丁偉民，熊宇航，楊 旭，韓雙謙，曲 嘉

(哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)因其特有的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[1]。設(shè)計(jì)一種多功能一體化的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以滿足多種需求和功用，成為研究的熱點(diǎn)，受到國內(nèi)外相關(guān)科研人員的關(guān)注[2，3]。現(xiàn)階段，對夾芯構(gòu)型的研究以格柵[4]、蜂窩[5]、波紋板[6]、點(diǎn)陣[7]、褶皺[8]等結(jié)構(gòu)為主。

由于復(fù)合材料工藝相比金屬更為復(fù)雜，對夾芯結(jié)構(gòu)的制備較為困難。美國學(xué)者Finnegan利用水切割組裝的方法成功制備出碳纖維金字塔芯子并進(jìn)行了單向軸壓試驗(yàn)[9]。Sugiyama等通過注入熱塑性高分子基體的方法制備出復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)[10]。Du等使用熱壓成型方法設(shè)計(jì)并制造了基于V形褶皺的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料褶皺結(jié)構(gòu)[11]。

目前，對于復(fù)合材料纖維管周期性堆疊夾芯結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究接近空白狀態(tài)。本文提出了一種碳纖維周期性堆疊結(jié)構(gòu)及其制備工藝，并對使用該制備工藝得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，證實(shí)該制備工藝具有經(jīng)濟(jì)可行、高效便捷的特點(diǎn)，利用該工藝得到的結(jié)構(gòu)在抵抗沖擊破壞等方面具有較好的力學(xué)特性，這為發(fā)掘其更豐富的力學(xué)性能及工程應(yīng)用提供了參考。

2 結(jié)構(gòu)及制備工藝

目前，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備的研究中，纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)的制備及其力學(xué)性能尚未被發(fā)掘。

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)由上下面板和中間纖維管芯子構(gòu)成(如圖1所示)，材料均為碳纖維，單層面板厚度約1.5mm，中間芯子由5層纖維管組成，每根纖維管的尺寸如表1所示，每層纖維管數(shù)目分別為4、3、4、3、4，左右相鄰纖維管間隔5mm。整體樣件尺寸為75mm×50mm×80mm(長×寬×高)，總重量約106g。

1.碳纖維上面板；2.碳纖維管芯子；3.碳纖維下面板圖1 碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)示意圖

表1 單根碳纖維管參數(shù)表

2.2 制備工藝

制備工藝流程如圖2所示。

圖2 制備工藝流程圖

2.2.1 面板制備

面板由鋪疊碳纖維預(yù)浸料固化而成。選取16張裁剪好的碳纖維預(yù)浸料，由于纖維是單向的，采取0°/90°相鄰兩層正交鋪疊的方式，考慮到面板的對稱性對于強(qiáng)度的影響[12]，將第8、9層的預(yù)浸料纖維方向調(diào)整一致。將預(yù)浸料各層間氣泡擠出后，放入XLB-25平板硫化機(jī)中進(jìn)行熱壓固化，壓強(qiáng)始終保持0.5MPa，溫度保持在80℃下30min，再將溫度調(diào)節(jié)為130℃，待平板硫化機(jī)溫度上升到預(yù)設(shè)溫度后維持60min。固化完成冷卻后取出，按照預(yù)設(shè)尺寸確定面板大小。使用雕刻機(jī)裁剪尺寸合適的碳纖維面板，將面板邊角處磨平、洗凈并干燥。

2.2.2 芯子粘接

選取適量3K碳纖維管，利用砂紙機(jī)將碳纖維管打磨至長度一致，再用砂紙打磨外表面至粗糙，清洗、干燥以備用。按照預(yù)設(shè)尺寸，切取J-272-C膠膜，把膠膜粘貼至纖維管上，將每根纖維管作為單胞按照固定間隙粘接組裝，得到夾芯結(jié)構(gòu)的芯子。為簡化制備工藝流程，待整個夾芯結(jié)構(gòu)粘接完成后一體固化成型。

2.2.3 面板芯子粘接

清洗切割后的面板并干燥，通過J-272-C膠膜將碳纖維上下面板分別與纖維管芯子粘接，并放置在高溫真空箱中。抽真空后，溫度保持在80℃下30min，再將溫度調(diào)節(jié)為130℃，待箱內(nèi)溫度上升到預(yù)設(shè)溫度后維持60min，使膠膜固化，結(jié)束后待板件冷卻，取出得到碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)試樣。

3 試驗(yàn)分析

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

采用INSTRON 5500R對試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載，加載速率為2mm/min，位移載荷曲線如圖3所示。載荷線性增加至峰值1，直至結(jié)構(gòu)中纖維管發(fā)生破壞。芯子結(jié)構(gòu)共5層，中間3層碳纖維管先發(fā)生不規(guī)則破壞，3層壓潰成2層后出現(xiàn)載荷峰值2。峰值2對應(yīng)載荷比峰值1對應(yīng)載荷小，原因是中間3層壓潰后，結(jié)構(gòu)未能形成穩(wěn)定的支撐來抵抗壓力，故峰值2不能像峰值1一樣承受相同的壓力。由于部分纖維管斷裂后殘留在結(jié)構(gòu)中，殘骸的位置不斷調(diào)整，其中有一部分仍然能夠支撐豎向載荷，力隨位移的變化出現(xiàn)復(fù)雜波動。中間3層壓潰成1層后出現(xiàn)載荷峰值3，峰值4對應(yīng)于最下層纖維管的破壞，隨后載荷繼續(xù)增大至最后一層纖維管破壞，對應(yīng)載荷峰值5。試驗(yàn)測得的碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)最大承載力為11.25kN，主要失效形式(如圖4所示)為脆性斷裂和脫膠。宏觀上，結(jié)構(gòu)沿45°方向產(chǎn)生斷裂；微觀上，結(jié)構(gòu)的破壞是由于單根纖維管的斷裂。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下位移載荷曲線

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)破壞形式

3.2 沖擊試驗(yàn)

采用落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對試件施加沖擊載荷，落錘質(zhì)量24kg，測得落錘接觸試件時速度為6.07m/s，結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的位移載荷曲線如圖5所示，載荷峰值達(dá)到8.89kN。試驗(yàn)測得結(jié)構(gòu)的比吸能約為4151J·kg-1，主要失效形式(如圖6所示)為脆性斷裂和脫膠。

圖5 沖擊載荷下位移載荷曲線

圖6 沖擊試驗(yàn)破壞形式

4 結(jié) 論

本文提出了一種碳纖維管周期性堆疊結(jié)構(gòu)及該結(jié)構(gòu)的制備工藝，研究了該結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。對試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，隨著纖維管的破壞，載荷隨纖維管層數(shù)減少出現(xiàn)多個峰值，其主要失效形式為脆性斷裂和脫膠。在沖擊載荷下，結(jié)構(gòu)失效形式同樣以脆性斷裂和脫膠為主，纖維管的脆性斷裂吸收能量使得結(jié)構(gòu)具有較好的吸能效果。