复合材料夹层结构

复合材料夹层结构2018.3.2212先进复合材料的重要发展方向轻量化高性能低成本三维增强夹层结构复合材料力学特性复合工艺概述3夹层结构优势概述4概述加入芯材的目的是维持两面板之间的距离，这一距离使夹层面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。由于芯材的比重小，所以用它制成的夹层结构能在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。夹层结构由三层以上的材料或结构组成的复合结构，有两层薄而高强度的面板结构，其间夹着一层厚而极轻的芯材。这是为了满足轻质高强要求而发展起来的一种结构形式。5概述夹层结构的面板材料可以是玻璃钢板、塑料板、铝板、胶合板等。它是夹层结构的主要受力部分。夹层结构的夹芯材料有蜂窝芯材、泡沫塑料、强芯毯、软木等，它在夹层结构中起连接和支撑面板的作用，承受的是剪切应力。夹层结构的优点很多，如比强度高、比刚度高、结构稳定性好、承载能力高、耐疲劳、抗振动、隔音、隔热等。6新型轻质夹层结构复合材料新型轻质夹层结构复合材料Z-pin夹层结构Z向缝合夹层结构连体织物夹层结构点阵夹芯结构7下面板上面板承力柱泡沫芯材突出平压强度优异耐久性良好隔热隔声性主要几何参数承力柱高度承力柱分布密度承力柱细度8Z向缝合夹层结构泡沫芯材上面板内层承力柱纤维上面板外层下面板内层下面板外层缝合工艺9Z向缝合夹层结构10缝合泡沫夹层结构制备方法预成型体锁式缝合工艺缝合预成型体复合工艺缝合泡沫夹层结构Z向缝合夹层结构11树脂渗透方式上面层注入下面层注入上下面层异步注入注入示意图充模时间/s526543381注入树脂质量/g520531722上表面下表面缝合泡沫夹层树脂注入方法Z向缝合夹层结构120.1MPa0.075MPa0.05MPa30150270390510abcd0123454-53-42-31-20-1Porosityofpillars/%30150270390510abcd01234565-64-53-42-31-20-1Porosityofpillars/%30150270390510abcd012345676-75-64-53-42-31-20-1Porosityofpillars/%abcd树脂注入方向不同真空压力下的承力柱孔隙率宏观孔隙缺陷工艺条件对承力柱孔隙的影响延长真空作用时间，采用丝束小的纱线Z向缝合夹层结构130.00.10.20.30.01.53.04.56.0StitchedSanwichUnstitchedSandwichStress/MPaStrain0.000.050.100.150.2006121824UnstitchedSandwichStitchedSandwichStrainStress/MPa缝合泡沫夹层结构力学性能平压侧压Z向缝合夹层结构14010203004008001200StitchedSanwichUnstitchedSandwichLoad/NDisplacement/mm性能指标普通泡沫夹层结构复合材料缝合泡沫夹层结构复合材料缝合泡沫夹层结构复合材料（去除泡沫）平压强度/MPa0.45.54.5平压模量/MPa22221195侧压强度/MPa10.923.220.0侧压模量/MPa100015171332弯曲强度/MPa14.229.318.1缝合泡沫夹层结构力学性能弯曲Z向缝合夹层结构Z向缝合夹层结构应用领域15在泡沫塑料中植入与外表面呈一定角度的单向纤维针状物（即Z-pin）形成网架结构与传统的蜂窝夹层结构相比，突出的抗剪强度、抗压强度、抗冲击强度及耐久性面－芯粘结不需要其它胶粘剂Z-pin夹层结构主要几何参数Z-pin植入角度Z-pin细度植入密度16Z-pin植入工艺植入工艺Z-pin夹层结构缝合工艺17Z-pin夹层结构18植入工艺要求：Pin以精确的植入角植入泡沫如无需局部增强，应保证pin的空间分布均匀Pin嵌入蒙皮足够的深度，即保证pin伸出泡沫两端的长度精确X-cor31IG芯材X-cor51WF芯材Pin数控植入工艺Z-pin的制备泡沫芯预打孔Z-pin植入面板预浸料铺放热压成型Z-pin增强泡沫夹层结构Z－pin端部弯曲、劈裂面芯粘结不良易出现的质量问题：成型工艺过程热压工艺参数的设定非常关键*成型压力太小成型压力太大Z-pin夹层结构成型过程中的压力分配第一阶段第二阶段第三阶段Z-pin刺入面板面板密实Z-pin压坏压力上限压力下限第一阶段第二阶段第三阶段成型压力压机位移适配的成型压力Z-pin夹层结构普通缝针缝线尾部中空的缝针缝线减小缝纫阻力减少树脂灌入针孔缝合方法的确定解决的问题尾部中空的缝针缝线泡沫芯子面板无底线缝合方式普通缝纫机针的锁式缝合钩针的锁式缝合Kevlar纤维压缩强度较低；碳纤维脆性大，不利于缝合，在RTM工艺中难以充分浸渍Z-pin夹层结构预压缩－热膨胀成型工艺＋＋(a)(b1)(b2)(b3)(T1,P1,V1)(T2,P2,V2)(T2,P1)起始最终泡沫芯子模具(T1,P1)避免缝线屈曲，提高斜缝合泡沫夹层结构力学性能，尤其是抗压性能；便于制备大尺寸制件；2()FFMccPKT忽略面板和缝线的体积，忽略缝线张紧后的长度变化认为缝线对泡沫芯刚性约束，缝线张紧力等于泡沫芯对模具的膨胀压力泡沫芯子预压缩面板铺覆斜缝合热膨胀成型合模Z-pin夹层结构Z-pin夹层结构应用领域23Z-pin夹层结构24三维间隔连体织物是一种层与层之间由连续纤维芯柱相接而成一体呈空芯结构的编织物面层之间芯柱经向呈“8”字形，纬向呈“1”字形连体织物及复合材料无面/芯剥离抗冲击性能优异面层纤维芯柱面层主要几何参数芯柱高度经纱密度纬纱密度间隔纱密度25小型飞机座椅波兰的Bilsamaviation制造的轻型运动飞机SkyCruiser制备多层吸波材料应用于F/A-18E/F应用领域连体织物及复合材料2627020004000600002468101214TheoreticalpredictionWickingfromtoptobottomWickingfrombottomtotopWickingdistance/mmTime/strL2cosc2Lucas-Washburn方程粘度越小下浸速度和上浸速度差异越大上下面层异步浸胶方法：首先将其总量的30%均匀涂覆在模具上，使树脂完全浸入织物下面层，然后将剩余树脂均匀涂覆在织物上面层。树脂沿芯柱纤维浸润距离-时间曲线树脂对层连织物的毛细浸润经向纬向连体织物及复合材料281.93kg/m22.31kg/m22.89kg/m23.85kg/m2不同树脂含量层连织物复合材料截面图树脂含量对浸渗质量的影响随着树脂含量的增加，纤维芯柱和下面层均出现树脂富集缺陷连体织物及复合材料29010002000300040005000020406080100120Viscosity/Pa·sTime/sExperimentaldataFittingexperimentaldataY=1.38+0.31exp(0.00121X)R2=0.99954050010001500200025003000020406080100120Viscosity/Pa·sTime/sExperimentaldataFittingexperimentaldataY=0.43+0.07exp(0.00282X)R2=0.99821环氧E51流变曲线191树脂流变曲线树脂流变特性对浸渗质量的影响BtCexp0初始粘度/Pa•s1.380.43反应速率参数B0.001210.00282环氧E51191树脂连体织物及复合材料300.000.020.040.060.080.1001020304050Fibervolumefraction/%Vacuumpressure/MPa5mm8mm10mm025507510012515014710131619222528Distance/cmTime/sVacuumbagwithHPM(weft)VacuumbagwithHPM(warp)VacuumbagwithoutHPM(weft)VacuumbagwithoutHPM(warp)RigidmoldwithoutHPM(weft)RigidmoldwithoutHPM(warp)真空作用下层连织物的纤维含量树脂在不同注胶方式下流动规律低粘度树脂真空辅助成型随芯柱高度增加，可达到更高体积分数沿织物纬向渗透速率均快于经向连体织物及复合材料3101020304050607080051015202530Distance/cmTime/s0.06MPa0.08MPa0.1MPa层连织物内树脂渗透与回复特性0.000.020.040.060.080.100.00.20.40.60.81.01.2ThicknessrecoveryrateVacuumpressure/MPa14mm10mm8mm层连织物的厚度回复率渗透特性回复特性051015202530354005101520250.3Pa·s0.5Pa·s0.7Pa·sDistance/cmTime/s织物的厚度回复率随着压力增大而减小随着芯柱高度降低，厚度更易回复连体织物及复合材料32159131721250.10.20.30.40.50.60.7ResincontentDistance/cm0.3Pa·s0.5Pa·s0.7Pa·s05101520250.10.20.30.40.50.60.7ResincontentDistance/cmWithouthighpermeabilitymediaWithhighpermeabilitymedia1234560.10.20.30.40.50.60.7ResincontentDistance/cm0.1MPa0.08MPa树脂分布影响因素高渗透率介质层有助于树脂均匀分布随着树脂粘度增加，树脂渗透均匀性变差连体织物及复合材料330.000.050.100.150.200.250.300.00.51.01.52.02.53.03.5Stress(MPa)Strain80°-90°70°-80°60°-70°平压0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.01.2Stress(MPa)warpweftStrain剪切力学特性与失效模式芯柱断裂破坏芯柱与面层夹角成80°-90°时性能最佳芯柱根部断裂纬向性能优于经向连体织物及复合材料340123456780100200300400Load(N)Displacement(mm)weftwarp0.0000.0050.0100.0150.020051015202530354045Facesheetcompressivestress(MPa)strainwarpweft弯曲侧压力学特性与失效模式连体织物及复合材料350.000.010.020.030.04-20020406080100120140160Facesheettensilestress(MPa)Strainwarpweft面内拉伸力学特性与失效模式连体织物及复合材料36468100123456789Flatwisecompressivestrenght/MPaHeight/mm468100123456Shearstrenght/MPaHeight/mmweftwarp芯柱高度对力学性能的影响平压剪切芯度高度增加，其平压、剪切性能降低连体织物及复合材料374681002468101214Flexuralstiffness/N.m2Height/mmwarpweft46810010203040506070Facesheetcompressivestrength/MPaHeight/mmWarpWeft4681004080120160200Facesheettensilestrength/MPaHeight/mmWarpWeft弯曲侧压面内拉伸芯柱高度对力学性能的影响连体织物及