复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造工艺研究

复合材料闭孔泡沫芯夹层结构低成本制造工艺研究

由于其质量轻，弯曲刚性和强度高，已广泛用于航空、船舶和汽车结构[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12]。传统的复合材料蜂窝夹层结构虽然具有较高的结构效能,但其制造和维修成本较高,而且对湿热环境敏感,易受损伤,特别是常用的Nomex蜂窝夹层结构由于夹层和面板界面没有增强体而对分层敏感,是夹层结构的危险部位,结构受损后,易于吸收水分,滞留于芯格间的水分通过冷冻/解冻机制会使蜂窝失效。而闭孔泡沫同蜂窝相比,有以下优点:抗湿热阻力优于蜂窝,可以采用低成本的RFI/RTM/VARI(Vacuum-AssistedResinInfusion)等易于整体成型的先进工艺方法,可以采用缝合技术,实现无紧固连接和整体成型,减少零件数量,提高结构效率,易于加工复杂构型部件,制造维修成本低;但泡沫的抗剪性能较差,面板层间和面板/芯子界面的强度较低。因此,将缝合层板和泡沫夹芯的优点结合起来,面板和泡沫芯缝合成预成型件,同时采用低成本的非热压罐的VARI工艺,形成新颖的全厚度缝合的闭孔泡沫芯夹层结构。这种革新的结构方案既提高了层间强度、损伤容限能力和吸湿阻抗,又保留了较高的弯曲刚度/质量比,并可以使用低成本的非热压罐工艺制造。这种创新的夹层结构设计和制造技术开创了实现飞机高结构效率、低质量系数和低制造成本、低维护成本的新技术途径。本文中对使用低成本的非热压罐工艺VARI制造革新夹层结构的可行性及在机翼、机身结构设计中的可用性进行验证;研究全厚度缝合的复合材料闭孔泡沫芯夹层结构是否在保留了夹层结构原有优点的同时,又能明显提高层间强度和损伤容限。1试验设计1.1损伤性能评定(1)试验评定创新的全厚度缝合复合材料泡沫夹层结构的效率,包括弯曲刚度、弯曲强度/质量比、剪切强度、面外拉压强度、面内压缩性能、损伤阻抗和损伤容限的评定;(2)通过不同类型夹层结构的对比试验,评定各类结构的结构效率和成本效能,为轻质飞机结构的选材、选型、结构设计和制造提供技术依据。1.2夹层结构组成为了定量比较不同类型复合材料夹层结构的效率,选择3种夹层结构进行试验对比研究:(1)全厚度缝合的泡沫芯夹层结构,即由复合材料面板、闭孔泡沫芯组成,面板和泡沫芯沿厚度方向缝合在一起;(2)泡沫芯夹层结构,即由复合材料面板、闭孔泡沫芯组成,面板和泡沫芯未缝合;(3)蜂窝夹层结构,即由复合材料面板、Nomex蜂窝夹层组成。3种夹层结构的面板都选用T300帘子布和BA9911树脂,但内芯夹层材料不同。前2种夹层结构的芯材都选用ROHACELL71IG闭孔泡沫,密度为75kg/m3,蜂窝夹层材料为NRH-2-80的Nomex蜂窝,密度为80kg/m3。1.3织物组织过程3种夹层结构的上下面板均为[±45/0/90/∓45]T铺层的T300帘子布,泡沫芯夹层结构的芯材为7mm厚的闭孔泡沫,面板和泡沫全厚度缝合成预成型件,使用BA9911树脂和非热压罐VARI工艺制造。制造完成后,进行和蜂窝试样二次胶接工艺过程完全相同的后处理。缝合参数为:缝线和底线分别为400旦和1500旦的Kevlar29纱线;缝针直径为1.5mm;缝合方式为沿0o纤维方向,采用改进的锁式方式缝合,缝线和底线的结点在面板的外表面上,而不在夹层内;缝合角为缝针垂直于缝合表面;缝合行距6.5mm;缝合针距6.5mm;蜂窝夹层结构为与泡沫密度相近的高度为7mm的Nomex蜂窝,面板和蜂窝夹层采用二次胶接工艺完成制造。根据GB/T、HB、ASTM的有关夹层结构试验标准及文献介绍的方法进行了下列试验:夹层结构密度测定,夹层结构三点弯曲试验,夹层结构平拉试验,夹层结构平压试验,夹层结构剪切试验,夹层结构侧压试验,夹层结构损伤阻抗比较试验和夹层结构冲击后压缩(CAI,CompressionAfterImpact)试验。2试验结果与讨论2.1夹层结构的设计泡沫芯夹层结构缝合后,由于额外缝线及缝线树脂柱会使其密度增大,增加的量级与缝合参数有关。缝合针距和行距越小,其强度性能越高,但增重较大。设计夹层结构时,在满足强度和刚度要求的前提下,尽可能采用恰当的缝合参数以减轻质量。在本研究选定的缝合参数范围内,泡沫芯夹层结构缝合后的密度增大15%左右,与蜂窝夹层结构相当。2.2夹层结构试验结果力学性能综合试验结果如表1所示。对于蜂窝及未缝合泡沫芯夹层结构,平拉载荷平稳达到最大破坏载荷,试样突然破坏,蜂窝芯子和泡沫被拉断,呈脆性断裂。而缝合泡沫芯夹层板,在初始破坏前,载荷-位移曲线呈线性,达到初始破坏载荷,载荷突然下降,在泡沫芯夹层结构的垂直加载方向上出现裂纹,其初始破坏载荷仍比蜂窝和未缝合夹层的最大破坏载荷高20%以上;初始破坏后,仍可继续承载,随着损伤的增大和扩展,直到缝线和泡沫夹芯被全部拉断。破坏模式为从有缝线的面板和泡沫界面拉脱(图1)。可以看出,泡沫芯夹层结构缝合后的平拉强度和模量与未缝合夹层相比,分别提高60%和30%,与蜂窝夹层相比,分别提高26%和20%。对于蜂窝及未缝合泡沫芯夹层板,平压载荷平稳增加到第1次突然下降,该点为最大破坏载荷,呈压塌破坏。而缝合泡沫芯夹层板,由于有缝线树脂柱承载,载荷平稳增加到很高水平下才出现第1次突然下降,为最大破坏载荷,呈压塌破坏。然后载荷在较低水平但仍高于蜂窝及未缝合泡沫芯夹层结构最大破坏载荷下保持缓慢增加,但变形增加很快,直至树脂柱全部压塌和泡沫压实(图2)。泡沫芯夹层结构缝合后的平压强度和模量大大提高,与未缝合夹层相比较,分别提高3.5倍和1.5倍,与蜂窝夹层相比较,分别提高1倍和35%。对于蜂窝及未缝合泡沫芯夹层板,剪切载荷平稳增加到最大破坏载荷后,突然下降,呈剪切破坏。蜂窝夹层的破坏模式为蜂窝夹层剪切破坏,未缝合泡沫芯夹层结构破坏模式为泡沫和面板界面的破坏。而缝合泡沫芯夹层板,由于有缝线树脂柱承载,载荷平稳增加到初始损伤出现,载荷-应变曲线稍微变化,该点为初始破坏载荷,其值接近于未缝合夹层的最大破坏载荷,然后继续加载到最大破坏载荷,试样突然破坏。破坏模式大部分为泡沫夹芯和有缝线面板截面剪断,小部分为缝线树脂柱剪断(图3)。泡沫芯夹层结构缝合后与未缝合夹层相比较,剪切强度和模量分别提高40%和20%以上,与蜂窝夹层相比较,二者基本相当。夹层结构侧压试验的目的是确定夹层缝合后,其面内承载能力的改善程度。对于3种夹层结构,载荷都是平稳增加到最大破坏载荷后,突然下降,试验停止。蜂窝和未缝合泡沫芯夹层结构破坏模式为泡沫和面板界面分层及向外屈曲破坏。而缝合泡沫芯夹层板,由于缝线树脂柱抑制了界面的分层,从而避免了面板的向外屈曲,其破坏模式为在较高载荷水平下一边面板向内屈曲并插入到泡沫夹芯中(图4)。泡沫芯夹层结构缝合后由于抑制了界面的分层,使夹层结构的侧压强度提高1倍以上,同时破坏模式也由面板向外屈曲改变为向内屈曲,而侧压模量几乎没有变化。与蜂窝夹层相比,侧压强度基本相当,但模量提高了12%。夹层结构三点弯曲试验记录了典型破坏模式(图5)。对于未缝合泡沫芯夹层结构,平稳增加到最大载荷,由于泡沫芯中形成裂纹而破坏,泡沫中的裂纹很快扩展到受载面板/夹层界面,并沿该界面以脱粘形式扩展到支持点,芯子的破坏和裂纹扩展几乎是同时发生的,因此,初始破坏也就是最大破坏载荷。对于缝合泡沫芯夹层结构,载荷平稳增加到未缝合泡沫芯夹层结构的最大破坏载荷附近时,芯子发生初始破坏,芯子中出现角裂纹,裂纹沿夹层厚度方向扩展,并不沿面板/夹层界面扩展。初始破坏时,载荷稍微下降,可继续承载,然后在较高载荷水平下出现新裂纹,发生二次破坏,此值即为最大破坏载荷。由于存在缝线树脂柱,在经受弯曲载荷时,夹层内剪切变形减小,从而使缝合夹层的弯曲刚度和破坏载荷大大提高。蜂窝夹层的弯曲破坏模式与泡沫芯夹层结构不同,由于蜂窝壁屈曲和剪切破坏,使受载面局部压塌破坏,界面并未出现脱粘。泡沫芯夹层结构缝合后,与未缝合泡沫芯夹层结构相比,最大破坏载荷提高47%,弯曲刚度提高约20%。泡沫芯夹层结构缝合后的弯曲性能基本与蜂窝夹层相当。3对受伤后的抗损伤能力和损伤容限的评估3.1夹层结构的损伤抗性复合材料夹层结构的损伤阻抗是指特定冲击环境对夹层结构所产生的损伤。有很多因素影响损伤阻抗,包括面板的材料和铺层、芯子材料及厚度、边界条件、制造工艺等。损伤初始门槛和损伤大小也与夹层材料和夹层材料与面板的相容性及界面特性密切相关。由于夹层结构损伤和失效模式的多样性和内部损伤的不可检性,使评定夹层结构的损伤阻抗更为困难。冲击会引起夹层结构的局部损伤。夹层结构受冲击时,除了全结构经受变形外,在冲击点附近还经受局部变形。夹层结构类似于置于非线性弹性基础上的板或梁,增加芯子材料的抗压强度,可以提高夹层结构的损伤阻抗。到目前为止,冲击损伤对夹层结构力学性能和剩余强度的影响还未开展大量研究,所以使用了无损和有损检测的方法和几个损伤参数来评定夹层结构的损伤阻抗。无损检测主要测量压痕深度和采用渗透X射线方法测量夹层损伤面积、损伤宽度;有损检测使用渗透剖面法检测压陷区直径和夹层开裂区直径。表2给出了3种夹层结构在不同能量冲击下抗冲击性能。图6给出了不同能量冲击下各种夹层的内部损伤状态。渗透X射线检测结果表明,在同样10J和15J能量冲击下,缝合夹层的损伤面积和损伤宽度都比未缝合夹层的大,而蜂窝夹层的损伤面积和损伤宽度则要小得多。随着冲击能量的增加,缝合和未缝合夹层的压陷区直径和夹层开裂区直径都增大。在同样10J和15J冲击下,缝合和未缝合夹层的压陷区直径基本相当,而缝合夹层的开裂区直径增加较大,这说明,缝合损伤会使夹层中产生较大的开裂区。蜂窝夹层的压陷区较大,但开裂区要小得多。在面板存在穿透损伤的状态下,夹层结构缝合后抑制了由于冲击引起的压陷,但导致泡沫夹芯更多的开裂,缝合夹层并未能改善夹层结构的损伤阻抗。蜂窝夹层的损伤阻抗明显高于泡沫芯夹层结构。3.2夹层内初始破坏和二次破坏夹层结构的损伤容限关注给定损伤状态下夹层结构的响应和完整性,大量的研究表明,低速冲击损伤会使夹层结构的剩余强度大大下降。夹层结构的损伤特征和程度与材料体系和冲击参数密切相关。在弯曲载荷下,根据面内压缩许用值确定面板的压缩强度,用冲击后的压缩强度提供设计许用值。表3是不同夹层不同损伤状态下的CAI强度和破坏应变的比较,图7给出了典型的破坏模式。对于无损结构,未缝合泡沫芯夹层结构是载荷平稳增加到最大值时,夹层内出现穿透厚度裂纹,并沿面板/夹芯界面扩展,面板外鼓,最后压缩折断破坏,几种破坏机制几乎是同时发生的,呈脆性断裂,初始破坏也是最终破坏。蜂窝夹层的破坏过程和模式与未缝合泡沫芯夹层结构基本相同。缝合泡沫芯夹层结构的破坏过程则不同,存在初始破坏和后继的二次破坏过程。由于缝线树脂柱抑制了界面的脱粘,使无损缝合泡沫夹层的抗压缩能力比未缝合泡沫提高了28%,比蜂窝夹层提高了14%。对于受损的各种夹层结构,破坏过程和破坏模式又不相同。经受10J冲击的未缝合泡沫芯夹层结构在界面已出现超过压陷区尺寸的脱粘区,当受压载荷增大时,裂纹迅速扩展到夹层/下面板界面,并沿该界面迅速扩展,失去了支持的下面板最后向外屈曲破坏。蜂窝夹层10J冲击的损伤基本是芯子压塌,当压缩载荷增大,下面板/芯子界面的脱粘区扩大到一定尺寸时,下面板向外屈曲破坏。10J冲击后的缝合泡沫芯夹层结构,虽然压陷区直径和开裂区直径较大,而且冲击也造成了泡沫/缝线树脂柱界面的脱粘,但缝线树脂柱抑制了下面板/泡沫界面的脱粘扩展,其初始破坏载荷仍高于未缝合泡沫的最大破坏载荷。出现初始破坏后,仍能继续承载,随着脱粘区的扩大,受损面板向内折断破坏,下面板向外屈曲折断,二者几乎是同时发生的,破坏部位基本是在冲击点截面。其CAI强度和破坏应变都比未缝合泡沫提高了50%以上,而与蜂窝夹层基本相当。4结论和建议4.1夹层结构缝合工艺对复合材料微胶囊化性能的影响通过对3种不同类型夹层结构的对比试验,评定了各种夹层结构的破坏模式、承载能力、损伤阻抗/损伤容限特性。结果表明,使用低成本VARI工艺制造的全厚度缝合的复合材料闭孔泡沫芯夹层结构大大提高了承载能力和损伤容限。具体结论如下:(1)可以使用低成本的非热压罐的VARI制造工艺成功地完成全厚缝合的复合材料闭孔泡沫芯夹层结构、未缝合的复合材料闭孔泡沫芯夹层结构和蜂窝夹层结构的制造。(2)泡沫芯夹层结构缝合后,缝线树脂柱参与承载,参与程度与受载形式相