牛芳旭，孫超明，楊曉琳，朱秀迪，賀靖，劉歸

(1.北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司，北京 102101；2.特種纖維復(fù)合材料國家重點實驗室，北京 102101)

0 引言

酚醛樹脂基復(fù)合材料具有本征阻燃、低發(fā)煙率、少或無毒性氣體釋放的特點，各項燃燒性能顯著優(yōu)于環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等[1-2]。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有高比剛度、重量輕、隔聲、降噪、隔熱等優(yōu)異性能，因此以酚醛樹脂基復(fù)合材料作為面板的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在航空、船舶、軌道交通的內(nèi)飾領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用價值，如地板、側(cè)壁板等[3]。夾層結(jié)構(gòu)的成型方法主要分共固化法和二次膠接法。共固化法是將未固化的上下面板、蜂窩芯和膠膜按順序組合在一起，面板固化與蜂窩芯的膠接一次成型，制造周期短，制造成本低。二次膠接法是將上下面板預(yù)先固化成型，再與蜂窩芯、膠膜組合膠接，制造周期長，制造成本增加，但面板質(zhì)量好[4]。

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面板和蜂窩芯通過蜂窩壁連接，接觸面積僅為面板的1%～5%，粘接質(zhì)量對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的極限強度和破壞模式具有較大影響，增大面板與芯材間的結(jié)合強度是提高蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能的有效途徑[5]，因此對蜂窩夾層結(jié)構(gòu)面-芯粘接問題的研究非常必要。楊曉強[6]等人研究了膠膜流變特性對蜂窩粘接性能的影響，結(jié)果表明，具有適宜流變性能的膠膜顯示出良好的蜂窩滾筒剝離強度和平面拉伸強度。Sun Zhi[7]等人使用短纖維對面-芯界面進行增韌，以提高界面性能。

對于環(huán)氧面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于預(yù)浸料、膠膜均為環(huán)氧樹脂體系，采用共固化工藝容易實現(xiàn)較高的面-芯界面強度，滿足夾層結(jié)構(gòu)的力學性能要求。然而，對于酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，一方面，由于酚醛樹脂的自粘接強度遠低于環(huán)氧樹脂，另一方面，酚醛預(yù)浸料和環(huán)氧膠膜之間為異質(zhì)界面，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂存在相容性問題，易產(chǎn)生弱界面，目前針對該問題的研究尚無公開報道。本文采用共固化工藝制備酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整膠膜面重優(yōu)化面-芯界面性能，利用滾筒剝離測試對面-芯粘接強度進行了評價，研究了不同面重膠膜夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強度和剝離形貌?；趯Σ煌?芯界面強度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)進行了四點彎曲和平板剪切測試，本文還分析了面-芯界面質(zhì)量對夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能和剪切性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

試樣制備原材料見表1。

表1 試樣制備原材料

1.2 試樣制備

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)采用熱壓共固化成型工藝，首先將預(yù)浸料、膠膜和蜂窩芯按順序鋪貼，然后采用熱壓機固化成型。試驗件結(jié)構(gòu)由下至上依次為下面板、膠膜、蜂窩芯、膠膜、上面板(測試面)，如圖1所示。根據(jù)膠膜鋪貼情況，試驗件分3種鋪層設(shè)計：無膠膜、150 g/m2膠膜、300 g/m2膠膜，樣品編號分別為F-0、F-150和F-300。上面板預(yù)浸料鋪層數(shù)量為4層，下面板預(yù)浸料鋪層數(shù)量為3層。為了充分發(fā)揮面板和蜂窩芯的力學性能，鋪貼時將預(yù)浸料的強向與蜂窩芯的弱向平行，即預(yù)浸料的經(jīng)向平行于蜂窩芯的W向。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)示意圖

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的固化條件為(160±5)℃固化(1.5～2)h，成型壓力為(0.6±0.1)MPa。

1.3 測試方法

圖2 滾筒剝離測試示意圖1—上夾具 2—試樣 3—滾筒 4—滾筒凸緣5—剝離面 6—加載帶 7—下夾具 P—載荷

使用Instron-1185萬能力學試驗機，按標準ASTM D 1781測試夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離性能，測試過程如圖2所示。使用DDL-10萬能力學試驗機，按標準ASTM C 393測試夾層結(jié)構(gòu)的四點彎曲和平板剪切性能。四點彎曲試驗如圖3所示，主要評價夾層結(jié)構(gòu)在彎矩載荷下的強度，平板剪切試驗為短梁三點彎，如圖4所示，主要評價夾層結(jié)構(gòu)在剪力載荷下的強度。表2為試驗件的尺寸和測試方向。

圖3 四點彎曲測試示意圖

圖4 平板剪切測試示意圖

表2 試驗件尺寸和方向

2 結(jié)果與分析

2.1 夾層結(jié)構(gòu)面-芯界面優(yōu)化

測試了三種界面鋪層類型(無膠膜、150 g/m2面重膠膜、300 g/m2面重膠膜)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強度，試驗結(jié)果如圖5所示。無膠膜試樣的滾筒剝離強度為26.13 N·mm/mm，其靠面板用酚醛預(yù)浸料自身的粘接性實現(xiàn)面板和蜂窩芯的粘接，酚醛樹脂為自制改性酚醛，其自粘接強度較普通酚醛樹脂更高[8]，剝離形貌如圖6(a)所示；150 g/m2面重膠膜試樣的滾筒剝離強度達到了92.30 N·mm/mm，較無膠膜試樣提高了286%，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂混合后共同起粘接作用，其剝離形貌如圖6(b)所示，存在大面積的蜂窩芯拔出，屬于理想的滾筒剝離破壞模式；300 g/m2面重膠膜試樣的滾筒剝離強度為64.88 N·mm/mm，較150 g/m2面重膠膜試樣降低，其剝離形貌如圖6(c)所示，主要為酚醛面板與環(huán)氧膠膜間剝離，環(huán)氧膠膜層保留在蜂窩芯上，膠膜作用沒有得到充分發(fā)揮，破壞模式不理想。

圖5 不同面重膠膜夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強度

圖6 滾筒剝離試樣的剝離形貌

與環(huán)氧面板夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強度隨膠膜面重增加而提高的規(guī)律不同[9]，酚醛面板夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離強度在膠膜面重達到一定程度后反而下降。這主要由于酚醛和環(huán)氧樹脂之間的弱界面導致，膠膜面重過高時，膠膜與蜂窩芯之間的粘接強度遠大于酚醛面板與環(huán)氧膠膜的界面強度，導致剝離模式不理想，滾筒剝離強度降低。

2.2 面-芯界面對彎曲性能的影響

相比復(fù)合材料層合板，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在力學性能上的優(yōu)勢之一是比彎曲強度和比彎曲剛度更高。因此，在許多結(jié)構(gòu)件中，彎曲性能是蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主要承載模式，也是產(chǎn)品設(shè)計和選用的主要依據(jù)之一。本文利用四點彎曲試驗評價面-芯界面對夾層結(jié)構(gòu)L向和W向彎曲性能的影響，根據(jù)試樣方向和膠膜面重的不同分為6組試驗件。在四點彎曲載荷下，梁結(jié)構(gòu)在長度方向承受的剪力和彎矩如圖7所示。在兩個加載點之間，只存在彎矩，不承受剪力；在支撐點和加載點之間，同時承受剪力和彎矩載荷。

圖7 梁結(jié)構(gòu)在四點彎曲載荷下的剪力和彎矩圖

表3中的四點彎曲試驗結(jié)果表明，采用本文中的鋪層方式，W向的四點彎曲性能優(yōu)于L向。另外，膠膜面重對W向和L向彎曲性能的影響規(guī)律不同。對于W向，試樣F-150-W和F-300-W的四點彎曲極限載荷較無膠膜試樣分別提高了12.7%和13.3%；對于L向，試樣F-150-L和F-300-L的四點彎曲極限載荷較無膠膜試樣分別提高了13.4%和4.4%。當面-芯粘接強度達到一定閾值后，四點彎曲極限載荷將不會隨面-芯界面強度的增強發(fā)生顯著提高。有研究表明[10]，對于緞紋織物，由于機械咬合作用，當剝離方向平行于長浮纖維方向時，滾筒剝離強度遠低于剝離方向垂直于長浮纖維的情況，在本文的鋪層方式下，L向?qū)?yīng)平行于長浮纖維方向的剝離，面-芯界面在復(fù)合應(yīng)力作用下更容易發(fā)生脫粘，因此導致膠膜面重300 g/m2試樣的四點彎曲極限載荷較低。

表3 四點彎曲極限載荷測試結(jié)果

圖8 四點彎曲測試典型載荷位移曲線

圖9 W向四點彎曲測試破壞形貌

圖10 L向四點彎曲測試破壞形貌

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由面板、膠膜和蜂窩芯組成，具有多重不連續(xù)性、非線性和各向異性等特點，由圖8中試樣的典型載荷位移曲線可以看出，夾層結(jié)構(gòu)在四點彎曲載荷下的破壞過程表現(xiàn)出明顯的非線性特點，W向試樣在3 000 N左右發(fā)生較明顯的剛度退化，L向試樣在2 000 N左右發(fā)生較明顯的剛度退化。圖9和圖10分別是W向和L向試樣的破壞形貌。對于W向，主要破壞模式是支撐點和加載點之間的蜂窩芯剪切破壞，同時發(fā)生面板的屈曲分層。另外，無膠膜試樣由于面-芯粘接強度低，發(fā)生較嚴重的面-芯界面脫粘；而對于膠膜為150 g/m2和300 g/m2的試樣，面-芯界面脫粘不明顯，蜂窩芯的剪切破壞更徹底。對于L向，同時出現(xiàn)了面板壓縮破壞、面-芯界面脫粘和蜂窩芯剪切破壞，整體破壞形貌與W向試樣不同，無膠膜試樣在面板損傷附近發(fā)生了嚴重的面-芯界面脫粘，而膠膜為150 g/m2的試樣，面-芯脫粘問題最輕。夾層結(jié)構(gòu)的破壞過程復(fù)雜，僅通過破壞形貌分析無法明確損傷機理，即不同破壞模式出現(xiàn)的先后順序，基于漸進失效的有限元仿真技術(shù)是有效的研究方法之一[11-12]。

2.3 面-芯界面對剪切性能的影響

平板剪切試驗即短梁三點彎曲試驗，由于跨距小，夾層結(jié)構(gòu)所受彎矩較小，面板承受的拉壓應(yīng)力遠低于其強度值，因此該試驗主要評價夾層結(jié)構(gòu)的抗剪切性能。梁結(jié)構(gòu)在長度方向承受的剪力和彎矩如圖11所示。根據(jù)試樣方向和膠膜面重的不同分為6組試驗件，試驗結(jié)果見表4。由于蜂窩芯的L向剪切強度遠高于W向，因此L向的平板剪切極限載荷高于W向。另外，有膠膜試樣的剪切性能較無膠膜試樣提高了5.9%～9.9%，即提高面-芯界面性能可改善夾層結(jié)構(gòu)的平板剪切性能。這說明優(yōu)異的界面性能有利于載荷的傳遞，可促進夾層結(jié)構(gòu)的整體性能得到充分發(fā)揮。

圖12是平板剪切試驗的典型載荷位移曲線。與四點彎曲試驗相比，平板剪切試驗的受力狀態(tài)更簡單，非線性特點沒有四點彎曲試驗顯著，僅在接近極限載荷時發(fā)生較明顯的剛度退化。由載荷位移曲線的變化趨勢可以看出，膠膜為150 g/m2時，導致平板剪切性能提高的原因與300 g/m2膠膜試樣不完全一致，150 g/m2膠膜試樣的剛度與無膠膜試樣接近，其較高的面-芯界面強度導致破壞時的變形更大，而300 g/m2膠膜試樣的整體剛度明顯更高。圖13是平板剪切試驗的破壞形貌，面板沒有明顯損傷，破壞模式主要為蜂窩芯的剪切破壞，另外，無膠膜試樣在蜂窩芯破壞附近有嚴重的面-芯界面脫粘。由于夾層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)型和受力狀態(tài)，針對膠膜面重對平板剪切的影響規(guī)律以及更深入原因分析，需開展更細致的試驗研究并結(jié)合平板剪切試驗的破壞機理進行分析。

圖11 梁結(jié)構(gòu)平板剪切試驗的剪力和彎矩圖

表4 平板剪切極限載荷測試結(jié)果

圖12 平板剪切測試典型載荷位移曲線

圖13 平板剪切測試破壞形貌

3 結(jié)論

本文針對共固化工藝制備酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面-芯界面問題開展了一系列試驗性研究工作，得到以下結(jié)論：

(1)膠膜面重對共固化酚醛面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的面-芯界面質(zhì)量影響較大，滾筒剝離強度隨環(huán)氧膠膜面重的增大先提高后下降，不同面重膠膜的剝離形貌差別較大。

(2)面-芯界面優(yōu)化后，夾層結(jié)構(gòu)的四點彎曲極限載荷可提高13%左右;但當面-芯粘接強度達到一定閾值后，極限載荷將不會隨面-芯粘接強度的增加繼續(xù)發(fā)生顯著提高。

(3)提高面-芯界面性能可改善夾層結(jié)構(gòu)的平板剪切性能，有膠膜試樣的平板剪切極限載荷較無膠膜試樣提高了5.9%～9.9%。