制造工藝對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

張佳蔚 孫笠 呂思彤 亢愛萌 司薇薇

摘 要：采用不同制造工藝制作碳纖維/環(huán)氧樹脂面板及其泡沫夾層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了力學(xué)性能測試，分析制造工藝對制品力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，真空導(dǎo)入法制作的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，力學(xué)強(qiáng)度大;泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓性能主要取決于芯材性能，彎曲性能主要取決于面板性能。

關(guān)鍵詞：泡沫夾層結(jié)構(gòu);制造工藝;力學(xué)性能

1 引言

夾層結(jié)構(gòu)自第二次世界大戰(zhàn)產(chǎn)生至今，應(yīng)用范圍從最初的航空工業(yè)到近年的飛機(jī)、船舶、車輛、建筑等領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)因其具有質(zhì)量輕、剛度大、保溫隔熱等優(yōu)點(diǎn)，適用于雷達(dá)天線罩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、交通工具等制造領(lǐng)域[1，2]。聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）剛性泡沫是一種閉孔剛性發(fā)泡材料，可用作輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料[3];碳纖維/環(huán)氧樹脂強(qiáng)度大，可作為面板材料[4]。本文采用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法制作碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，又用一次固化法和二次固化法制作泡沫夾層結(jié)構(gòu)，分析不同成型工藝對面板和夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原料

國產(chǎn)E-51環(huán)氧樹脂;國產(chǎn)3K 200g碳纖維斜紋布;國產(chǎn)PMI硬質(zhì)泡沫塑料;國產(chǎn)PMR脫模劑。

2.2 試樣制備

采用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法分別制備碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，碳纖維布鋪層方向均為[0，0，45，45]。

采用一次固化法和二次固化法制作碳纖維/環(huán)氧樹脂泡沫夾層結(jié)構(gòu)。一次固化法是將浸膠的碳纖維和泡沫芯材組合后，同步固化。二次固化法是先將上下面板固化，再與泡沫芯材膠黏在一起。一、二次固化法均分別采用手糊法和真空袋壓法制作夾層結(jié)構(gòu)，厚度控制為30 mm。

2.3 性能測試

碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板按照GB/T 3354-2014、GB/T 1451-2005、GB/T 3356-2014標(biāo)準(zhǔn)，分別測試?yán)臁_擊和彎曲性能。泡沫夾層結(jié)構(gòu)按照GB/T1452-2018、GB/T 1453-2005、GB/T 1456-2005標(biāo)準(zhǔn)，分別測試平拉、平壓和彎曲性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板的力學(xué)性能

用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板的厚度不同，分別為1.424mm，1.152mm，1.356mm，這主要是浸膠方式不同造成的。手糊法利用刷子迫使纖維浸膠，真空袋壓法和真空導(dǎo)入法利用大氣壓。真空袋壓法得到的面板最薄，一方面是因?yàn)槔昧舜髿鈮海硪环矫媸且驗(yàn)槲z氈吸走了多余的樹脂。對不同制作工藝得到的面板進(jìn)行彎曲、拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

比較表1數(shù)據(jù)可知，真空導(dǎo)入法制備的面板彎曲、拉伸和沖擊性能大于真空袋法大于手糊法。這與碳纖維的含量有關(guān)，碳纖維含量增大，面板彎曲性能變好。但真空導(dǎo)入法面板碳纖維含量略小于真空袋壓法，而前者的彎曲性能優(yōu)于后者。這主要是因?yàn)檎婵沾鼔悍ㄖ圃煺婵諘r，樹脂快速浸入吸膠氈，增大纖維含量的同時影響纖維和樹脂間的界面強(qiáng)度。真空導(dǎo)入法容易控制樹脂導(dǎo)入速度，保證樹脂浸潤效果。

3.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能

采用一次固化和二次固化的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓和彎曲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2中的平拉和平壓數(shù)據(jù)顯示，一次固化和二次固化所得碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉性能和平壓性能差別不大，且與泡沫芯材的數(shù)據(jù)相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，面板與芯材結(jié)合力足夠時，破壞主要為芯材斷裂。這說明夾層結(jié)構(gòu)的平拉和平壓性能主要受芯材性能影響。另外手糊法制得的夾層結(jié)構(gòu)比真空袋法制得的夾（下轉(zhuǎn)第229頁）（上接第227頁）層結(jié)構(gòu)，平拉強(qiáng)度略大、平壓強(qiáng)度略小，這可能是因?yàn)檎婵沾鼔悍ɡ么髿鈮海尚偷膴A層結(jié)構(gòu)有內(nèi)應(yīng)力的存在。

彎曲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夾層結(jié)構(gòu)的破壞主要是芯材破壞而非面板屈曲，這說明夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能主要受面板性能影響。從表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，手糊法制作的兩種夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能彼此相當(dāng)，真空袋法也是如此，這也說明對于彎曲性能，面板質(zhì)量的影響更大。

4 結(jié)論

真空袋法制作的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板纖維含量高，真空導(dǎo)入法的面板拉伸、彎曲、沖擊性能好。夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓性能主要取決于芯材性能，彎曲性能主要取決于面板性能。真空袋法制作的夾層結(jié)構(gòu)，平拉強(qiáng)度略小、平壓強(qiáng)度略大。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐竹.復(fù)合材料成型工藝及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2017.

[2]趙銳霞，尹亮，潘玲英，等.PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)性能研究[J].宇航材料工藝，2012，42（005）：34-37.

[3]趙銳霞，尹亮，潘玲英.PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)在航天航空工業(yè)的應(yīng)用[J].宇航材料工藝，2011，41（002）：13-16.

[4]李揚(yáng)，趙紫劍，陳光，等.某小型電動汽車復(fù)合材料夾層地板結(jié)構(gòu)抗彎性能分析與改進(jìn)[J].汽車工藝與材料，2018， 000（002）：55-59.