复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究毕业论文.doc

毕业设计 论文 题目 题目 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 学士学位论文原创性声明学士学位论文原创性声明 本人声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果 除了文 中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的 研究成果 也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果 对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式表明 本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担 作者签名 日期 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可 以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 作者签名 日期 导师签名 日期 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标 注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的 材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均已在文中作 了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 摘要 玻璃纤维增强复合材料泡沫夹层结构性能优异 应用广泛 但复合材料泡沫 夹层结构在厚度方向上没有增强纤维 故层间强度低 容易分层 所以复合材料泡 沫夹层结构对冲击载荷比较敏感 因此 对复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 以提高复合材料的抗冲击性能显得尤为重要 本论文采用手糊成型制作复合材料泡沫夹层结构 利用落锤式冲击试验机对复 合材料泡沫夹层结构进行冲击实验 利用超声波探伤仪检测试样冲击损伤情况 并 测试了试样冲击后压缩强度 分析了复合材料泡沫夹层结构的冲击损伤形式机理以及 玻纤含量对复合材料泡沫夹层结构抗冲击性能的影响 结果表明 在本论文制备的玻纤含量为33 和玻纤含量为25 的两类复合材料 泡沫夹层结构的10 种试样中 08 100 试样在经 13 72J 能量冲击后压缩强度损失为 率 6 5 是所有试样中压缩强度损失率最小的 这是因为玻纤含量是 33 发泡度 为 100 的泡沫夹层结构有利于分散冲击时所产生的能量 从而提高了复合材料的抗 冲击性能 08 100 和 06 100 两种试样冲击后压缩强度损失率分别为 6 5 和 7 5 这是因为泡沫夹层结构的夹芯材料发泡度越高 越能有效地吸收冲击时所产生的能 量 使得试样抗冲击能力更强 关键字 关键字 复合材料泡沫夹层结构 冲击损伤 冲击后压缩强度 超声检测 指导老师签名 Studies on impact damage of Composite foam sandwich structure Student Yuan Xing Class 0985021 Supervisor Xie Xiaolin Student ID 37 Abstract Glass fiber reinforced composite foam sandwich boards are widely used because of their outsttanding performances However there was no reinforcing fiber in the thickness direction of the composite material the interlaminar strength is low and it is easily layered So the composites are sensitive to impact loading Therefore it is of great importance to study the impact damage of composite materials in order to improve the impact resistance of composite materials In this thesis composite foam sandwich production was formed by hand lay up molding drop hammer impact test machine was used to test the impact damage of composite foam sandwich ultrasonic flaw detection was used to detect the sample s impact damage and specimen s compressive strength after the impact those test was performed to analyse the impact damage mechanism of composite foam sandwich laminate form and the impact effect of the quantities of fiberglass on foam sandwich structure The results show that among 10 kinds of samples in which glass fiber content is either 33 or 25 the loss rate of the 08 100 specimens compression strength after impact is 6 5 which is the minimum of all samples loss rate This is because the foam sandwich laminates of 33 glass fiber and 100 foaming degree is conducive to spread impact energy generated thereby improving the impact resistance of the composites the loss rates of compression strength of 08 100 and 06 100 after impact were 6 5 and 7 5 This is because the higher foaming degree of the foam sandwich structure the more effectively can it absorb impact energy generated which improves the impact resistance of the specimen Keyword Composite foam sandwich structures Impact damage Compressive strength after impact Ultrasonic testing Signature of Supervisor 目目 录录 1绪论 1 1 1 选题的依据及意义 9 1 2 国内外相关研究进展 10 1 3 研究内容 11 2实验部分 12 2 1 实验仪器和原料 12 2 2 复合材料泡沫夹层结构的制备 14 2 3 复合材料泡沫夹层结构的冲击试验 15 2 4 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的超声检测 16 2 5 复合材料泡沫夹层结构的压缩试验 17 3结果与讨论 18 3 1 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测结果 21 3 2 复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩强度 25 4结论 26 参考文献 27 致 谢 28 南昌航空大学学士学位论文 8 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的研究 1 绪论绪论 1 1 选题的依据及意义选题的依据及意义 复合材料是由两种或两种以上的不同化学性质或不同组织相的物质 以微观或宏观 的形式组合而成的材料 复合材料具有比强度 比刚度高 可设计性强 抗疲劳性能 好等优点 广泛应用于航空航天技术 空间技术 武器装备技术 能源工程 海洋工 程 生物工程乃至民用建筑和交通运输等领域 1 在航空方面 目前各发达国家的飞机 中 机翼蒙皮 机身 垂尾 副翼 雷达罩 翼肋等主承力构件都已经使用复合材料 大量使用复合材料能够大幅度减轻飞机的自重 改善飞机的总体结构 另外由于复合 材料构件大多采用整体成形 又极大地减少了连接件 从而有效提高了飞机结构整体 的可靠性 随着制造成本的不断下降 成型工艺机械化 自动化程度不断提高 民用 飞机也越来越多的使用复合材料 波音 787和空客A350飞机复合材料用量都已达到机 体结构重量的50 而更加注重先进性能的军用飞机 复合材料的用量往往更高 如美 国的B2 战略轰炸机 其复合材料用量占到了整体的 80 一些最新的无人侦察飞机更 是采用了全复合材料设计概念 建筑工业中 复合材料广泛应用于各种轻型结构房屋 建筑装饰 卫生洁具 冷却塔 储水箱 门窗及其门窗构件 落水系统和地面等 化 学工业中 复合材料主要应用于防腐蚀管 罐 泵 阀等 交通运输方面 如汽车制 造业中 复合材料主要应用于各种车身结构件 引擎罩 仪表盘 车门 底板 座椅 等 在铁路运输中用于客车车厢 车门窗 水箱 卫生间 冷藏车 储藏车 集装箱 逃生平台等 造船工业中 复合材料用于生产各种工作挺 渔船 摩托艇 扫雷艇 潜水艇 救生艇 游艇以及船上舾装件等 此外 复合材料在电气工业 军械 体育 用品 农渔业及机械制造工业等都有较广泛应用 但是其结构在制造 使用和维修过程中很容易受到低速冲击引起的损伤 这种损伤 主要发生在材料内部不容易被肉眼发现 称之为 难以察觉的冲击损伤 低速冲击引起 的损伤破坏了复合材料夹层结构的完整性 使其强度刚度大幅下降 引起人们的广泛 重视 复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成 基体采用各种树脂或金属 非金属 材料 增强材料采用各种纤维或颗粒等材料 其中增强材料在复合材料中起主要作用 南昌航空大学学士学位论文 9 提供刚度和强度 主要用于控制其性能 基体材料起配合作用 它支持和固定纤维材料 传递纤维间的载荷 保护纤维 防止磨损或腐蚀 改善复合材料的某些性能 复合材料的 力学性能比一般金属材料复杂的多 主要有不均匀 不连续 各向异性等特点 2 根据复 合材料中增强材料的几何形状 复合材料可分为三大类 1 颗粒复合材料 由颗粒增强材料和基体组成 2 纤维增强复合材料 由纤维和基体组成 3 层合复合材料 由多种片状材料层合而组成 单层复合材料中纤维起增强和主要承载作用 基体起支撑纤维 保护纤维 并在 纤维间起分配和传递载荷作用 载荷传递的机理是在基体中产生剪应力 通常把单层 材料的应力 应变关系看作是线弹性的 绝大多数情况下 单层复合材料并不单独使用 而是作为复合材料层合板的基本 单元使用 叠层材料由上述单层板按照一定的纤维方向和次序 铺放成叠层形式 进 行粘合 经加热固化处理而成 层合板由多层单层板构成 各层单层板的纤维方向一 般不同 层合板也是各向异性的不均匀材料 但比单层板复杂的多 因此对其进行力 学分析计算也将大大复杂化 复合材料层合板可以根据结构件的承载要求 设计各单 层板的纤维铺设方向及其铺层顺序 复合材料属于各向异性材料 沿纤维方向具有很高的强度和刚度 而在垂直于纤 维方向力学性能相对很弱 根据受载和功能要求而设计的交叉铺层复合材料层合板的 力学性能能够达到甚至超过金属材料 3 人们通常采用 不饱和聚酯树脂为基体材料制作复合材料层合板 而不饱和聚酯树 脂又是热固性树脂中最常用的一种 它是由饱和二元酸 不饱和二元酸和二元醇缩 聚而成的线形聚合物 经过交联单体或活性溶剂稀释形成的具有一定黏度的树脂溶 液 可以在室温下固化 常压下成型 工艺性能灵活 特别适合大型和现场制造玻 璃钢制品 迄今 国内外用作复合材料基体的不饱和聚酯 树脂 基体基本上是邻 苯二甲酸型 简称邻苯型 间苯二甲酸型 简称间苯型 双酚 A 型和乙烯基酯型 卤代不饱和聚酯树脂等 不饱和聚酯树脂是具有多功能团的线型高分子化合物 在其骨架主链上具有聚 酯链键和不饱和双键 而在大分子链两端各带有羧基和羟基 不饱和聚酯树脂的相 对密度在 1 11 1 20 左右 固化时体积收缩率较大 固化树脂的一些性质如下 4 耐热性 绝大多数不饱和聚酯树脂的热变形温度都在 50 60 一些耐热性 好的树脂则可达 120 热膨胀系数 1为 130 150 10 6 南昌航空大学学士学位论文 10 力学性能 不饱和聚酯树脂具有较高的拉伸 弯曲 压缩等强度 耐化学腐蚀性能 不饱和聚酯树脂耐水 稀酸 稀碱的性能较好 耐有机溶 剂的性能差 同时 树脂的耐化学腐蚀性能随其化学结构和几何开关的不同 可以 有很大的差异 介电性能 不饱和聚酸树脂的介电性能良好 玻璃纤维复合材料目前广泛应用于军工民用中的多个领域 在使用过程中不可 避免的承受不同程度的冲击载荷 如火车开车停车时承受的冲击 汽车相撞时车体 的受撞变形等 复合材料在使用过程中受到低能冲击时 大部分情况并没有明显的 目视损伤 但却在层合板内部会生成不可视的分层 从而形成潜在的危险 内部损 伤的存在可造成复合材料在强度和刚度上的很大损失 如何提高它们的耐冲击性能 是复合材料领域研究的一个重点内容 随着科技的发展 一些高性能纤维相继问世 像碳纤维 芳香族聚酞胺纤维 聚乙烯纤维 硼纤维等 其中有冲击性能和综合性 能较好的纤维 如聚乙烯纤维 碳纤维 但它们的价格比较贵 远没有玻璃纤维复 合材料具有的良好性价比 而且玻璃纤维增强复合材料的理论体系相对比较完善 因此被广泛应用到各行各业中 复合材料中泡沫夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始 逐步发展 到今天的船舶 交通运输 运动器材 风力发电 医疗器材等领域 常用的芯材有 泡沫 巴萨木和蜂窝等多孔固体材料 巴萨木目前主要的用途集中在风电 船舶 铁路车辆等行业 相对而言 因为其密度选择范围小 面层破坏以后 吸水腐烂的 缺点 已经逐步被 PVC 泡沫取代 但是因为其价格优势 目前还有一定的市场 常 用的泡沫芯材有聚氯乙烯 PVC 聚苯乙烯 PS 聚氨酯 PUR 丙烯腈 苯乙 烯 SAN 聚醚酰亚胺 PEI 及聚甲基丙烯酰亚胺 PMI 等 硬质聚氨酯 PUR 泡沫与其他泡沫相比 其力学性能一般 树脂 芯材界面易产生老化 从而导致面板 剥离 作为结构材料使用时 常用作层合板的纵 横桁条或加强筋之芯材 有时 PUR 泡沫也能用于受载较小的夹层板中 起到隔热或隔音的作用 该类泡沫的使用 温度为 150 左右 吸声性能良好 成型非常简单 但是机械加工过程中易碎或掉 渣 PUR 泡沫价格相对便宜 发泡工艺也比较简单 采用液体发泡 目前主要在运 动器材 例如网球拍 冰球棒中用做工艺芯材 并起到一定的阻尼作用 另外在冲 浪板中也普遍使用 PUR 泡沫或 EPS 泡沫作为芯材 复合材料夹层结构的破坏对应着多种不同的破坏模式 复合材料夹层结构在外载 南昌航空大学学士学位论文 11 荷作用下的破坏模式及强度是人们一直研究的重点 其研究范围涵盖了泡沫夹层结构的理 论分析 夹芯的细观结构理论分析 试验 数值模拟以及增强技术等 随着计算机分析软 件的发展 用有限元分析软件来模拟预测夹层结构的破坏过程成为目前研究的一个热点方 向 也具有及其重要的实用价值 如果能够正确评估复合材料泡沫芯夹层结构的破坏 就可以为夹层结构的检修更换提供依据 也能为设计师提供参考数据 对于了解复合 材料夹层结构的损伤容限很重要 所以具有较大的工程意义 低能量冲击损伤是纤维增强复合材料在实际结构应用中经常遇到的主要损伤形式 8 相对于中 高能量的冲击 低能量冲击损伤对复合材料结构件的危害更加致命 高能 量和中等能量的冲击可以在复合材料结构表面造成明显或易见的损伤 相对容易检测 并及时进行维修 低能量冲击往往导致结构产生目视不可检的内部损伤 复合材料结 构表面没有损伤 或只有轻微的压痕 而内部已产生大量的基体开裂和大面积的分层 扩展 有时还伴有少量纤维断裂 5 7 这些目视不可检的内部损伤将使层合板的力学性能 严重退化 其结构剩余强度会大幅度下降 其中剩余压缩强度 CAI 下降尤为显著 甚至 达到60 以上 9 在日常飞机 船舶 汽车等维护检测时 低能量冲击损伤往往难以被 及时发现 修理 从而引发突然事故 给它们安全留下致命的隐患 此外 复合材料 结构低能量冲击损伤后的剩余强度评估 疲劳寿命分析 以及结构的日常检测维护与 损伤修复等问题 也都要在此基础上进一步展开深入的研究工作 因此 研究复合材料 夹层结构的低能量冲击损伤问题具有重要的理论价值和现实意义 1 2 国内外相关研究进展国内外相关研究进展 复合材料的冲击损伤研究开始与上世纪七十年代 在八十年代逐步得到发展 13 至 今 已有许多研究者针对复合材料低能量冲击损伤问题进行了研究 并取得了一定的 进展 不少研究者提高耐冲击性能的主要措施是通过对填料的选择和表面进行改性来提 高复合材料抗冲击性能 填料改性是对表面性质进行优化 赋予其新的功能 开拓新 的应用领域 提高工业价值和附加值的重要技术手段之一 10 填料改性是为了改变填料表面原有的性质 亲油性 吸油率 浸润性 混合物粘 度等 改善矿物填料与有机聚合物的相容性以及加工流动性 提高填料 树脂相界面 之间的结合力 促进复合材料物理机械性能的提高 使非功能填料转变为功能填料 提高增韧不饱和聚酯树脂的综合性能 使不饱和聚酯树脂增韧朝着功能化 精细 化 高性能化的方向发展 一直是不饱和聚酯树脂增韧研究的主要方向 增韧改性途 南昌航空大学学士学位论文 12 径 改变不饱和聚酯树脂的化学结构有其局限性 弹性体增韧虽然可以提高冲击强度 但 其它性能如拉伸强度 弯曲强度 耐热性能有所下降 这两种改性途径存在的缺陷 使不 饱和聚酯树脂增韧改性的发展受到一定影响 无机物特别是纳米材料增韧 不仅起到增强 增韧的效果 并且还可改善不饱和树脂聚酯耐磨 水 酸碱等性能 互穿聚合物网络 IPN 11 的增韧是不饱和聚酯树脂增韧新的较有效的方法 它可增加基体与添加相之间的作 用力和相容性 不仅有利于增韧 还赋予不饱和聚酯树脂其它优异性能 这两种改性 途径是不饱和聚酯增韧发展趋势 不饱和树脂属热固性树脂 需在固化剂的作用下形成交联网状结构才能获得其特 有性能 但在固化交联时 因体积收缩会产生收缩应力和不同材料热膨胀系数之差而 产生热应力 12 这些内应力往往被束缚在树脂与填料界面上 导致固化物内部产生 微裂纹 使得不饱和树脂固化物的抗冲击性能变差 耐热冲击和断裂韧性降低 因此 消除不饱和树脂固化物的内应力 提高产品的韧性和抗开裂性能 已成为该领域的研 究热点 国内外许多高分子材料专家一直在致力于不饱和树脂改性的研究 并已取得 显著的成果 相继开发出许多用于改性不饱和树脂的改性剂产品 已成为改性不饱和 树脂的主要手段 复合材料泡沫夹层结构是飞行器 船舶工业 汽车工业等常用的结构形式 但由 于夹层结构的层间性能和抵抗低速冲击性能较弱 在低速冲击载荷的作用下 会造成 面板基体开裂和纤维断裂 夹芯压塌 面板和芯材间的界面脱胶等多种失效 导致夹 层结构承载能力的下降 通过对复合材料泡沫夹层结构的低速冲击及冲击后含损伤的 夹层结构在压缩载荷作用下损伤扩展的全过程进行模拟研究 预测分析夹层结构低速 冲击后的剩余压缩强度 冲击损伤的剩余强度问题 是目前复合材料损伤容限研究领 域中 最为人们关注的研究课题 人们对冲击后剩余强度的研究主要基于4 种方法 1 软化夹杂法 即将冲击损伤等效为规则形状的软化夹杂 然后采用基于各种破坏 准则的点应为或平均应力判据确定板的失效强度 2 子层屈曲法 将冲击损伤看做大 小不同的多个规则形状的分层 认为压缩破坏过程是各个子层不断发生屈曲失效的过 程 当所有的子层都屈曲时 层板发生破坏 3 开口等效法 用一个圆孔或椭圆孔取 代冲击损伤 之后用孔断裂韧性判据来判断板的破坏 4 损伤累积法 利用动态有限 计算层板的冲击损伤的刚度下降 作为板的初试损伤 用损伤累积法模拟板的压缩破 坏过程 并计算剩余压缩强度 研究发现夹层结构的损伤尺寸随冲击能量的增加而增 大 残余凹痕深度也随之增加 而其剩余压缩强度随着冲击能量的增加而降低 正确 评估复合材料泡沫夹层结构的破坏 就可以为夹层机构的检修和更换提供依据 也能 南昌航空大学学士学位论文 13 为设计师提供参考数据 对于了解复合材料夹层结构的损伤容限很重要 为泡沫夹层结构 的研究和应用提供了有效方法 1 3 研究内容研究内容 本课题主要研究内容 1 以不饱和聚酯树脂为基体材料 玻璃纤维为增强材料 采用手糊成型工艺 制备复合材料面板 以聚氨酯泡沫塑料为夹芯 制备复合材料泡沫夹层结构试样 2 采用落球式冲击试验仪测试试样的冲击性能 3 采用万能试验机测试冲击后试样的压缩强度 4 分析不同规格复合材料泡沫夹层结构试样的破坏机理 5 制备具有良好耐冲击性能的复合材料泡沫夹层结构试样 南昌航空大学学士学位论文 14 2 实验部分实验部分 2 1 实验仪器和实验仪器和原料原料 本实验中使用的实验仪器和药品分别列于表 2 1 和表 2 2 中 表 0 1 实验仪器 仪器名称型号生产厂家 电子天平YP20001上海光正医疗仪器有限公司 微机控制电子万能试验机WDW 500上海华龙测试仪器有限公司 落锤式冲击试验机自制 超声波探伤仪CTS 26广东汕头超声电子股份有限公司 表 0 2 实验药品 材料名称型号 规格 生产厂家 不饱和聚酯树脂191南京永祥化工有限公司 过氧化甲乙酮AR南京永祥化工有限公司 环烷酸钴AR南京永祥化工有限公司 玻璃布0 2mm九江市江南玻璃纤维有限公司 甲基硅油201 CS 杭州锴德化工有限公司 聚氨酯 A 组分南京永祥化工有限公司 聚氨酯 B 组分南京永祥化工有限公司 2 2 复合材料泡沫夹层结构的制备复合材料泡沫夹层结构的制备 本实验制备不同规格的复合材料泡沫夹层结构 选取玻纤含量为 33 和玻纤含 量为 25 两种玻纤含量不同的复合材料板 制备发泡率为 60 70 80 90 100 的泡沫夹层结构 用复合材料板与聚氨酯泡沫以不 饱和树脂作为胶黏剂制成多种不同的复合材料夹层结构试样 制备硬质聚氨酯泡沫塑料的配方 以质量分数计 蔗糖聚醚和聚醚二醇 南昌航空大学学士学位论文 15 100 催化剂 3 5 发泡剂 8 泡沫稳定剂 2 PAPI 115 玻璃微珠 0 15 在 配方中 前 4 项称为 A 组分 PAPI 称为 B 组分 由于树脂固化受外界温度的影响较大 实验树脂基体配比比例随温度变化而变 化 在本文研究进行过程中 结合工作环境的温度状态 经过大量凝胶实验确定了 不饱和聚酯树脂的配方 如表 2 3 所示 表 2 3 不饱和聚酯树脂配方 质量份 不饱和聚酯树脂 g引发剂 过氧化甲乙酮 g促进剂 环烷酸钴 g 10020 3 复合材料板手糊成型工艺流程如图 2 1 所示 后处理试样 模具 清理 涂脱模剂 清理模具 玻璃纤维 剪裁 手糊成型 固化 脱模 树脂固化剂促进剂 树脂胶液配制 图 0 1 手糊成型工艺流程示意图 将复合材料板试样与聚氨酯泡沫以不饱和树脂作为胶黏剂制成复合材料夹层结 构试样 本文制备复合材料泡沫夹层结构的具体工艺过程如下 1 模具准备 将 500mm 500mm 4mm 玻璃平板表面擦洗干净 干燥 作为模具使用 2 玻璃布裁剪 根据需要 用剪刀裁剪 300mm 300mm 的玻璃布若干块 3 手糊成型操作 南昌航空大学学士学位论文 16 1 用裁剪好的脱模布平摊在玻璃平板上 2 将 1 层玻璃布铺放在玻璃平板上 3 根据设计的层数 配方等 按设计配方将引发剂与不饱和聚酯树脂混合均匀 然后加入促进剂搅匀 马上淋浇在玻璃布上 并用毛刷压实 使树脂浸透玻璃布 观察不应有明显气泡 4 铺放下一层玻璃布 并立即涂树脂 紧接着第二层 第三层 重复操作 5 达到所需层数时 6 层 手糊成型完成 6 待其达到一定强度后才能脱模 通常 15 25 24h 即可脱模 7 复合材料板脱模后 修理毛边 复合材料板的厚度约为 2mm 将玻纤层数改为 8 层 重复上述操作制作厚度约为 2mm 的复合材料层合板 硬质聚氨酯泡沫的具体制作工艺过程如下 1 模具的准备 将 240mm 180mm 50mm 铁制模具表面擦洗干净 干燥 作为模具使用 2 试样的制备 将称量好的聚氨酯 A 组分和聚氨酯 B 组分用塑料杯子混合均匀并搅拌约 30 秒 待混合物开始发热并且以肉眼可见的速度开始膨胀时倒入铁制模具中 用铁制钢板 将发泡物体积固定 冷却 通常 15 25 3 10 分钟即可脱模 3 试样的裁剪 硬质聚氨酯泡沫脱模后 修理毛边 将制成的聚氨酯泡沫裁剪成 60mm 50mm 50mm 规格的小块聚氨酯泡沫 将以上制得的复合材料板试样裁剪成 60mm 50mm 的规格 再用不饱和树脂作 为胶黏剂将这些复合材料板和裁剪好的聚氨酯泡沫制成复合材料泡沫夹层结构试样 2 3 复合材料泡沫夹层结构的冲击试验复合材料泡沫夹层结构的冲击试验 本论文采用落锤式冲击试验机对复合材料试样进行冲击试验 先将试样放在实 验台内径为 80mm 外径为 100mm 厚为 10mm 的铁圈上如图 2 2 所示 将落锤冲 击头对准铁圈中心对试样进行冲击测试 每组试验数据取 3 个试样的平均值 在实验中 落锤的质量为 5kg 冲击头为半球形 直径为 12 5mm 按需要设定 落锤高度 从而获得不同的冲击能量 根据能量守恒定律 落锤瞬时最大冲击能量 为 南昌航空大学学士学位论文 17 E mgh 式中 m 落锤的质量 g 重力加速度 h 落锤自由落体高度 图 0 2 落锤式冲击试验机 本论文冲击试验中 落锤自由落体高度为 28cm 42cm 56cm 70cm 84cm 因此落锤冲击能量分别为 13 72J 20 58J 27 44J 34 3J 41 16J 2 4 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的超声检测复合材料泡沫夹层结构冲击损伤的超声检测 本论文利用 CTS 26A 超声探伤仪 如图 2 3 所示 采用液浸法对复合材料试样 冲击损伤进行检测 如图 2 4 所示 南昌航空大学学士学位论文 18 图 0 3 CTS 26A 超声探伤仪 图 0 4 液浸法检测示意图 具体操作步骤如下 1 把探伤仪接上稳压电源 闭合仪器面板上的电源开关 2 接好探头 3 调节探伤仪的 辉度 聚焦 扫描水平和垂直位置 旋钮 并使起始 波的前沿对准标尺零点 4 清理试件表面 本论文采用液浸法检测 用蒸馏水为耦合剂 5 调节 深度 旋钮 把 微调 控制旋钮调到零位 把 粗调 控制旋钮 调到和试件厚度范围相当的档数 适当调节 微调 旋钮 以便读数 6 标波的位置 用标准试块校验仪器的时基线和校正零点等 7 进行探伤检测 8 探伤完毕后 切断电源 卸下探头 南昌航空大学学士学位论文 19 2 5 复合材料泡沫夹层结构的压缩试验复合材料泡沫夹层结构的压缩试验 试样正面俯视图 试样侧面俯视图 图 0 5 压缩试验试样示意图 本论文用复合材料泡沫夹层结构冲击后的剩余压缩强度变化表示其抗冲击性能 的优异 将复合材料泡沫夹层结构切割成图 0 5 所示形状进行压缩试验 在复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩试验中发现 所有试样的破坏均起始于试 样的冲击点位置 即试样最薄弱的区域 沿着垂直于载荷的方向破坏 图 2 6 为压 缩破坏时前后表面的破坏形式的对比照片 试样在受压过程中 分层扩展时试样内 会发出响声 当载荷较低时 后表面会出现局部屈曲 继续加载时 该失效区域只 沿垂直载荷方向向着两边扩展 而在平行载荷方向不变 当载荷达到一定水平时 试样的前后表面铺层纤维发生断裂 紧接着这个试样发生最终破坏 从破坏后的试 样侧边进行观察 发现大部分铺层已发生断裂 南昌航空大学学士学位论文 20 上表面下表面 图 0 6 试样压缩破坏时上下表面对比照片 3 结果与讨论结果与讨论 3 1 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测结果结果 本论文采用超声探伤仪检测复合材料泡沫夹层结构冲击损伤 它根据声速在不 同介质中传播速度的不同 从而在两相介质界面发生折射 散射和反射 声速在不 同介质中的传播速递从大到小为固相 液相 气相 当超声探伤仪的探头发射出某一 特定频率的超声波时 该波在试样内传播 由于试样内部是非均质的 而该波在通 过试样内两相的界面时会发生折射 散射和反射现象 但是波幅小 如果试样中存 在冲击损伤 则波幅较大 而且损伤越大 波幅越大 因此我们可以通过观察超声 检测探伤仪发射出的超声波及反射回来的超声波形成的波形图来判断复合材料泡沫 夹层结构的损伤程度 对于未受到冲击的试样 试样内部缺陷甚微 并且未发生树脂基体的断裂和纤 维断裂 分层现象 气相和固相之间的界面较少 所以超声波通过该处时发生折射 散射和反射的概率较小 故而 检测出的波形比较平缓 波峰低 对于受到冲击的试样 试样内部缺陷增大 树脂基体会发生断裂 使得纤维发 生分层现象 而夹芯结构的损伤 会使得试样内部有大量的气相和固相之间的界面 这样便提高了超声波通过该处时发生折射 散射和反射的概率 故而 检测出的波 形起伏大 波峰高 图 3 为复合材料泡沫夹层结构冲击前后的超声检测波谱图 中相对变化最为明显的部分 由 图 3 可看出 与冲击前试样相 比 冲击后的试样超声检测波幅更大 表明试样中存在损伤 并且波峰越高 其内 部结构损伤越大 南昌航空大学学士学位论文 21 a 发泡度为 60 冲击前后的试样 b 发泡度为 70 冲击前后的试样 c 发泡度为 80 冲击前后的试样 d 发泡度为 90 冲击前后的试样 南昌航空大学学士学位论文 22 e 发泡度为 100 冲击前后的试样 图 0 1 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测波谱图 a 发泡度为 60 冲击前后的试样 b 发泡度为 70 冲击前后的试样 c 发泡度为 80 冲击前后的试样 d 发泡度为 90 冲击前后的试样 南昌航空大学学士学位论文 23 e 发泡度为 100 冲击前后的试样 图 0 2 复合材料泡沫夹层结构冲击损伤超声检测波谱图 从图 3 1 中和图 3 2 中可以看出 随着泡沫夹层结构发泡度的增加 六层和八 层玻璃纤维制成的复合材料泡沫夹层结构 其冲击后的超声检测波谱图中波峰都在 逐渐的减小 这是因为泡沫夹层结构的发泡度增加 使得泡沫夹层结构的密度变大 能够有效地吸收冲击时产生的能量 对复合材料泡沫夹层结构起到良好的保护作用 减小了复合材料泡沫夹层内部地冲击损伤 因此超声检测波普图上的波峰就会减小 由图 3 1 和图 3 2 可以看出 在发泡度相同的情况下 图 3 2 中八层玻纤制成的 复合材料泡沫夹层结构冲击后的超声检测波谱图上的波峰明显小于图 3 1 中六层玻 纤制成的复合材料夹层结构冲击后的超声检测波谱图上的波峰 这是因为在发泡度 相同的情况下增加复合材料泡沫夹层中玻纤的含量 复合材料泡沫夹层结构的刚度 变大 弹性性能增大 受到冲击时复合材料泡沫夹层内部结构地缺陷减小 超声检 测波普图上的波峰也随之变小 南昌航空大学学士学位论文 24 3 2 复合材料泡沫夹层结构冲击复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩强度后压缩强度 本论文采用微机控制电子万能试验机分别对冲击前后的试样进行压缩试验 压 缩强度如表 3 1 及表 3 2 所示 冲击后剩余压缩强度越大 表明试样的耐冲击性能 越好 反之亦然 表 0 1 冲击后试样相关数据 玻 纤 含 量 25 6 层 冲击能量 J 发泡度60 70 80 90 100 0 侧压力 max N 原始压缩强度 KPa 压缩强度损失率 5614 1871 3 0 5640 1880 0 5653 1884 3 0 5658 1886 0 5793 1931 0 13 72 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 4923 1641 12 3 5036 1678 7 10 7 5127 1709 9 3 5183 1723 3 8 4 5358 1786 7 5 20 58 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 3829 1276 3 4044 1348 4370 1456 7 4747 1582 3 5046 1682 南昌航空大学学士学位论文 25 表 0 2 冲击后试样相关数据 压缩强度损失率 31 828 322 716 112 9 27 44 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 3003 1001 46 5 3333 1111 40 9 3454 1151 3 38 9 3901 1320 3 30 0 4103 1367 7 28 7 34 3 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 1667 555 7 70 3 1906 635 3 66 2 2533 844 3 55 2 2788 926 50 9 3117 1039 46 2 41 16 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 842 280 7 85 0 1151 383 7 79 6 1577 525 7 72 1 1777 592 3 68 6 2178 726 62 4 玻 纤 含 量 33 8 层 冲击能量 J 发泡度60 70 80 90 100 0 侧压力 max N 原始压缩强度 KPa 压缩强度损失率 7511 2503 7 0 7540 2513 3 0 7594 2531 3 0 7634 2544 7 0 7723 2574 3 0 13 72 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 6655 2218 3 11 4 6763 2254 3 10 3 6941 2313 7 8 6 7039 2346 3 7 8 7221 2407 6 5 20 58 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 5250 1750 30 1 5587 1862 3 25 9 6159 2053 18 9 6474 2158 15 2 6951 2317 10 0 27 44 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 4304 1434 7 42 7 4735 1578 3 37 2 4822 1607 3 36 5 5504 1834 7 27 9 5877 1959 23 9 侧压力 max N 23812993347841614634 南昌航空大学学士学位论文 26 由表 0 1 和表 3 2 的实验数据可绘制曲线图 3 3 和图 3 4 图 3 3 为六层玻纤含 量冲击压缩损失率相关曲线图 B C D E F 五条曲线分别表示复合材料泡沫夹 层结构在受到 13 72J 20 58J 27 44J 34 3J 41 16J 能量冲击的情况下 随着泡沫 夹层结构发泡度的增加其冲击后压缩强度损失率不同的五条变化曲线图 图 3 3 试样冲击前后压缩强度损失率变化曲线图 图 3 4 为八层玻纤含量冲击压缩损失率相关曲线图 B C D E F 五条曲线 分别表示复合材料泡沫夹层结构在受到 13 72J 20 58J 27 44J 34 3J 41 16J 能量 冲击的情况下 随着泡沫夹层结构发泡度的增加其冲击后压缩强度损失率不同的五 条变化曲线图 34 3 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 793 7 68 3 997 7 60 3 1159 3 54 2 1387 45 5 1544 7 40 0 41 16 侧压力 max N 冲击后压缩强度 KPa 压缩强度损失率 1442 480 7 80 8 2089 696 3 72 3 2597 865 7 65 8 3054 1018 60 6 3452 1150 7 55 3 南昌航空大学学士学位论文 27 图 3 4 试样冲击前后压缩强度损失率变化曲线图 根据图 3 3 和图 3 4 可知 其中 6 层玻纤含量的复合材料泡沫夹层结构试样和 8 层玻纤含量的复合材料泡沫夹层结构试样发泡度为 100 时的冲击后压缩强度损失 率是所有试样中最小的 其冲击压缩强度损失率分别为 7 5 和 6 5 随着聚氨酯泡沫发泡度的增加 当复合材料泡沫夹层结构试样受到冲击时 试 样中的泡沫夹层结构能够有效地吸收的能量会变大 对试样起到良好的保护作用 使得复合材料泡沫夹层结构冲击后压缩强度损失率达到最小 而随着玻纤含量的增 加 试样刚度增大 弹性性能增加 但由于试样受到冲击时 试样中的泡沫夹层结 构能够有效地提高材料的抗冲击性 复合材料不同于金属材料 其内部发生塑性变形的