玻璃布面板夹层结构复合材料的低速冲击性能研究

玻璃布面板夹层结构复合材料的低速冲击性能研究

由于高比强度、高比刚度和突出的稳定性，涂层结构材料广泛应用于航空航天等领域。夹层板在制造和使用中常常会遇到各种低速冲击损伤,虽然肉眼可见的损伤程度很低,但会降低夹层结构的强度和刚度,并且随着使用时间的增加,安全隐患增大。目前对夹层结构的低速冲击试验多注重于蜂窝夹层结构的冲击响应、动态冲击分析、有限元模拟及破坏模式,但有关高性能泡沫夹层结构芯材、面板以及界面连接对低速冲击性能影响的研究报道较少。夹层结构通过界面将面板的高强度高刚性和芯材的轻质性能复合在一起,界面构造和性能是保证面板和芯材协同工作的关键。由于夹层结构的层间力学性能较差,因此,通过对泡沫夹层全厚度的缝纫和泡沫芯开槽可以增强芯子与面板之间的层间强度。本文中制备了高性能泡沫芯材(PMI和X-PVC泡沫)与NOMEX蜂窝芯材夹层结构,探讨了不同面板厚度、芯材种类、芯材密度及厚度、夹层缝合、泡沫芯开槽等因素对夹层结构低速冲击性能的影响。1实验1.1泡沫和x-pvc泡沫夹芯材料为密度0.056g/cm3的NOMEX蜂窝,0.060g/cm3和0.080g/cm3的PMI泡沫和X-PVC泡沫,面板选用平纹无碱玻璃布,树脂选用环氧室温固化体系。实验采用的夹芯材料的力学性能如表1所示。1.2夹层结构的全厚度缝合夹层结构上下面板单层玻璃布铺层方式为0°,上下面板三层玻璃布铺层方式为[+45/0/-45],五层玻璃布的铺层方式为[0/+45/90/-45/0]。将玻璃布用环氧体系浸渍后,与泡沫芯材按顺序置于模具上,在压机上按照70℃/0.2MPa/2h一次固化成型为泡沫夹层。蜂窝夹层结构采用三次成型,即下面板先预固化后再与蜂窝芯二次胶接成型,最后再与上面板组合后进行第三次固化成型。全厚度缝合泡沫夹层的缝合方式:采用锁式缝合方法,缝合方向垂直于面板方向,沿纤维0°方向缝合(图1),缝线为Kevlar4550纱线,缝针直径为1.75mm,用于缝合的夹层结构均以10mm厚度PMI60为芯材,三层面板。其中缝合行距为10mm、针距10mm的编号为Stitched10,缝合行距为20mm、针距为20mm的编号为Stitched20。开槽泡沫夹层的制备:采用PMI60泡沫芯材的开槽形状如图2所示,在芯材的上下表面开设正交沟槽,沟槽宽W=2mm,深H=2mm,间距S=20mm,开槽泡沫芯夹层结构的上下面板均为单层玻璃布,最终得到编号为Grooved20夹层结构。1.3夹层制备试验冲击试验方法按照ASTMD5420进行,试验设备为InstronDynatup9250HV落锤冲击试验机,冲头为直径15.86mm的半球,冲击能量20J,采用专用夹具将夹层试样夹紧。2试验结果及分析2.1夹层结构损伤的变化图3为芯材厚度为10mm时,不同密度芯材一层玻璃布夹层试样的冲击曲线。可见,载荷-时间曲线在初始阶段迅速上升并有轻微的波动,说明试样在冲击的开始就出现了轻微损伤。将载荷-时间曲线上第一次的载荷明显下降定义为初始破坏,主要包括面板-芯子之间局部脱粘以及上面板的纤维断裂。单层面板试样破坏时可以看出明显的初始破坏,在该点后,曲线均呈现不同程度的锯齿状波动,说明此后夹层结构发生了连续的损伤,有可能是纤维断裂和芯子压溃。载荷最大值为试样发生主要损伤时的载荷值,其对应的能量为主要损伤能量。当面板为单层玻璃布时,芯材对夹层结构性能的影响最显著。PMI80-10-1和PMI60-10-1夹层最大冲击载荷分别为2.01kN和1.78kN,X-PVC80-10-1和X-PVC60-10-1夹层最大冲击载荷分别为1.90kN和1.53kN,这说明最大冲击载荷随芯材密度增加而增加,而且同密度时PMI泡沫芯比X-PVC泡沫芯具有更高的最大冲击载荷。冲击吸收总能量也随着泡沫密度增加而增加。图4为PMI和X-PVC芯材的夹层复合材料损伤图。可见,一次冲击完成后,试样未被穿透。可看到树脂基体破坏和纤维断裂损伤,冲击处有明显的凹坑。经染色后可看到图中的损伤自冲击点向外扩展,且沿纤维0°方向延伸,在试样表面的主损伤区域可清晰地看到沿纤维编织纹路的基体裂纹,说明单层玻璃布夹层强度低,在冲击力的作用下发生大面积的整体结构折断。密度80kg/m3芯材的夹层裂纹长度比60kg/m3短约8～10mm。随芯材密度的增大,试样表面纤维断裂宽度减小,其破坏程度降低,抗冲击性能提高。2.2冲击载荷表2为一层面板、芯材厚度为10mm,不同种类芯材的夹层结构冲击试验结果。冲击能量、总能量、最大载荷离散系数不超过10%,初始破坏载荷和初始破坏能量的离散系数不超过15%。因为NOMEX56蜂窝的密度为56kg/m3,选择与其密度相近的PMI60和X-PVC60进行对比。可以看出明显差异,其中最大载荷PMI60-10-1最高,其次是X-PVC60-10-1,NOMEX56-10-1的冲击破坏载荷最小。芯材为泡沫的试样主要发生树脂基体破坏、纤维断裂损伤和泡沫压溃,冲击处有一永久的凹坑变形,而蜂窝的试样冲击后发生了明显的界面脱粘以及芯层破坏。在夹层结构受到冲击时,首先承压的是树脂基体,随后是与树脂固化在一起的纤维,继续施加载荷,由于面板的脆性较大,面板受到破坏后由芯材继续承受压力,相对较软的芯材的吸收能量比较大,减少了冲击对材料整体造成的破坏。表2中蜂窝夹层的初始破坏能量明显低于泡沫夹层,说明蜂窝的界面粘结强度较泡沫夹层差,吸收能量和抗冲击性能较泡沫低。同密度下泡沫芯材中PMI的能量吸收能力又大于X-PVC的能量吸收能力。PMI泡沫分子链为主链上具有带甲基的六元酰亚胺环结构和短梯形结构,为材料提供了非常强的刚性。而X-PVC泡沫即使形成交联网络,但其主链分子链为柔性较大的C—C链,其刚性远不及PMI泡沫。故密度相同时,PMI泡沫的抗冲击性能比X-PVC泡沫的抗冲击性能高。PMI泡沫塑料泡孔的泡壁结构呈现出典型的闭孔泡沫的泡体结构,具有近100%的闭孔结构,而且泡壁体积比率较高。PMI泡孔尺寸小于X-PVC泡孔尺寸,结构网络更加致密,其刚度更大,抗冲击性能进一步提高。蜂窝抗冲击较差的原因在于界面粘结面积较泡沫小。2.3夹层结构破坏机理表3为厚度分别为10mm和25mm的PMI60芯材,在面板层数不同时的冲击试验结果。可以看出,初始破坏载荷和最大载荷随着芯材厚度的增加明显增大,这一现象在单层面板的试样中尤为明显,说明单层面板受芯材影响较大。图5为厚度分别为10mm和25mm的PMI60芯材夹层结构试样的冲击记录曲线。其中,位移-时间和能量-时间曲线中可以看出,冲头接触夹层结构后,在30ms内,初始能量20J消耗在试样的破坏或以弹性能量的形式存储并于冲头弹起时释放,在冲头和试样分离时所有弹性能量全部释放,最终显示的能量为试样破坏吸收的能量,称之为总能量。在初始峰值之前的吸收能量称为初始破坏能量。夹层材料吸收的总能量和初始破坏能量随芯材厚度增加而增大,即增加芯材厚度有利于吸收冲击能。单层面板10mm厚芯材夹层结构的能量曲线基本没有上升到顶点后下降的趋势,说明其弹性储能极小,由载荷-时间曲线也可以看出冲头位移没有减小,也就是说,冲头落下后材料直接破坏,没有被弹性能量弹起的过程。而多层面板和25mm厚芯材单层面板夹层结构能量-时间曲线都有下降的趋势,由于面板厚度增加或者芯子厚度增加使夹层的强度和刚度增大,弹性储能增大。挠度数据表明随芯材厚度增加,受冲击点的最大挠度减小。面板厚度对夹层结构的冲击性能有显著影响,初始破坏载荷和最大载荷均随着面板厚度的增加而增加,并且载荷-时间曲线斜率增大即冲击过程中载荷上升速度更快,这说明面板厚度的增加明显提高结构刚度。随着面板厚度的增加,用于材料破坏吸收的总能量减小,弹性储能随面板厚度增加而增大。试验发现,单层面板没有冲头抬起、变形减小的过程,即没有弹性储能,三层面板有2.23J的弹性储能,五层面板有4.48J的弹性储能。图6为10mm和25mm厚度PMI60芯材夹层试样冲击后的破坏模式。PMI60-10-1试样出现了整体夹层大面积断裂损伤,纤维裂纹向两侧延伸,冲击处有较浅的凹坑。PMI60-25-1试样则没有出现整体材料的断裂和裂纹延伸,仅在冲击处出现树脂基体破坏和明显的纤维撕裂及纤维从树脂基体中拔出,泡沫芯上有明显的压溃,出现近10mm的圆形凹坑。多层面板均出现树脂和纤维破坏、冲击区域发白,随玻璃布层数的增加,冲击损伤由结构断裂变为冲击点纤维发白,凹坑深度减小。10mm厚度的试样破坏面积较25mm试样更大。表明泡沫芯材厚度增加能够使夹层结构在受冲击过程中储存更多的能量,减小面板的变形和损伤面积,面板层数的增加,夹层的冲击载荷弹性储能增大,抗冲击性能提高,冲击吸收能量减小。2.4缝合夹层冲击分析图7为20mm和10mm缝合后PMI60-10-3夹层结构试样的冲击记录曲线,表4为PMI60-10-3未缝合与缝合后夹层结构在相同冲击能量下的冲击试验结果。将图7与图5中未缝合的PMI-10-3夹层结构曲线相比较可知:缝合夹层结构的最大载荷比未缝合的高,且随缝合密度的增加而增加;而初始破坏载荷反而随缝合密度增大而降低,因为缝合密度增大不仅仅增加了z向性能,同时还给整个夹层结构带来了缺陷,使材料局部强度减小。在初始破坏后,缝合影响了整体行为,未缝合夹层在初始破坏后陆续出现载荷的骤降,而缝合尽管有新的损伤,载荷-时间曲线显示了较为平稳的增长后达到最大载荷,在最大载荷之后,未缝合载荷发生了明显的大幅下降,夹层的内部结构破坏,图中所示冲击区域泡沫芯材出现压溃,而消耗的能量继续增加,直到冲头向下位移停止;缝合夹层的载荷在最大值附近维持了约2ms的稳定状态,随后下降速率才逐渐变大。图7中能量-时间曲线可见,缝合夹层的冲击吸收总能量比未缝合的小很多,两种缝合参数的夹层吸收能量差异较小。由于z向的增强,夹层板强度和刚度增加,从而弹性储能增加,未缝合弹性储能2.23J,20mm缝合弹性储能4.21J,10mm缝合弹性储能3.86J。缝合参数中应存在一个最佳临界缝合密度,在该密度之前,夹层结构最大载荷增加、吸收能减小;而超过了该密度,最大载荷反而下降,吸收能增加。当缝合密度从20mm增加到10mm过程中,最大载荷增加幅度为0.05kN,明显低于20mm缝合相对于未缝合载荷的增量0.18kN;吸收能量反而是20mm缝合的小于10mm缝合的。初始破坏位移和最大位移均显示出缝合使受冲击点变形减小。图8为未缝合、缝合针距20mm和10mm夹层冲击损伤图。可见,未缝合试样图8(a)的面板被穿透,凹坑深度约为2.5mm,而缝合后的试样表面仅出现纤维断裂树脂发白,没有明显的凹陷。2.5夹层受冲击部分测试的近似弹性段斜率和开槽内图9中为开槽前PMI60-10-1与开槽后Grooved20夹层的冲击曲线,开槽前后的最大载荷显示,开槽使得PMI泡沫夹层的最大破坏载荷从1.78kN增至2.65kN,在初始峰值之前的近似弹性段斜率明显增大。观察位移曲线,Grooved20泡沫夹层受冲击时,冲击点的挠度明显降低,从弹性段到试样破坏后,芯材开槽的试样均比未开槽试样位移小。这说明芯层添加沟槽可适当提高复合材料夹层板的抗弯刚度。图10为开槽夹层冲击损伤图。可见,开槽后的夹层没有像未开槽材料出现上面板和芯子整体断裂,仅在冲击处出现树脂基体破坏和纤维撕裂拔出,受损伤面积远小于未开槽前材料。芯材开槽前受到冲击时,材料发生弯曲,上面板受到压缩破坏。开槽后从位移曲线可看出受冲击时弯曲挠度明显减小,从而降低上表面所受压力,主要破坏形式是芯子压溃,并且开槽可有效地限制破坏裂纹扩展。3微胶囊的pm夹层冲击性能和吸收能量的影响(1)夹层结构聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)和交联聚氯乙烯(X-PVC)泡沫芯密度由0.060g/cm3增至0.080g/cm3,最大破坏载荷和冲击吸收总能量明显提高,受破坏裂纹范围减小。(2)相同密度相同厚度面板的PMI夹层冲击破坏载荷和吸收能量大于X-PVC夹层,也大于与之密度相当的NOMEX蜂窝芯夹层。(3)