玻璃纖維增強聚苯硫醚夾芯復合結構力學性能

湯溢融，周曉東

(華東理工大學化工學院,上海市多相結構材料化學工程重點實驗室,上海 200237)

夾芯復合結構具有質量小、比強度高的性能特點,在航空航天、房屋建筑和軌道交通車輛等眾多領域已得到較為廣泛的實際應用[1]。這些領域的發展對夾芯復合結構也提出了更高的要求,在提升力學性能的同時朝著輕量化的方向發展[2–3]。將玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料(GMT)加熱至基體熔點以上,材料會發生厚度方向的膨脹,在降低材料密度的同時,保留了GMT的部分力學性能,還具有不俗的隔音和隔熱性能,具有取代傳統鋁合金、鋼材的潛力,能很好地用于夾芯復合結構的芯層,滿足夾芯復合結構輕量化的需求[4–7]。目前,用于GMT的常見基材為聚丙烯(PP)和聚酰胺(PA),其使用占據總量的90%以上[8]。以聚苯硫醚(PPS)為GMT的基體,保留了材料的膨脹特性,可以通過控制材料膨化后的壓縮比以控制制品的厚度與體積密度,還能發揮PPS優越的性能,得到比PP基GMT和PA基GMT材料力學性能更加優異的PPS基GMT材料[9]。目前對PPS基GMT的研究更多是如何優化與表征這種材料的各種性能[10–15],鮮見將這種材料應用于夾層結構的制備,以更好地發揮材料低密度、高比強度的特性。

筆者利用熱壓成型方法,以膨化的PPS基GMT為芯材,雙向碳纖維織物增強聚碳酸酯為面皮,制備夾芯復合結構,研究了夾芯復合結構芯層厚度與芯層面密度對夾芯復合結構力學性能的影響,以及夾芯復合結構的彎曲破壞形式和側壓破壞形式。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

膨化PPS基GMT片材：玻璃纖維(GF)含量為60%,GF長度為15 mm,厚度分別為3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分別為1 300,1 650,2 000 g／m2,自制；

雙向碳纖維(CF)織物增強聚碳酸酯(PC)片材：CF含量為57.8%,厚度為0.4 mm,自制。

1.2 主要儀器與設備

中框模具：自制；

平板硫化機：QLB–25D／Q型,無錫中凱橡塑機械有限公司；

電子萬能材料試驗機：CMT4204型,深圳新三思材料檢測有限公司；

沖擊試驗機：XJU–22 J型,承德試驗機有限責任公司；

游標卡尺：110–120型,精度為0.01 mm,北京沿程科技有限公司。

1.3 樣品制備

以厚度分別為3.2,4.2,5.2,6.2,7.2 mm,面密度分別為1 300,1 650,2 000 g／m2的膨化PPS基GMT片材為芯材,雙向CF織物增強PC片材為面皮,將雙向CF織物增強PC片材和膨化PPS基GMT片材按照“三明治”形狀放入上、下壓板和中框模具中并固定,將壓機預熱至265℃,在1.5 MPa壓力下熱壓90 s,完成后快速轉移至冷壓機上,在1.5 MPa壓力下冷壓,冷卻至室溫,取出,制備出夾芯復合結構厚度分別為4,5,6,7,8 mm、芯層面密度分別為3 000,3 350,3 700 g／m2的夾芯復合結構。

1.4 性能測試

彎曲性能按照GB／T 1456–2005測試；

沖擊性能按照GB／T 1451–2005測試；

側壓性能按照GB／T 1454–2005測試。

2 結果與討論

2.1 夾芯復合結構厚度對夾芯復合結構性能的影響

以片材面密度為1 300 g／m2的膨化PPS基GMT片材為芯材,制備夾芯復合結構厚度不同、芯層面密度為3 000 g／m2的夾芯復合結構。不同厚度夾芯復合結構的彎曲性能如圖2所示。

由圖2a和圖2b可以看出,增加芯層厚度,即增大夾芯復合結構的厚度,夾芯復合結構的彎曲強度、彎曲彈性模量和比彎曲強度減小。這是因為隨著芯層厚度的增加,芯層內孔隙率增大[9],單位體積內GF和PPS骨架密度降低,力的傳遞與承載更困難。由圖2c可以看出,夾芯復合結構的彎曲剛度隨著芯層厚度的增加先增大后減小,轉折點發生在夾芯復合結構厚度為5 mm時。這是因為彎曲剛度由彎曲彈性模量和夾芯復合結構厚度兩個因素共同決定[15],在芯層厚度較小時,夾芯復合結構厚度也較小,此時彎曲彈性模量降幅小,夾芯復合結構厚度對彎曲剛度的影響較大,同時隨著芯層厚度的增加,受PPS約束的部分GF恢復原有取向,恢復了部分抵御形變能力,所以在夾芯復合結構厚度不大于5 mm時,彎曲剛度隨著芯層厚度的增加而增大,當夾芯復合結構厚度超過5 mm后,夾芯復合結構的彎曲模量降幅變大,同時厚度增幅不變,綜合導致彎曲剛度減小。

圖2 不同厚度夾芯復合結構的彎曲性能

不同厚度夾芯復合結構的沖擊性能如圖3所示。

圖3 不同厚度夾芯復合結構的沖擊性能

由圖3可以看出,隨著芯層厚度的增加,即夾芯復合結構厚度的增加,夾芯復合結構的沖擊強度減小,而沖擊總吸能量先增大后減小,轉折點是夾芯復合結構厚度為5 mm時,此時夾芯復合結構的沖擊總吸能為4.99 J。這是因為：(1)隨著芯層厚度增加,芯層內的孔隙率增大,夾芯復合結構單位體積內GF骨架的密度降低,單位體積吸能的能力減??；(2)膨化后芯層內的PPS對GF的約束力變小,芯層厚度增加后,芯層內部分GF恢復原有的取向,GF對力的承載能力變強,GF骨架抵御形變的能力增大；(3)芯層厚度的增加會在芯層內產生更多更大的氣孔結構,也能消耗部分能量,有助于沖擊總吸能的增大。綜合影響下,夾芯復合結構的沖擊總吸能隨著芯層厚度的增加先增大后減小。沖擊強度是單位截面積的沖擊吸能,在沖擊總吸能沒有大幅度上升的情況下,隨著芯層厚度的增加,夾芯復合結構的沖擊強度減小。

不同厚度夾芯復合結構的側壓性能如圖4所示。

圖4 不同厚度夾芯復合結構的側壓性能

由圖4可以看出,隨著芯層厚度的增加,即夾芯復合結構厚度的增加,夾芯復合結構的側壓強度和比側壓強度快速減小。這是由于夾芯復合結構側壓會發生芯層分層破裂,隨著芯層厚度的增加,芯層內的孔隙率增大,類似于彎曲性能測試,夾芯復合結構更容易發生破壞。

2.2 芯層面密度對夾芯復合結構性能的影響

不同芯層面密度下夾芯復合結構的彎曲性能如圖5所示。

由圖5a和圖5b可以看出,在夾芯復合結構厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的彎曲強度和彎曲彈性模量都增大。這是因為芯層面密度增加,芯材內的孔隙率降低,芯層內堆積更緊密,抵御載荷的GF密度增大,更多的GF能承擔和分散載荷。在芯層面密度相同條件下,隨著夾芯復合結構厚度的增加,夾芯復合結構的彎曲強度和彎曲彈性模量都減小。這是因為夾芯復合結構厚度增加會導致夾芯復合結構單位體積內的GF骨架密度降低,骨架對力的承載能力下降。

圖5 不同芯層面密度下夾芯復合結構的彎曲性能

由圖5c可以看出,在夾芯復合結構厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的彎曲剛度增大。

由圖5d可以看出,在夾芯復合結構厚度為4 mm或5 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的比彎曲強度減??；在夾芯復合結構厚度為6 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的比彎曲強度先增大后減小。

不同芯層面密度下夾芯復合結構的沖擊性能如圖6所示。

圖6 不同芯層面密度下夾芯復合結構的沖擊性能

由圖6可以看出,在夾芯復合結構厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的沖擊強度和沖擊總吸能增大。這是因為芯層面密度增加,芯材內的孔隙率減小,受到沖擊作用時有更多的GF承擔吸能作用[9]。

不同芯層面密度下夾芯復合結構的側壓性能如圖7所示。

由圖7a可以看出,在夾芯復合結構厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的側壓強度增大。

由圖7b可以看出,當夾芯復合結構厚度為4 mm和5 mm時,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的比側壓強度減??；當夾芯復合結構厚度為6 mm時,隨著芯層面密度的增加,比側壓強度呈現先降后升的趨勢。

圖7 不同芯層面密度下夾芯復合結構的側壓性能

2.3 彎曲破壞形式

夾芯復合結構的彎曲破壞形式如圖8所示,相應的載荷–位移曲線如圖9所示。

圖8 夾芯復合結構的彎曲破壞形式

圖9 夾芯復合結構的彎曲載荷–位移曲線

由圖8可以看出,夾芯復合結構厚度的破壞形式為面板破壞和芯層分層。由圖9可以看出,AB段為彈性變形階段,載荷隨著位移的增加而增大；在BC段,當載荷到達690 N后,增加位移,上面板出現微小裂縫,載荷下降；在CD段,除上面板上出現裂縫外,芯層并未發生破壞,可繼續承載載荷,載荷上升；在DE段,面板的裂痕不斷在長度和寬度方向衍生,載荷再次下降；EF段與CD段類似,未發生破壞的結構部分繼續承擔載荷,載荷上升,但較CD段的載荷下降；在F點后,芯層分層破裂,出現層間裂口,芯層的內部結構破壞并失效。

2.4 側壓破壞形式

夾芯復合結構的側壓破壞形式如圖10所示,相應的載荷–位移曲線如圖11所示。

圖1 夾芯復合結構熱壓成型工藝示意圖

圖10 夾芯復合結構側壓破壞形式

圖11 夾芯復合結構的側壓載荷–位移曲線

由圖10可以看出,夾芯復合結構的側壓破壞形式主要是芯層的壓縮／彎曲破壞。由圖11可以看出,在AB段,夾芯復合結構先發生局部結構的失穩后進入彈性形變的階段,載荷隨著位移的增加而快速增大,載荷在B點達到最大,面板材料具有柔韌性,小幅度彎曲不會對其造成破壞；BC段發生芯層局部破壞；在CD段,夾芯復合結構在局部破壞基礎上,進一步發生更嚴重的分層破壞；在DE段,分層破壞的結構還可承載一定載荷。

3 結論

(1)隨芯層厚度的增加,夾芯復合結構的彎曲強度、彎曲彈性模量、比彎曲強度、沖擊強度、側壓強度和比側壓強度減小,而彎曲剛度和沖擊總吸能先增大后減小,轉折點發生在夾芯復合結構厚度為5 mm時。

(2)在夾芯復合結構厚度相同條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的彎曲強度、彎曲彈性模量、彎曲剛度、沖擊強度、沖擊總吸能和側壓強度增大；在夾芯復合結構厚度為4 mm或5 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的比彎曲強度和比側壓強度減??；在夾芯復合結構厚度為6 mm條件下,隨著芯層面密度的增加,夾芯復合結構的比彎曲強度先增大后減小,比側壓強度先減小后增大。

(3)夾芯復合結構的彎曲破壞形式是面板破壞和芯層分層；側壓破壞形式是壓縮／彎曲破壞。