缝合复合材料泡沫夹层结构的平压和剪切性能研究

刘华峰 赵凯辉 王佩艳 岳珠峰

1.西北工业大学，西安，710072 2.河南理工大学，焦作，454000

缝合复合材料泡沫夹层结构的平压和剪切性能研究

刘华峰1赵凯辉2王佩艳1岳珠峰1

1.西北工业大学，西安，710072 2.河南理工大学，焦作，454000

选用3种相同材料制造的复合材料泡沫夹层结构形式（未缝合、锁式缝合和达夫汀缝合），进行了面外压缩（平压）和面内剪切两项试验，研究了缝合方法对缝合夹层结构力学性能和破坏模式的影响。试验数据和观察结果表明，泡沫夹层结构缝合后较未缝合结构，面外压缩和面内剪切的强度和模量均得到了极大提高；不同的缝纫方法使得结构强度和模量的提高程度不同；达夫汀缝合方式使面外压缩和面内剪切的强度和模量的提高程度均优于锁式缝合方式。试验结果为进一步的结构设计和理论分析提供性能分析数据。

复合材料；泡沫夹芯；达夫汀缝合；锁式缝合

0 引言

2001年Utah大学的Stanley 等在美国国家航空航天局（NASA）的支持下，提出了缝纫泡沫夹层复合材料的新概念［1］。用Keviar缝线将碳纤维复合材料面板和闭孔硬质泡沫芯材缝在一起，采用真空辅助树脂传递模塑成形（VARTM）工艺将低温固化树脂注入并固化，制成缝纫泡沫夹层复合材料。由于缝线在Z向穿过了面板和泡沫芯材，对泡沫夹层复合材料进行了整体的横向加强，故复合材料夹层结构的力学性能和损伤容限都有显著提高。但是缝线的引入使得缝纫泡沫夹层复合材料结构的细观结构有了特殊性，其变形特点和破坏模式不同于未缝泡沫夹层复合材料，损伤和破坏机理十分复杂。目前，对其力学性能的认识、损伤破坏模式和机理的研究都处于研究摸索阶段［2］。

Xia等［3］用试验的方法研究了全厚度缝合泡沫夹芯材料的冲击性能。Lascoup［4］采用均匀化理论用解析的方法预测了缝合夹芯材料在弯曲载荷下弹性范围内的材料性能。黄涛等［5］将计算纤维增强复合材料有效弹性模量的方法应用于缝纫芯材剪切模量的计算，预测典型缝纫泡沫芯材的面内剪切模量。但是目前的研究都没有涉及不同的缝纫方法对材料力学性能的影响。本文采用对比试验的方法，探讨了缝纫方法对缝纫泡沫夹层复合材料各种力学性能的影响。

1 面外压缩和面内剪切试验

为了定量比较不同缝合方式复合材料夹层结构的性能，选择3种夹层结构进行试验对比研究：①未缝合泡沫芯层结构，即由复合材料面板、闭孔泡沫芯组成，面板和芯层未缝合；②全厚度采用锁式缝合的泡沫芯夹层结构；③全厚度采用达夫汀方式缝合的泡沫芯夹层结构。3种夹层结构均由国内某研究所研制。面板为T300碳纤维织物，夹层芯材为ROHACELL 51 WF闭孔泡沫，面线和底线分别为400旦和1500旦的Kevlar29纱线。两类试验中试件均分为未缝合、锁式缝合、达夫汀缝合3组，每组各包含6个试件。Z向增强泡沫夹芯复合材料的力学性能按照GB／T1453－2005（平压强度和弹性模量）、GB1455－88（剪切强度和弹性模量）进行测试。所有试验在CSS44200电子万能试验机上完成。试验温度为室温25℃，相对湿度为52%。试件上贴应变片测量应变，由自动采集系统记录数据。

2 试验结果及分析

力学性能综合试验结果如表1所示。

表1 3种夹层结构的力学性能综合表 MPa

2.1 面外压缩载荷下试验结果

3种泡沫夹层结构在面外压缩下的载荷位移曲线如图1所示。与未缝合结构相比，两种缝合结构的载荷位移曲线先是呈现线性增加，载荷平稳增加到很高水平才出现第1次峰值，这个峰值即为结构破坏的最大破坏载荷。对应此破坏载荷，结构也呈压塌破坏。然后载荷在较低水平但仍高于未缝合泡沫芯夹层结构最大破坏载荷下保持缓慢增加，但变形增加很快，直至部分边缘缝线受压失稳，泡沫夹层失效。

图1 3种夹层结构面外压缩下的载荷位移曲线

破坏模式对比如图2所示。未缝合结构由于泡沫已经完全压塌压实，结构厚度减小了一半，而缝合结构中泡沫已经部分压坏，由于缝线树脂柱起到了支撑的作用，破坏时厚度变化不大。

图2 3种结构面外压缩下的破坏模式

对于面外压缩的破坏载荷，未缝合为1k N，锁式缝合为50k N，达夫汀缝合为100k N。锁式缝合与未缝合夹层相比较，强度提高44.6倍，模量提高26.57倍。达夫汀缝合与未缝合夹层相比较，强度提高87.78倍，模量提高33.46倍。这表明缝线增强了泡沫夹层结构的面外压缩模量和强度。这是因为缝合试件中缝线树脂柱参与承担了压力，因此较未缝合试件可以承受更大的压力。

在两种缝合方式中达夫汀缝合方式对强度和模量的提高效果更好。虽然两种缝合方法中缝线树脂柱都参与承担压力，但是锁式缝合中底线和面子线在材料中间相交打结，缝线初始处于拉紧状态，并有应力集中点，因此两种缝合方法中缝线树脂柱同时承受压力时，达夫汀缝合方法中的缝线可以承受更大的载荷。

2.2 面内剪切载荷下的试验结果

由表1可知，锁式缝合与未缝合夹层相比较，剪切强度和剪切模量分别提高2.87倍和5.7倍。而达夫汀缝合与未缝合夹层比较，强度提高了7倍，模量提高了15.9倍。说明缝线的存在提高了泡沫夹层结构的剪切强度和剪切模量。而两种缝合方法中达夫汀缝合方法较锁式缝合方法对结构强度和模量的提高更好。

3种泡沫夹层结构剪切载荷下的载荷－位移曲线如图3所示。3种结构的加载曲线都是载荷增加到最大后，突然下降。表明结构都是在最大载荷下突然剪切破坏。

图3 3种结构剪切载荷下的载荷－位移曲线

破坏模式对比如图4～图6所示。未缝合泡沫夹层由于是泡沫承受剪力，最后沿泡沫厚度中部被剪断，夹层结构在瞬间失效（图4）。而缝纫泡沫夹层除了泡沫，缝线也参与承受剪切载荷，但是锁式缝合结构，因面线和底线交叉，有应力集中点，缝线较单边达夫汀缝合的相对较弱，因此破坏模式大部分为泡沫夹芯和缝线在面板之间被剪断（图5）。而达夫汀缝合因为缝线能承受更大剪切载荷，因此缝线和泡沫并不破坏，最后的破坏模式为夹层面板和泡沫之间脱胶（图6）。

图4 未缝合结构面内剪切载荷下破坏模式

3 结论

（1）使用低成本真空辅助树脂渗透成形技术（VARI）工艺制造的锁式缝合和达夫汀缝合两种全厚度缝合的复合材料闭孔泡沫芯夹层结构在承受面外压缩和面内剪切载荷时与未缝合结构相比，强度和模量大大提高。

图5 锁式缝合结构面内剪切载荷下破坏模式

图6 达夫汀缝合结构面内剪切载荷下破坏模式

（2）锁式缝合和达夫汀缝合方式对缝合结构的强度和模量的提高程度是不同的。达夫汀缝合方式在提高面外压缩和面内剪切的模量和强度方面均优于锁式缝合。

（3）锁式缝合结构的缝线因面线和底线交叉，有应力集中点，相对于单边达夫汀缝合较弱。同样受力状态下，锁式缝合的试件更易破坏。

［1］黄涛.缝纫泡沫夹层复合材料力学性能研究［D］.西安：西北工业大学，2004.

［2］黄涛，矫桂琼.缝纫泡沫夹层结构弯曲性能研究［J］.材料科学与工程学报，2006，24（4）：535－538.

［3］Xia Fan，Wu Xiaoqing.Study on Impact Properties of Through－thickness Stitched Foam Sandwich Composites［J］.Composite Structures，2010，92：412－421.

［4］Lascoup B.Homogenization of the Core Layer in Stitched Sandwich Structures［J］.Composites Science and Technology，2010，70：350－355.

［5］黄涛，矫桂琼.缝纫泡沫夹层结构芯子剪切模量研究［J］.机械强度，2007，29（1）：113－117.

Study on Mechanical Behavior of Composites Stitched Foam
Sandwich Panels under Flatwise Compression and Shear

Liu Huafeng1Zhao Kaihui2Wang Peiyan1Yue Zhufeng1
1.Northwestern Polytechnical University，Xi’an，710072 2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan，454000

Experiments on three kinds of composite foam core sandwich structures under flatwise compression and shear were present herein.Unstitch foam，lock－stitch foam and Tufting stitch foam sandwich structures were produced using the same face materials in order to study the stitch methods how to influence the mechanical property and failure modes.The experimental results show the significant increase in the strength and modulus of flatwise compression and shear of the stitched foam sandwich structures.Different stitch methods brought the different extent increases of the stitched structures.Tufting stitch is better than lock－stitch in the increasing of the strength and modulus.The results can be used in structural design and theoretical analysis.

composite material；foam core sandwich panel；Tufting stitch；lock－stitch

TB332

1004—132X（2011）10—1213—03

2010—08—02

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2009AA04Z418）；国家自然科学基金资助项目（50775183）

（编辑 袁兴玲）

刘华峰，女，1972年生。西北工业大学力学与土木建筑学院博士。主要研究方向为复合材料力学性能。赵凯辉，男，1971年生。河南理工大学机械学院副教授。王佩艳，女，1983年生。西北工业大学力学与土木建筑学院博士研究生。岳珠峰，男，1965年生。西北工业大学力学与土木建筑学院教授、博士研究生导师。