碳纤维管周期性堆叠结构的强度研究

丁伟民，熊宇航，杨 旭，韩双谦，曲 嘉

(哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 引 言

复合材料夹芯结构因其特有的质量轻、强度高等优点而得到了广泛应用[1]。设计一种多功能一体化的复合材料结构以满足多种需求和功用，成为研究的热点，受到国内外相关科研人员的关注[2，3]。现阶段，对夹芯构型的研究以格栅[4]、蜂窝[5]、波纹板[6]、点阵[7]、褶皱[8]等结构为主。

由于复合材料工艺相比金属更为复杂，对夹芯结构的制备较为困难。美国学者Finnegan利用水切割组装的方法成功制备出碳纤维金字塔芯子并进行了单向轴压试验[9]。Sugiyama等通过注入热塑性高分子基体的方法制备出复合材料蜂窝夹芯结构[10]。Du等使用热压成型方法设计并制造了基于V形褶皱的碳纤维增强复合材料褶皱结构[11]。

目前，对于复合材料纤维管周期性堆叠夹芯结构的相关研究接近空白状态。本文提出了一种碳纤维周期性堆叠结构及其制备工艺，并对使用该制备工艺得到的结构进行了理论分析和试验研究，证实该制备工艺具有经济可行、高效便捷的特点，利用该工艺得到的结构在抵抗冲击破坏等方面具有较好的力学特性，这为发掘其更丰富的力学性能及工程应用提供了参考。

2 结构及制备工艺

目前，复合材料夹芯结构设计和制备的研究中，纤维管周期性堆叠结构的制备及其力学性能尚未被发掘。

2.1 结构介绍

碳纤维管周期性堆叠结构由上下面板和中间纤维管芯子构成(如图1所示)，材料均为碳纤维，单层面板厚度约1.5mm，中间芯子由5层纤维管组成，每根纤维管的尺寸如表1所示，每层纤维管数目分别为4、3、4、3、4，左右相邻纤维管间隔5mm。整体样件尺寸为75mm×50mm×80mm(长×宽×高)，总重量约106g。

1.碳纤维上面板；2.碳纤维管芯子；3.碳纤维下面板图1 碳纤维管周期性堆叠结构示意图

表1 单根碳纤维管参数表

2.2 制备工艺

制备工艺流程如图2所示。

图2 制备工艺流程图

2.2.1 面板制备

面板由铺叠碳纤维预浸料固化而成。选取16张裁剪好的碳纤维预浸料，由于纤维是单向的，采取0°/90°相邻两层正交铺叠的方式，考虑到面板的对称性对于强度的影响[12]，将第8、9层的预浸料纤维方向调整一致。将预浸料各层间气泡挤出后，放入XLB-25平板硫化机中进行热压固化，压强始终保持0.5MPa，温度保持在80℃下30min，再将温度调节为130℃，待平板硫化机温度上升到预设温度后维持60min。固化完成冷却后取出，按照预设尺寸确定面板大小。使用雕刻机裁剪尺寸合适的碳纤维面板，将面板边角处磨平、洗净并干燥。

2.2.2 芯子粘接

选取适量3K碳纤维管，利用砂纸机将碳纤维管打磨至长度一致，再用砂纸打磨外表面至粗糙，清洗、干燥以备用。按照预设尺寸，切取J-272-C胶膜，把胶膜粘贴至纤维管上，将每根纤维管作为单胞按照固定间隙粘接组装，得到夹芯结构的芯子。为简化制备工艺流程，待整个夹芯结构粘接完成后一体固化成型。

2.2.3 面板芯子粘接

清洗切割后的面板并干燥，通过J-272-C胶膜将碳纤维上下面板分别与纤维管芯子粘接，并放置在高温真空箱中。抽真空后，温度保持在80℃下30min，再将温度调节为130℃，待箱内温度上升到预设温度后维持60min，使胶膜固化，结束后待板件冷却，取出得到碳纤维管周期性堆叠结构试样。

3 试验分析

3.1 准静态压缩试验

采用INSTRON 5500R对试件进行准静态加载，加载速率为2mm/min，位移载荷曲线如图3所示。载荷线性增加至峰值1，直至结构中纤维管发生破坏。芯子结构共5层，中间3层碳纤维管先发生不规则破坏，3层压溃成2层后出现载荷峰值2。峰值2对应载荷比峰值1对应载荷小，原因是中间3层压溃后，结构未能形成稳定的支撑来抵抗压力，故峰值2不能像峰值1一样承受相同的压力。由于部分纤维管断裂后残留在结构中，残骸的位置不断调整，其中有一部分仍然能够支撑竖向载荷，力随位移的变化出现复杂波动。中间3层压溃成1层后出现载荷峰值3，峰值4对应于最下层纤维管的破坏，随后载荷继续增大至最后一层纤维管破坏，对应载荷峰值5。试验测得的碳纤维管周期性堆叠结构最大承载力为11.25kN，主要失效形式(如图4所示)为脆性断裂和脱胶。宏观上，结构沿45°方向产生断裂；微观上，结构的破坏是由于单根纤维管的断裂。

图3 准静态压缩下位移载荷曲线

图4 准静态压缩试验破坏形式

3.2 冲击试验

采用落锤冲击试验机对试件施加冲击载荷，落锤质量24kg，测得落锤接触试件时速度为6.07m/s，结构在冲击载荷下的位移载荷曲线如图5所示，载荷峰值达到8.89kN。试验测得结构的比吸能约为4151J·kg-1，主要失效形式(如图6所示)为脆性断裂和脱胶。

图5 冲击载荷下位移载荷曲线

图6 冲击试验破坏形式

4 结 论

本文提出了一种碳纤维管周期性堆叠结构及该结构的制备工艺，研究了该结构的力学特性。对试件进行准静态压缩试验和冲击试验，结果表明，结构在准静态压缩过程中，随着纤维管的破坏，载荷随纤维管层数减少出现多个峰值，其主要失效形式为脆性断裂和脱胶。在冲击载荷下，结构失效形式同样以脆性断裂和脱胶为主，纤维管的脆性断裂吸收能量使得结构具有较好的吸能效果。