玻璃布面板夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的低速沖擊性能研究

玻璃布面板夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的低速沖擊性能研究

由于高比強(qiáng)度、高比剛度和突出的穩(wěn)定性，涂層結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。夾層板在制造和使用中常常會遇到各種低速沖擊損傷,雖然肉眼可見的損傷程度很低,但會降低夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,并且隨著使用時間的增加,安全隱患增大。目前對夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊試驗多注重于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)、動態(tài)沖擊分析、有限元模擬及破壞模式,但有關(guān)高性能泡沫夾層結(jié)構(gòu)芯材、面板以及界面連接對低速沖擊性能影響的研究報道較少。夾層結(jié)構(gòu)通過界面將面板的高強(qiáng)度高剛性和芯材的輕質(zhì)性能復(fù)合在一起,界面構(gòu)造和性能是保證面板和芯材協(xié)同工作的關(guān)鍵。由于夾層結(jié)構(gòu)的層間力學(xué)性能較差,因此,通過對泡沫夾層全厚度的縫紉和泡沫芯開槽可以增強(qiáng)芯子與面板之間的層間強(qiáng)度。本文中制備了高性能泡沫芯材(PMI和X-PVC泡沫)與NOMEX蜂窩芯材夾層結(jié)構(gòu),探討了不同面板厚度、芯材種類、芯材密度及厚度、夾層縫合、泡沫芯開槽等因素對夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊性能的影響。1實驗1.1泡沫和x-pvc泡沫夾芯材料為密度0.056g/cm3的NOMEX蜂窩,0.060g/cm3和0.080g/cm3的PMI泡沫和X-PVC泡沫,面板選用平紋無堿玻璃布,樹脂選用環(huán)氧室溫固化體系。實驗采用的夾芯材料的力學(xué)性能如表1所示。1.2夾層結(jié)構(gòu)的全厚度縫合夾層結(jié)構(gòu)上下面板單層玻璃布鋪層方式為0°,上下面板三層玻璃布鋪層方式為[+45/0/-45],五層玻璃布的鋪層方式為[0/+45/90/-45/0]。將玻璃布用環(huán)氧體系浸漬后,與泡沫芯材按順序置于模具上,在壓機(jī)上按照70℃/0.2MPa/2h一次固化成型為泡沫夾層。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)采用三次成型,即下面板先預(yù)固化后再與蜂窩芯二次膠接成型,最后再與上面板組合后進(jìn)行第三次固化成型。全厚度縫合泡沫夾層的縫合方式:采用鎖式縫合方法,縫合方向垂直于面板方向,沿纖維0°方向縫合(圖1),縫線為Kevlar4550紗線,縫針直徑為1.75mm,用于縫合的夾層結(jié)構(gòu)均以10mm厚度PMI60為芯材,三層面板。其中縫合行距為10mm、針距10mm的編號為Stitched10,縫合行距為20mm、針距為20mm的編號為Stitched20。開槽泡沫夾層的制備:采用PMI60泡沫芯材的開槽形狀如圖2所示,在芯材的上下表面開設(shè)正交溝槽,溝槽寬W=2mm,深H=2mm,間距S=20mm,開槽泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的上下面板均為單層玻璃布,最終得到編號為Grooved20夾層結(jié)構(gòu)。1.3夾層制備試驗沖擊試驗方法按照ASTMD5420進(jìn)行,試驗設(shè)備為InstronDynatup9250HV落錘沖擊試驗機(jī),沖頭為直徑15.86mm的半球,沖擊能量20J,采用專用夾具將夾層試樣夾緊。2試驗結(jié)果及分析2.1夾層結(jié)構(gòu)損傷的變化圖3為芯材厚度為10mm時,不同密度芯材一層玻璃布夾層試樣的沖擊曲線?？梢?載荷-時間曲線在初始階段迅速上升并有輕微的波動,說明試樣在沖擊的開始就出現(xiàn)了輕微損傷。將載荷-時間曲線上第一次的載荷明顯下降定義為初始破壞,主要包括面板-芯子之間局部脫粘以及上面板的纖維斷裂。單層面板試樣破壞時可以看出明顯的初始破壞,在該點后,曲線均呈現(xiàn)不同程度的鋸齒狀波動,說明此后夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生了連續(xù)的損傷,有可能是纖維斷裂和芯子壓潰。載荷最大值為試樣發(fā)生主要損傷時的載荷值,其對應(yīng)的能量為主要損傷能量。當(dāng)面板為單層玻璃布時,芯材對夾層結(jié)構(gòu)性能的影響最顯著。PMI80-10-1和PMI60-10-1夾層最大沖擊載荷分別為2.01kN和1.78kN,X-PVC80-10-1和X-PVC60-10-1夾層最大沖擊載荷分別為1.90kN和1.53kN,這說明最大沖擊載荷隨芯材密度增加而增加,而且同密度時PMI泡沫芯比X-PVC泡沫芯具有更高的最大沖擊載荷。沖擊吸收總能量也隨著泡沫密度增加而增加。圖4為PMI和X-PVC芯材的夾層復(fù)合材料損傷圖。可見,一次沖擊完成后,試樣未被穿透?？煽吹綐渲w破壞和纖維斷裂損傷,沖擊處有明顯的凹坑。經(jīng)染色后可看到圖中的損傷自沖擊點向外擴(kuò)展,且沿纖維0°方向延伸,在試樣表面的主損傷區(qū)域可清晰地看到沿纖維編織紋路的基體裂紋,說明單層玻璃布夾層強(qiáng)度低,在沖擊力的作用下發(fā)生大面積的整體結(jié)構(gòu)折斷。密度80kg/m3芯材的夾層裂紋長度比60kg/m3短約8～10mm。隨芯材密度的增大,試樣表面纖維斷裂寬度減小,其破壞程度降低,抗沖擊性能提高。2.2沖擊載荷表2為一層面板、芯材厚度為10mm,不同種類芯材的夾層結(jié)構(gòu)沖擊試驗結(jié)果。沖擊能量、總能量、最大載荷離散系數(shù)不超過10%,初始破壞載荷和初始破壞能量的離散系數(shù)不超過15%。因為NOMEX56蜂窩的密度為56kg/m3,選擇與其密度相近的PMI60和X-PVC60進(jìn)行對比?？梢钥闯雒黠@差異,其中最大載荷PMI60-10-1最高,其次是X-PVC60-10-1,NOMEX56-10-1的沖擊破壞載荷最小。芯材為泡沫的試樣主要發(fā)生樹脂基體破壞、纖維斷裂損傷和泡沫壓潰,沖擊處有一永久的凹坑變形,而蜂窩的試樣沖擊后發(fā)生了明顯的界面脫粘以及芯層破壞。在夾層結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時,首先承壓的是樹脂基體,隨后是與樹脂固化在一起的纖維,繼續(xù)施加載荷,由于面板的脆性較大,面板受到破壞后由芯材繼續(xù)承受壓力,相對較軟的芯材的吸收能量比較大,減少了沖擊對材料整體造成的破壞。表2中蜂窩夾層的初始破壞能量明顯低于泡沫夾層,說明蜂窩的界面粘結(jié)強(qiáng)度較泡沫夾層差,吸收能量和抗沖擊性能較泡沫低。同密度下泡沫芯材中PMI的能量吸收能力又大于X-PVC的能量吸收能力。PMI泡沫分子鏈為主鏈上具有帶甲基的六元酰亞胺環(huán)結(jié)構(gòu)和短梯形結(jié)構(gòu),為材料提供了非常強(qiáng)的剛性。而X-PVC泡沫即使形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),但其主鏈分子鏈為柔性較大的C—C鏈,其剛性遠(yuǎn)不及PMI泡沫。故密度相同時,PMI泡沫的抗沖擊性能比X-PVC泡沫的抗沖擊性能高。PMI泡沫塑料泡孔的泡壁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的閉孔泡沫的泡體結(jié)構(gòu),具有近100%的閉孔結(jié)構(gòu),而且泡壁體積比率較高。PMI泡孔尺寸小于X-PVC泡孔尺寸,結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)更加致密,其剛度更大,抗沖擊性能進(jìn)一步提高。蜂窩抗沖擊較差的原因在于界面粘結(jié)面積較泡沫小。2.3夾層結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理表3為厚度分別為10mm和25mm的PMI60芯材,在面板層數(shù)不同時的沖擊試驗結(jié)果?？梢钥闯?初始破壞載荷和最大載荷隨著芯材厚度的增加明顯增大,這一現(xiàn)象在單層面板的試樣中尤為明顯,說明單層面板受芯材影響較大。圖5為厚度分別為10mm和25mm的PMI60芯材夾層結(jié)構(gòu)試樣的沖擊記錄曲線。其中,位移-時間和能量-時間曲線中可以看出,沖頭接觸夾層結(jié)構(gòu)后,在30ms內(nèi),初始能量20J消耗在試樣的破壞或以彈性能量的形式存儲并于沖頭彈起時釋放,在沖頭和試樣分離時所有彈性能量全部釋放,最終顯示的能量為試樣破壞吸收的能量,稱之為總能量。在初始峰值之前的吸收能量稱為初始破壞能量。夾層材料吸收的總能量和初始破壞能量隨芯材厚度增加而增大,即增加芯材厚度有利于吸收沖擊能。單層面板10mm厚芯材夾層結(jié)構(gòu)的能量曲線基本沒有上升到頂點后下降的趨勢,說明其彈性儲能極小,由載荷-時間曲線也可以看出沖頭位移沒有減小,也就是說,沖頭落下后材料直接破壞,沒有被彈性能量彈起的過程。而多層面板和25mm厚芯材單層面板夾層結(jié)構(gòu)能量-時間曲線都有下降的趨勢,由于面板厚度增加或者芯子厚度增加使夾層的強(qiáng)度和剛度增大,彈性儲能增大。撓度數(shù)據(jù)表明隨芯材厚度增加,受沖擊點的最大撓度減小。面板厚度對夾層結(jié)構(gòu)的沖擊性能有顯著影響,初始破壞載荷和最大載荷均隨著面板厚度的增加而增加,并且載荷-時間曲線斜率增大即沖擊過程中載荷上升速度更快,這說明面板厚度的增加明顯提高結(jié)構(gòu)剛度。隨著面板厚度的增加,用于材料破壞吸收的總能量減小,彈性儲能隨面板厚度增加而增大。試驗發(fā)現(xiàn),單層面板沒有沖頭抬起、變形減小的過程,即沒有彈性儲能,三層面板有2.23J的彈性儲能,五層面板有4.48J的彈性儲能。圖6為10mm和25mm厚度PMI60芯材夾層試樣沖擊后的破壞模式。PMI60-10-1試樣出現(xiàn)了整體夾層大面積斷裂損傷,纖維裂紋向兩側(cè)延伸,沖擊處有較淺的凹坑。PMI60-25-1試樣則沒有出現(xiàn)整體材料的斷裂和裂紋延伸,僅在沖擊處出現(xiàn)樹脂基體破壞和明顯的纖維撕裂及纖維從樹脂基體中拔出,泡沫芯上有明顯的壓潰,出現(xiàn)近10mm的圓形凹坑。多層面板均出現(xiàn)樹脂和纖維破壞、沖擊區(qū)域發(fā)白,隨玻璃布層數(shù)的增加,沖擊損傷由結(jié)構(gòu)斷裂變?yōu)闆_擊點纖維發(fā)白,凹坑深度減小。10mm厚度的試樣破壞面積較25mm試樣更大。表明泡沫芯材厚度增加能夠使夾層結(jié)構(gòu)在受沖擊過程中儲存更多的能量,減小面板的變形和損傷面積,面板層數(shù)的增加,夾層的沖擊載荷彈性儲能增大,抗沖擊性能提高,沖擊吸收能量減小。2.4縫合夾層沖擊分析圖7為20mm和10mm縫合后PMI60-10-3夾層結(jié)構(gòu)試樣的沖擊記錄曲線,表4為PMI60-10-3未縫合與縫合后夾層結(jié)構(gòu)在相同沖擊能量下的沖擊試驗結(jié)果。將圖7與圖5中未縫合的PMI-10-3夾層結(jié)構(gòu)曲線相比較可知:縫合夾層結(jié)構(gòu)的最大載荷比未縫合的高,且隨縫合密度的增加而增加;而初始破壞載荷反而隨縫合密度增大而降低,因為縫合密度增大不僅僅增加了z向性能,同時還給整個夾層結(jié)構(gòu)帶來了缺陷,使材料局部強(qiáng)度減小。在初始破壞后,縫合影響了整體行為,未縫合夾層在初始破壞后陸續(xù)出現(xiàn)載荷的驟降,而縫合盡管有新的損傷,載荷-時間曲線顯示了較為平穩(wěn)的增長后達(dá)到最大載荷,在最大載荷之后,未縫合載荷發(fā)生了明顯的大幅下降,夾層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞,圖中所示沖擊區(qū)域泡沫芯材出現(xiàn)壓潰,而消耗的能量繼續(xù)增加,直到?jīng)_頭向下位移停止;縫合夾層的載荷在最大值附近維持了約2ms的穩(wěn)定狀態(tài),隨后下降速率才逐漸變大。圖7中能量-時間曲線可見,縫合夾層的沖擊吸收總能量比未縫合的小很多,兩種縫合參數(shù)的夾層吸收能量差異較小。由于z向的增強(qiáng),夾層板強(qiáng)度和剛度增加,從而彈性儲能增加,未縫合彈性儲能2.23J,20mm縫合彈性儲能4.21J,10mm縫合彈性儲能3.86J?？p合參數(shù)中應(yīng)存在一個最佳臨界縫合密度,在該密度之前,夾層結(jié)構(gòu)最大載荷增加、吸收能減小;而超過了該密度,最大載荷反而下降,吸收能增加。當(dāng)縫合密度從20mm增加到10mm過程中,最大載荷增加幅度為0.05kN,明顯低于20mm縫合相對于未縫合載荷的增量0.18kN;吸收能量反而是20mm縫合的小于10mm縫合的。初始破壞位移和最大位移均顯示出縫合使受沖擊點變形減小。圖8為未縫合、縫合針距20mm和10mm夾層沖擊損傷圖?？梢?未縫合試樣圖8(a)的面板被穿透,凹坑深度約為2.5mm,而縫合后的試樣表面僅出現(xiàn)纖維斷裂樹脂發(fā)白,沒有明顯的凹陷。2.5夾層受沖擊部分測試的近似彈性段斜率和開槽內(nèi)圖9中為開槽前PMI60-10-1與開槽后Grooved20夾層的沖擊曲線,開槽前后的最大載荷顯示,開槽使得PMI泡沫夾層的最大破壞載荷從1.78kN增至2.65kN,在初始峰值之前的近似彈性段斜率明顯增大。觀察位移曲線,Grooved20泡沫夾層受沖擊時,沖擊點的撓度明顯降低,從彈性段到試樣破壞后,芯材開槽的試樣均比未開槽試樣位移小。這說明芯層添加溝槽可適當(dāng)提高復(fù)合材料夾層板的抗彎剛度。圖10為開槽夾層沖擊損傷圖?？梢?開槽后的夾層沒有像未開槽材料出現(xiàn)上面板和芯子整體斷裂,僅在沖擊處出現(xiàn)樹脂基體破壞和纖維撕裂拔出,受損傷面積遠(yuǎn)小于未開槽前材料。芯材開槽前受到?jīng)_擊時,材料發(fā)生彎曲,上面板受到壓縮破壞。開槽后從位移曲線可看出受沖擊時彎曲撓度明顯減小,從而降低上表面所受壓力,主要破壞形式是芯子壓潰,并且開槽可有效地限制破壞裂紋擴(kuò)展。3微膠囊的pm夾層沖擊性能和吸收能量的影響(1)夾層結(jié)構(gòu)聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)和交聯(lián)聚氯乙烯(X-PVC)泡沫芯密度由0.060g/cm3增至0.080g/cm3,最大破壞載荷和沖擊吸收總能量明顯提高,受破壞裂紋范圍減小。(2)相同密度相同厚度面板的PMI夾層沖擊破壞載荷和吸收能量大于X-PVC夾層,也大于與之密度相當(dāng)?shù)腘OMEX蜂窩芯夾層。(3)