制造工藝對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂-泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

1、    制造工藝對碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響    張佳蔚 孫笠 呂思彤 亢愛萌 司薇薇摘 要：采用不同制造工藝制作碳纖維/環(huán)氧樹脂面板及其泡沫夾層結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了力學(xué)性能測試，分析制造工藝對制品力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，真空導(dǎo)入法制作的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，力學(xué)強(qiáng)度大;泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓性能主要取決于芯材性能，彎曲性能主要取決于面板性能。關(guān)鍵詞：泡沫夾層結(jié)構(gòu);制造工藝;力學(xué)性能1 引言夾層結(jié)構(gòu)自第二次世界大戰(zhàn)產(chǎn)生至今，應(yīng)用范圍從最初的航空工業(yè)到近年的飛機(jī)、船舶、車輛、建筑等領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)因其具有質(zhì)量輕、剛度大、保

2、溫隔熱等優(yōu)點，適用于雷達(dá)天線罩、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、交通工具等制造領(lǐng)域1，2。聚甲基丙烯酰亞胺（pmi）剛性泡沫是一種閉孔剛性發(fā)泡材料，可用作輕質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)的夾芯材料3;碳纖維/環(huán)氧樹脂強(qiáng)度大，可作為面板材料4。本文采用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法制作碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，又用一次固化法和二次固化法制作泡沫夾層結(jié)構(gòu)，分析不同成型工藝對面板和夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。2 實驗2.1 原料國產(chǎn)e-51環(huán)氧樹脂;國產(chǎn)3k 200g碳纖維斜紋布;國產(chǎn)pmi硬質(zhì)泡沫塑料;國產(chǎn)pmr脫模劑。2.2 試樣制備采用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法分別制備碳纖維/環(huán)氧樹脂面板，碳纖維布鋪層方向均為0，0，45，45。采

3、用一次固化法和二次固化法制作碳纖維/環(huán)氧樹脂泡沫夾層結(jié)構(gòu)。一次固化法是將浸膠的碳纖維和泡沫芯材組合后，同步固化。二次固化法是先將上下面板固化，再與泡沫芯材膠黏在一起。一、二次固化法均分別采用手糊法和真空袋壓法制作夾層結(jié)構(gòu)，厚度控制為30 mm。2.3 性能測試碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料面板按照gb/t 3354-2014、gb/t 1451-2005、gb/t 3356-2014標(biāo)準(zhǔn)，分別測試?yán)臁_擊和彎曲性能。泡沫夾層結(jié)構(gòu)按照gb/t1452-2018、gb/t 1453-2005、gb/t 1456-2005標(biāo)準(zhǔn)，分別測試平拉、平壓和彎曲性能。3 結(jié)果與討論3.1 碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

4、面板的力學(xué)性能用手糊法、真空袋壓法和真空導(dǎo)入法制備的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板的厚度不同，分別為1.424mm，1.152mm，1.356mm，這主要是浸膠方式不同造成的。手糊法利用刷子迫使纖維浸膠，真空袋壓法和真空導(dǎo)入法利用大氣壓。真空袋壓法得到的面板最薄，一方面是因為利用了大氣壓，另一方面是因為吸膠氈吸走了多余的樹脂。對不同制作工藝得到的面板進(jìn)行彎曲、拉伸和沖擊實驗，結(jié)果如表1所示。比較表1數(shù)據(jù)可知，真空導(dǎo)入法制備的面板彎曲、拉伸和沖擊性能大于真空袋法大于手糊法。這與碳纖維的含量有關(guān)，碳纖維含量增大，面板彎曲性能變好。但真空導(dǎo)入法面板碳纖維含量略小于真空袋壓法，而前者的彎曲性能優(yōu)于后者。這主要是

5、因為真空袋壓法制造真空時，樹脂快速浸入吸膠氈，增大纖維含量的同時影響纖維和樹脂間的界面強(qiáng)度。真空導(dǎo)入法容易控制樹脂導(dǎo)入速度，保證樹脂浸潤效果。3.2 碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能采用一次固化和二次固化的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓和彎曲實驗數(shù)據(jù)如表2所示。表2中的平拉和平壓數(shù)據(jù)顯示，一次固化和二次固化所得碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂/泡沫夾層結(jié)構(gòu)的平拉性能和平壓性能差別不大，且與泡沫芯材的數(shù)據(jù)相當(dāng)。實驗發(fā)現(xiàn)，面板與芯材結(jié)合力足夠時，破壞主要為芯材斷裂。這說明夾層結(jié)構(gòu)的平拉和平壓性能主要受芯材性能影響。另外手糊法制得的夾層結(jié)構(gòu)比真空袋法制得的夾（下轉(zhuǎn)第229頁）（上接第227

6、頁）層結(jié)構(gòu)，平拉強(qiáng)度略大、平壓強(qiáng)度略小，這可能是因為真空袋壓法利用大氣壓，成型的夾層結(jié)構(gòu)有內(nèi)應(yīng)力的存在。彎曲實驗發(fā)現(xiàn)，夾層結(jié)構(gòu)的破壞主要是芯材破壞而非面板屈曲，這說明夾層結(jié)構(gòu)的彎曲性能主要受面板性能影響。從表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，手糊法制作的兩種夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能彼此相當(dāng)，真空袋法也是如此，這也說明對于彎曲性能，面板質(zhì)量的影響更大。4 結(jié)論真空袋法制作的碳纖維/環(huán)氧樹脂面板纖維含量高，真空導(dǎo)入法的面板拉伸、彎曲、沖擊性能好。夾層結(jié)構(gòu)的平拉、平壓性能主要取決于芯材性能，彎曲性能主要取決于面板性能。真空袋法制作的夾層結(jié)構(gòu)，平拉強(qiáng)度略小、平壓強(qiáng)度略大。參考文獻(xiàn)：1徐竹.復(fù)合材料成型工藝及應(yīng)用m.北京：國防工業(yè)出版社，2017.2趙銳霞，尹亮，潘玲英，等.pmi泡沫夾層結(jié)構(gòu)性能研究j.宇航材料工藝，2012，42（005）：34-37.3趙銳霞，尹亮，潘玲英.pmi泡沫夾層結(jié)構(gòu)在航天航空工業(yè)的應(yīng)用j.宇航材料工藝，2