缝合泡沫夹层复合材料的滚筒剥离性能.pdf

２０１３年第３期玻璃钢／复合材料３９缝合泡沫夹层复合材料的滚筒剥离性能潘利剑，刘卫平，陈萍，戚方方（中国商飞上海飞机制造有限公司，上海２００４３６）摘要：制备了改进锁式缝合、临缝式缝合、双线链式缝合等三种缝合方式下不同缝合密度、缝线直径的缝合泡沫夹层复合材料，并对其滚筒剥离性能进行了测试。结果表明，未缝合泡沫夹层复合材料的剥离载荷上升到一定高度后便趋于稳定。而缝合泡沫夹层复合材料的剥离载荷上升到一定高度后呈正弦曲线变化；缝合后最大剥离载荷的平均值得到大幅度的提高，可增—加到原有的１．６４．７倍左右；缝合参数相同，缝合方式不同的缝合泡沫夹层复合材料的剥离载荷存在一定的差异，同样的缝合方式下．缝合密度、缝线直径越大，剥离载荷越大。关键词：复合材料；缝合；泡沫夹层；滚筒剥离———中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０３００３９０４１前言复合材料泡沫夹层结构可以提高结构抗弯刚度和结构效率，降低制造成本ｊ，在航空领域应用日益广泛。但其横向性能一般较差，尤其是面板与夹层的界面强度较低，容易发生分层破坏。Ａｄａｍｓ等人提出了缝合泡沫夹层复合材料的新概念，将改进的传统缝合技术和泡沫夹层的优点结合起来，面板和夹层泡沫缝合成预成型件，并采用低成本的非热压罐成型工艺，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。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』。缝合对泡沫夹层复合材料的强度和刚度的提高效果是十分明显的，这一方面，国内外研究报道较多ｕ４Ｊ。但对于面板与芯子之间的界面连接强度方面的报道相对较少。由于泡沫夹层结构最典型的失效形式就是因面板与芯材粘接处失效导致分层，并产生局部强度破坏。而滚筒剥离可较直接地测定夹层结构面板与夹层之间界面连接强度。因此，本文对不同缝合方式，不同缝合参数＿８缝合泡沫夹层复合材料的滚筒剥离性能进行了测试。此外，考察了缝合方式、缝合密度、缝线直径等参数对面板与夹层之间界面连接性能的影响，为此类结构的缝合参数的设计提供参考。２实验材料与方法２．１实验材料缝合泡沫夹层复合材料由复合材料面板、闭孑Ｌ泡沫夹层组成，面板和泡沫夹层沿厚度方向缝合。—其中，面板材料采用东邦ＨＴＳ４０１２ＫＡｅｒｏ双轴向（±４５。）ＮＣＦ，面密度为２６５ｇ／ｍ；夹层材料采用德国赢创工业集团提供的闭孔泡沫ＲＯＨＡＣＥＬＬ７１—ＷＦＨＴ，缝线材料采用Ｋｅｖｌａｒ９６４。整体铺层方式为：［（０／９０）／（±４５）／泡（４５）／（９０／０）］，树脂采用Ｃｙｔｅｃ公司提供的ＣＹＣＯＭ８９０ＲＴＭ环氧树脂。２．２缝合方式与缝合参数目前应用于复合材料的缝合方式主要有锁式缝合、暗缝式、双线链缝式、单线链缝式、临缝式、双针式等缝合方式。根据在航空复合材料的应用以及现有的条件，实验制备了双线链式缝合、改进锁式缝合、临缝式缝合等三种缝合方式下不同缝合参数的缝合泡沫夹层复合材料预成型体。试验中，每种缝合方式或缝合参数变化均制备一块尺寸为８００×８００ｍｍ的方板。试验分四组，Ａ组为改进锁式缝合，缝合密度和缝线直径均变化；Ｂ组为临缝式缝合，临缝式缝合没有底线，只有缝线且保持缝线直径不变，缝合密度变化；Ｃ组为双线链式缝合，缝合密度不收稿日期：２０１２－０６－２０基金项目：上海市科技人才计划项目（１１ＰＪ１４３０９００）作者简介：潘利剑（１９８０一），男，博士，主要从事树脂基复合材料及其液体成型工艺方面的工作研究，ｘｉａｏｐａｎｈｒｂ＠１６３．ｃｏｒｎ。粪２０１３年第３期玻璃钢／复合材料４１。．“ｋｌＪｌ』。１．／””州。ｌ¨’’ｌ。。ｒ‘ｆ／。／．／０５１０１５２０２５３０３５Ｄｉｓｏｌａｃｅｍｅｎｔ／ｍｍ图５未缝合泡沫夹层复合材料滚筒剥离位移一载荷曲线Ｆｉｇ．５ＣｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌＬｏａｄＶＳｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｕｎｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍ－ｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ图６～图８为缝合泡沫夹层复合材料滚筒剥离试验采集到的荷载一位移曲线。图中结果显示，载荷先增加到一定水平后，呈类似于正弦曲线变化规律。这是因为，滚筒剥离试验过程中，由于针脚存在一定的间距，在没有针脚的位置剥离只需克服面板与夹层泡沫制件的粘接，而在针脚位置，剥离载荷不仅需要克服面板与泡沫之间的粘接，还必须克服缝线的捆束作用，而缝线的断裂所需的载荷远大于面板与泡沫制件的粘接，所以，有针脚位置剥离载荷远大于没有针脚位置的剥离载荷，故出现类似于正弦曲线的位移载荷曲线。０５ｔＯｌ５２０２５３０３５加４５５ＯＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｅｍｍ（ａ）￣＿２０ｒｎｍ，底线旦数１５００（ａ）Ｓｐａｃｅ２０ｍｍ．１ｏｗｅｒ１５００Ｄｌ￣ｌｉｅｒｏ５ｌｏ１５２０２５，Ｏ３５４０４５５０５５Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｔａｍ（ｃ）行￣６０ｍｍ，底线旦数１５００（ｃ）Ｓｐａｃｅ６０ｍｍ。ｌｏｗｅｒ１５００ＤｅｎｉｅｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｒａｉｎ（ｂ）行距３０ｍａｎ，底线旦数１５００（ｂ）Ｓｐａｃｅ３０ｍｍ。ｌｏｗｅｒ１５００ＤｅｎｉｅｒＤｉｓｐｌａｅｅｍｅｎｔ／ｍｍ（ｄ）行￣＿３０ｍｍ，底线旦￣ｔ４００（ｄ）Ｓｐａｃｅ３０ｍｍ，ｌｏｗｅｒ４００Ｄｅｎｉｅｒ图６改进锁式缝合泡沫夹层复合材料滚筒剥离位移一载荷曲线Ｆｉｇ．６ＣｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌｌｏａｄＶＳｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｉｍｐｒｏｖｅｄｌｏｃｋｓｔｉｔｃｈｆｏａｍ・ｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｒａｍ（ａ）行距３０ｍｍ，１５００旦（ａ）Ｓｐａｃｅ３０ｍｍ，１５００Ｄｅｎｉｅｒ（ｂ）行距６０ｍｍ，１５００旦（ｂ）Ｓｐａｃｅ６０ｍｍ。１５００Ｄｅｎｉｅｒ图７临缝式缝合泡沫夹层复合材料滚筒剥离位移一载荷曲线Ｆｉｇ：７ＣｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌｌｏａｄＶＳｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｓｔｕｆｆｉｎｇ—ｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＯ５ＩＯ１５２０２５３０３５４０４５０５１０Ｉ５２０２５３０３５４０４５Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅ￣ｔ／ｒａｍＤＩ耐ａｃ．￣ａｅｎｔＪｌｒａｎ（ａ）￣６０ｒｒｎｎ，底线＿￣４００（ｂ）行距６０ｍｍ，底线旦数１５００∞（ａ）Ｓｐａｃｅ６０ｍｍ，ｌｏｗｅｒ４００Ｄｊ（ｂ）Ｓｐａｃｅ６０ｍｍ，ｌｏｗｅｒ１５００Ｄｅｎｉｅｒ图８双线链式缝合泡沫夹层复合材料滚筒剥离位移－载荷曲线Ｆｊ８ＣｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌｌｏａｄＶＳｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｄｏｕｂｌｅ—ｃｈａｉｎｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ为了对比各种缝合方式下不同缝合参数的缝合泡沫夹层复合材料面板与泡沫夹层连接性能，取实验测试得到每个载荷峰值的平均值进行比较，结果如图９所示。图中结果表明，缝线密度越大，缝线直径越大，剥离载荷越大，同样的缝合密度，双线链式缝合＞临缝式缝合＞改进锁式缝合。与未缝合的试件相比，缝合后滚筒剥离载荷可提高到１．６～４．７倍左右。由于要完全剥开缝合泡沫夹层复合材料的面板和夹层材料的界面，不仅要克服面板与泡沫之间的粘接，还必须克服缝线的束缚，所以缝线越密，直径越大，所需要的剥离载荷就越大。虽然双线链式缝合中上缝线与改进锁式缝合的基本一致，但双线链式缝合的底线作用更为牢固，所以剥离载荷相对较大，临缝式虽然没有底线，但整个缝线贯穿整个夹层结构，且在背面形成一个圈同时与下面板结合较好，整体性强，所以剥离载荷仍高于改进锁式缝合。图９最大剥离载荷平均值比较Ｆｉｇ．９Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｏｆｍａｘｐｅｅｌｌｏａｄ∞∞∞∞∞舳们加加０Ｎ／。一一８４２缝合泡沫夹层复合材料的滚筒剥离性能２０１３年５月５结论（１）未缝合泡沫夹层复合材料的剥离载荷上升到一定高度后，剥离载荷趋于稳定，而缝合泡沫夹层复合材料的滚筒剥离载荷上升到一定高度后呈正弦曲线变化；（２）泡沫夹层复合材料经整体缝合后，最大剥离载荷平均值大幅提高，可提高到原有的１．６～４．７倍；（３）同样的缝合方式，缝合密度和缝线直径越大，缝合泡沫夹层复合材料的面板与泡沫夹层之间的剥离载荷越大；（４）相同的缝合密度和缝线直径下，对于面板和泡沫夹层之间的剥离载荷，双线链式缝合大于临缝式缝合大于改进锁式缝合。参考文献［１］ＰｏｌｌａｎｄＤＲ，ＦｉｎｎＳＲ，ＧｒｉｅｓｓＫＨ，ｅｔａ１．Ｌｏｂａｌｃｏｓｔａｎｄｗｅｉｇｈｔｅ－ｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｆｕｓｅｌａｇｅｓｉｄｅｐａｎｅｌｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔｓＮＡＳＡ／ＣＲ一１９９７－４７３０［Ｒ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＮＡＳＡ，１９９７．『２］ＡｄａｍｓＤＯ．ＳｔａｎｌｅｙＬＥ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｔｉｔｃｈｅｄｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｓ，ＮＡＳＡＣＲｙ２１１０２５［Ｒ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：ＮＡＳＡ，—２００１：１１６６．［３］郑锡涛，孙秦，李野，柴亚南，曹正华．全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定［Ｊ］．复合材料学报，２００６，２３（６）：２９－３６．［４］马元春，韩海涛，卢子兴，卢文书，邱涛．缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的理论预测与试验验证［Ｊ］．复合材料学报，２０１０，２７（５）：１０８．１１５．［５］马元春，韩海涛，卢子兴，卢文书．缝纫泡沫夹芯复合材料的刚度预测与试验验证［Ｊ］．复合材料学报，２０１０，２７（５）：１０１．１０７．［６］黄涛，矫桂琼，潘文革．缝纫泡沫夹层结构弯曲性能研究［Ｊｊ．材料科学与工程学报，２００６，２４（４）：５３５－５３８．［７］杨慧，张晓晶，汪海．缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报［Ｊ］．应用力学学报，２００９，２６（３）：６００－６０３．［８］吴扬，段跃新．缝合参数对缝纫平纹玻璃纤维织物复合材料弯曲性能的影响研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，６：２４－２７．［９］赵渠森，赵攀峰．真空辅助成型工艺（ＶＡＲＩ）研究［Ｊ］．纤维复合材料，２００２，１：４２４６．［１Ｏ］张默，李炜．ＶＡＲＴＭ工艺中增强体的渗透率测定［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１１，６：２４－２７．［１１］高彦涛，李炜，罗永康．ＶＡＲＴＭ工艺中多层玻纤织物渗透率规律研究与工艺优化［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，６：５４－５７．’’ＩＨＥＣＬ僵ＢＩＮＧＤＲＵＭＰＥＥＬＢＥＨＡＶ１０Ｒ０ＦＳＴＩＴＣＨＥＤＦｏＡＭ－ＣｏＲＥＳＡＮＤＷＩＣＨＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ—ＰＡＮＬｉ－ｊｉａｎ，ＵＵＷｅｉｐｉｎｇ，ＣＨＥＮＰｉｎｇ，ＱＩＦａｎｇ－ｆａｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＡｉｒｃｒａｆｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅｓｔｉｔｃｈｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｏｃｋｓｔｉｔｃｈ，ｓｔｕｆｆｉｎｇｓｔｉｔｃｈａｎｄｄｏｕｂｌｅｃｈａｉｎｓｔｉｔｃｈｗｅｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌｔｅｓｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅｅｌｌｏａｄｏｆｕｎｓｔｉｔｃｈｅｄｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏａｐｅａｋｖａｌｕｅａｎｄ—ｔｈｅｎｄｒｏｖｅｔｏｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｅｅｌｌｏａｄｏｆｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏａｐｅａｋｖａｌｕｅ—ａｎｄｔｈｅｎｖａｒｉｅｓｉｎｓｉｎｅｓｈａｐｅｄｍｏｄｅ．ｒｈｅａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｍａｘｐｅｅｌｌｏａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｒｅｍａｒｋａｂｌｙｂｙｓｔｉｔｃｈｉｎｇ．—Ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｍａｘｐｅｅｌｌｏａｄｏｆｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ１．６～４．７ｔｉｍｅｓｏｆｔｈａｔｕｎｓｔｉｔｃｈｅｄ．Ｔｈｅｐｅｅｌｌｏａｄｏｆｔｈｅｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍ－ｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｉｔｃｈｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｄｉｆ－ｆｅｒｅｎｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｓｔｉｔｃｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｏｆｓｔｉｔｃｈｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｓｔｉｔｃｈｄｉａｍｅｔｅｒｗａｓ，ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｏｆｔｈｅｐｅｅｌｌｏａｄｗａｓｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｓｔｉｔｃｈｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｓｔｉｔｃｈｉｎｇ；ｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌ；ｃｌｉｍｂｉｎｇｄｒｕｍｐｅｅｌ｜刃渤灞姻誊舀渗