（纺织工程专业论文）缝纫泡沫夹层复合材料的制造与性能研究.pdf

厂l。 卜i 学位论文的主要创新点 一、经过表面处理的玻璃纤维代替k e v l a r 纤维，应用于缝纫泡沫夹层复合 材料的缝线。采用环氧乳液1 6 硅烷偶联剂4 水8 0 配成的处理液，通过处 理后的玻璃纤维，可以有效的提高集束性、耐磨性以及柔韧性，使得玻璃纤维取 代k e v l a r 纤维成为缝纫泡沫夹层复合材料的缝线成为可能。 二、双排针的设计思路应用于缝纫泡沫夹层复合材料。针对厚的缝料，缝制 中直针所受阻力大的问题，采用双排针的思路，位置在前面的一排针在加工中不 带线，主要用来事先打孔，以减少后排针与缝料的孽擦。后排针带线，且两排针 的距离与线迹长度一样。为满足不同生产的需要，前排针可以按要求进行调整。 三、通过缝纫泡沫夹层材料的制作及相关力学性能的测试的试验，表明缝纫 能够有效的增强夹层结构的平压强度以及弯曲刚度，而且可以通过改变缝纫参数 来调节材料的力学性能，为缝纫泡沫夹层材料应用予飞机、船舶、高速列车的的 主承力部件提供相关试验数据及分析原理。 进行表面处理，以该善表面物理和化学性能：对于缝合的缝针及线迹进行了初步 设计，方便实现大规模工业化生产；并对缝纫泡沫夹层复合材料的弯曲及平压性 能进行了初步测定与分析。 研究结果表明：用环氧乳液1 6 硅烷偶联剂4 水8 0 配制成的处理液对 玻璃纤维进行表面处理，可以有效的提高玻璃纤维的集束性、耐磨性以及柔韧性， 使得玻璃纤维取代k e v l a r 纤维成为缝纫泡沫夹层复合材料的缝线成为可能；在 缝针选择上，采用双槽针可以减少缝线与缝料的摩擦，而采用双排针的设计思路， 可以进一步提高缝合性能；复合工艺采用的是v a r t m 工艺，该工艺设备简便， 作业环境较好，有效的将低了成本，方便大规模生产；通过试验研究了缝纫泡沫 夹层复合材料的基本力学性能，包括三点弯曲和平面压缩试验。通过比较，发现 缝纫增强能够大幅度的泡沫夹层结构的基本力学性能，与未缝合板相比，缝合板 的极限弯曲载荷提高了3 6 ，平压强度提高了近2 倍，尤其是能够弥补由于泡沫 芯材的强度和刚度较低而带来的泡沫夹层结构材料压缩性能和弯曲时面内剪切 模量低的缺陷，从而使该材料能够应用与飞机、船舶及高速列车等的主承力结构 件。 关键词：泡沫夹层复合材料；z 向增强；缝纫；玻璃纤维表面处理；复合工艺； 性能测试 a b s 缸a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p o s i t e ，a d v a n c e dc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r e w i d el yu s e di na v i a t i o n , s p a c e f l i g h t , s h i pa n dp u bl i ct r a f f i c s t i t c h i n gf o a m - c o r e s a n d w i c hi sn e wl i g h t w e i g h ts a n d w i c hs t r u c t u r e ，i ti sc o n s i s to ft w og h s sf i b e r c o m p o s i t ep a n e li nt h eu p p e ra n d1 0 w e ra n dr i g i df o a mc o r em a t e r i a li nt h em i d d l e ， t h e ni ti ss t i t c h e db yg l a s sf i b e ri nt h ezd i r e c t i o na n dt h es t i t c h e sa l ev e r t i c a lt op a n e t s t i t c h i n gf o a m - c o r es a n d w i c hs t r u c t u r ea r en o to n l yr e d u c eo v e r a l ld e f o n m t i o n , i m p r o v et h em e c h a n i c a ls t r e n g t he l a s t i cm o d u l u so f t h em a t e r i a l , b u ta l s oi m p r o v ei t s h e a td i s t o r t i o nt e m p e r a t u r ea n di m p a c ts t r e n 蓼h , e s p e c i a l l yp r o v i d eas i g n i f i c a n tm i s e i nt e n s i l es t r e n g t h t l l i ss a i l d w i c hm a t e r i a ls t r u c t u r ei su t i l i z e di nt h ea e r o s p a c e i n d u s t r ya n dh i g h - s p e e dt r a i ns t r u c t u r e sf o rt h e i rc a ns u b s t a n t i a l l y i n c r e a s et h e b e n d i n gs t i f f n e s si nt h ec a s eo f l i t t l ew e i g h ta d d i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e dt h ep r e p a r a t i o np r o c e s sa n dp e r f o r m a n c eo f s t i t ch i n gf o a m - c o r es a n d w i c h i n c l u d et h es u r f a c et r e a t m e n to fg l a s sf i b e r , t o i n v e s t i g a t et h ec h e m i c a la n dp h y s i c a lc h a n g e so fg h s s f i b e rs u r f a c e s ；m a k ea p r e l i m i n a r yd e s i g no ft h e n e e d l ea n ds t i t c h , f a c i l i t a t et oi m p l e m e n th r g e - s c a l e i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ；t e s ta n ds t u d yo n t h e t h r e e - p o i n tb e n d i n g a n dp l a n e c o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t so f s t i t c h i n gf o a m - c o r es a n d w i c hm a t e r i a l t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：u s e dt h et r e a t m e n tf l u i dw h i c hf i x e dw i t h e p o x y e m u l s i o n1 6 ，s i l a n ec o u p l i n ga g e m4 ，w a t e r8 0 t ot r e a t m e n tt h es u r f a c eo f g l a s sf i b e rc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec l u s t e r , a b r a s i o nr e s i s t a n c ea n df l e x i b i l i t yo f g l a s sf i b e ra n dm a k e st h eg l a s s f i b e raf e a s 如l es u b s t i t u t eo fk e v l a ri ns t i t c h i n g f o a m - c o r es a n d w i c hc o m p o s i t e ；d u a l - s l o tn e e d l es t i t c h i n gc a nr e d u c et h ef r i c t i o n b e t w e e nn e e d l e sa n dp e r f o r ma n dd o u bl e - pi nd e s i g nc a nf u r t h e ri m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fs t i t c h i n g ；v a r t mp r o c e s s ，w h i c hi ss i m p l ea n dc a nw o r kw e l l i n m a n yd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ，c a ne f f e c t i v e l yc u td o w nt h ec o s tf o rm a s sp r o d u c t i o n ； t h i sp a p e rs t u d yo nt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ei n c l u d i n gt h e t h r e e - p o i 擅b e n d i n ga n dp l a n ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h a ts e w i n g r e i n f o r c e m e n tc a ng r e a t l ye n h a n c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs a n d w i c hs t r u c t u r e s ， c o m p a r e dw i t ht h en os u t u r eb o a r d ，t h eu l t i m a t eb e n d i n g l o a do f p l a t es u t u r ei n c r e a s e d b y3 6 ，f l a tc r u s hs t r e n g t hi n c r e a s e db yn e a r l y2t i m e s ，e s p e c i a u yc o m p e n s a t et h e s h o r tc o m i n g so fl o ws t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho fs a n d w i c hi n d u c i n gb yt h ew e a kf o a m c o r e ，a n d a tl a s tm a k ef o a m - c o r es a n d w i c hc o m p o s i t ea na v a i l a b l em a i n b a d b e a r i n gs t r u c t u r ei na i r c r a f i , s h i p sa n db u l l e tt r a i n k e yw o r d s ：c o m p o s i t es a n d w i c h ；z - r e i n f o r c e m e n t ；s t i t c h ；g l a s sf i b e rs u r f a c e t r e a t m e m ；c o m p o s i t ep r o c e s s ；p e r f o r m a n c et e s t i n g 目录 第一章前言l 1 1 夹层结构及复合材料概述1 1 2 泡沫夹层结构的特点及应用2 1 3 国内外研究现状4 1 4 本课题的研究目的与意义6 第二童泡沫夹层结构的制备工艺一一9 2 1 材料准备9 2 1 1 芯材材料9 2 1 2 面板材料j d 2 1 3 缝线j 2 2 1 3 1k e v l a r 多傩1 2 2 1 3 2 玻璃纤维的分类及主要性质1 4 2 1 3 3 玻璃纤维的常用处理方法1 6 2 2 缝合工艺1 8 2 2 1 缝针的选择和设计j 8 2 2 2 线迹的选择2 0 2 2 3 不同线迹优缺点分析刀 2 3 复合工艺一2 3 2 3 1 树膳传递模塑( 砌口垤) 2 4 2 3 2 树脂膜熔渗工艺( 脚) 2 4 2 3 3 真空辅助树脂转移模压( 、a 对m ) 。2 4 2 4 本章小结2 5 第三章制j i 试验一2 7 3 1 玻璃纤维处理液的研制2 7 3 2 玻璃纤维的耐磨性能及其测试2 8 3 3 缝合试验3 1 3 4 复合工艺3 4 3 5 本章小结3 6 第四章缝合板的性能评价。3 7 4 1 三点弯曲试验3 7 4 2 平压试验3 9 4 3 结果与对论4 2 4 3 1 三点弯曲的破坏模式彳2 4 3 2 平压破坏分栀4 4 4 4 本章小结一4 5 第五章结论与展望0 7 5 1 结论4 7 5 2 展望4 7 n 第一章前言 第一章前言 1 1 夹层结构及复合材料概述 由轻质芯体与两层刚硬坚固的外壳制成的结构件称为夹层结构。芯体对外壳 的分隔增大了结构的惯性矩，而质量几乎没增加，得到一个抗弯曲和屈曲载荷的 有效结构。它常用于为减小重量的场合。外壳或面材一般是金属( 如铝) 或纤 维增强复合材料，芯体是蜂窝、聚合物泡沫、木材等。 蜂窝复合材料起源于仿生学，并最早用于航空航天领域。可以说，它是应航 空航天科技的特殊需要而发展起来的一种超轻型的复合材料。它的使用对航空、 航天工业的发展起到了极大的推动作用。早在1 9 3 8 年，n o r m a nd e b r u y n e 博士在英困的剑桥申请了一项专利，用铝泊制成的六角形铝蜂窝芯。 这项专利在二战期间，被英国用于制造飞机的夹层结构，飞机的重量得以减 轻，而运载能力有所提高。到了五、六十年代高性能的蜂窝制品已进入成熟期， 并被普遍地应用于飞机，航空及宇航工业。铝合金蜂窝复合材料被大量用于制造 各种飞机部件，提高了飞机的性能，为航空航天技术的发展做出了巨大的贡献。 而在1 9 7 4 年，美国波音公司的b o e i n 9 7 4 7 飞机率先使用非金属的蜂窝复合板作 为飞机的地板等，开创了蜂窝复合材料应用的另一领域i l 。2 1 。 夹层结构与传统材料相比有明显优势： l 用材少重量轻，综合成本低。 2 强度高，表面平整不易变形。 3 具有良好的可设计性，产品种类多。 4 能够充分发挥复合材料的优越性。 目前，全世界主要飞机制造公司生产的飞机地板、机翼等构件都是采用全复 合材料夹层板结构，随着高速列车的发展，相当多的高速列车都在车身多处使用 夹层结构以减少车重从而提高车速。在军用机方面也将夹层结构复合材料应用到 机翼蒙皮、翼尖等受力部件上，如f 1 8 轻型舰载战斗机和a v 8 b 鹞式飞机，全 机采用复合材料总重分别为1 2 1 和1 5 。而一些研制的新型战斗机上应用的复 合材料甚至占结构总重的2 0 5 0 ，b 一5 2 高速轰炸机应用蜂窝夹层结构材料的面 积占整个飞机面积的8 5 以上。国内生产的宣九机由n o n x 蜂窝组成的夹层结 构构件共计2 8 0 多个，单机n o m e x 蜂窝用量达2 6 0 m 2 ，占整机的8 0 左右的覆 盖面积，是目前国内蜂窝夹层结构用量最大的机种之一p 刮。 在民用方面，用玻璃钢制备的样板、屋面板、能大幅度减轻建筑物的重量和 灭津h i ：业大学硕士学他论文 改善使用功能。透明玻璃钢夹层结构板已广泛用于寒冷地区的工业厂房、大型公 用建筑及温室采光屋顶。在造船和交通领域，玻璃钢夹层结构广泛玻璃钢潜艇、 扫雷艇、游艇等许多结构中。我国设计制造的玻璃钢过街人行桥、公路桥、汽车 和火车的保温冷藏车等，均采用了玻璃钢夹层结构，满足了重量轻、强度高、刚 度大、隔热、保温等性能要求。在要求透微波的雷达罩中，玻璃钢夹层结构已成 为其他材料不能与之相比的专用材料【5 】。 复合材料是由两种或蹲种以上不同化学性质或物理性质的组分复合而成的 材料。复合材料具有质量轻、比强高，易于加工和改型、耐腐蚀、可设计性强等 优点。涉及到的材料包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂和酚醛树脂等。聚合物泡 沫是一种最常见的芯材，主要有聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚甲基丙烯酰皿 胺、聚醚酰皿胺和丙烯腈苯乙烯。密度从3 0 k g m 3 到3 0 0k g m 3 不等。通常在 复合材料中使用的泡沫密度在4 0 - - - 2 0 0k g m 3 之间。夹层结构的力学性能取决于 表层和芯部材料的力学性能及几何尺寸。主要涉及夹层结构的强度和刚度。强度 主要指复合材料的拉、压性能，泡沫的剪切强度，夹层结构的疲劳强度和冲击时 的力学行为。刚度是指复合材料、泡沫和夹层结构的拉、压、剪切模量。当车辆 设计采用夹层结构时，夹层结构的强度和刚度是十分重要的【6 1 。 1 2 泡沫夹层结构的特点及应用 由于蜂窝夹层结构存在着最著的缺陷，如制造工艺复杂，而且在制造时容易 在面板表面蜂窝芯孔处出现凹坑，即所谓的“电报效应”，严重时会影响材料表面 的光滑平整，进而影响到结构的气动性能【7 司。另外复合材料蜂窝结构产生微裂 纹后蜂窝芯容易进水，并不易排出，从而影响到结构的重量，甚至使材料吸湿降 解，使蕊板与芯子脱胶导致材料破坏。根据外国文献报道，2 0 年内收集的雷达 维修罩记录表明，大约8 5 的蜂窝雷达罩因为蜂窝进水而需要维修，大多数航空 公司证实波音7 3 7 飞机雷达罩的平均无故障维修使用时间少于2 年【9 1 。蜂窝夹层 结构的维护费用使得原本质轻的优点与泡沫夹芯结构相比不再存在。闭孔硬质泡 沫作为芯材的复合材料夹层结构，水和水汽不能进入芯材内部，从而避免的蜂窝 芯材的主要弊端，并且具有良好的耐化学腐蚀性能，表厩平整不易变形。 聚合物泡沫芯材的树脂基复合材料夹层结构是一种采用树脂基复合材料作 为蒙皮、采用泡沫塑料作为夹：卷的夹层结构形式。上下蒙皮主要承受由弯矩引起 的面内拉压应力和磁内剪应力，而芯材主要承受由横向力产生的剪应力。这种结 构具有轻质、高比刚度和高比强度等基本优点，若面材和芯材组配得当，还可获 得抗冲击、抗振动、隔热、隔音及其它必要的功能。图卜l 及图1 2 显示了典型 2 第一章前言 的增强泡沫夹层结构。它由上下面板、以及夹在面板之间的夹层材料组成，根据 不同的工艺要求，可以选择使用或者不使用胶粘剂。用于作为夹层结构芯材的泡 沫有：聚氨酯泡沫( p u r ) 、聚苯乙烯泡沫( p s ) 、聚氯乙烯泡沫( p v c ) 、聚 丙烯泡沫( p e ) 等。目前夹层结构在军事和民用产品上得到广泛的应用。尤其 在无人驾驶飞机、直升机机翼、大型船舶、雷达天线罩和汽车车身利用越来越广 泛。 ，一。； 。一 0i”j 二 。 ；i ，o，。秀 。i j 6 ，。瓤：0j i ，。囊g ? j 。囊 氇魏 ，； 缝纫增强泡沫夹层结构示意图 图1 2 、x - c o t 增强泡沫夹层结构示意图 在航天航空领域中，泡沫夹层结构复合材料己经被广泛应用于各种飞行器部 件。例如：空中客车公司已将a l c a n 公司出产的a i r e xr 8 0 泡沫夹层复合材料结 构用于其民用航空器。a 打e x r 8 0 泡沫已经可以达到f a r 2 5 8 5 3 标准的要求一 一对民用航空器防火使用要求，这是空中客车采用该泡沫替代原使用材料的主要 原因【m 】。另型号a i r e xr 8 2 泡沫因其具有优秀的动力、静力性能，使用温度范 围大，耐水性好等特点，其夹层结构被空客用于a 3 3 0 飞机和a 3 4 0 飞机的各种 内部部件；除这两种飞机型号外，a i r e xr 8 2 泡沫夹层结构将会用于空客公司新 3 ，譬，0 瓢 y _ 蘑垃：；卧 天津一i ：业大学硕士学化论文 研发的其它飞行器中。船舶业是泡沫夹层复合材料应用的另一重要领域。如a r e x r 6 3 泡沫夹层复合材料结构，由于a i r e x1 t 6 3 泡沫力学蠕变性能较好，广泛用 于耐海浪反复冲击的船体外壳。另外，h e r e x 公司的h e r e xc 7 0 泡沫夹层结构由 于其较好综合力学性能，也大量用于船甲板及船甲板上结构。大型风力发电机叶 片和高速列车是泡沫夹层复合材料结构迅速发展的应用市场。德国罗姆公司生产 的r o h a c e l l 泡沫夹层结构用于风力发电项目，其泡沫夹层复合材料结构叶片 有2 5 米长，直径5 5 米。同种类泡沫用于日本新干线e 4 车头，这是日本首次 同意采用泡沫夹层复合材料结构用于高速列车。除了以上行业，泡沫夹层复合材 料结构在国外也广泛应用于汽车业、医疗设备配件、体育运动器材等。通用汽车 ( g m ) 第5 代c 5 雪佛兰车的底板系统就是使用了夹层结构。这个夹层已进行了 优化，以提高速度，降低噪音，减轻摇摆以及提供足够的刚度支持汽车的座位；美国 艾洛特公司生产的聚异氰酸酯绝缘泡沫塑料用于工业隔离门，冷冻装置、墙板和 通风管道。 国内，泡沫夹层结构应用领域最广泛的为简易房壁扳和冷藏设备隔热板。主 要应用聚氯酯发泡泡沫材料，其隔热效果好，价格便宜。在国内的代工工厂，也 已批量承接国外泡沫夹层结构风力发电机叶片订单。在国内航空领域，已经应用 自发泡聚氯酯泡沫芯材用于直升机桨叶。另外，导弹筒体上也应用了自发泡聚氯 酯泡沫材料【l l 】。 目前，由于在高端领域应用较晚，国内的泡沫夹层结构应用主要还集中在隔 热板、简易房壁板等低端项目上，而航空航天、高速列车、风力发电机叶片等则 主要依靠进口或国外转包及仿造。当前国内的泡沫夹层材料应用的芯材主要是聚 氨酯( p u ) 为主，而航空航天方面的芯材还要依赖进口。 1 3 国内外研究现状 ， 为了降低飞机复合材料层压结构的制造成本，提高复合材料层压板的冲击损 伤阻抗和损伤容限，美国航空复合材料界提出了z 向增强技术。美国的先进复 合材料计划( a c t ) 1 2 】和以后的先进轻型飞机机身结构计划( a l a f s ) 1 3 】将这一 技术应用于复合材料的飞机机翼结构上。继a c t 计划之后，美国又启动了次音 速缝合机翼计划( a s t ) ，此计划将更先进与a c t 计划，该计划的目标是机翼 重量相比铝机翼减轻2 5 ，同时制造成本要同比降低2 0 ，而且航运费用也会 相应降低4 的复合材料机翼【1 4 1 。但是这一技术要应用于复合材料蜂窝夹层结构 就有困难，要将碳纤维经编织物面板和蜂窝芯材缝合几乎是不可能的。但是用泡 沫作为芯材的复合材料夹层结构就可以实现z 向缝纫。2 0 0 1 年美国u t a h 大学的 4 第一章前言 l a r r y e s t a n l e y 等人在n a s a 的支持下提出了缝纫泡沫夹层结构复合材料的新 概念。 与此同时美国陆军试验室的k u n k e l 及o b r i e n 和s i k o r s k y 飞机公司的 c a r s t e m e n 等人，先后发表了关于x - c o r 增强夹层结构力学性能的研究报告【1 5 】。 x - c o r 增强泡沫夹层复合材料是将预制的碳纤维销钉以x 型交叉桁架的形式穿 透面板和中间的泡沫芯材构成的夹层板，这实际上是层压板的z - p i n 增强技术【1 6 】 在泡沫夹层复合材料结构上的应用，和缝纫泡沫夹层复合材料结构有共同之处。 s 畎o r s k y 飞机公司的研究表明，在带有和不带有冲击损伤的情况下，x - c o r 增强 泡沫夹层复合材料结构与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层复合材料结构相 比，可以减重l 1 5 【1 7 】，该技术体现出的低成本和高性能的优点是显而易见的。 我国航空界和复合材料领域的有关研究者同时也开始了对z 向增强泡沫 夹层结构复合材料研究，近年开展了此材料在航空领域应用的基础研究，在国内 西北工业大学的杜龙【1 8 】综合考虑了面板对横向增强z - p i n 的不同约束情况，结合 空间网架结构和等效夹杂方法，提出了x 状z p i n 增强泡沫夹层结构剪切刚度的 预报模型，经实际计算后与已有的试验值和有限元模拟值比较，证明该方法具有 足够的工程精度，计算表明，x 状z - p i n 能大幅度地提高泡沫夹层结构的剪切刚 度，并具有良好的可设计性，可以通过改变z p i n 材料，z - p i n 的体积分数、角 度、赢径等参数改变其力学性能其中，z - p i n 体积分数越大、拉伸模量越高、 直径越大，z - p i n 增强泡沫夹层结构的剪切刚度越高。 杜龙，矫桂琼等通过不同z - p i n 角度( 15 0 和2 5 0 ) 和夹芯厚度( 8 m m 和1 2 ，7 m m ) 的x 状z - p i n 增强泡沫夹层材料的剪切性能试验，与相同材料同尺寸的末增强件 进行对比，考察x 状z - p i n 对泡沫夹层结构的增强作用。试验结果表明，x 状 z - p i n 增强使材料的剪切强度和刚度都有较大幅度的提高；同时，z - p i n 的加入使 该结构具有与传统泡沫夹层材料不同的剪切破坏形式。在此基础上，结合空间网 架结构和等效夹杂方法提出了x 状z - p i n 增强泡沫夹层结构剪切刚度模型，计 算结果与试验值符合良好。结果表明，x 状z - p i n 增强不仅能大幅度提高泡沫夹 层结构的剪切性能，并具有良好的可设计性，可以通过改z - p i n 角度和材料等改 变其力学性能l l 引。 田旭，肖军等以航空应用为背景，研究了新型c o f 夹层结构的成形工艺 及力学性能。完成了z - p i n 的研制、夹层结构成形和力学性能试验。研究结果表 明：与不含z - p i n 的泡沫夹层结构相比，x 一c o r 夹层结构的刚度性能有很大的提 高【捌。 党旭丹，谭永刚通过两种有限元模型的对比，提出了符合实际的x - c o r 夹层 结构压缩模量有限元计算模型，利用大型有限元软件a n s y s 对其压缩模量进行 5 天津? i ：业大学硕士学位论文 了数值计算，得到了x - c o r 夹层结构的应力场和压缩模量。研究了z - p i n 半径、 密度、植入角度和体积分数的改变对模型压缩模量的影响。结果表明：o r 夹层结构压缩模量随z - p i n 植入角度增加而减小，随z - p i n 半径、密度和体积分 数增加而增加，且与z - p i n 体积分数呈线性关系，改变z - p i n 半径与改变z - p i n 密度对x - c o r 夹层结构压缩模量影响是等效的。通过有限元模型的计算，得到了 x - c o r 夹层结构参数对其压缩模量的影响规律，验证了所提有限元模型的合理性 2 1 1 o 张永刚利用有限元方法对一种复合材料夹层结构翼型件在一定压力下的力 学性能进行了数值分析。计算结果显示最大变形区域为翼型件右上半部分，最大 位移为6 2 m m 。应力分析表明面板部分受力较小，应力主要集中在右边铝合金 下半部分。将计算所得应力值代入t s a i - w u 破坏准则进行校核，结果表明，翼 型件在所加载荷下安全，为翼型件的强度设计提供了理论依据。通过真空辅助模 压成型工艺试制了若干件翼型件并进行了静力学测试，结果表明，理论计算与试 验结果具有较好的一致性。试验完成后对翼型件的内部质量进行了无损检测，结 果表明，与拉力试验前相比翼型件内部没有损伤产生【2 2 1 。 中国飞机强度研究所李野、郭稳学等探索了全厚度缝合的复合材料闭孔泡沫 夹层结构低成本制造的工艺可行性及其潜在的结构效益使用新开发的低成本非 热压罐工艺方法真空辅助树脂渗透w i r i ) $ i j 造了碳纤维径编织物面板、闭孔 泡沫夹层及全厚度k e v h r 线缝合的新型夹层结构为了比较，用同样的材料和工艺 制造了未缝合泡沫夹层和密度相近的n o m e x 蜂窝夹层结构完成了密度测定、三 点弯曲、平面拉伸和压缩、夹层剪切、结构侧压等力学性能试验研究，比较了破 坏模式和承载能力结果表明，泡沫夹层缝合后，大大提高了承载能力这种创新的 结构形式承载能力强、结构效率高、制造维护成本低，可以在飞机轻质机体结构 设计中采用田j 。 1 4 本课题的研究目的与意义 随着航空航天、高速列车以及风力发电等高新技术的全丽高速发展，以往的 钢铁结构部件已经无法满足这些高新技术对于强度、模量尤其是重量等方面的要 求。夹层材料的大量涌现正是应对着现代科技对于新型复合材料的需求而来，从 蜂窝夹层材料到泡沫夹层材料以至于现在的缝纫泡沫夹层结构复合材料，无不是 向着高模量、高强度、轻重量的方向发展着。 缝纫泡沫夹层复合材料是一种新兴的轻质夹层结构复合材料，该材料是由上 下两层高性能纤维织物面板和闭孔硬质泡沫芯材用适当的缝线缝合在一起，从而 6 第一章前言 组成夹层结构。再采用树脂转移模压( r t m ) 或真空辅助树脂转移模压( v a r t m ) 工艺填充树脂并固化成型。由于缝纫泡沫夹层复合材料具有穿过面板和芯材的缝 线的存在，使得复合材料在z 向有着增强，因此，相比于未缝合的泡沫夹层材 料有着非常明显的增强。是航空航天及高速列车结构部件的理想材料。 缝纫泡沫夹层复合材料的可设计性也是该材料能够被普遍应用的一个重要 方面。要改变缝纫泡沫夹层复合材料的各种力学性能，可以通过改变缝纫参数( 包 括缝纫钳距、行距及针孔大小) 以及面板与芯材的性能来实现。由于缝纫泡沫夹 层复合材料的结构不同于普通复合材料层压板，也有别于泡沫夹层结构复合材料， 因此，在设计时要有其独特的分析模型与方法。 本课题研究的目的是通过理论分析与研究，总结国内外的一些研究成果，具 体阐述缝纫泡沫夹层复合材料的制作工艺并提出了一些降低成本及可实施工业 化生产的改进措施。通过具体的试验，探讨缝纫参数、芯材性能以及缝线性能对 缝纫泡沫夹层材料的剪切性能、弯曲性能和压缩性能的影响。为这种新兴夹层结 构复合材料在实际生产及应用上提供理论支持、分析方法和数据。 7 天津l ：业大学硕士学位论文 8 第二章泡沫夹层结构的制备工艺 2 1 材料准备 2 1 1 芯材材料 第二章泡沫夹层结构的制备工艺 早在1 9 0 9 年以前泡沫状酚醛树脂就已经出现，虽然这种泡沫在当时并无任 何实用价值。而在1 9 1 0 1 9 2 0 年海绵橡胶实现商品化，到了1 9 3 4 年酚醛泡沫塑 料正式问世，1 9 4 0 年出现了脲醛泡沫塑料，1 9 4 2 年聚氯乙烯泡沫塑料和聚氨酯 泡沫塑料的闯世，煎接推动了泡沫工业的发展，1 9 4 4 年乙酸纤维紊泡沫塑料、 聚乙烯泡沫塑料和拉挤成型的聚苯乙烯泡沫塑料开始出现在工业领域。到了1 9 4 9 年环氧泡沫塑料最终闯世，开创了泡沫塑料的时代【矧。二战以后泡沫塑料工业在 发达国家获得了巨大的发展，聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯( p e ) 、聚氯乙烯( p v c ) 、 聚氨酯( p u ) 等泡沫塑料都开始了大规模的工业化生产，a b s 、脲醛树脂( u f ) 、 酚醛树脂( p f ) 、环氧树脂( 日) 、聚碳酸酯( p c ) 等泡沫塑料也开始了工业 化生产的步伐。但并不是所有的泡沫材料都适合作为夹层材料的芯材，目前常用 于作为夹层结构芯材的泡沫有：聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚 丙烯泡沫等，在航空航天器上通常也会用到聚甲基丙烯酰距胺( p m i ) 等耐高温， 并且具有非常好的力学性能的泡沫材料作为夹层结构的芯材。而常用于民用的泡 沫芯材主要为可发性聚苯乙烯( e p s ) ，及聚丙烯泡沫等。 聚氨酯( 简称p 功材料性能优异，目前聚氨酯泡沫塑料应用广泛。软泡沫 塑料主要用于家具及交通工具各种垫材、隔音材料等；硬泡沫塑料主要用 于家用电器隔热层、屋墙面保温防水喷涂泡沫、管道保温材料、建筑板材、 冷藏车及冷库隔热材等；半硬泡沫塑料用于汽车仪表板、方向盘等。市场 上已有各种规格用途的泡沫塑料组合料( 双组分预混料) ，主要用于( 冷熟化) 高回弹泡沫塑料、半硬泡沫塑料、浇铸及喷涂硬泡沫塑料等。聚氨酯弹性 体可在较宽的硬度范围具有较高的弹性及强度、优异的耐磨性、耐油性、 耐疲劳性及抗震动性，具有“耐磨橡胶”之称。聚氨酯弹性体在聚氨酯产品中 产量虽小，但聚氨酯弹性体具有优异的综合性能，已广泛用于冶金、石油、 汽车、选矿、水利、纺织、印刷、医疗、体育、粮食加工、建筑等工业部 门。聚氨酯己成为近十年来发展速度最快的合成材料之一，年增长率保持在7 左右。， 9 天津t 业大学硕士学位论文 聚氯乙烯泡沫塑料是以聚氯乙烯树脂为主体，加入发泡剂及其它添加剂制成， 是一种使用较早的泡沫塑料。分硬质和软质两类，而以软质居多。它具有良好的 机械性能和冲击吸收性：是一种闭孔型柔软的泡体；其密度在0 0 5 - 一0 i g c m 3 之间；化学性能稳定，耐腐蚀性强；不吸水，不易燃烧，价格便宜。但它的耐候 性差，有一定毒性等。硬质聚氯乙烯泡沫塑料的生产过程是将p v c 树脂、发泡 剂、助剂及溶剂均匀地配制成呈粘团状或松散且富于弹性的混合料，定量地加入 模具中进行加热塑化。聚氯乙烯树脂受热熔融呈粘流状态，同时发泡荆亦受热分 解产生气体，这些气体均匀微细地分散于熔融的树脂中，待模具冷却后取出聚氯 乙烯坯型，此时发泡剂已基本分解完毕，并形成均匀微小的泡孔，同时溶剂大部 分挥发掉。 夹层结构含面板与芯材，它们的集合体作为一个完整部件起作用。设计夹层 结构的目的是让该结构性能最优化从而达到所要求的模量、刚度、强度、重量和 成本。芯材的剪切强度和剪切模量是选择芯材的决定性因素。同时在一些特殊场 合下耐高温、抗冲击能力、抗破坏能力、绝缘性或耐湿性也会影响芯材的选择。 材料结构部件的强度是由材料本身承力最薄弱的部分决定。目前，很多芯材供应 商都提供的数据库从而达到客户对芯材的选择，这类信息大多是免费提供的。它 是作为一种设计参考工具而不是一个完整的工程方案。因此，在设计时还要工程 师考虑各种综合因素来选择合适的芯材。 2 1 2 面板材料 面板材料的主要形态为纤维及其相关织物，它赋予复合材料以优良的机械性 能，其特点是比重小、比强度和比模量大，当然轻质金属材料及陶瓷也是常常作 为面板材料而使用。目前常规使用的纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s 简称f r p ) 是由连续纤维和树脂基体复合而成。根据纤维种类的不同可将f r p 材料分为三类：玻璃纤维增强复合材料( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，简称 g f l 心) 、芳族聚酸胺纤维增强复合材料( a r a m i df i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，简称 a f i 冲) 和碳纤维增强复合材料( c a r b o nf 而e rr e i n f o r c e dp l a s t i c s ，简称c f r p ) 。 其中，c f r p 以其更出众的物理化学性能和使用功能成为结构用材料的首选，是 迄今为止应用于尖端复合材料领域最早、技术最成熟、也是用量最大的一种f r p 材料【2 5 1 。 碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定 氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有一般碳素材料的特性， 如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外 形有显著的各向异性、可纺织性，可纺织成所需的各种织物，沿纤维轴方向所表 1 0 第二章泡沫夹层结构的制备工艺 现出的高强度，使得碳纤维织物作为增强材料，具有广泛的应用。碳纤维具有相 当小的比重，因此其比强度非常高。碳纤维以其优良的组织相容性、牢固的纤维 基质结合及较高的抗压缩性能成为最常用的加强材料。碳纤维作为增强相的复合 材料具有广阔的前景，既可作为承载负荷的结构功能材料又可作为功能材料。 碳纤维增强复合材料所具有得优势具体表现在：抗疲劳、耐冲击、耐磨损。 在基体材料中只要加入少许碳纤维就能明湿提高复合材料的耐磨性能和抗疲劳 性能；力学强度、弹性模量的可调节性，使得碳纤维增强体可根据需要设计复合 材料的强度和刚度，这一点与“高强度、低模量大趋势相吻合；材料性能的可设 计性使其在很大范围内满足各种结构及功能的要求；热稳定性好、耐腐蚀、成型 工艺简单、自重轻、透电磁射线；树脂基与碳纤维之间界藏存在良好的结合性能， 使得增强复合材料具有相当高的性能。 目前碳纤维复合材料在航空、工业、建筑、医疗领域中己得到广泛的应用和 发展。因此，碳纤维及其复合材料近年来发展十分迅速。目前碳纤维与热塑性树 脂的复合材料品种包括了几乎所有的高性能工程材料，形成多品种、多功能、多 层次的产业结构，并为用户提供了广泛的选择范围，使得碳纤维增强热塑性树脂 复合材料在许多领域得到了广泛的应用。 以玻璃纤维作为增强相的复合材料在世界范围内已形成了广泛的产业链，在 我国俗称玻璃钢。玻璃纤维由于制作工艺简单同时成本低廉，所以在全球范围内 都有着广泛的市场。它的制品目前主要有： 1 ) 玻璃纤维无捻粗纱，它是由拉丝得到的与原纱平行并股。 2 ) 短切纤维毡，将连续玻璃纤维经浸润剂集束后，按一定的长度切割，无 序均匀地分散成一定的厚度，再用粘结剂粘合成毡状。短切纤维毡比织物成本低， 变形性好，工艺上使用方便，用其制作的玻璃钢制品具有平面各向同性，制品树 脂含量可达6 0 8 0 。 3 ) 无捻粗纱布，国内大多数是方格布，是手糊成型中常用的玻璃纤维制品， 与玻璃毡并用尤其适合。 4 ) 玻璃纤维细布，平纹布变形量小，适合型面简单的制品；斜纹布比平纹 布变形量大，铺覆性好，适合手糊成型型面复杂的制品；缎纹布由于组织中纤维 的无支撑长度较大，孔隙率大，比斜纹布更柔软，具有良好的铺覆性，适合成型 各种曲率型面制品。碳纤维具有强度高、模量高和耐高温等优异的性能，被称为 复合材料增强材料的中坚。其生产原料分为三种：聚丙烯腈( p a n ) 、沥青纤维 和粘胶纤维。目前，以前两种原料生产为主。当前国内外碳纤维主要应用于航空 航天工业。k e v l a r 纤维，k e v l a r 纤维是美国d u p o n t 公司开发的一种聚芳酰胺 纤维。目前已成功使用的有k e v h r 2 9 和k e v l a r 4 9 两种。这种纤维由于具有芳环 天津l _ = 业人学硕士学化论文 链结构，使其刚度很大。 2 1 3 缝线 2 1 3 1k e v l a r 纤维 1 9 6 4 年碳纤维及1 9 6 7 年硼纤维的问世，使得纤维强化塑胶取代合金的梦想