玻璃纤维增强聚苯硫醚夹芯复合结构力学性能

汤溢融，周晓东

(华东理工大学化工学院,上海市多相结构材料化学工程重点实验室,上海 200237)

夹芯复合结构具有质量小、比强度高的性能特点,在航空航天、房屋建筑和轨道交通车辆等众多领域已得到较为广泛的实际应用[1]。这些领域的发展对夹芯复合结构也提出了更高的要求,在提升力学性能的同时朝着轻量化的方向发展[2–3]。将玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)加热至基体熔点以上,材料会发生厚度方向的膨胀,在降低材料密度的同时,保留了GMT的部分力学性能,还具有不俗的隔音和隔热性能,具有取代传统铝合金、钢材的潜力,能很好地用于夹芯复合结构的芯层,满足夹芯复合结构轻量化的需求[4–7]。目前,用于GMT的常见基材为聚丙烯(PP)和聚酰胺(PA),其使用占据总量的90%以上[8]。以聚苯硫醚(PPS)为GMT的基体,保留了材料的膨胀特性,可以通过控制材料膨化后的压缩比以控制制品的厚度与体积密度,还能发挥PPS优越的性能,得到比PP基GMT和PA基GMT材料力学性能更加优异的PPS基GMT材料[9]。目前对PPS基GMT的研究更多是如何优化与表征这种材料的各种性能[10–15],鲜见将这种材料应用于夹层结构的制备,以更好地发挥材料低密度、高比强度的特性。

笔者利用热压成型方法,以膨化的PPS基GMT为芯材,双向碳纤维织物增强聚碳酸酯为面皮,制备夹芯复合结构,研究了夹芯复合结构芯层厚度与芯层面密度对夹芯复合结构力学性能的影响,以及夹芯复合结构的弯曲破坏形式和侧压破坏形式。

1 实验部分

1.1 主要原材料

膨化PPS基GMT片材：玻璃纤维(GF)含量为60%,GF长度为15 mm,厚度分别为3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分别为1 300,1 650,2 000 g／m2,自制；

双向碳纤维(CF)织物增强聚碳酸酯(PC)片材：CF含量为57.8%,厚度为0.4 mm,自制。

1.2 主要仪器与设备

中框模具：自制；

平板硫化机：QLB–25D／Q型,无锡中凯橡塑机械有限公司；

电子万能材料试验机：CMT4204型,深圳新三思材料检测有限公司；

冲击试验机：XJU–22 J型,承德试验机有限责任公司；

游标卡尺：110–120型,精度为0.01 mm,北京沿程科技有限公司。

1.3 样品制备

以厚度分别为3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分别为1 300,1 650,2 000 g／m2的膨化PPS基GMT片材为芯材,双向CF织物增强PC片材为面皮,将双向CF织物增强PC片材和膨化PPS基GMT片材按照“三明治”形状放入上、下压板和中框模具中并固定,将压机预热至265℃,在1.5 MPa压力下热压90 s,完成后快速转移至冷压机上,在1.5 MPa压力下冷压,冷却至室温,取出,制备出夹芯复合结构厚度分别为4,5,6,7,8 mm、芯层面密度分别为3 000,3 350,3 700 g／m2的夹芯复合结构。

1.4 性能测试

弯曲性能按照GB／T 1456–2005测试；

冲击性能按照GB／T 1451–2005测试；

侧压性能按照GB／T 1454–2005测试。

2 结果与讨论

2.1 夹芯复合结构厚度对夹芯复合结构性能的影响

以片材面密度为1 300 g／m2的膨化PPS基GMT片材为芯材,制备夹芯复合结构厚度不同、芯层面密度为3 000 g／m2的夹芯复合结构。不同厚度夹芯复合结构的弯曲性能如图2所示。

由图2a和图2b可以看出,增加芯层厚度,即增大夹芯复合结构的厚度,夹芯复合结构的弯曲强度、弯曲弹性模量和比弯曲强度减小。这是因为随着芯层厚度的增加,芯层内孔隙率增大[9],单位体积内GF和PPS骨架密度降低,力的传递与承载更困难。由图2c可以看出,夹芯复合结构的弯曲刚度随着芯层厚度的增加先增大后减小,转折点发生在夹芯复合结构厚度为5 mm时。这是因为弯曲刚度由弯曲弹性模量和夹芯复合结构厚度两个因素共同决定[15],在芯层厚度较小时,夹芯复合结构厚度也较小,此时弯曲弹性模量降幅小,夹芯复合结构厚度对弯曲刚度的影响较大,同时随着芯层厚度的增加,受PPS约束的部分GF恢复原有取向,恢复了部分抵御形变能力,所以在夹芯复合结构厚度不大于5 mm时,弯曲刚度随着芯层厚度的增加而增大,当夹芯复合结构厚度超过5 mm后,夹芯复合结构的弯曲模量降幅变大,同时厚度增幅不变,综合导致弯曲刚度减小。

图2 不同厚度夹芯复合结构的弯曲性能

不同厚度夹芯复合结构的冲击性能如图3所示。

图3 不同厚度夹芯复合结构的冲击性能

由图3可以看出,随着芯层厚度的增加,即夹芯复合结构厚度的增加,夹芯复合结构的冲击强度减小,而冲击总吸能量先增大后减小,转折点是夹芯复合结构厚度为5 mm时,此时夹芯复合结构的冲击总吸能为4.99 J。这是因为：(1)随着芯层厚度增加,芯层内的孔隙率增大,夹芯复合结构单位体积内GF骨架的密度降低,单位体积吸能的能力减小；(2)膨化后芯层内的PPS对GF的约束力变小,芯层厚度增加后,芯层内部分GF恢复原有的取向,GF对力的承载能力变强,GF骨架抵御形变的能力增大；(3)芯层厚度的增加会在芯层内产生更多更大的气孔结构,也能消耗部分能量,有助于冲击总吸能的增大。综合影响下,夹芯复合结构的冲击总吸能随着芯层厚度的增加先增大后减小。冲击强度是单位截面积的冲击吸能,在冲击总吸能没有大幅度上升的情况下,随着芯层厚度的增加,夹芯复合结构的冲击强度减小。

不同厚度夹芯复合结构的侧压性能如图4所示。

图4 不同厚度夹芯复合结构的侧压性能

由图4可以看出,随着芯层厚度的增加,即夹芯复合结构厚度的增加,夹芯复合结构的侧压强度和比侧压强度快速减小。这是由于夹芯复合结构侧压会发生芯层分层破裂,随着芯层厚度的增加,芯层内的孔隙率增大,类似于弯曲性能测试,夹芯复合结构更容易发生破坏。

2.2 芯层面密度对夹芯复合结构性能的影响

不同芯层面密度下夹芯复合结构的弯曲性能如图5所示。

由图5a和图5b可以看出,在夹芯复合结构厚度相同条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的弯曲强度和弯曲弹性模量都增大。这是因为芯层面密度增加,芯材内的孔隙率降低,芯层内堆积更紧密,抵御载荷的GF密度增大,更多的GF能承担和分散载荷。在芯层面密度相同条件下,随着夹芯复合结构厚度的增加,夹芯复合结构的弯曲强度和弯曲弹性模量都减小。这是因为夹芯复合结构厚度增加会导致夹芯复合结构单位体积内的GF骨架密度降低,骨架对力的承载能力下降。

图5 不同芯层面密度下夹芯复合结构的弯曲性能

由图5c可以看出,在夹芯复合结构厚度相同条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的弯曲刚度增大。

由图5d可以看出,在夹芯复合结构厚度为4 mm或5 mm条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的比弯曲强度减小；在夹芯复合结构厚度为6 mm条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的比弯曲强度先增大后减小。

不同芯层面密度下夹芯复合结构的冲击性能如图6所示。

图6 不同芯层面密度下夹芯复合结构的冲击性能

由图6可以看出,在夹芯复合结构厚度相同条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的冲击强度和冲击总吸能增大。这是因为芯层面密度增加,芯材内的孔隙率减小,受到冲击作用时有更多的GF承担吸能作用[9]。

不同芯层面密度下夹芯复合结构的侧压性能如图7所示。

由图7a可以看出,在夹芯复合结构厚度相同条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的侧压强度增大。

由图7b可以看出,当夹芯复合结构厚度为4 mm和5 mm时,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的比侧压强度减小；当夹芯复合结构厚度为6 mm时,随着芯层面密度的增加,比侧压强度呈现先降后升的趋势。

图7 不同芯层面密度下夹芯复合结构的侧压性能

2.3 弯曲破坏形式

夹芯复合结构的弯曲破坏形式如图8所示,相应的载荷–位移曲线如图9所示。

图8 夹芯复合结构的弯曲破坏形式

图9 夹芯复合结构的弯曲载荷–位移曲线

由图8可以看出,夹芯复合结构厚度的破坏形式为面板破坏和芯层分层。由图9可以看出,AB段为弹性变形阶段,载荷随着位移的增加而增大；在BC段,当载荷到达690 N后,增加位移,上面板出现微小裂缝,载荷下降；在CD段,除上面板上出现裂缝外,芯层并未发生破坏,可继续承载载荷,载荷上升；在DE段,面板的裂痕不断在长度和宽度方向衍生,载荷再次下降；EF段与CD段类似,未发生破坏的结构部分继续承担载荷,载荷上升,但较CD段的载荷下降；在F点后,芯层分层破裂,出现层间裂口,芯层的内部结构破坏并失效。

2.4 侧压破坏形式

夹芯复合结构的侧压破坏形式如图10所示,相应的载荷–位移曲线如图11所示。

图1 夹芯复合结构热压成型工艺示意图

图10 夹芯复合结构侧压破坏形式

图11 夹芯复合结构的侧压载荷–位移曲线

由图10可以看出,夹芯复合结构的侧压破坏形式主要是芯层的压缩／弯曲破坏。由图11可以看出,在AB段,夹芯复合结构先发生局部结构的失稳后进入弹性形变的阶段,载荷随着位移的增加而快速增大,载荷在B点达到最大,面板材料具有柔韧性,小幅度弯曲不会对其造成破坏；BC段发生芯层局部破坏；在CD段,夹芯复合结构在局部破坏基础上,进一步发生更严重的分层破坏；在DE段,分层破坏的结构还可承载一定载荷。

3 结论

(1)随芯层厚度的增加,夹芯复合结构的弯曲强度、弯曲弹性模量、比弯曲强度、冲击强度、侧压强度和比侧压强度减小,而弯曲刚度和冲击总吸能先增大后减小,转折点发生在夹芯复合结构厚度为5 mm时。

(2)在夹芯复合结构厚度相同条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的弯曲强度、弯曲弹性模量、弯曲刚度、冲击强度、冲击总吸能和侧压强度增大；在夹芯复合结构厚度为4 mm或5 mm条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的比弯曲强度和比侧压强度减小；在夹芯复合结构厚度为6 mm条件下,随着芯层面密度的增加,夹芯复合结构的比弯曲强度先增大后减小,比侧压强度先减小后增大。

(3)夹芯复合结构的弯曲破坏形式是面板破坏和芯层分层；侧压破坏形式是压缩／弯曲破坏。