结构参数对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响

曹海建 陈红霞

摘要：三维中空夹芯复合材料是一种新型夹芯结构材料，具有轻质、高强、高模、抗冲击、隔音、保温等特性，可广泛用于航空航天、汽车、储油罐、船舶、建筑、能源等领域。本文选取芯材高度分别为 2、4、6 和 8 mm，以及芯材间距分别为 4、6 和 8 mm的两组三维中空夹芯复合材料为样品，测试其平压性能，重点研究芯材高度、芯材间距等结构参数对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响，并分析材料的压缩特性及损伤机理。结果表明，三维中空夹芯复合材料受到平压载荷时的破坏模式为明显的脆性破坏，同时，材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、界面脱粘等特征。三维中空夹芯复合材料的平压性能随着芯材高度、芯材间距的增加而下降。研究结果将为该材料的结构优化设计和性能分析奠定理论基础。

关键词：三维中空夹芯复合材料；平压性能；芯材高度；芯材间距；破坏模式；压缩特性

中图分类号：TB332 文献标志码：A

The Influence of Structural Parameters on the Flat-compression Property of Three-dimensional Hollow Sandwich Composites

Abstract： Three-dimensional hollow sandwich composites（3D composites）is a group of new sandwichstructure materials， which have been increasingly used in various industries covering aerospace， automobile， oil tank， ship， building and energy for their excellent properties， such as low weight， high strength， high modulus， impact resistance， sound insulation and thermal insulation. Two group of the 3D composites were investigated in terms of flat-compression properties by using Instron 3385H universal testing machine as a function of the z-direction pile height（2， 4， 6 and 8 mm）and pile distance（4， 6 and 8 mm）， and the influence of structural parameters such as pile height and pile density on the 3D composites was mainly studied， and the compression feature and damage mechanism of the 3D composites were analyzed too. The results show that the typical failure mode of the 3D composites is brittle damage when they suffered flatcompression loads， which is mainly reflected in resin fracture， fiber breakage and interface de-bonding. The flat-compression property of the 3D composites decreased with the increase of pile height and pile distance. The results will lay a foundation for further study on the 3D composites designing optimization and property analysis.

Key words： three-dimensional hollow sandwich composite； flat-compression property； pile height； pile distance； failure mode； compressive characterization

三维中空夹芯复合材料是一种新型夹芯结构，主要由100%的E-Glass纤维连续织造而成，其三明治结构通过Z向纤维整体连接织物的上、下两层面。三维中空夹芯复合材料具有优异的整体性能，克服了传统蜂窝、泡沫等夹芯结构易分层、不耐冲击等缺陷，可广泛用于航空航天、轨道交通、船舶、建筑、能源等领域。

近年来，国内外学者对三维中空夹芯复合材料进行了较为全面的研究。Bannister等研究了填充聚氨酯泡沫的三维中空夹芯复合材料力学性能，发现填充后的材料力学性能显著提高；Vuure等用有限元方法对三维中空夹芯复合材料进行了模拟，并借此对材料的力学性能进行了估算；Shyr等对三维中空夹芯复合材料的低速冲击性能进行了较为系统的研究。国内学者对该材料的研究工作始于本世纪初，如周光明等对比分析了三维中空夹芯复合材料与蜂窝结构复合材料的力学性能；高爱君等研究了三维中空夹芯复合材料力学性能的影响因素；曹海建等研究了三维中空夹芯复合材料的低速冲击性能及损伤容限。

本文将重点研究芯材高度、芯材间距等结构参数对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响，并分析材料的压缩特性及损伤机理，为此类材料的结构优化设计和性能分析奠定理论基础。

1 试验

1.1 试验材料与设备

纤维原料：136 tex E-Glass纤维，山东泰山玻璃纤维有限公司提供。

树脂基体：包括环氧树脂E51、聚醚胺H023，无锡仁泽化工有限公司提供；脱模剂XTEND807，北京科拉斯科技有限公司提供。

仪器设备：三维织造专用设备，南京玻纤院提供；RTM注射系统，法国Isojet公司；Instron 3385H型万能材料试验机，美国英斯特朗公司；101A-4S型电热鼓风干燥箱，南京沃环科技实业有限公司；JA2003型电子精密天平，上海菁海仪器有限公司；S212型恒速搅拌器，上海申顺生物科技有限公司。

1.2 三维中空夹芯复合材料的制备

三维中空夹芯织物的制备工艺可参考文献[9]。三维中空夹芯复合材料的制备采用手糊成型工艺：第 1 步，在模具上先涂上脱模剂，然后贴上一层颜料薄膜，刮平，将已配置完成的树脂倾倒1/3于薄膜上，用刷子把树脂均匀铺开至织物大小；第 2 步，将织物平铺于已附着树脂的区域，用辊子压实织物直到玻璃薄膜上的树脂基本渗入纤维；第 3 步，将剩余的树脂均匀缓慢地倾倒于织物上，用刷子刮平或用辊子压实，使树脂浸透织物，并挤出气泡，然后用刷子将上表面的树脂涂刷均匀。利用上述方法制作了两组符合质量要求的三维中空夹芯复合材料试样（图 1）。

1.3 测试标准

三维中空夹芯复合材料的平压性能按照GB/T 1453 —2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》的相关规定进行。试验原理：通过带球形支座的压缩夹具沿垂直夹层结构面板方向施加压缩载荷，使芯子破坏，测出平压强度，同时安装测量变形仪表测出压缩变形，可测定平压弹性模量。图 2 为试样平压受力示意图，试件规格为60 mm×60 mm，测试加载速度为 2 mm/min。

三维中空夹芯复合材料的测试件规格如表 1 所示。根据平压性能测试标准中规定的试样尺寸，对板块进行分割，得到符合要求的试样，每种试样数量为 5 件。

2 结果与讨论

2.1 平压特性

以芯材高度为 8 mm、间距为 6 mm的三维中空夹芯复合材料为例，材料的平压载荷-位移曲线如图 3 所示。结合图 3 和试验过程可知，材料的平压特性：初始阶段，平压载荷随位移增加呈线性增加趋势，而后出现小段非线性，此时可看到芯材交叉部位及芯材与上下面板接触部位均出现不同程度的树脂基体破裂、“发白”等现象，且陆续听到有试样破坏时的爆鸣声；其次，平压载荷随着位移的增加而继续增加，并达到第一个“峰值”，此过程中可看到芯材逐渐发生倒塌，且芯材交叉处以及芯材与面板接触部位的纤维均出现不同程度的断裂，树脂基体破裂现象严重，且试样发出剧烈的爆鸣声；再次，平压载荷随着位移的增加急剧下降，芯材纤维彻底倒覆，上下面板贴在一起；最后，平压载荷随着位移的增加出现急剧上升趋势，此时可看到材料上下面板紧密地贴合在一起，材料变成实心结构，芯材纤维断裂以及树脂基体破裂等现象均十分严重，材料彻底破坏。

2.2 芯材高度对平压性能的影响

当芯材间距均为 6 mm时，芯材高度对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响如图 4 所示。由图 4 可知，三维中空夹芯复合材料的平压强度随芯材高度的增加而逐渐减小。当芯材高度为 2 mm时，材料的平压强度为7.8 MPa；高度为4 mm时，平压强度为5.2 MPa；高度为 6 mm时，平压强度为4.6 MPa；高度为 8 mm时，平压强度为3.5 MPa。

分析其原因，主要是由三维中空夹芯复合材料的结构决定的。材料的芯材呈“8”字形结构，当高度小的时候，组成“8”字的两根纱线贴合比较紧，成型后树脂会填满“8”字形的两个空隙，使芯材成为一根较粗的杆，此时复合材料平压强度较大。当芯材高度达到 4 mm时，“8”字结构主要由 4 根弯杆组成，此时芯材极易失稳，因此强度下降明显。

2.3 芯材间距对平压性能的影响

当芯材高度均为 8 mm时，芯材间距对三维中空夹芯复合材料平压性能的影响如图 5 所示。由图 5 可知，三维中空夹芯复合材料的平压强度随着芯材间距的增加而下降。当芯材间距为 4 mm时，平压强度为4.8 MPa；间距为 6 mm时，平压强度为3.4 MPa；间距为 8 mm时，平压强度为1.5 MPa。

分析这主要是由三维中空夹芯复合材料的结构决定的，当芯材间距较小时，“8”字形芯材会相互接触，在承受平压载荷时能产生协同效应，从而使平压强度增加很多；相反，当芯材间距较大时，“8”字形芯材中的纤维独自承担平压载荷，不能产生协同效应，因此平压强度会明显下降。

3 结论

（1）三维中空夹芯复合材料的破坏特性表现为明显的脆性破坏，同时，材料破坏形式主要表现为树脂开裂、纤维断裂、界面脱粘等特征；（2）三维中空夹芯复合材料的平压性能随着芯材高度和间距的增加而下降。

参考文献

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