整体中空夹层复合材料侧压性能的研究

周红涛(, )

整体中空夹层复合材料是一种新型的夹层结构材料，其预成型件是利用特殊三维机织工艺，将纤维联结成厚度方向具有纤维增强的特种织物，即织物的纤维面板与芯材交织联结在一起，面板和芯材纤维为整体连接。与传统夹层材料如蜂窝、泡沫夹层复合材料相比，整体中空夹层复合材料由织物经树脂复合后直接形成三维整体复合材料夹层结构，克服了传统复合材料层间性能低、易分层而引起的冲击损伤容限差等弱点，并具有加工工艺好，制造成本低的优点。图1为整体中空夹层复合材料的“8”字形芯材效果。由于整体中空夹层复合材料具有多功能性，该材料在交通、航海、建筑、航空以及管道等领域的应用前景广阔。

图1 复合板材的“8”字形芯材效果

本文设计了具有不同组织结构面板的预制件，并分析了预制件面板结构对整体中空夹层复合材料侧压性能的影响。

1 试验

1.1 预制件的制备及规格

纤维材料：无碱E-玻璃纤维作为原料，地经细度为33×2×2 tex，地经密度为10根/cm，绒经细度为33×2×1 tex。

预制件的规格：组织结构分别为经重平和平纹；地经密度为10根/cm，绒经密度为5根/cm，密度为8根/cm。

预制件的织造设备：江南大学纺织服装学院复合材料实验室自行研发的小样织机。

1.2 整体中空夹层复合材料的制备

树脂体系：树脂是WSR618环氧树脂，聚酰胺651#，稀释剂是660(501)活性稀释剂。

经过实验工艺调整，最终确定的树脂配方如表1所示。

表1 树脂配方

1.3 测试仪器及测试标准

测试标准：GB/T 1454-2005夹层结构侧压性能试验方法。

测试仪器：LRXplus电子材料试验机。

试样规格：长×宽为80 mm×40 mm，芯材厚度为6 mm，倾角均约为80°。

试验过程：实验室标准环境条件：温度：23 ℃±2 ℃；相对湿度：50%±10%；实验前，试样在实验室标准环境条件下至少放置24 h；采用位移控制加载，对试验件进行了侧压实验，加载速率为5 mm/min。

2 试验结果与分析

本文以面板结构分别为平纹组织结构及经重平组织结构的预制件对整体中空夹层复合材料的侧压性能进行了研究。试验过程及破坏形式如图2所示。

图2 侧压实验夹具及试验件破坏后形式

试样件的夹层结构侧压强度和面板的侧压强度，每项取其算术平均值得到的试验结果如表2所示。

表2 整体中空夹层复合材料侧压性能测试表

由表2可知，以平纹组织为面板的整体中空夹层复合材料的夹层结构侧压强度及面板侧压强度均大于以经重平组织为面板的该材料。在弹性模量相同的情况下，相同规格的试样件，质量越大，材料的惯性矩也就越大，越不容易失稳，因此，其侧压性能也随之增强。而以平纹组织为面板的整体中空夹层复合材料的质量大于以经重平组织为面板的整体中空夹层复合材料(因为材料面板的织造缩率不同的情况造成了材料的质量不同)，这也就解释了以平纹组织为面板的整体中空夹层复合材料的侧压性能优于以经重平组织为面板的整体中空夹层复合材料。

试样件的侧压位移—载荷曲线如图3所示。

由图3可知，以两种不同的组织作为面板的整体中空夹层复合材料的侧压位移—载荷曲线的变化趋势基本相同，即在试验的初始阶段，侧压载荷和位移呈十分明显的线性变化关系，此时材料处于弹性变形阶段；随着载荷的不断增加，当施加在试样件上的侧压载荷达到或者超过临界载荷时，载荷迅速下降。结合图1材料的破坏试样知，整体中空夹层复合材料最后的破坏形式不是由于两个层面在载荷方向上被压坏，而是材料丧失稳定后导致试样件的两个面层的错位，从而受压破坏，侧压位移—载荷曲线急剧下降。由此可以看出，该材料夹层结构侧压性能的好坏主要取决于其抗失稳的能力。

图3 以不同组织为面板的整体中空夹层复合材料的侧压位移—载荷曲线图

3 结论

本文通过对以平纹组织结构和经重平组织结构为面板的整体中空夹层复合材料的侧压性能进行研究，发现以平纹组织为面板的整体中空夹层复合材料无论是夹层结构侧压性能还是面板的侧压性能均优于以经重平组织为面板的整体中空夹层复合材料。这主要是由于预制件面板不同的组织结构使其织造缩率及其经纬交织情况不同，进而影响复合材料的侧压性能。实际应用中，应根据实际应用要求，合理设计材料的面板组织，结构载荷的实际承载大小及方向，使材料受力达到最佳状态，进而优化整个材料结构的性能。

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