復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)低成本制造工藝研究

復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)低成本制造工藝研究

由于其質(zhì)量輕，彎曲剛性和強(qiáng)度高，已廣泛用于航空、船舶和汽車(chē)結(jié)構(gòu)[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和12]。傳統(tǒng)的復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)雖然具有較高的結(jié)構(gòu)效能,但其制造和維修成本較高,而且對(duì)濕熱環(huán)境敏感,易受損傷,特別是常用的Nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)由于夾層和面板界面沒(méi)有增強(qiáng)體而對(duì)分層敏感,是夾層結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位,結(jié)構(gòu)受損后,易于吸收水分,滯留于芯格間的水分通過(guò)冷凍/解凍機(jī)制會(huì)使蜂窩失效。而閉孔泡沫同蜂窩相比,有以下優(yōu)點(diǎn):抗?jié)駸嶙枇?yōu)于蜂窩,可以采用低成本的RFI/RTM/VARI(Vacuum-AssistedResinInfusion)等易于整體成型的先進(jìn)工藝方法,可以采用縫合技術(shù),實(shí)現(xiàn)無(wú)緊固連接和整體成型,減少零件數(shù)量,提高結(jié)構(gòu)效率,易于加工復(fù)雜構(gòu)型部件,制造維修成本低;但泡沫的抗剪性能較差,面板層間和面板/芯子界面的強(qiáng)度較低。因此,將縫合層板和泡沫夾芯的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),面板和泡沫芯縫合成預(yù)成型件,同時(shí)采用低成本的非熱壓罐的VARI工藝,形成新穎的全厚度縫合的閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)。這種革新的結(jié)構(gòu)方案既提高了層間強(qiáng)度、損傷容限能力和吸濕阻抗,又保留了較高的彎曲剛度/質(zhì)量比,并可以使用低成本的非熱壓罐工藝制造。這種創(chuàng)新的夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)高結(jié)構(gòu)效率、低質(zhì)量系數(shù)和低制造成本、低維護(hù)成本的新技術(shù)途徑。本文中對(duì)使用低成本的非熱壓罐工藝VARI制造革新夾層結(jié)構(gòu)的可行性及在機(jī)翼、機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可用性進(jìn)行驗(yàn)證;研究全厚度縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)是否在保留了夾層結(jié)構(gòu)原有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),又能明顯提高層間強(qiáng)度和損傷容限。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1損傷性能評(píng)定(1)試驗(yàn)評(píng)定創(chuàng)新的全厚度縫合復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的效率,包括彎曲剛度、彎曲強(qiáng)度/質(zhì)量比、剪切強(qiáng)度、面外拉壓強(qiáng)度、面內(nèi)壓縮性能、損傷阻抗和損傷容限的評(píng)定;(2)通過(guò)不同類型夾層結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn),評(píng)定各類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率和成本效能,為輕質(zhì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的選材、選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供技術(shù)依據(jù)。1.2夾層結(jié)構(gòu)組成為了定量比較不同類型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的效率,選擇3種夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究:(1)全厚度縫合的泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),即由復(fù)合材料面板、閉孔泡沫芯組成,面板和泡沫芯沿厚度方向縫合在一起;(2)泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),即由復(fù)合材料面板、閉孔泡沫芯組成,面板和泡沫芯未縫合;(3)蜂窩夾層結(jié)構(gòu),即由復(fù)合材料面板、Nomex蜂窩夾層組成。3種夾層結(jié)構(gòu)的面板都選用T300簾子布和BA9911樹(shù)脂,但內(nèi)芯夾層材料不同。前2種夾層結(jié)構(gòu)的芯材都選用ROHACELL71IG閉孔泡沫,密度為75kg/m3,蜂窩夾層材料為NRH-2-80的Nomex蜂窩,密度為80kg/m3。1.3織物組織過(guò)程3種夾層結(jié)構(gòu)的上下面板均為[±45/0/90/?45]T鋪層的T300簾子布,泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的芯材為7mm厚的閉孔泡沫,面板和泡沫全厚度縫合成預(yù)成型件,使用BA9911樹(shù)脂和非熱壓罐VARI工藝制造。制造完成后,進(jìn)行和蜂窩試樣二次膠接工藝過(guò)程完全相同的后處理。縫合參數(shù)為:縫線和底線分別為400旦和1500旦的Kevlar29紗線;縫針直徑為1.5mm;縫合方式為沿0o纖維方向,采用改進(jìn)的鎖式方式縫合,縫線和底線的結(jié)點(diǎn)在面板的外表面上,而不在夾層內(nèi);縫合角為縫針垂直于縫合表面;縫合行距6.5mm;縫合針距6.5mm;蜂窩夾層結(jié)構(gòu)為與泡沫密度相近的高度為7mm的Nomex蜂窩,面板和蜂窩夾層采用二次膠接工藝完成制造。根據(jù)GB/T、HB、ASTM的有關(guān)夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)介紹的方法進(jìn)行了下列試驗(yàn):夾層結(jié)構(gòu)密度測(cè)定,夾層結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),夾層結(jié)構(gòu)平拉試驗(yàn),夾層結(jié)構(gòu)平壓試驗(yàn),夾層結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn),夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓試驗(yàn),夾層結(jié)構(gòu)損傷阻抗比較試驗(yàn)和夾層結(jié)構(gòu)沖擊后壓縮(CAI,CompressionAfterImpact)試驗(yàn)。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后,由于額外縫線及縫線樹(shù)脂柱會(huì)使其密度增大,增加的量級(jí)與縫合參數(shù)有關(guān)。縫合針距和行距越小,其強(qiáng)度性能越高,但增重較大。設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)時(shí),在滿足強(qiáng)度和剛度要求的前提下,盡可能采用恰當(dāng)?shù)目p合參數(shù)以減輕質(zhì)量。在本研究選定的縫合參數(shù)范圍內(nèi),泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后的密度增大15%左右,與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相當(dāng)。2.2夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果力學(xué)性能綜合試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對(duì)于蜂窩及未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),平拉載荷平穩(wěn)達(dá)到最大破壞載荷,試樣突然破壞,蜂窩芯子和泡沫被拉斷,呈脆性斷裂。而縫合泡沫芯夾層板,在初始破壞前,載荷-位移曲線呈線性,達(dá)到初始破壞載荷,載荷突然下降,在泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的垂直加載方向上出現(xiàn)裂紋,其初始破壞載荷仍比蜂窩和未縫合夾層的最大破壞載荷高20%以上;初始破壞后,仍可繼續(xù)承載,隨著損傷的增大和擴(kuò)展,直到縫線和泡沫夾芯被全部拉斷。破壞模式為從有縫線的面板和泡沫界面拉脫(圖1)?？梢钥闯?泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后的平拉強(qiáng)度和模量與未縫合夾層相比,分別提高60%和30%,與蜂窩夾層相比,分別提高26%和20%。對(duì)于蜂窩及未縫合泡沫芯夾層板,平壓載荷平穩(wěn)增加到第1次突然下降,該點(diǎn)為最大破壞載荷,呈壓塌破壞。而縫合泡沫芯夾層板,由于有縫線樹(shù)脂柱承載,載荷平穩(wěn)增加到很高水平下才出現(xiàn)第1次突然下降,為最大破壞載荷,呈壓塌破壞。然后載荷在較低水平但仍高于蜂窩及未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)最大破壞載荷下保持緩慢增加,但變形增加很快,直至樹(shù)脂柱全部壓塌和泡沫壓實(shí)(圖2)。泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后的平壓強(qiáng)度和模量大大提高,與未縫合夾層相比較,分別提高3.5倍和1.5倍,與蜂窩夾層相比較,分別提高1倍和35%。對(duì)于蜂窩及未縫合泡沫芯夾層板,剪切載荷平穩(wěn)增加到最大破壞載荷后,突然下降,呈剪切破壞。蜂窩夾層的破壞模式為蜂窩夾層剪切破壞,未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)破壞模式為泡沫和面板界面的破壞。而縫合泡沫芯夾層板,由于有縫線樹(shù)脂柱承載,載荷平穩(wěn)增加到初始損傷出現(xiàn),載荷-應(yīng)變曲線稍微變化,該點(diǎn)為初始破壞載荷,其值接近于未縫合夾層的最大破壞載荷,然后繼續(xù)加載到最大破壞載荷,試樣突然破壞。破壞模式大部分為泡沫夾芯和有縫線面板截面剪斷,小部分為縫線樹(shù)脂柱剪斷(圖3)。泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后與未縫合夾層相比較,剪切強(qiáng)度和模量分別提高40%和20%以上,與蜂窩夾層相比較,二者基本相當(dāng)。夾層結(jié)構(gòu)側(cè)壓試驗(yàn)的目的是確定夾層縫合后,其面內(nèi)承載能力的改善程度。對(duì)于3種夾層結(jié)構(gòu),載荷都是平穩(wěn)增加到最大破壞載荷后,突然下降,試驗(yàn)停止。蜂窩和未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)破壞模式為泡沫和面板界面分層及向外屈曲破壞。而縫合泡沫芯夾層板,由于縫線樹(shù)脂柱抑制了界面的分層,從而避免了面板的向外屈曲,其破壞模式為在較高載荷水平下一邊面板向內(nèi)屈曲并插入到泡沫夾芯中(圖4)。泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后由于抑制了界面的分層,使夾層結(jié)構(gòu)的側(cè)壓強(qiáng)度提高1倍以上,同時(shí)破壞模式也由面板向外屈曲改變?yōu)橄騼?nèi)屈曲,而側(cè)壓模量幾乎沒(méi)有變化。與蜂窩夾層相比,側(cè)壓強(qiáng)度基本相當(dāng),但模量提高了12%。夾層結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)記錄了典型破壞模式(圖5)。對(duì)于未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),平穩(wěn)增加到最大載荷,由于泡沫芯中形成裂紋而破壞,泡沫中的裂紋很快擴(kuò)展到受載面板/夾層界面,并沿該界面以脫粘形式擴(kuò)展到支持點(diǎn),芯子的破壞和裂紋擴(kuò)展幾乎是同時(shí)發(fā)生的,因此,初始破壞也就是最大破壞載荷。對(duì)于縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),載荷平穩(wěn)增加到未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的最大破壞載荷附近時(shí),芯子發(fā)生初始破壞,芯子中出現(xiàn)角裂紋,裂紋沿夾層厚度方向擴(kuò)展,并不沿面板/夾層界面擴(kuò)展。初始破壞時(shí),載荷稍微下降,可繼續(xù)承載,然后在較高載荷水平下出現(xiàn)新裂紋,發(fā)生二次破壞,此值即為最大破壞載荷。由于存在縫線樹(shù)脂柱,在經(jīng)受彎曲載荷時(shí),夾層內(nèi)剪切變形減小,從而使縫合夾層的彎曲剛度和破壞載荷大大提高。蜂窩夾層的彎曲破壞模式與泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)不同,由于蜂窩壁屈曲和剪切破壞,使受載面局部壓塌破壞,界面并未出現(xiàn)脫粘。泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后,與未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)相比,最大破壞載荷提高47%,彎曲剛度提高約20%。泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后的彎曲性能基本與蜂窩夾層相當(dāng)。3對(duì)受傷后的抗損傷能力和損傷容限的評(píng)估3.1夾層結(jié)構(gòu)的損傷抗性復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗是指特定沖擊環(huán)境對(duì)夾層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損傷。有很多因素影響損傷阻抗,包括面板的材料和鋪層、芯子材料及厚度、邊界條件、制造工藝等。損傷初始門(mén)檻和損傷大小也與夾層材料和夾層材料與面板的相容性及界面特性密切相關(guān)。由于夾層結(jié)構(gòu)損傷和失效模式的多樣性和內(nèi)部損傷的不可檢性,使評(píng)定夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗更為困難。沖擊會(huì)引起夾層結(jié)構(gòu)的局部損傷。夾層結(jié)構(gòu)受沖擊時(shí),除了全結(jié)構(gòu)經(jīng)受變形外,在沖擊點(diǎn)附近還經(jīng)受局部變形。夾層結(jié)構(gòu)類似于置于非線性彈性基礎(chǔ)上的板或梁,增加芯子材料的抗壓強(qiáng)度,可以提高夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗。到目前為止,沖擊損傷對(duì)夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和剩余強(qiáng)度的影響還未開(kāi)展大量研究,所以使用了無(wú)損和有損檢測(cè)的方法和幾個(gè)損傷參數(shù)來(lái)評(píng)定夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗。無(wú)損檢測(cè)主要測(cè)量壓痕深度和采用滲透X射線方法測(cè)量夾層損傷面積、損傷寬度;有損檢測(cè)使用滲透剖面法檢測(cè)壓陷區(qū)直徑和夾層開(kāi)裂區(qū)直徑。表2給出了3種夾層結(jié)構(gòu)在不同能量沖擊下抗沖擊性能。圖6給出了不同能量沖擊下各種夾層的內(nèi)部損傷狀態(tài)。滲透X射線檢測(cè)結(jié)果表明,在同樣10J和15J能量沖擊下,縫合夾層的損傷面積和損傷寬度都比未縫合夾層的大,而蜂窩夾層的損傷面積和損傷寬度則要小得多。隨著沖擊能量的增加,縫合和未縫合夾層的壓陷區(qū)直徑和夾層開(kāi)裂區(qū)直徑都增大。在同樣10J和15J沖擊下,縫合和未縫合夾層的壓陷區(qū)直徑基本相當(dāng),而縫合夾層的開(kāi)裂區(qū)直徑增加較大,這說(shuō)明,縫合損傷會(huì)使夾層中產(chǎn)生較大的開(kāi)裂區(qū)。蜂窩夾層的壓陷區(qū)較大,但開(kāi)裂區(qū)要小得多。在面板存在穿透損傷的狀態(tài)下,夾層結(jié)構(gòu)縫合后抑制了由于沖擊引起的壓陷,但導(dǎo)致泡沫夾芯更多的開(kāi)裂,縫合夾層并未能改善夾層結(jié)構(gòu)的損傷阻抗。蜂窩夾層的損傷阻抗明顯高于泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)。3.2夾層內(nèi)初始破壞和二次破壞夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限關(guān)注給定損傷狀態(tài)下夾層結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和完整性,大量的研究表明,低速?zèng)_擊損傷會(huì)使夾層結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度大大下降。夾層結(jié)構(gòu)的損傷特征和程度與材料體系和沖擊參數(shù)密切相關(guān)。在彎曲載荷下,根據(jù)面內(nèi)壓縮許用值確定面板的壓縮強(qiáng)度,用沖擊后的壓縮強(qiáng)度提供設(shè)計(jì)許用值。表3是不同夾層不同損傷狀態(tài)下的CAI強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的比較,圖7給出了典型的破壞模式。對(duì)于無(wú)損結(jié)構(gòu),未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)是載荷平穩(wěn)增加到最大值時(shí),夾層內(nèi)出現(xiàn)穿透厚度裂紋,并沿面板/夾芯界面擴(kuò)展,面板外鼓,最后壓縮折斷破壞,幾種破壞機(jī)制幾乎是同時(shí)發(fā)生的,呈脆性斷裂,初始破壞也是最終破壞。蜂窩夾層的破壞過(guò)程和模式與未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)基本相同?？p合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程則不同,存在初始破壞和后繼的二次破壞過(guò)程。由于縫線樹(shù)脂柱抑制了界面的脫粘,使無(wú)損縫合泡沫夾層的抗壓縮能力比未縫合泡沫提高了28%,比蜂窩夾層提高了14%。對(duì)于受損的各種夾層結(jié)構(gòu),破壞過(guò)程和破壞模式又不相同。經(jīng)受10J沖擊的未縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)在界面已出現(xiàn)超過(guò)壓陷區(qū)尺寸的脫粘區(qū),當(dāng)受壓載荷增大時(shí),裂紋迅速擴(kuò)展到夾層/下面板界面,并沿該界面迅速擴(kuò)展,失去了支持的下面板最后向外屈曲破壞。蜂窩夾層10J沖擊的損傷基本是芯子壓塌,當(dāng)壓縮載荷增大,下面板/芯子界面的脫粘區(qū)擴(kuò)大到一定尺寸時(shí),下面板向外屈曲破壞。10J沖擊后的縫合泡沫芯夾層結(jié)構(gòu),雖然壓陷區(qū)直徑和開(kāi)裂區(qū)直徑較大,而且沖擊也造成了泡沫/縫線樹(shù)脂柱界面的脫粘,但縫線樹(shù)脂柱抑制了下面板/泡沫界面的脫粘擴(kuò)展,其初始破壞載荷仍高于未縫合泡沫的最大破壞載荷。出現(xiàn)初始破壞后,仍能繼續(xù)承載,隨著脫粘區(qū)的擴(kuò)大,受損面板向內(nèi)折斷破壞,下面板向外屈曲折斷,二者幾乎是同時(shí)發(fā)生的,破壞部位基本是在沖擊點(diǎn)截面。其CAI強(qiáng)度和破壞應(yīng)變都比未縫合泡沫提高了50%以上,而與蜂窩夾層基本相當(dāng)。4結(jié)論和建議4.1夾層結(jié)構(gòu)縫合工藝對(duì)復(fù)合材料微膠囊化性能的影響通過(guò)對(duì)3種不同類型夾層結(jié)構(gòu)的對(duì)比試驗(yàn),評(píng)定了各種夾層結(jié)構(gòu)的破壞模式、承載能力、損傷阻抗/損傷容限特性。結(jié)果表明,使用低成本VARI工藝制造的全厚度縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)大大提高了承載能力和損傷容限。具體結(jié)論如下:(1)可以使用低成本的非熱壓罐的VARI制造工藝成功地完成全厚縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)、未縫合的復(fù)合材料閉孔泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的制造。(2)泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)縫合后,縫線樹(shù)脂柱參與承載,參與程度與受載形式相