格构增强型复合材料夹层结构的制备与受力性能

       大型/异型复合材料结构件可采用低成本且快速成型的真空导入成型工艺（Vacuum infusion molding process，简称VIMP）制备，该工艺方法灵活，能给一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件，且成型工艺绿色环保，已成为复合材料领域的重要发展方向之一。采用树脂基纤维板面和泡沫或轻木芯材的复合材料夹层结构可达到理想的结构性能（强度、刚度、疲劳和冲击韧性等），且具有轻质、耐腐蚀、电磁屏蔽等特征，可替代钢结构面板制造各种结构构件，从而大幅度提高军事设施、车辆、舰船、建筑、桥梁等的结构性能和使用效果。如瑞典海军的轻型护卫舰Visby号，长73m，舰上的部件如船体、甲板和上层建筑均采用复合材料夹层结构制造，并采用真空导入成型工艺制造这些大型结构件。美国海军部门目前也正全面展开真空导入制备复合材料夹层结构的研究。目前真空导入成型工艺在我国风力叶片制造领域悄然兴起，并有向舰船领域渗透的趋势。但传统复合材料夹层结构面板与芯材界面构造简单，较易发生剥离破坏。目前缝纫点阵式泡沫夹层结构虽成为研究热点，但制备工艺较为复杂，较难成型大型结构件。本文在传统复合材料夹层结构制备与研究的基础上，设计并制备了适合真空导入成型工艺的格构增强型复合材料夹层结构，对其剪切、平压与抗弯性能及破坏状态进行了试验研究，并应用经典夹层梁理论预估了受弯极限承载力。

1 制备工艺

1•1 试验材料

       本试验主要用到的原材料包括乙烯基酯树脂，经测试25℃时，粘度为350cps，需要1.2%过氧化甲乙酮（MEKP）作为固化剂；增强材料为800g/m2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布；PVC泡沫，密度为60kg/m³。

       真空导入工艺主要用到的试验耗材有真空袋、脱模布、导流布、密封胶带、树脂管、螺旋管。

1•2 真空导入制备过程

       预先将整块PVC平板泡沫芯材（表面开有正交布置的尖槽）分割成宽40mm的条形泡沫块，然后用一层玻璃纤维布沿条形泡沫块错位折叠式布置；然后，在平板玻璃模具上，于泡沫芯材上、下表面铺放两层干的800g/m2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布，形成的铺层为[0/45/90/-45/0/45/90/-45]，参见图1（b）；依次铺放脱模布、导流布，并采用真空袋将其密封；型腔内抽真空时，树脂即可在大气压作用下沿树脂管注入真空袋内，并沿导流布分布、流动而浸滞纤维束，浸滞到泡沫芯材时即沿芯材表面的齿槽分布，然后树脂沿芯材厚度方向的剖开腹板流动至芯材下表面的纤维布。

       整个试验过程中，齿槽的布置为树脂提供了快速流动通道，沿芯材厚度方向的腹板保证了树脂在芯材两面的流动均匀，使得整个充模过程迅速完成，且无干点。由于所采用的乙烯基树脂粘度较低（25℃时粘度为350cps），因此浸滞性较好。同时该树脂可在室温下固化，因此无需加热加压处理，这也保证了该工艺对大型复合材料结构件的适用性，充模速度快，成型效益高。

图1格构增强型复合材料夹层结构

       制备时，室温为28℃，可以发现：5s后，即可观察到树脂浸滞到下表面；20s后，上、下表面完成大部分充模过程，下表面略滞后于上表面,参见图2；30s后，边角五干点，完全完成充模过程；此后保持真空状态30min；充模完成15min后，真空袋表面明显发热，树脂固化；6h后，即可将脱模布剥离，取出制品，可以发现沿芯材厚度方向剖开位置的玻璃纤维布与树脂固化形成复合材料格构腹板，将上、下面板与泡沫芯材有机形成一体，泡沫芯材上下表面的尖槽内同样填满树脂，将面板与泡沫芯材“钉”在一起，可提高面板与芯材的抗剥离能力，参见图三。格构腹板对夹层结构剪切、平压以及受弯性能的影响及其与传统复合材料夹层结构受力性能的比较将在其后通过试验论证。

图2 充模过程（t=20s）


图3 制备完成的样品

2 受力性能试验

2•1 组分材料物理力学性能测试

       格构增强型复合材料夹层结构的组分材料主要包括乙烯基树脂/玻璃纤维面板和由格构腹板增强的PVC泡沫。面板的受拉性能可根据文献[5]进行测试，其弹模为8730Mpa，拉伸强度为223.7Mpa，断口形貌呈+45℃/-45℃破坏，参见图4（a）。而增强前后泡沫的剪切性能与平压性能试验结果参见表1，与增强前相比，泡沫芯材经纤维腹板格构增强后，剪切强度提高18.4%，剪切模量提高50.4%，腹板起到了阻止剪切裂纹扩展，控制剪切变形的作用参见图4（b）；平压强度大幅提高268.9%，平压模量提高15.0%，为树脂基纤维腹板失稳折断破坏，并挤压其周围泡沫，参见图4（c）。由此可说明芯材经树脂基纤维腹板格构增强后，其剪切性能与平压性能均得以大幅度提高。

图4 组分材料试验

2•2 受弯试验

       根据参考文献[8]，制备跨度为450mm的格构增强型复合材料夹层结构四点弯试样，采用加载形式，并在跨中设竖向位移计。其破坏形态分别参见图5.为芯材剪切破坏，格构腹板有效抑制了面板与芯材剥离破坏的发生。图6所示为格构增强型复合材料夹层结构与真空导入制备的传统复合材料夹层结构四点弯荷载-跨中位移曲线，极限承载力提高了7.1%，抗弯刚度提高了20.4%。

图5 复合材料夹层结构四点弯试验


图6 四点弯荷载—跨中位移曲线

2•3 四点弯极限承载力

       按经典夹层梁理论分析夹层结构截面应力分布。根据试验中观察到的破坏模式，当芯材所受的剪应力，芯材易发生剪切破坏，则对于四点弯试件，芯材临界剪切荷载可表示为：

       式中，Tcr为增强后芯材剪切强度，0.90Mpa；b为试件宽度，80mm；d为芯材高度，25mm。

       根据公式（1）可求得格构增强型复合材料夹层结构四点弯极限承载力理论值为3.60KN，与试验值3.59KN仅差异0.28%，符合较好，这表明利用经典夹层梁理论的简单方法预估格构增强型复合材料夹层结构极限承载力具有较好的工程实用精度。

3 结论

     （1） 真空导入成型工艺充模速度快、成型效益高，适合制备大型/异型复合材料夹层结构件；

     （2） 格构增强型复合材料夹层结构在泡沫芯材表面所开的齿槽，以及沿厚度方向的剖开腹板为树脂充模过程提供了快速流动通道；

     （3） 格构增强型复合材料夹层结构的剪切与平压性能均较增强前的泡沫有了大幅度提高，格构腹板对泡沫芯材起到了增强作用，且能有效抑制泡沫剪切裂纹的扩展；

     （4） 格构增强型复合材料夹层结构受弯时，其腹板可有效抑制面板与芯材的剥离破坏，极限承载力与抗弯刚度均高于传统复合材料夹层结构，可利用经典夹层梁理论的简单方法预估其受弯极限承载力，理论值与实测值符合较好。