环氧泡沫填充间隔织物复合材料的弯曲性能

谢章婷 郑连刚 周家德 张凤翔 许福军

摘 要：为了获得一种轻质、高强且整体性良好的泡沫夹芯复合材料，并探究泡沫填充对中空复合材料弯曲性能的影响，将环氧泡沫填充至玻璃纤维间隔织物/环氧树脂复合材料中制备出一种泡沫夹芯复合材料，并对泡沫填充前后的复合材料的弯曲性能进行了测试。实验结果显示，泡沫夹芯复合材料的弯曲刚度可达14.92×106N·mm2，其经向抗弯刚度提高了66.93%，纬向提高了106.08%。由此可知，环氧泡沫的存在可以明显地提高材料的抗弯性能。为揭示环氧泡沫在复合材料弯曲性能中的作用机理，结合显微镜图对泡沫填充前后复合材料的弯曲破坏模式进行了分析。结果表明，环氧泡沫在夹芯复合材料中不仅能起到传递载荷的作用，还能与柱纱发挥协同支撑作用，并能通过变形和破裂来吸收载荷和能量，致使复合材料抗弯性能显著提高。

关键词：三维机织间隔复合材料;环氧泡沫;夹芯结构;弯曲性能;破坏模式

中图分类号：TS 101.2

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）01-0054-07

Abstract： In order to obtain a foam core composite material with light weight， high strength and good integrity， and examine the effect of foam filling on the bending properties of the composite material， a kind of foam core composite material was prepared by filling epoxy foam into the composite of glass fiber spacer fabric/epoxy resin， and the bending properties of the composite material before and after filling of foam were tested. The experimental results show that the bending stiffness of the foam core composite material is up to 14.92×106N·mm2， the warp-wise stiffness increases by 66.93%， and the weft-wise stiffness increases by 106.08%. It can thus be seen that the epoxy foam can significantly promote the bending performance of the material. In order to reveal the mechanism of epoxy foam in the bending properties of the composite material， and the bending failure modes of the material before and after filling of foam were analyzed through microscope images. The results show that the epoxy foam can not only transfer the load， but also play a synergistic supporting role with the column yarn， absorb load and energy through deformation and rupture. Therefore， the bending performance of the composite material is significantly improved.

Key words： 3D woven spacer composite material; epoxy foam; sandwich structure; bending properties; failure mode

三維机织间隔织物复合材料因其轻质、高强且整体性出色等优点，被认为是各领域工程材料中具有竞争力的材料[1-2]。间隔织物是由三维织机一体织造而成，芯层的柱纱将上、下两面层织物紧紧地连接在一起。因此，以它为“骨架”的复合夹芯材料具有很高的皮芯剥离强度，相比于传统的蜂窝夹芯和泡沫夹芯复合材料来说具有更好的抗分层、耐冲击的优点[3]。此外，三维机织间隔织物具有很强的结构可设计性[4-6]，可以通过调控面纱和柱纱的种类、织物的组织密度、纱线的交织方式、芯纱的高度等来调控复合材料的各向性能。

Vuure等[7]用改造的天鹅绒织机织造了不同柱纱排列方式的玻纤间隔织物，用特殊的工艺将织物中倾斜的柱纱拉成垂直状态，并将环氧热熔片贴于织物上下表面，经高温熔化后的树脂渗入织物中并固化成型得到三维间隔织物中空复合材料（后简称中空复合材料）。Corigliano等[8] 针对海军工程应用对中空复合材料进行设计改进，在制备好的间隔织物中空复合材料的空腔中嵌入含环氧树脂基质的中空玻璃微球制成的复合泡沫夹芯板。在前人的研究基础上，庄桂增等[9]在中空复合材料中填充了相对平价的聚氨酯泡沫以降低材料的生产成本，并对其平压，剪切及三点弯曲性能进行了测试，结果表明，泡沫夹芯复合材料在承受平压载荷时， 柱纱和泡沫存在协同效应。为进一步增强泡沫夹芯复合材料性能，Safari等[10]将天然纳米沸石/聚氨酯复合泡沫注入中空复合材料中。并对该材料进行了力学性能测试，结果表明聚氨酯复合泡沫的加入显著提高了间隔织物复合夹芯板的抗弯强度，极限载荷和能量吸收。此外，与其他典型的夹芯板相比，由于柱纱的存在，复合夹芯板不会发生局部起皱或分层破坏。但该文中沸石在泡沫中的分布呈现不规则且不均匀的粒状，材料的整体性能有待改善。钟智丽等[11]则考虑改变织物原料和工艺来设计制备新型复合材料，在玄武岩纤维/芳纶混织间隔织物中之间填入聚氨酯泡沫，再将其与环氧树脂复合，制得了泡沫夹芯复合材料，并对该材料进行了三点弯曲测试和有限元模拟。研究发现该材料失效时主要不是纤维的断裂，而是树脂基体与增强体之间的分层破坏。说明在该结构中树脂基体、泡沫、织物三者之间的界面结合仍不够强，这也是影响复合材料性能的一个重要因素。

目前，研究人员主要倾向于对三维机织间隔织物泡沫夹芯复合材料的制备及综合力学性能的研究，而其单一性能的研究不够细致，且对复合材料失效破坏机理的研究工作不够完善[1]。因此，本文欲通过使用同种树脂基体的泡沫填充来增强中空复合材料，以望改善泡沫与树脂基体及织物之间的界面问题。采用“两步法”制备一种环氧泡沫填充玻璃纤维间隔织物/环氧树脂夹芯复合材料，即先将环氧树脂与三维机织玻璃纤维间隔织物复合，再在其中填充环氧泡沫来制备泡沫夹心复合材料，并着重研究其弯曲性能和破坏机理。

1 实 验

1.1 实验材料

E-玻纤（EDR13-300-386，中国巨石股份有限公司）;双酚A型环氧树脂（型号JL-235，环氧值0.56 eq/100g）;固化剂（型号JH-242，杭摩佳发新材料（苏州）有限公司）;稳泡剂、二甲聚硅氧烷（国药集团化学试剂有限公司）;微球发泡剂（粒径20～25 μm，膨胀倍率4～5倍，快思瑞科技（上海）有限公司）。

1.2 复合材料的制备

1.2.1 织物结构的设计与织造

实验中三维机织间隔织物是由三维织机一体化织造而成，其组织结构如图1。整个织物由上、下两面层织物和中间的柱纱组成，上、下两表面织物是由两组经、纬纱交织而成的平纹组织，中间的柱纱沿经向在上、下表层织物间穿梭，并和纬纱进行交织。柱纱被表层经纱覆盖，而不显露在织物表面，其排列密度与上下两面层经纱的排列密度一致。柱纱形态均匀对称，各个织物组织结构单元之间的柱纱互为支撑，形成稳定的结构。整个三维机织间隔织物的具体织造参数如表1。

1.2.2 泡沫夹芯复合材料的制备

环氧泡沫夹芯复合材料的制备主要分两步。第一步，将双酚A型环氧树脂和固化剂以质量比100∶33混合，将配好的树脂用手糊法均匀地糊于织物表面，每平方米织物约用2.366 kg树脂。将其放入烘箱中50℃预固化3 h，再70℃固化7 h，制得中空复合材料。其实物图如图2（a）。第二步，调配发泡体系，将微球发泡剂、稳泡剂分别以3%、2%的比例依次加入配好的环氧树脂中，充分搅拌后抽真空脱泡30 min。将待发泡树脂沿经向截面滴入中空复合材料中，并放入凹槽模具内，确保树脂完全且均匀地浸润中空复合材料，保留一定的发泡空间，升温至95℃自由发泡1 h后降温至70℃固化7 h。制备得到环氧泡沫夹芯复合材料，其实物图如图2（b）。

1.3 复合材料弯曲性能测试

实验采用INSTRON-5967强力仪，参照国家标准GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能测试方法》对所制备材料的弯曲性能进行测试。通过夹层结构长梁试样的外伸梁三点弯曲测定试样的弯曲刚度。所有试样分别沿着经向和纬向被裁切成长160mm、宽30mm的矩形长条，测试跨距为80mm，外伸臂长度为40mm，测试速度为 2mm/min。具体的试样参数和编号如表2。每组为5个平行样。

2 结果与讨论

2.1 弯曲性能测试结果

图3为环氧泡沫夹芯复合材料与中空复合材料试样在经、纬两个方向上的弯曲载荷-挠度曲线。从总体趋势来看，两种复合材料板在发生弯曲变形时都存在三个阶段。第一阶段为弹性形变阶段，弯曲载荷随挠度的增长而增长，呈线性关系。第二阶段，达到破坏载荷后，力突然下降，说明此时复合材料发生了脆性破坏。第三阶段，复合材料失效后，还会出现一段塑性平台，且在这段塑性平台上，复合材料所能承受的载荷仍很高，表现出一定的韧性和强度。

相比于未填充泡沫的中空复合材料，环氧泡沫夹芯复合材料的极限弯曲载荷在经、纬两向上均有提高。在经向上，由694.38 N增加到1090.30 N，提高了57.02%;在纬向上，由1198.48 N增加到1461.40 N，提高了21.94%。

夹层结构经、纬两向的弯曲刚度可通过算式（1）计算。

D=l2·a·Δp16f1（1）

式中：D为夹层结构的弯曲刚度，N·mm2; Δp为载荷挠度曲线初始段的载荷增量值，mm; a为外伸臂长度，mm; l为跨距长度，mm; f1为对应Δp的外伸点的挠度增量值（取左右两点的平均值），mm。

如图4为环氧泡沫夹芯复合材料与中空复合材料试样在经、纬两个方向上的弯曲刚度对比图。由图4可以看出，相比于未填充泡沫的中空复合材料，填充泡沫后的夹芯复合材料的弯曲刚度总体提高。在经向上由6.32×106 N·mm2增加到10.55×106 N·mm2，提高了66.93%。纬向上，由7.24×106 N·mm2增加到14.92×106 N·mm2，提高了106.08%。考虑到材料的密度差异，经计算得其密度比刚度在经、纬两向上分别提高了15.28%、28.18%。说明虽然泡沫芯的加入会使材料的重量有一定的增加，但其对复合材料弯曲刚度提高作用更为显著。

由于三维织物中纬纱纤度比经纱大一倍，纬密也大于经密，且纬纱的屈曲变形比经纱小，处于一个相对伸直的状态，承载能力更强，所以相比于经向的試样，纬向试样的各项指标都要优于经向。

2.2 破坏模式分析

复合材料在受到弯曲载荷后，首先是表层面板承力，接着表层面板将压力传递给中间的芯层，再由芯层传递给下层面板。上层面板受到压应力，而下层面板受到拉应力[12]。图5为中空复合材料经、纬两向试样在受弯曲载荷时典型的破坏细节图。中空复合材料弯曲破坏后，在经向断裂模式中，其上表面承力部位有明显的挤压破坏痕迹，面板起褶（图5（a））。从经向截面图（图5（c）～图5（d））中可以看到，由于中空结构使得柱纱具有较大的变形空间，在挤压力的作用下柱纱产生较大变形。同时存在纤维和树脂断裂的现象。在纬向断裂模式中，上面板受挤压力作用后会出现纤维和树脂断裂（图5（d））。在纬向截面图及局部放大图（图5（e）～图5（f））中可以看到，面板断裂后会产生一定的错位，同时柱纱也会产生较大的变形甚至断裂。在中空复合材料的弯曲破坏模式中，不管是经向还是纬向，均能发现主要都是上面板及靠近上面板的柱纱端发生明显破坏，而下层面板仅出现轻微的拉伸破坏，说明在中空结构中弯曲载荷并不能很好地被柱纱传递到下层面板。

圖6（a）～图6（c）为泡沫夹芯复合材料经向弯曲破坏图，它们的上表面和中空复合材料试样一样也受到了挤压破坏（图6（a）），但其下层面板发生了明显的拉伸断裂（图6（b）～图6 （c）），说明泡沫的存在使弯曲载荷成功地传递到了面板下层。分析可知泡沫可以在横向上稳定柱纱，防止它产生较大的弯曲变形，从而增强柱纱对上下面板的“支撑”作用;并且泡沫的存在能够更均匀地传递载荷，使得柱纱间的支撑作用得到充分利用。此外，柱纱能够包裹固定泡沫，使得泡沫在受力后不易发生脆性断裂，同时能够有效抑制局部裂纹的产生。泡沫与柱纱之间的这种协同作用，使得复合材料具有更高的抗弯能力。

图6（d）～图6（f）为泡沫夹芯复合材料在纬向上的弯曲破坏图。可以看见泡沫被挤压粉碎，而下层面板并未断裂，说明泡沫在其中虽然起了支撑作用，但还不够。主要是因为纬纱的纤度较高，要比经向的大一倍，使得其下层面板拉伸强度也增强了，中间的柱纱泡沫协同支撑作用有限，即下层面板发生断裂之前，柱纱和泡沫先发生了变形与粉碎，造成材料失效。

图7为泡沫夹芯复合材料弯曲破坏前后泡沫形变对比SEM图。从图7（a）中可以看到每一根纤维都被中层的环氧树脂紧紧包围，而中层的树脂与外层的环氧泡沫融为一体。同基体的运用使得复合材料中泡沫结构与骨架结构之间的界面结合较好。良好的界面是泡沫与柱纱之间发生协同支撑作用的前提。发生弯曲破坏后的泡沫发生了严重地挤压变形甚至碎裂（图7（b）～图7（c）），这也正明了泡沫在材料中发挥了承力和传递载荷的作用，同时可以通过变形或破裂来吸收载荷和能量，使得复合材料的整体力学性能得到改善和增强。

3 结 论

为了增强三维机织间隔织物中空复合材料，制得更高强且轻质的织物夹芯板，本研究在玻璃纤维/环氧中空复材中填充了同基体的环氧泡沫，并对填充泡沫后的夹芯板进行了弯曲性能测试和破坏模式分析。主要研究结论如下：

a）相比于未填充泡沫的玻璃纤维/环氧中空复合材料来说，泡沫夹芯复合材料的弯曲性能得到了提高：经向的弯曲破坏载荷提高57.02%，纬向则提高了21.94%;经向弯曲刚度由6.32×106 N·mm2增加至10.55×106 N·mm2，提高了66.93%; 纬向弯曲刚度由7.24×106 N·mm2，增加至14.92×106 N·mm2，提高了106.08%。说明环氧泡沫的加入，可以很大程度地改善玻璃纤维/环氧中空复合材料的弯曲性能。

b）泡沫填充至中空复合材料中，在承受弯曲破坏时，能够起到承力和传递载荷的作用。泡沫的存在使得柱纱的变形空间受限，柱纱的支撑能力得到有效利用;同时，相邻柱纱的封闭空间可以局部包裹泡沫，能抑制泡沫中裂纹的产生。两者的协同作用，是该种夹芯复合材料抗弯性能提高的主要原因。

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