深入研究。本文就 Z2pin植入?yún)?shù)對(duì) X2Cor增強(qiáng)泡沫夾層復(fù)合材料平壓性能和剪切性能的影響展
平壓實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
-2005 ;試樣尺開(kāi)研究 ,為 X2Cor夾層復(fù)合材料中 Z2pin植入?yún)⒋?:60 mm ×60 mm;面板厚度 :1 mm;試樣厚度
為 :21 mm;實(shí)驗(yàn)加載速度為 01 5 mm/ min。圖 2
與具有相同壓縮和剪切強(qiáng)度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)相比 ,可以減重 10 %～15 %。
目前 ,國(guó)外對(duì)于 X2Cor泡沫夾層復(fù)合材料已經(jīng)有一定的研究基礎(chǔ)。 O ’Brien等[7]研究了 X2Cor泡沫夾層過(guò)渡區(qū)域破壞機(jī)理 , Vaidya等[8210 ]研究了結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊性能和沖擊后壓縮性能。 Cartie等[11212 ]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了 X2Cor夾層結(jié)構(gòu)平壓、剪切、平拉等力學(xué)性能 ,并揭示了 Z2pin與泡沫相互作用的機(jī)理。而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究工作[ 13216 ]才剛剛開(kāi)始 ,主要集中在基本力學(xué)性能研究 ,對(duì)其成型工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問(wèn)題仍有待進(jìn)一步
1 實(shí) 驗(yàn)
11 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原材料
設(shè)備 :SANS力學(xué)測(cè)試儀器 ;精密數(shù)控壓機(jī)。
原料 :E251和 F244環(huán)氧樹(shù)脂 ,無(wú)錫樹(shù)脂廠 ; 593固化劑 ,上海樹(shù)脂廠 ; 501稀釋劑 ,無(wú)錫樹(shù)脂廠 ;三氟化硼 2單乙胺 ,北京益利精細(xì)化學(xué)品公司 ; S2玻璃纖維單向布 (SGFW430) ,南京玻璃纖維研究院 ; T700碳纖維 (12K) ,日本東麗公司 ;硬質(zhì)聚氨酯泡沫 ,密度 :621 5 kg/ m3。
11 2 試樣制備
(1) Z2pin的制備及植入工藝
以 F244環(huán)氧樹(shù)脂體系 (固化劑為 3%的三氟化硼 2單乙胺 )浸漬 12 K的碳纖維絲束 ,采用手工纏繞方式 ,經(jīng)固化、裁剪加工成一定長(zhǎng)度的 Z2pin。制得的 Z2pin膠含量為 301 1%,橫截面基本為圓形 ,直徑為 01 96 mm。實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)了定角度裝置和打孔裝置 ,實(shí)現(xiàn) Z2pin在硬質(zhì)泡沫上以不同角度和密度植入。
(2) X2Cor夾層結(jié)構(gòu)成型工藝
夾層結(jié)構(gòu)面板采用兩層 S2玻纖單向布 ,正交鋪層。樹(shù)脂、固化劑與稀釋劑的質(zhì)量比為 100 ∶28 ∶4。在植入 Z2pin的泡沫芯材表面鋪放上下面板后 ,閉合模具 ,升溫、加壓成型。
圖 1是成型后的 X2Cor夾層復(fù)合材料試樣。為了便于觀察結(jié)構(gòu)中的 Z2pin形貌 ,部分 X2Cor夾層復(fù)合材料試樣去除了泡沫。
圖 1 X2Cor夾層復(fù)合材料 Fig11 X2Cor sandwich composite
11 3 力學(xué)性能測(cè)試
為平壓實(shí)驗(yàn)示意圖。
圖 2 X2Cor夾層復(fù)合材料平壓實(shí)驗(yàn)示意圖 Fig1 2 Flatwise compression test of X2Cor sandwich composite
(2)剪切性能
剪切實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) : GB/ T 1455 -2005 ;試樣尺寸 :60 mm ×240 mm;面板厚度 :1 mm;試樣厚度 :21 mm;實(shí)驗(yàn)加載速度為 01 5 mm/ min。載荷作用線通過(guò)夾層結(jié)構(gòu)對(duì)角線 ,如圖 3所示。
2 結(jié)果與討論
21 1 X2Cor夾層復(fù)合材料的平壓性能
(1) Z2pin植入對(duì)平壓破壞模式的影響
圖 4對(duì)比了 X2Cor夾層復(fù)合材料和普通泡沫夾層復(fù)合材料的平壓力學(xué)性能。由應(yīng)力 2應(yīng)變曲線可以看出 ,植入 Z2pin的泡沫夾層復(fù)合材料平壓性能有大幅度的提高 ,X2Cor夾層復(fù)合材料的破壞強(qiáng)度比普通泡沫夾層復(fù)合材料提高了約 8倍。
普通泡沫夾層復(fù)合材料應(yīng)力2應(yīng)變曲線呈平緩上升趨勢(shì) ,變形量大于 5%時(shí) ,泡沫塌陷 ,進(jìn)入斜率較小的平臺(tái)區(qū) ,變形量大于 40 %時(shí) ,由于泡沫密實(shí) ,曲線斜率再次增大。植入 Z2pin的 X2Cor夾層復(fù)合材料應(yīng)力 2應(yīng)變曲線在經(jīng)歷較陡的彈性區(qū)達(dá)到最大載荷時(shí) ,部分 Z2pin屈曲彎折 (見(jiàn)圖
5) ,試樣突然發(fā)生破壞 ,載荷瞬間降低 ,實(shí)驗(yàn)中可以聽(tīng)到噼啪的響聲。但此時(shí)的 X2Cor夾層復(fù)合材料承載能力仍高于普通泡沫夾層復(fù)合材料。此后載荷幾乎保持不變直到泡沫被壓實(shí)。 Z2pin的植入大大提高了泡沫夾層結(jié)構(gòu)的抗壓能力。
(2) Z2pin植入角度和密度對(duì)平壓性能的影響
Z2pin植入角度定義為 Z2pin與面板間所夾銳角 ,X2Cor夾層復(fù)合材料平壓強(qiáng)度和彈性模量隨 Z2pin植入角度的變化規(guī)律見(jiàn)圖 6。植入角度采用 45°,60°,75°和 90°。可以看出 ,隨著 Z2pin植入角度的增加 ,X2Cor夾層復(fù)合材料平壓強(qiáng)度和彈性模量逐漸增大。由此可知 ,增大植入角度有利于平壓性能的提高。
植入密度定義為單位面積上植入的 Z2pin數(shù)量。采用單個(gè)平壓試樣 (60 mm ×60 mm)上植入的 Z2pin數(shù)量比較植入密度。
X2Cor夾層復(fù)合材料平壓強(qiáng)度和彈性模量隨 Z2pin植入密度的變化規(guī)律見(jiàn)圖 7。植入密度分別為 12 ,24 ,36 ,48 ,60根/ (36cm2) ,植入角度為 60°。可以看出 ,隨著 Z2pin植入密度的增加 ,X2 Cor夾層復(fù)合材料的平壓強(qiáng)度和模量增大。
21 2 X2Cor夾層復(fù)合材料的剪切性能
(1) Z2pin植入對(duì)剪切破壞模式的影響
圖 8是 Z2pin在 60°和 45°植入角度下 ,X2Cor夾層復(fù)合材料剪切實(shí)驗(yàn)應(yīng)力 2應(yīng)變曲線。從圖 8可以看出 ,當(dāng)載荷增加到 01 7 MPa時(shí) ,純泡沫夾 層 復(fù) 合材料應(yīng)力2應(yīng)變曲線迅速下降 ,試樣發(fā)生剪切破壞 ,泡沫芯材中心位置劈裂。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,60°與 75°,90°植入角度下的試樣剪切應(yīng)力 2應(yīng)變曲線比較相似 ,均是彈性變形后達(dá)到最大載荷發(fā)生第 1次破壞 ,泡沫中部出現(xiàn)約 45°裂紋。之后載荷逐漸降低 ,裂紋逐漸增大 (圖 9 (a) )。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至面 2芯粘結(jié)處 ,發(fā)生第 2次較大破壞 ,之后裂紋沿面 2芯粘結(jié)層延伸 (圖 9(b)) ,曲線趨于平緩。這是由于芯材在剪應(yīng)力作用下發(fā)生形變 ,引起 Z2pin端部旋轉(zhuǎn) ,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。之后 ,隨著形變量的增大 ,Z2pin逐漸從面板和泡沫中拔脫 ,結(jié)構(gòu)再次發(fā)生較大破壞。 45°植入角度下的 X2Cor夾層復(fù)合材料剪切應(yīng)力 2應(yīng)變曲線與其他角度較為不同 ,載荷達(dá)到 2 MPa時(shí)夾層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞 ,載荷瞬間降低。這是由于當(dāng) X2Cor夾層結(jié)構(gòu)中 Z2pin的植入角度較小時(shí) ,沿 Z2 pin軸向的拉、壓應(yīng)力逐漸增大 ,而引起 Z2pin轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩逐漸減小 ,表現(xiàn)為纖維針旋轉(zhuǎn)困難 ,試樣剪切模量較高。當(dāng)剪切應(yīng)力增加到足夠大時(shí) ,Z2pin發(fā)生拔脫和旋轉(zhuǎn) ,以至于夾層結(jié)構(gòu)破壞迅速。
圖 9 X2Cor夾層復(fù)合材料剪切破壞形貌 Fig19 Shear fracture morphologies of X2Cor sandwich com2 posite
(2) Z2pin植入?yún)?shù)對(duì) X2Cor夾層復(fù)合材料剪切性能的影響
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