深入研究。本文就 Z2pin植入参数对 X2Cor增强泡沫夹层复合材料平压性能和剪切性能的影响展
平压实验标准
-2005 ;试样尺开研究 ,为 X2Cor夹层复合材料中 Z2pin植入参寸 :60 mm ×60 mm;面板厚度 :1 mm;试样厚度
为 :21 mm;实验加载速度为 01 5 mm/ min。图 2
与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层结构相比 ,可以减重 10 %～15 %。
目前 ,国外对于 X2Cor泡沫夹层复合材料已经有一定的研究基础。 O ’Brien等[7]研究了 X2Cor泡沫夹层过渡区域破坏机理 , Vaidya等[8210 ]研究了结构的低速冲击性能和冲击后压缩性能。 Cartie等[11212 ]通过实验研究了 X2Cor夹层结构平压、剪切、平拉等力学性能 ,并揭示了 Z2pin与泡沫相互作用的机理。而国内的相关研究工作[ 13216 ]才刚刚开始 ,主要集中在基本力学性能研究 ,对其成型工艺、结构设计等问题仍有待进一步
1 实 验
11 1 实验设备及原材料
设备 :SANS力学测试仪器 ;精密数控压机。
原料 :E251和 F244环氧树脂 ,无锡树脂厂 ; 593固化剂 ,上海树脂厂 ; 501稀释剂 ,无锡树脂厂 ;三氟化硼 2单乙胺 ,北京益利精细化学品公司 ; S2玻璃纤维单向布 (SGFW430) ,南京玻璃纤维研究院 ; T700碳纤维 (12K) ,日本东丽公司 ;硬质聚氨酯泡沫 ,密度 :621 5 kg/ m3。
11 2 试样制备
(1) Z2pin的制备及植入工艺
以 F244环氧树脂体系 (固化剂为 3%的三氟化硼 2单乙胺 )浸渍 12 K的碳纤维丝束 ,采用手工缠绕方式 ,经固化、裁剪加工成一定长度的 Z2pin。制得的 Z2pin胶含量为 301 1%,横截面基本为圆形 ,直径为 01 96 mm。实验室自行设计了定角度装置和打孔装置 ,实现 Z2pin在硬质泡沫上以不同角度和密度植入。
(2) X2Cor夹层结构成型工艺
夹层结构面板采用两层 S2玻纤单向布 ,正交铺层。树脂、固化剂与稀释剂的质量比为 100 ∶28 ∶4。在植入 Z2pin的泡沫芯材表面铺放上下面板后 ,闭合模具 ,升温、加压成型。
图 1是成型后的 X2Cor夹层复合材料试样。为了便于观察结构中的 Z2pin形貌 ,部分 X2Cor夹层复合材料试样去除了泡沫。
图 1 X2Cor夹层复合材料 Fig11 X2Cor sandwich composite
11 3 力学性能测试
为平压实验示意图。
图 2 X2Cor夹层复合材料平压实验示意图 Fig1 2 Flatwise compression test of X2Cor sandwich composite
(2)剪切性能
剪切实验标准 : GB/ T 1455 -2005 ;试样尺寸 :60 mm ×240 mm;面板厚度 :1 mm;试样厚度 :21 mm;实验加载速度为 01 5 mm/ min。载荷作用线通过夹层结构对角线 ,如图 3所示。
2 结果与讨论
21 1 X2Cor夹层复合材料的平压性能
(1) Z2pin植入对平压破坏模式的影响
图 4对比了 X2Cor夹层复合材料和普通泡沫夹层复合材料的平压力学性能。由应力 2应变曲线可以看出 ,植入 Z2pin的泡沫夹层复合材料平压性能有大幅度的提高 ,X2Cor夹层复合材料的破坏强度比普通泡沫夹层复合材料提高了约 8倍。
普通泡沫夹层复合材料应力2应变曲线呈平缓上升趋势 ,变形量大于 5%时 ,泡沫塌陷 ,进入斜率较小的平台区 ,变形量大于 40 %时 ,由于泡沫密实 ,曲线斜率再次增大。植入 Z2pin的 X2Cor夹层复合材料应力 2应变曲线在经历较陡的弹性区达到最大载荷时 ,部分 Z2pin屈曲弯折 (见图
5) ,试样突然发生破坏 ,载荷瞬间降低 ,实验中可以听到噼啪的响声。但此时的 X2Cor夹层复合材料承载能力仍高于普通泡沫夹层复合材料。此后载荷几乎保持不变直到泡沫被压实。 Z2pin的植入大大提高了泡沫夹层结构的抗压能力。
(2) Z2pin植入角度和密度对平压性能的影响
Z2pin植入角度定义为 Z2pin与面板间所夹锐角 ,X2Cor夹层复合材料平压强度和弹性模量随 Z2pin植入角度的变化规律见图 6。植入角度采用 45°,60°,75°和 90°。可以看出 ,随着 Z2pin植入角度的增加 ,X2Cor夹层复合材料平压强度和弹性模量逐渐增大。由此可知 ,增大植入角度有利于平压性能的提高。
植入密度定义为单位面积上植入的 Z2pin数量。采用单个平压试样 (60 mm ×60 mm)上植入的 Z2pin数量比较植入密度。
X2Cor夹层复合材料平压强度和弹性模量随 Z2pin植入密度的变化规律见图 7。植入密度分别为 12 ,24 ,36 ,48 ,60根/ (36cm2) ,植入角度为 60°。可以看出 ,随着 Z2pin植入密度的增加 ,X2 Cor夹层复合材料的平压强度和模量增大。
21 2 X2Cor夹层复合材料的剪切性能
(1) Z2pin植入对剪切破坏模式的影响
图 8是 Z2pin在 60°和 45°植入角度下 ,X2Cor夹层复合材料剪切实验应力 2应变曲线。从图 8可以看出 ,当载荷增加到 01 7 MPa时 ,纯泡沫夹 层 复 合材料应力2应变曲线迅速下降 ,试样发生剪切破坏 ,泡沫芯材中心位置劈裂。实验发现 ,60°与 75°,90°植入角度下的试样剪切应力 2应变曲线比较相似 ,均是弹性变形后达到最大载荷发生第 1次破坏 ,泡沫中部出现约 45°裂纹。之后载荷逐渐降低 ,裂纹逐渐增大 (图 9 (a) )。当裂纹扩展至面 2芯粘结处 ,发生第 2次较大破坏 ,之后裂纹沿面 2芯粘结层延伸 (图 9(b)) ,曲线趋于平缓。这是由于芯材在剪应力作用下发生形变 ,引起 Z2pin端部旋转 ,结构发生破坏。之后 ,随着形变量的增大 ,Z2pin逐渐从面板和泡沫中拔脱 ,结构再次发生较大破坏。 45°植入角度下的 X2Cor夹层复合材料剪切应力 2应变曲线与其他角度较为不同 ,载荷达到 2 MPa时夹层结构发生破坏 ,载荷瞬间降低。这是由于当 X2Cor夹层结构中 Z2pin的植入角度较小时 ,沿 Z2 pin轴向的拉、压应力逐渐增大 ,而引起 Z2pin转动的转矩逐渐减小 ,表现为纤维针旋转困难 ,试样剪切模量较高。当剪切应力增加到足够大时 ,Z2pin发生拔脱和旋转 ,以至于夹层结构破坏迅速。
图 9 X2Cor夹层复合材料剪切破坏形貌 Fig19 Shear fracture morphologies of X2Cor sandwich com2 posite
(2) Z2pin植入参数对 X2Cor夹层复合材料剪切性能的影响
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