Z-pin增強(qiáng)K-Cor泡沫夾層及其強(qiáng)化機(jī)制

鄭瑩瑩,肖 軍

（1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程系, 江蘇 鎮(zhèn)江 212134；2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 南京 210016）

泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有質(zhì)輕高強(qiáng)、損傷容限高和抗潮濕能力等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航天器和導(dǎo)彈外殼等領(lǐng)域。然而，由于泡沫芯材與面板之間膠接強(qiáng)度較低，在受沖擊、彎曲或剪切等載荷作用時，易導(dǎo)致面板與泡沫芯材之間脫粘或分層失效，嚴(yán)重限制其在飛機(jī)承載件上的應(yīng)用，因此，發(fā)展一種有效的Z向增強(qiáng)技術(shù)尤為必要[1-3]。近年來，許多學(xué)者提出采用三維增強(qiáng)技術(shù)提高夾層結(jié)構(gòu)的整體性和力學(xué)性能，主要包括三維縫紉技術(shù)和Z-pin技術(shù)增強(qiáng)的X-Cor[4]、K-Cor[5]泡沫層結(jié)構(gòu)。三維縫紉技術(shù)過程繁瑣，針頭容易折斷或?qū)е屡菽a(chǎn)生較大孔洞對泡沫造成損傷，外界注入滲透的樹脂均勻性難以保證。Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是將樹脂融入纖維中，固化后形成一定剛度，將固化好的纖維作為增強(qiáng)棒，沿著Z向植入泡沫進(jìn)行縱向連接增強(qiáng)的技術(shù)。

Z-pin技術(shù)是美國AZTEX公司研發(fā)的專利技術(shù)。將Z-pin技術(shù)橋接于泡沫夾層中的上下面板與泡沫芯材，減重的同時又能顯著提升結(jié)構(gòu)的完整性。由于Z-pin設(shè)計不同而產(chǎn)生兩種不同輕質(zhì)高強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)，即X-Cor和K-Cor兩種泡沫夾層結(jié)構(gòu)，Z-pin兩端和面板的結(jié)合差異使兩種泡沫夾層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。使用全固化Z-pin制備的X-Cor夾層如圖1（a）所示，兩端露出且刺穿面板，致使泡沫芯材與面板僅形成了機(jī)械連接；而KCor結(jié)構(gòu)（圖1（b））采用的是半固化Z-pin，露出泡沫表面的Z-pin兩端被折彎至泡沫表面，在固化過程中Z-pin與面板內(nèi)活性樹脂基團(tuán)發(fā)生強(qiáng)交聯(lián)作用，有利于泡沫與面板共固化一體化成型。

圖1 Z-pin增強(qiáng)的泡沫基夾層的結(jié)構(gòu)對比 （a）傳統(tǒng)XCor夾層；（b）新型K-Cor夾層Fig. 1 Comparison of Z-pin reinforced foam-matrix sandwich structures （a）traditional X-Cor sandwich；（b）newtype K-Cor sandwich

與傳統(tǒng)X-Cor夾層結(jié)構(gòu)相比，新型K-Cor夾層結(jié)構(gòu)有以下特點[6]：(1) 不完全固化的Z-pin兩端露頭加熱固化時可更好地與蒙皮發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，顯著提升泡沫夾層的結(jié)構(gòu)完整性和強(qiáng)度；(2) 質(zhì)軟、不完全固化的Z-pin植入泡沫后可在泡沫表面折彎，無需植入到蒙皮內(nèi)部，降低了對蒙皮的損傷；(3) 不完全固化的Z-pin不需植入蒙皮，因此蒙皮可以是樹脂纖維或鋁合金等材料，可進(jìn)一步拓寬夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計的自由度，目前K-CorTM技術(shù)在國外航天器羽翼和高附加值的球桿上已得到廣泛應(yīng)用。借助三點彎曲和DCB實驗，Casari等[7]發(fā)現(xiàn)采用Z-pin釘扎技術(shù)可延緩K-Cor結(jié)構(gòu)中裂紋的擴(kuò)展速率，減少脫膠或分層等缺陷。Nanayakkara等[8]為驗證賽艇受到海浪反復(fù)沖擊的失效模型，比較了K-Cor結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的落球沖擊實驗，結(jié)果表明：相同質(zhì)量下K-Cor結(jié)構(gòu)是蜂窩結(jié)構(gòu)損傷容限的三倍，該結(jié)構(gòu)已被應(yīng)用到帆船的船體和桅桿材料。Seibert等[9]借助X射線掃描技術(shù)表征了壓縮實驗下K-Cor結(jié)構(gòu)的破壞形貌，表明Z-pin在拉擠過程中樹脂對纖維浸潤不完全，導(dǎo)致Z-pin在彈性階段發(fā)生“拔銷”失效。Andrea等[10]借助有限元分析軟件剖析了平面壓縮條件下的K-Cor夾層受力情況，得出Z-pin與面板的連接狀態(tài)為彈簧約束。Li等[11]開展了Zpin增強(qiáng)泡沫夾層在航天通信的服役壽命預(yù)測。采用半固態(tài)Z-pin制備新型K-Cor泡沫夾層結(jié)構(gòu)，是對傳統(tǒng)泡沫芯材進(jìn)行Z向增強(qiáng)的一種創(chuàng)新，比傳統(tǒng)蜂窩夾層和X-Cor夾層有更優(yōu)越的力學(xué)性能。然而K-Cor結(jié)構(gòu)在國內(nèi)研究起步較晚，其制備工藝及結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計等研究尚處于探索階段。

作者已對K-Cor結(jié)構(gòu)的拉伸性能、滾筒剝離性能和Z-pin熱擠壓工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究，但對不同固化度的Z-pin及其植入矩陣密度和角度對該夾層受力行為的影響未深入探討[5]。本工作遴選NHZP-1型雙馬樹脂拉擠成型低固化態(tài)的Z-pin，按設(shè)定角度將Z-pin植入Rohacell-51WF泡沫基芯，采用5429/HT7雙馬單向預(yù)浸料作為蒙皮，通過熱壓工藝一體化共固化成型。Z-pin處于較低固化度狀態(tài)，熱固化過程中與蒙皮發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，露出泡沫表面的Z-pin兩端被折彎到泡沫表面，通過觀察不同破壞模式下蒙皮上的Z-pin受損情況，評估其受損形式，優(yōu)化K-Cor泡沫夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 實驗及方法

1.1 原材料及設(shè)備

泡沫芯材采用Rohacell-31wf泡沫，厚度為12.1 mm。單向預(yù)浸料為US12500 as[0/90/0/90]2s用作面板，名義厚度為1 mm，采用各向同性鋪層模式進(jìn)行鋪疊。由高模量T300/雙馬樹脂制成直徑為0.5 mm的Z-pin作為增強(qiáng)棒，按照設(shè)定的角度編植入泡沫中，實現(xiàn)“Z”向增強(qiáng)。

原材料：FW-125雙馬樹脂（昆山裕博公司）和T300碳纖維（模量5K，日本東麗公司），通過熱拉擠工藝制備直徑為0.5 mm和0.7 mm的Z-pin；泡沫芯采用厚度為12.5mm的Rohacell?31IG型PMI泡沫（德國Evonik Degussa公司）；蒙皮面板為US12500單向預(yù)浸料（威海光威公司）鋪疊而成，鋪層順序[0/90]2s，名義厚度1 mm。

設(shè)備：Z-pin熱拉擠機(jī)、數(shù)控自動編植機(jī)等（實驗室自制），平板熱壓機(jī)，萬能SANS試驗機(jī)，熱流型差示掃描量熱儀DSC 200 F3 Mara和光學(xué)顯微鏡DVM5000。

1.2 K-Cor夾層制備

在制備K-Cor夾層結(jié)構(gòu)前，采用DSC測定Zpin固化度并調(diào)控，確保后續(xù)Z-pin與蒙皮樹脂發(fā)生交聯(lián)共固化反應(yīng)（兩者所用樹脂的放熱峰處于同一溫度區(qū)間）。一般影響固化度的因素包括：樹脂中膠含量、熱拉擠參數(shù)和纖維種類等。經(jīng)前期對比實驗，將固化度為55.3%的Z-pin通過數(shù)控自動化機(jī)械手植入PMI泡沫中，植入角(Z-pin和面板法線方向的夾角)為20°。通過整體熱壓工藝將露在泡沫表面的Z-pin折彎（圖2（b））。熱壓板溫度為140～150 ℃，加熱樹脂至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），Zpin端部發(fā)生塑化，按設(shè)定方向壓貼合于泡沫表面。將蒙皮面板鋪覆于兩種芯子上下表面，在熱壓機(jī)上進(jìn)行一體化固化成型，熱壓在0.2 MPa負(fù)壓滅菌器中進(jìn)行，溫度（140 ± 5） ℃，時間2 h，得到KCor夾層結(jié)構(gòu)（實物圖2（c））。相對傳統(tǒng)X-Cor結(jié)構(gòu)的表面凸起和毛刺（圖2（a））等表面損傷，KCor結(jié)構(gòu)表面Z-pin頂端被整體壓制至蒙皮底部，表面平整光滑（圖2（b））。

圖2 實驗室制備夾層結(jié)構(gòu)實物OM圖 （a）X-Cor表面；（b）K-Cor表面；（c）K-Cor橫截面Fig. 2 OM images of foam structures prepared by laboratory （a）X-Cor surface;（b）K-Cor surface;（c）K-Cor cross-section

1.3 Z-pin固化度測定

固化度直接決定Z-pin對泡沫夾層整體性能的增強(qiáng)效果。前期實驗表明：固化度低于30%，會導(dǎo)致Z-pin剛度不夠而不易植入泡沫；固化度高于60%則Z-pin脆性大，植入過程中易發(fā)生折斷，致使Z-pin尖端受損而發(fā)生“纖維粉化”現(xiàn)象，難以被壓實至泡沫表面。用DSC技術(shù)測定T300纖維/雙馬樹脂（Z-pin）和蒙皮面板所用的樹脂的玻璃化溫度點(Tg)。從圖3中DSC曲線可知：T300/雙馬樹脂的放熱峰值在135 ℃附近，蒙皮面板放熱峰處于120～140 ℃范圍內(nèi)。因此，熱壓溫度選擇120～140 ℃，對應(yīng)地，模具溫度選擇120 ℃左右。

圖3 Z-pin（T300/雙馬樹脂）和蒙皮的DSC曲線 (5 °C/min)Fig. 3 DSC curves of Z-pin (T300 / epoxy) and skin panel for K-Cor structures

Z-pin的固化度按式（1）和（2）計算：

式中：ΔH為纖維的反應(yīng)焓，kJ/mol；ΔP′是輸入功率的平均值，mW；t1和t2對應(yīng)于DSC放熱峰的起始溫度和終止溫度，℃；ξ為試樣的固化度；測試溫度從t1到t2時，試樣放熱焓用ΔHt1和ΔHt2表示，kJ/mol。

表1為固化度ξ測試結(jié)果。在120 ℃（模具）/130 ℃（熱 壓）/3.24 mm/s（拉 擠 速 率）條 件 下，Z-pin固化度為31.55%，此時Z-pin剛度不夠；然而，在120 ℃/150 ℃/3.24 mm/s（固化度51.22%）和130 ℃/150 ℃/3.24 mm/s（固化度62.78%）兩種情況下，Z-pin在植入過程中發(fā)生折斷，尖端易受損而發(fā)生“粉化”現(xiàn)象。高固化度的Z-pin中剩余的活性官能團(tuán)較少，與面板發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)較弱，主要形成機(jī)械嵌合[12]。在120 ℃/140 ℃/3.24mm/s（固化度45.59%）和130 ℃/130 ℃/3.24 mm/s（固 化 度49.83%）兩種條件下，Z-pin韌性好，能完整地植入泡沫中沒有發(fā)生折斷，通過熱壓工藝能較好地貼合于泡沫表面。然而，較高的模具溫度會導(dǎo)致膠聯(lián)反應(yīng)過快，不利于后續(xù)蒙皮與低固化態(tài)Z-pin截面發(fā)生膠連固化反應(yīng)。

表1 不同工藝條件下Z-pins固化度測定Table 1 Results of curing degrees for Z-pins under different pultrusion conditions

綜合考慮Z-pin的強(qiáng)度、剛度和在大氣環(huán)境中存放時間（受潮軟化），最終選擇在120 ℃/140 ℃/3.24 mm/s工藝條件下制備Z-pin。

2 結(jié)果與討論

2.1 單根Z-pin強(qiáng)韌性影響

Z-pin作為增強(qiáng)棒，以矩陣排布的形式植入泡沫芯中，與表面蒙皮在熱壓過程中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)以強(qiáng)化泡沫夾層。Z-pin固化度、強(qiáng)度以及與蒙皮之間的交聯(lián)強(qiáng)度對K-Cor夾層整體性能影響顯著。固化度和直徑對Z-pin本身強(qiáng)度影響最大，而與蒙皮的黏結(jié)力則主要取決于固化度和熱壓工藝[13]。圖4為不同固化度Z-pin經(jīng)熱壓后的端部形貌。高固化度（62.78%）Z-pin的剛度高，經(jīng)壓折后，脆性大導(dǎo)致壓折后的纖維端部出現(xiàn)“粉化”現(xiàn)象（圖4（a））；低固化度（45.59%）的Z-pin韌性較好，壓折后保持完整性并貼合泡沫表面，明顯增強(qiáng)泡沫夾層性能（圖4（b））。

圖4 不同固化度Z-pin壓折之后端部 （a）高固化度：纖維“粉化”；（b）低固化度：韌性好Fig. 4 Surface of Z-pin telos after being crushed into foam surface （a）high-curing degree：fiber pulverization；（b）low-curing degree：superior toughness

圖5為單根Z-pin拉伸力學(xué)性能測試。圖5（a）為單根Z-pin拉伸實驗裝置，插圖為Z-pin匝圈，線圈軋輥沒有折斷，顯示出Z-pin具有較好的韌性，存放3天后沒有由于吸潮而變軟，表現(xiàn)出較好的環(huán)境適應(yīng)性。然而，較大固化度的Z-pin在空氣環(huán)境中由于水氣等吸附會導(dǎo)致其剛度降低而發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象。圖5（b）為不同直徑（0.5 mm、0.7 mm）單根Z-pin拉伸曲線，可見0.7 mm的Zpin抗拉強(qiáng)度為65.2 MPa，比0.5 mm（58.1 MPa）的提高約10%，這主要是由于大橫截面的Z-pin具有高的穩(wěn)定性，表面缺陷容易控制。綜合考慮泡沫中Z-pin所占體積分?jǐn)?shù)和植入矩陣密度、角度等因素，實驗優(yōu)選0.5 mm直徑的Z-pin。

圖5 單根Z-pin拉伸力學(xué)性能測試 （a）拉伸裝置；（b）應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Tensile mechanical tests for single Z-pin （a）tensile device；（b）stress-strain curves

2.2 Z-pin植入矩陣密度對K-Cor力學(xué)性能影響

2.2.1 平面外拉伸

按GB 1452—1987“非金屬夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度實驗方法”，在電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行平面外拉伸破壞性測試。線切割成60 mm×60 mm試樣尺寸。待夾頭完全預(yù)緊后，載荷呈線性增長。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時，試樣破壞并伴隨裂紋擴(kuò)展，Z-pin斷裂或被“拔銷”，隨著“嘭”的一聲載荷突然下降，試樣完全破壞。裂紋源起始在泡沫中間，而不是泡沫芯材與上下面板的膠合處，說明Z-pin強(qiáng)度對K-Cor拉伸性能起決定性作用。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋的擴(kuò)展方向會隨著Z-pin的滑移面而發(fā)生一定程度的改變，可見Z-pin與蒙皮之間由于交聯(lián)反應(yīng)而形成了良好的橋接作用，牢固的結(jié)合促使夾層結(jié)構(gòu)的縱向性能增強(qiáng)，進(jìn)而提高K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的平拉強(qiáng)度[14-15]。K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度和模量，計算公式如下：

式中：Pmax為拉伸實驗的最大載荷，N；σ是K-Cor平拉強(qiáng)度，MPa；A對應(yīng)于試樣的橫截面積，mm2；E為K-Cor的平拉模量，MPa；ΔP為載荷增量值，N；h為試樣厚度，mm；Δh對應(yīng)于ΔP的壓縮變形值，mm。

表2為不同工藝參數(shù)下的K-Cor夾層結(jié)構(gòu)和空白泡沫基芯平拉實驗結(jié)果。由表2可以看出，空白泡沫（無Z-pin增強(qiáng)）的抗拉模量為26.62 MPa，較空白泡沫夾層結(jié)構(gòu)而言，經(jīng)Z-pin增強(qiáng)的KCor夾層結(jié)構(gòu)平面拉伸強(qiáng)度和模量均大幅度提高，可見Z-pin技術(shù)對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的拉伸性能起到了顯著的增強(qiáng)作用。

表2 不同規(guī)格下K-Cor夾層的平拉測試結(jié)果Table 2 Effects of different processing parameters on flat tensile properties of K-Cor structures

由表2還可知，在相同植入角度情況下，Z-pin植入矩陣密度為5 mm×5 mm時，其平拉強(qiáng)度和模量均大于植入密度為7 mm×7 mm的試樣。可見隨著植入密度增大，Z-pin在泡沫基芯中所占體積分?jǐn)?shù)變大，同時與面板有效接觸長度增加，高分子官能團(tuán)的增加從而促使交聯(lián)反應(yīng)更加完全，面板與Zpin交聯(lián)結(jié)合更牢固，抵抗變形能力越強(qiáng)。植入密度一定時，K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的平拉強(qiáng)度隨Z-pin植入角度的增加而變大。特別是在70°時，試樣的平拉強(qiáng)度和模量最佳，分別為1.65 MPa和56.19 MPa，較植入角為60°和45°時試樣的增強(qiáng)效果明顯，這主要歸因于大的植入角有利于泡沫夾層在高載荷拉伸過程中保持穩(wěn)定，Z軸向分力較小，故抗變形的能力變強(qiáng)。

圖6為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平面外拉伸測試。失效破壞模式為從泡沫中間分離并撕裂破壞，Z-pin分別與兩側(cè)面板脫粘，蒙皮上留有Z-pin被拔出后的孔洞。從圖6（b）虛框標(biāo)注及Z-pin斷裂形式，觀察到樹脂固化在Z-pin折彎部分；另外，加熱固化時膠液順著Z-pin植入的孔洞而流至泡沫內(nèi)部一起被固化，增強(qiáng)了對Z-pin滑動和拔銷的約束。殘留在無泡沫部分的Z-pin從側(cè)面板脫離拔出，折彎部分由于泡沫的阻擋，增加了試樣的承載力。半固化Z-pin具有良好的韌性，在折角處并未斷裂。

圖6 K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉測試 （a）拉伸實驗裝置；（b）破壞截面圖Fig. 6 Horizontal-tension tests for K-Cor sandwich structures （a）tension device；（b） cross-sectional failure images

測試過程中，裂紋起源于泡沫與面板的弱膠接處，接著向泡沫中間擴(kuò)展，最終泡沫被隨機(jī)撕裂破壞，多數(shù)Z-pin在折彎處與蒙皮脫落，如圖6（b）所示，可見Z-pin與蒙皮的膠接強(qiáng)度是導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)失效的主要因素。選擇半固化的Z-pin與蒙皮進(jìn)行共固化成型，顯著提高了Z-pin與蒙皮的交聯(lián)強(qiáng)度，進(jìn)而提高了K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的完整性。

2.2.2 縱向剪切測試

按GB 1455—1988《夾層結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗方法》，在CMT5105型電子萬能拉伸機(jī)上進(jìn)行縱向剪切測試，加載速率為1 mm/min。試樣尺寸150 mm×60 mm，在上下兩載頭之間固定粘貼試樣并裝有引伸計的加載金屬板，以確保載荷沿豎直方向（試樣對角線方向）傳遞。

圖7為K-Cor夾層和空白泡沫試樣的載荷-位移曲線。由圖7看出，45o [5mm×5mm] 試樣的抗剪切載荷最大。從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度分析，沿著縱向剪切45o方向上受力最大，沿此方向采用Z-pin增強(qiáng)效果最優(yōu)。隨著Z-pin植入密度的增大，增強(qiáng)效應(yīng)增加；植入密度相同時，剪切載荷隨著植入角度的增加而降低[16]：

圖7 不同植入矩陣下Z-pin試樣的剪切載荷-位移曲線圖Fig. 7 Load-displacement shear curves of K-Cor sandwich structure with different Z-pin densities

式中：Pmax為剪切最大載荷，N；τ為剪切強(qiáng)度，MPa；G為剪切模量，MPa；l為試樣長度，mm；b為試樣寬度，mm；h為試樣厚度，mm； Δp為載荷-位移曲線上線性載荷增量值，N；Δh對應(yīng)Δp時的長度增量值，mm。

結(jié)果表明：45°[5 mm×5 mm]工藝條件下，K-Cor夾層試樣顯示出最佳的抗剪切性能，剪切性能和模量較空白泡沫分別提高2.56和1.97倍，增強(qiáng)效果顯著。

圖8為剪切破壞后的兩種典型形式。其中，圖8（a）顯示沿著Z-pin的植入方向在泡沫中間局部缺陷區(qū)萌發(fā)裂紋源，泡沫由此撕裂，接著沿45°方向迅速擴(kuò)展，直至完全分離失效。隨著剪切力的不斷增加，當(dāng)形變量大于泡沫的抗撕裂強(qiáng)度時，首先在泡沫頂端靠近面板處先發(fā)生變形，但受到Z-pin約束，泡沫芯材側(cè)面出現(xiàn)許多沿Z-pin方向的斜向滑移，接著裂紋擴(kuò)展至整個試樣，直至Z-pin受拉或受壓與面板脫離或從泡沫中拔出，試樣最終失效（圖8（b））。

圖8 K-Cor夾層兩種典型剪切破壞形式 （a）沿45o方向；（b）局部缺陷誘發(fā)整體撕裂Fig. 8 Two-typical shear failure modes for K-Cor structures during shear tests （a）along 45°；（b）overall destruction by local defects

2.2.3 單位體積Z-pin對夾層剪切性能影響

為了精準(zhǔn)分析不同體積分?jǐn)?shù)Z-pin對夾層性能的影響，系統(tǒng)研究單位體積Z-pin的增強(qiáng)效果，假設(shè)Z-pin和泡沫對K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度和模量的貢獻(xiàn)相互獨立，則K-Cor的剪切強(qiáng)度和模量按式（7）、（8）測算[17]：

式中：τ為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度，MPa；τfoam對應(yīng)于泡沫對夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；Vpin為Z-pin體積分?jǐn)?shù)，%；τpin為1%體積分?jǐn)?shù)對K-Cor剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，MPa；G為K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切模量，MPa；Gfoam為泡沫對夾層結(jié)構(gòu)剪切模量的貢獻(xiàn)，MPa；Gpin為1%體積分?jǐn)?shù)對K-Cor剪切模量的貢獻(xiàn)（固定植入角條件下），MPa。

圖9為由式（7）、（8）計算得出的1%單位體積分?jǐn)?shù)Z-pin對K-Cor夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度和模量的增強(qiáng)效果。

圖9 1%單位體積Z-pin對K-Cor夾層性能影響 （a）剪切強(qiáng)度；（b）剪切模量Fig. 9 Effects of 1% Z-pin on shear strength of K-Cor structures （a）shear strength；（b）shear modulus

綜上所述，該夾層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度和模量隨著Z-pin植入角度的增加而降低，特別是小直徑Z-pin制備的夾層，下降尤為明顯。這主要是由于大直徑Z-pin覆蓋泡沫有效面積大，可部分覆蓋缺陷表面，同時大比表面對應(yīng)的強(qiáng)化“積分”效應(yīng)增強(qiáng)。此外，在Z-pin植入角度相同時，7 mm×7 mm植入密度試樣的剪切強(qiáng)度、模量均大于植入密度為5 mm×5 mm的試樣，這主要與在泡沫表面上Zpin折彎后預(yù)留的長度有關(guān)，在相同Z-pin體積分?jǐn)?shù)下，Z-pin兩端預(yù)留長度越長，交聯(lián)反應(yīng)越充分，則連接強(qiáng)度就越強(qiáng)。在受拉應(yīng)力的作用時，較長的預(yù)留長度延遲了Z-pin被拉出泡沫。

圖10 剪切實驗過程中Z-pin受力分解示意圖。通過壓縮與拉伸測試對比，Z-pin對K-Cor夾層結(jié)構(gòu)壓縮性能的增強(qiáng)作用明顯高于對拉伸性能的增強(qiáng)。這可能是因為高強(qiáng)度的Rohacell-51WF泡沫基芯在K-Cor夾層壓縮過程中承載了部分應(yīng)力，緩解了Z-pin有效載荷；然而在拉伸或剪切過程中，主要承載對象為Z-pin增強(qiáng)棒，最容易發(fā)生折斷之處位于Z-pin嵌入泡沫后裸露在外面的節(jié)點（圖10（a）☆標(biāo)注）。可見，Z-pin與面板的膠接強(qiáng)度是影響K-Cor夾層結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素，其中Z-pin在嵌入泡沫表面折彎處的節(jié)點質(zhì)量對夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響最大。

Z-pin嵌入泡沫時，在折彎處易造受損傷與應(yīng)力集中，易發(fā)生折斷。鑒于此，借助結(jié)構(gòu)力學(xué)，對Zpin節(jié)點在剪切過程中的受力情況，將剪切力F沿Z-pin方向（F2）和與之垂直方向（F1）兩個方向進(jìn)行分解，分解為受拉應(yīng)力（F1）和受壓應(yīng)力（F2）兩種（圖10）。其中，受F1作用的Z-pin破壞模式為Zpin與面板脫粘分離，或者從折彎處斷裂失效，這主要取決于Z-pin與面板的膠接程度；而受F2影響的Z-pin破壞模式則為Z-pin斷裂失效，這主要取決于Z-pin本身強(qiáng)度，但F2數(shù)值隨著植入角α的變大而變小，有利于Z向軸向分力變小，促使Z-pin抗破壞能力增強(qiáng)，這一機(jī)理與上述拉伸測試結(jié)果相吻合。

此外，當(dāng)Z-pin植入角度α較大時，所受外力的軸向分力F2較小，Z-pin由于F1的作用傾向于轉(zhuǎn)動，易發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效率較低[18]。圖10（b）表明，當(dāng)Z-pin植入角度變小時，則軸向分力F2變大，促使發(fā)生失穩(wěn)轉(zhuǎn)動時的F1變小，而碳纖維Z-pin本身強(qiáng)度和模量均較高，故能承受的壓力載荷較大，對K-Cor夾層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用明顯。由受力分析可知，當(dāng)Z-pin以45°成交叉式植入且露出泡沫的預(yù)留長度較長時，則Z-pin受壓抵抗變形能力變強(qiáng)；在有塑性形變時，強(qiáng)交聯(lián)結(jié)合可提升該夾層的抵抗變形的能力，故Z-pin植入角度為45°時，對提高K-Cor夾層結(jié)構(gòu)的剪切性能貢獻(xiàn)最優(yōu)。

圖10 剪切實驗過程中Z-pin受力分解示意圖Fig. 10 Schematic diagram of shear-stress decomposition for Z-pins in foam matrix

3 結(jié)論

（1）不同的固化度和直徑對Z-pin性能影響顯著。選擇120 ℃/140 ℃/3.24 mm/s工藝來制備固化度適中的Z-pin作為該夾層的Z向增強(qiáng)棒。直徑為5 mm，固化度為45.59%的半固態(tài)Z-pin具有較好的韌性且能完整地被壓折并貼合于泡沫表面。

（2）當(dāng)Z-pin植入密度相同時，隨著植入角度的增加，K-Cor夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度增大。在Z-pin植入角度相同時，該夾層的平拉強(qiáng)度與模量隨著植入密度變大而增強(qiáng)。當(dāng)Z-pin植入矩陣為70°[5 mm×5 mm]時，K-Cor泡沫夾層的平拉強(qiáng)度和模量最高，為1.65 MPa和56.19 MPa，這主要歸因于大的植入角有利于泡沫夾層在高載荷拉伸過程中保持穩(wěn)定，Z向軸向分力變小，則Z-pin抗破壞能力增強(qiáng)。

（3）半固化Z-pin對K-Cor夾層結(jié)構(gòu)壓縮性能增強(qiáng)效果明顯高于對其拉伸性能的增強(qiáng)，這主要由于高強(qiáng)度Rohacell-51WF泡沫基芯在壓縮過程中承載了部分應(yīng)力，緩解了Z-pin有效載荷；而在拉伸或縱向剪切過程中，該結(jié)構(gòu)的失效受到Z-pin折彎處的應(yīng)力集中和Z-pin與蒙皮的交聯(lián)強(qiáng)度等眾多因素影響。Z-pin沿45°[5 mm×5 mm]植入且預(yù)留長度較長時，可遲緩Z-pin被拉出的時間，提高其抗形變能力，此時K-Cor夾層結(jié)構(gòu)抗剪切性能最優(yōu)，其剪切強(qiáng)度和模量較空白泡沫試樣提高約2.56倍和1.97倍。