制造工艺对碳纤维增强环氧树脂-泡沫夹层结构力学性能的影响

1、    制造工艺对碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构力学性能的影响    张佳蔚 孙笠 吕思彤 亢爱萌 司薇薇摘 要：采用不同制造工艺制作碳纤维/环氧树脂面板及其泡沫夹层结构，并进行了力学性能测试，分析制造工艺对制品力学性能的影响。结果表明，真空导入法制作的碳纤维/环氧树脂面板，力学强度大;泡沫夹层结构的平拉、平压性能主要取决于芯材性能，弯曲性能主要取决于面板性能。关键词：泡沫夹层结构;制造工艺;力学性能1 引言夹层结构自第二次世界大战产生至今，應用范围从最初的航空工业到近年的飞机、船舶、车辆、建筑等领域不断扩大。泡沫塑料夹层结构因其具有质量轻、刚度大、保

2、温隔热等优点，适用于雷达天线罩、风力发电机叶片、交通工具等制造领域1，2。聚甲基丙烯酰亚胺（pmi）刚性泡沫是一种闭孔刚性发泡材料，可用作轻质夹层结构的夹芯材料3;碳纤维/环氧树脂强度大，可作为面板材料4。本文采用手糊法、真空袋压法和真空导入法制作碳纤维/环氧树脂面板，又用一次固化法和二次固化法制作泡沫夹层结构，分析不同成型工艺对面板和夹层结构力学性能的影响。2 实验2.1 原料国产e-51环氧树脂;国产3k 200g碳纤维斜纹布;国产pmi硬质泡沫塑料;国产pmr脱模剂。2.2 试样制备采用手糊法、真空袋压法和真空导入法分别制备碳纤维/环氧树脂面板，碳纤维布铺层方向均为0，0，45，45。采

3、用一次固化法和二次固化法制作碳纤维/环氧树脂泡沫夹层结构。一次固化法是将浸胶的碳纤维和泡沫芯材组合后，同步固化。二次固化法是先将上下面板固化，再与泡沫芯材胶黏在一起。一、二次固化法均分别采用手糊法和真空袋压法制作夹层结构，厚度控制为30 mm。2.3 性能测试碳纤维/环氧树脂复合材料面板按照gb/t 3354-2014、gb/t 1451-2005、gb/t 3356-2014标准，分别测试拉伸、冲击和弯曲性能。泡沫夹层结构按照gb/t1452-2018、gb/t 1453-2005、gb/t 1456-2005标准，分别测试平拉、平压和弯曲性能。3 结果与讨论3.1 碳纤维/环氧树脂复合材料

4、面板的力学性能用手糊法、真空袋压法和真空导入法制备的碳纤维/环氧树脂面板的厚度不同，分别为1.424mm，1.152mm，1.356mm，这主要是浸胶方式不同造成的。手糊法利用刷子迫使纤维浸胶，真空袋压法和真空导入法利用大气压。真空袋压法得到的面板最薄，一方面是因为利用了大气压，另一方面是因为吸胶毡吸走了多余的树脂。对不同制作工艺得到的面板进行弯曲、拉伸和冲击实验，结果如表1所示。比较表1数据可知，真空导入法制备的面板弯曲、拉伸和冲击性能大于真空袋法大于手糊法。这与碳纤维的含量有关，碳纤维含量增大，面板弯曲性能变好。但真空导入法面板碳纤维含量略小于真空袋压法，而前者的弯曲性能优于后者。这主要是

5、因为真空袋压法制造真空时，树脂快速浸入吸胶毡，增大纤维含量的同时影响纤维和树脂间的界面强度。真空导入法容易控制树脂导入速度，保证树脂浸润效果。3.2 碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的力学性能采用一次固化和二次固化的碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的平拉、平压和弯曲实验数据如表2所示。表2中的平拉和平压数据显示，一次固化和二次固化所得碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的平拉性能和平压性能差别不大，且与泡沫芯材的数据相当。实验发现，面板与芯材结合力足够时，破坏主要为芯材断裂。这说明夹层结构的平拉和平压性能主要受芯材性能影响。另外手糊法制得的夹层结构比真空袋法制得的夹（下转第229页）（上接第227

6、页）层结构，平拉强度略大、平压强度略小，这可能是因为真空袋压法利用大气压，成型的夹层结构有内应力的存在。弯曲实验发现，夹层结构的破坏主要是芯材破坏而非面板屈曲，这说明夹层结构的弯曲性能主要受面板性能影响。从表2数据发现，手糊法制作的两种夹层结构弯曲性能彼此相当，真空袋法也是如此，这也说明对于弯曲性能，面板质量的影响更大。4 结论真空袋法制作的碳纤维/环氧树脂面板纤维含量高，真空导入法的面板拉伸、弯曲、冲击性能好。夹层结构的平拉、平压性能主要取决于芯材性能，弯曲性能主要取决于面板性能。真空袋法制作的夹层结构，平拉强度略小、平压强度略大。参考文献：1徐竹.复合材料成型工艺及应用m.北京：国防工业出版社，2017.2赵锐霞，尹亮，潘玲英，等.pmi泡沫夹层结构性能研究j.宇航材料工艺，2012，42（005）：34-37.3赵锐霞，尹亮，潘玲英.pmi泡沫夹层结构在航天航空工业的应用j.宇航材料工艺，2