縫合參數(shù)對泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

徐學(xué)宏，鄭義珠，陳吉平，寧 博，劉曉忱

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324)

作為一種輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)具有較高的比模量、比強(qiáng)度、抗彎剛度和隔熱隔音性能，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、風(fēng)電葉片、高速列車等領(lǐng)域[1-4]。但是，泡沫的抗剪性能較差，面板與芯子的界面強(qiáng)度較低，導(dǎo)致泡沫夾層復(fù)合材料存在容易分層破壞、整體性能欠佳等缺點(diǎn)[5]。

縫合是一種常見的層間增強(qiáng)方法，Stanley等[6]率先將縫合技術(shù)運(yùn)用到碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)中，在貫穿面板與芯材的厚度方向引入增強(qiáng)縫線，有效地提高了界面性能和抗沖擊性能，進(jìn)而形成縫合泡沫夾層復(fù)合材料。可是，縫合對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的影響有利也有弊：一方面，縫合工藝中加入的縫線會(huì)給泡沫帶來初始損傷，造成芯子力學(xué)性能的降低；另一方面，固化后的縫線樹脂柱起到對泡沫的支撐作用，可以改善結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能[7]。因此，需要選擇合理的縫合參數(shù)，以使縫合泡沫夾層復(fù)合材料達(dá)到最佳性能狀態(tài)。

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者針對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中面板涉及的增強(qiáng)體主要是玻璃纖維和碳纖維。研究結(jié)果表明，縫合能明顯提高玻纖泡沫夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能[8-13]、剪切性能[9]、壓縮性能[9-11]及面板破壞載荷[14]，相關(guān)力學(xué)性能隨縫合密度的增加而增大[10,12-14]，且改變了結(jié)構(gòu)的失效模式[15]。在縫合碳纖維泡沫夾層復(fù)合材料的研究方面，研究者發(fā)現(xiàn)縫合使彎曲破壞載荷[16]、滾筒剝離載荷[17]、彎曲性能[18]、剪切性能和平壓性能得到了提升，而提高程度與縫合方式[17]、縫合密度[17-18]、縫線直徑[17]等縫合參數(shù)有關(guān)。然而，已有研究更多地注重縫合對泡沫夾層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的提高，縫合參數(shù)對縫合泡沫夾層復(fù)合材料力學(xué)性能的影響仍需進(jìn)一步研究，特別是與縫合所致泡沫損傷關(guān)聯(lián)的平面拉伸性能和芯子剪切性能研究鮮見報(bào)道。

本工作通過自動(dòng)縫合機(jī)制備了不同縫合方式和縫合密度的縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)預(yù)制件，采用真空輔助樹脂注射(VARI)工藝成型制備泡沫夾層復(fù)合材料，對其平面拉伸、三點(diǎn)彎曲、芯子剪切及滾筒剝離性能進(jìn)行了測試，研究了主要縫合工藝參數(shù)對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并對比分析了縫合與未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能，為縫合泡沫夾層復(fù)合材料的參數(shù)優(yōu)化及工程應(yīng)用研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料與設(shè)備

碳纖維雙軸向NCF織物，常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司，增強(qiáng)纖維為日本東麗T700-12K；ROHACELL 71 WF-HT聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)泡沫，德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)，厚度為10 mm；Kevlar-29縫線，美國杜邦公司，旦數(shù)為1500 D和400 D，捻度為80 TPM；單組分PRISM EP2400增韌環(huán)氧樹脂，Cytec公司，70 ℃以上可注射。

DCS 2600自動(dòng)下料機(jī)；KL 110 CNC二維縫合機(jī)(改進(jìn)鎖式縫合)和KL 504機(jī)器人三維縫合機(jī)(臨縫式縫合)；XM1 35000固化爐；7.5 L不銹鋼多功能樹脂罐(定制)。

1.2 實(shí)驗(yàn)件制造

1.2.1 預(yù)成型體制作

按[(+45/-45)/(0/90)/泡沫/(90/0)/(-45/+45)]的鋪層方式，將自動(dòng)裁剪的NCF料片和手動(dòng)切割的PMI泡沫進(jìn)行鋪疊，尺寸為600 mm×600 mm，經(jīng)過真空袋熱壓預(yù)定型后得到泡沫夾層預(yù)成型體。

1.2.2 縫合制備

在自動(dòng)縫合設(shè)備上，使用自制定位夾具對預(yù)成型體進(jìn)行固定，再采用不同縫合方式和縫合密度沿著夾層結(jié)構(gòu)0°方向進(jìn)行全厚度縫合，改進(jìn)鎖式縫合和臨縫式縫合的示意圖如圖1所示。其中，改進(jìn)鎖式縫合面線旦數(shù)和底線旦數(shù)分別為1500 D和400 D，縫合速度為60針/min，手動(dòng)擰緊螺母調(diào)整彈簧的彈力使面線帶有適宜的張力；臨縫式縫合面線旦數(shù)為1500 D，縫合速度為10 mm/s，縫線張力調(diào)至最小，線圈距離上表面的深度為13 mm。在縫合方式研究中，縫合密度(行距×針距)均為30 mm×10 mm；在縫合密度研究中，縫合針距選定為10 mm，以縫合行距為主要變量，包括10，20，30 mm和40 mm。

圖1 改進(jìn)鎖式縫合(a)和臨縫式縫合(b)示意圖Fig.1 Illustration of modified lock stitch (a) and tufting stitch (b)

1.2.3 VARI成型

將縫合和未縫合泡沫夾層預(yù)成型體，在平板模具上進(jìn)行VARI工藝成型。通過抽真空保持97 kPa以上的成型壓力，注膠溫度為90 ℃，待樹脂充分滲透和浸漬之后，在180 ℃下保溫120 min，完成固化，制得泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)件。

1.3 性能測試

參照ASTM C297進(jìn)行平面拉伸性能測試，樣件尺寸為50 mm×50 mm，將其粘貼到加載塊后與平拉夾具組裝，并安裝到試驗(yàn)機(jī)上，加載速率為0.50 mm/min；參照ASTM D7249進(jìn)行三點(diǎn)彎曲性能測試，樣件尺寸為500 mm×60 mm，支撐跨距為450 mm，加載速率為6 mm/min；參照ASTM C393進(jìn)行芯子剪切性能測試，樣件尺寸為200 mm×75 mm，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖槿c(diǎn)彎曲，支撐跨距為150 mm，加載速率為6 mm/min；參照ASTM D1781進(jìn)行滾筒剝離性能測試，樣件尺寸為305 mm×76 mm，兩端面板伸出25 mm，加載速率為25 mm/min，剝離長度為150～180 mm。每組實(shí)驗(yàn)都加工6個(gè)樣件，在Zwick 100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成測試實(shí)驗(yàn)，記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的破壞載荷、破壞模式和力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 縫合參數(shù)對平面拉伸性能的影響

通過對不同縫合材料進(jìn)行平面拉伸測試，得到了平面拉伸載荷-位移曲線，如圖2所示。可以看出，對于未縫合和改進(jìn)鎖式縫合夾層結(jié)構(gòu)，平拉載荷平穩(wěn)達(dá)到最大值，泡沫被突然拉斷破壞，呈脆性斷裂，平拉實(shí)驗(yàn)件破壞模式均為芯子破壞；而對于臨縫式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)兩種不同的載荷-位移曲線，a曲線載荷突然下降后逐漸減小直至破壞，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)件發(fā)生芯子破壞和上面板(帶縫線)與芯子之間破壞，b曲線呈脆斷特征，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)件失效模式為芯子破壞。

圖2 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料平面拉伸載荷-位移曲線Fig.2 Flatwise tensile load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表1為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的平面拉伸性能測試結(jié)果。可以看出，與未縫合泡沫夾層實(shí)驗(yàn)件相比，縫合泡沫夾層實(shí)驗(yàn)件的平拉最大載荷和平面拉伸強(qiáng)度均明顯下降，改進(jìn)鎖式和臨縫式縫合實(shí)驗(yàn)件的平拉強(qiáng)度分別降低了14.75%和27.65%。在縫合過程中，縫針會(huì)戳穿泡沫而用縫線填充留下的針孔，給泡沫芯材帶來損傷，產(chǎn)生一些微裂紋，造成局部應(yīng)力集中，因此泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后平拉性能下降。

表1 不同縫合方式實(shí)驗(yàn)件的平面拉伸性能測試結(jié)果Table 1 Test results for flatwise tensile properties of specimens with different stitching methods

由表1可知，在相同的縫合密度下，改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平面拉伸強(qiáng)度大于臨縫式縫合，數(shù)據(jù)分散性也更小，表明改進(jìn)鎖式縫合方式對泡沫夾層復(fù)合材料平拉性能的損害更小一些。這主要是由于改進(jìn)鎖式縫合中面線和底線套扣成結(jié)，兩側(cè)表面的縫線對面板和泡沫芯子存在捆束作用，抑制板芯界面分層，拉斷泡沫芯子需要較大的平拉載荷；而臨縫式縫合中縫線張力很小，僅在背面形成線圈，但沒有底線，對面板和泡沫的捆束作用小，縫線更容易與夾層結(jié)構(gòu)分離，存在縫線拉出使芯子和界面破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致平拉性能數(shù)據(jù)顯著降低且波動(dòng)很大。

圖3為縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料平拉強(qiáng)度的影響。可以看出，縫合行距在10～30 mm范圍內(nèi)，平拉強(qiáng)度和最大載荷均隨縫合行距的增加而明顯增大；當(dāng)縫合行距為30 mm時(shí)，平拉強(qiáng)度達(dá)到最大值1.85 MPa。這主要是因?yàn)榭p合行距的增加使泡沫損傷針孔的橫向間距變大，從而延緩了縫合后裂紋在芯子內(nèi)的橫向增大和擴(kuò)展。可是，縫合行距40 mm試樣的平拉強(qiáng)度卻比縫合行距30 mm試樣略微降低，說明過大的縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的平面拉伸性能是不利的。由此可見，適當(dāng)?shù)卦黾涌p合行距對平拉性能有一定的積極作用。

圖3 縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)平拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of stitch space on flatwise tensile strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

2.2 縫合參數(shù)對三點(diǎn)彎曲性能的影響

圖4為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料三點(diǎn)彎曲載荷-位移曲線，對于未縫合和縫合實(shí)驗(yàn)件，彎曲載荷都是隨位移呈近似線性增加，達(dá)到最大載荷后突然驟降，發(fā)生彎曲破壞。彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，未縫合和縫合泡沫夾層復(fù)合材料破壞發(fā)生在泡沫芯子或板芯界面，因?qū)嶒?yàn)件失效破壞未發(fā)生于面板，故需將泡沫夾層作為整體結(jié)構(gòu)來考量彎曲性能。

圖4 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料彎曲載荷-位移曲線Fig.4 Flexural load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表2為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的彎曲性能測試結(jié)果。可以看出，與未縫合樣件相比，改進(jìn)鎖式縫合樣件的最大載荷和彎曲強(qiáng)度分別提高了6.97%和7.96%，而臨縫式縫合樣件的最大載荷和彎曲強(qiáng)度分別降低了9.35%和7.96%。在改進(jìn)鎖式縫合中，具有較大張力的面線和底線互相套扣，將面板和泡沫捆束在一起，使得夾層結(jié)構(gòu)縫合后整體性更好，彎曲性能有所提升。在臨縫式縫合中，縫線幾乎無張力，對夾層結(jié)構(gòu)的捆束作用小，只有面線而沒有底線，上下面板對稱性差，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)縫合后彎曲性能降低，數(shù)據(jù)離散性更大。因此，從泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能的角度考量，改進(jìn)鎖式縫合方式優(yōu)于臨縫式縫合方式。

表2 不同縫合方式實(shí)驗(yàn)件的彎曲性能測試結(jié)果Table 2 Test results for flexural properties of specimens with different stitching methods

縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度的影響如圖5所示，隨著縫合行距的增加，最大彎曲載荷和彎曲強(qiáng)度有先減小后增大的趨勢；縫合樣件的彎曲強(qiáng)度均明顯高于未縫合樣件，縫合行距為10，20，30 mm和40 mm時(shí)分別提高了9.70%，9.45%，7.96%和13.68%。從整體角度來看，縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的彎曲性能影響并不大。

圖5 縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)彎曲強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of stitch space on flexural strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

2.3 縫合參數(shù)對芯子剪切性能的影響

圖6為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切載荷-位移曲線。如圖6所示，剪切實(shí)驗(yàn)中，未縫合和縫合實(shí)驗(yàn)件破壞時(shí)載荷會(huì)突然降低，呈現(xiàn)出較為明顯的脆斷特點(diǎn)，失效模式均為芯子剪切破壞；泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后，承受芯子剪切載荷的能力有所下降。

圖6 不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切載荷-位移曲線Fig.6 Core shear load versus displacement curves for foam-core sandwich composites with different stitching methods

表3為不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的芯子剪切性能測試結(jié)果，與未縫合泡沫夾層復(fù)合材料相比，縫合泡沫夾層復(fù)合材料的最大剪切載荷和芯子剪切強(qiáng)度均顯著降低，改進(jìn)鎖式和臨縫式縫合實(shí)驗(yàn)件的芯子剪切強(qiáng)度分別降低了24.79%和34.21%。這是因?yàn)榭p合會(huì)損傷泡沫芯子，造成一定的微裂紋，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致泡沫力學(xué)性能下降，從而使泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層間剪切強(qiáng)度降低。

表3 不同縫合方式實(shí)驗(yàn)件的芯子剪切性能測試結(jié)果Table 3 Test results for core shear properties of specimens with different stitching methods

圖7給出了縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料芯子剪切強(qiáng)度的影響，隨著縫合行距的增加，芯子剪切強(qiáng)度和最大剪切載荷均略有增加。這主要是由于縫合行距的增加使損傷針孔的橫向間距變大，在一定程度上阻礙裂紋在芯子內(nèi)的橫向增大和擴(kuò)展。因此，增加縫合行距對縫合泡沫夾層復(fù)合材料的芯子剪切性能有一定積極作用。

圖7 縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of stitch space on core shear strength of modifiedlock-stitched foam-core sandwich structures

2.4 縫合參數(shù)對滾筒剝離性能的影響

不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料滾筒剝離載荷-位移曲線如圖8所示。可以看出，對于未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，剝離載荷開始穩(wěn)定上升，上升到一定值后在小范圍內(nèi)波動(dòng)；對于縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)，剝離載荷先增加到一個(gè)較高水平后，呈類似于正弦曲線變化規(guī)律，波動(dòng)幅度較大，這是由于在滾筒剝離實(shí)驗(yàn)過程中，針腳間距是固定的，在沒有針腳的位置剝離只需克服面板與泡沫之間的粘接，而在針腳位置，剝離載荷不僅需要克服面板與夾層的界面粘接，還必須克服厚度方向上縫線的阻礙，而縫線斷裂所需的載荷遠(yuǎn)大于板芯界面粘接，所以有針腳位置的剝離載荷遠(yuǎn)大于沒有針腳位置，故出現(xiàn)類似于正弦曲線的位移-載荷曲線[17]。在滾筒剝離實(shí)驗(yàn)中，觀察到縫合泡沫夾層復(fù)合材料試樣針腳處的縫線完全被拉斷。

不同縫合方式泡沫夾層復(fù)合材料的滾筒剝離性能測試結(jié)果如表4所示，與未縫合實(shí)驗(yàn)件相比，縫合實(shí)驗(yàn)件的平均剝離載荷和平均剝離強(qiáng)度大幅增加，改進(jìn)鎖式和臨縫式縫合實(shí)驗(yàn)件的平均剝離強(qiáng)度分別提高了80.78%和78.82%。這是由于完全剝開縫合泡沫夾層復(fù)合材料中面板和夾芯的界面，不僅要克服面板與泡沫之間的粘接，還必須克服縫線的束縛，拉斷縫線需要更大的剝離載荷，因而泡沫夾層結(jié)構(gòu)縫合后滾筒剝離性能得到顯著提高。

表4 不同縫合方式實(shí)驗(yàn)件的滾筒剝離性能測試結(jié)果Table 4 Test results for climbing drum peel properties of specimens with different stitching methods

圖9為縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料平均剝離強(qiáng)度的影響。由圖可知，隨著縫合行距的增加，平均剝離強(qiáng)度和平均剝離載荷均呈下降趨勢；與未縫合試樣相比，縫合行距為10，20，30 mm和40 mm時(shí)平均剝離強(qiáng)度分別提高了96.86%，85.88%，80.78%和65.49%。這是因?yàn)榭p合行距的增加使得縫合密度減小，厚度方向上縫線變少，拉斷縫線需要的剝離載荷減小，對滾筒剝離性能的提升幅度減小，故而較大的縫合行距不利于提高泡沫夾層復(fù)合材料的滾筒剝離性能。

圖9 縫合行距對改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)剝離強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of stitch space on average peel strength of modified lock-stitched foam-core sandwich structures

3 結(jié)論

(1)泡沫夾層復(fù)合材料縫合后，平均剝離載荷和平均剝離強(qiáng)度得到大幅提高，平拉強(qiáng)度和芯子剪切強(qiáng)度均明顯降低，改進(jìn)鎖式縫合的損害更小一些，且提高了彎曲性能，而臨縫式縫合降低了彎曲性能，因此改進(jìn)鎖式縫合方式優(yōu)于臨縫式。

(2)對于改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料，適當(dāng)?shù)卦黾涌p合行距對平面拉伸性能、彎曲性能、芯子剪切性能有一定的積極作用，但不利于滾筒剝離性能的提高。

(3)與未縫合泡沫夾層復(fù)合材料相比，當(dāng)縫合密度為30 mm×10 mm時(shí)，改進(jìn)鎖式縫合泡沫夾層復(fù)合材料的平拉強(qiáng)度和芯子剪切強(qiáng)度分別降低了14.75%和24.79%，彎曲強(qiáng)度和平均剝離強(qiáng)度分別提高了7.96%和80.78%。