行下一次刷涂。刷涂好的復合材料采用正交鋪層合并在一起。

現有縫合方法主要分為單面縫合與雙面縫合,其中雙面縫合又分為鎖式縫合、改進鎖式縫合與鏈式縫合。結合現有試驗條件與各種縫合法的特點,最終選擇采用改進鎖式縫合法。保持行距為10 mm不變,針距分別為8、10、12、14、16 mm。圖2為刷涂與縫合完成后的復合材料預成型體。

圖2 復合材料的刷涂與縫合

1.2.4 抽真空與材料的共固化 為保證共固化后的效果,首先利用真空泵把復合材料預成型體內的氣體抽出,以減少固化后試件的缺陷。利用真空袋與密封膠把縫合好的復合材料預成型體密封好,通過三通管把真空袋內的氣壓保持在-0.1 MPa以下,把預成型體內的空氣排出。

把抽完真空的復合材料預成型體取出放入熱壓罐內進行共固化,其共固化工藝過程如圖3a所示,具體為:升、降溫速率為3.5～4.5 ℃/min,25 min后從室溫升溫到130 ℃,加壓至0.5 MPa,并在該溫度和壓力下保持30 min;然后在20 min內升溫到165 ℃,維持當前溫度和壓力2 h;結束后釋放壓力,并在40 min內降溫到室溫,取出試件。圖3b為共固化后的ECSDC板。

(a)共固化工藝曲線

(b)共固化后的ECSDC板圖3 共固化工藝曲線和共固化后的ECSDC板

1.3 層間剪切測試

為了檢測ECSDC板的層間結合性能,設計雙切口剪切試驗試件,試件分為5組,針距分別為8、10、12、14、16 mm,每組5個試件,并取試驗數據的平均值作為評估剪切強度的依據。試件的規格為25 mm×150 mm×2.1 mm,其中阻尼層厚度為0.1 mm。高鐵拉力測試機(GT-TCS-2000)的拉伸速度為2 mm/min,斷裂敏感度設為95%。圖4為剪切試件及其裝夾結構。

圖4 剪切試件及其裝夾結構

1.4 自由衰減試驗

為研究嵌入式共固化縫合復合材料結構阻尼性能隨縫合參數的變化規律,采用自由衰減試驗對其進行測試。主要試驗儀器為B&K公司的激振力錘、pulse、數據處理軟件pulse-reflex以及上海歐多公司的位移傳感器,型號分別為8206-002、4524-B004、3560B。邊界條件為一邊固支,在自由衰減測試系統中,縫合梁試件尺寸為25 mm×250 mm×2.1 mm,縫合針距分別為8、10、12、14、16 mm,每組5個試件,取平均值作為最終結果。

1.5 拉伸破壞試驗

為了探究彈性模量與拉伸破壞應力隨針距的變化規律,使用萬能拉伸試驗機對試件進行了拉伸測試。試件的規格與上述自由衰減試件規格相同。為了探索縫合后的試件與縫合前試件拉伸強度的關系,拉伸試驗增加一組未縫合試件作為對比。試驗所用儀器為100 kN微機控制電子式萬能試驗機,型號為WDW-100E,分別對同一組的5個試件進行測試。

2 結果與分析

2.1 ECSDC層間剪切試驗測試結果及分析

圖5為層剪破壞的應力應變圖,圖中實線是縫合針距為16 mm試件A的層間拉伸應力應變曲線,虛線為未縫合試件B的層間拉伸應力應變曲線。通過計算得知,試件A的層間結合強度為6.12 MPa,試件B的層間結合強度為5.17 MPa。由圖可知:縫合后試件的層間最大剪切應力明顯增大,而且有第二峰值,強度為1.76 MPa?？p合后的試件在共固化時,樹脂會隨著縫線填充針孔,最終固化形成樹脂釘。樹脂釘的存在導致了最大剪切應力的第一峰值增大,而縫線本身則形成曲線的第二峰值,該特性可以保證零件在徹底發生層間破壞之前存在破壞預警,有重要的實際意義。

圖5 層剪破壞的應力應變圖

圖6為層間結合強度隨針距的變化曲線。由試驗數據可得,ECSDC試件的層間結合強度為6.12～7.91 MPa。隨針距增大,試件的層間最大剪切強度減小,即縫合后形成樹脂釘的密度影響了ECSDC試件層間剪切強度。從圖中誤差可看出,試驗數據波動并不大。當針距為8 mm時,平均層間結合強度最大為7.91 MPa,比未縫合的試件增加了2.74 MPa,性能高于國內外同類阻尼復合材料的層間結合強度。文獻[7]中未縫合橡膠夾芯層合板的最大層間結合強度為2.41 MPa;文獻[15]中縫合的復合材料泡沫夾層結構的層間結合強度為0.898～1.133 MPa。

圖6 層間結合強度隨針距的變化曲線

2.2 ECSDC阻尼測試結果及分析

在自由振動衰減試驗中使用最小二乘法對離散時域信號進行擬合,從而使試驗精度更高。

圖7為相對阻尼比隨針距的變化曲線,當阻尼層厚度為0.1 mm時,ECSDC的相對阻尼比在2.16%～2.92%,試驗數據的標準差小于0.093。從圖7可知,ECSDC的相對阻尼比要小于ECCDS的,未縫合試樣相對阻尼比為3.25%,縫合針距為8 mm時相對阻尼比為2.16%,縫合針距為16 mm時相對阻尼比為2.92%。隨著針距增大,相對阻尼比增大。其原因在于縫針穿過阻尼層,在阻尼層留下針孔,導致阻尼層的黏彈性材料相對面積減小和相對阻尼比降低。在實際應用時,應綜合考慮工作環境對ECSDC的性能要求,以確定合適的針距。與國內外其他橡膠夾芯復合材料相比,該結構有著較為優越的阻尼性能。文獻[16]以丁苯橡膠為夾芯、以玻璃纖維為上下面板進行縫合,橡膠夾芯層厚度為2 mm,最大阻尼比為2.72%,而本文中橡膠層厚度為0.1 mm,最大阻尼比為2.92%。

圖7 相對阻尼比隨針距的變化曲線

2.3 ECSDC拉伸破壞試驗結果與分析

圖8為ECSDC結構拉伸強度隨針距的變化曲線,由試驗數據得到ECSDC的拉伸強度為412.9～427.4 MPa,圖中誤差棒所代表的標準差小于7.9 MPa。

圖8 不同針距下ECSDC的拉伸強度

從圖8可知,縫合后的ECSDC試件與未縫合試件相比,最大破壞應力有一定程度減小,隨著針距增大,ECSDC的最大破壞應力增大。這是因為縫針會少量破壞復合材料中的纖維,因此在不改變縫線行數的情況下,針距越大被破壞的纖維數量越少,拉伸最大破壞應力越大。

3 結 論

嵌入式共固化縫合阻尼復合材料能提高ECCDS的層間結合性能與拉伸性能,并實現阻尼各向異性,具體結論如下。

(1)從層間剪切試驗結果可知,縫合后的ECSDC試件其層間結合性能與未縫合的相比有明顯的提高,且縫合后的試件有二次剪切峰值。隨著針距的增大,ECSDC的層間結合性能變差。

(2)從ECSDC的自由衰減試驗可知,縫合后ECSDC的相對阻尼比要小于未縫合的,隨著針距的增大,其相對阻尼比隨之增大。

(3)從材料的拉伸破壞試驗結果可知,縫合后ECSDC試件的拉伸強度要比未縫合的小,隨著針距的增大,其拉伸強度隨之升高。