碳纤维复合材料金字塔点阵结构制备工艺及力学性能研究

1、碳纤维复合材料金字塔点阵结构制备工艺及力学性能研究论文导读:：本文针对碳纤维复合材料点阵结构，从结构设计、制备工艺、平压性能、剪切性能等方面对其进行试验表征及理论模型研究。设计四种成型碳纤维复合材料金字塔点阵结构的思想，并采用一种新的制备工艺即预浸料二次成型工艺制备试样，试验结果说明，该工艺能最大程度发挥纤维增强潜力。通过实验揭示在平压载荷下杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层脱胶失效机理，在剪切载荷下杆件屈曲、杆件分层、杆件脱胶失效机理，基于结构力学根底原理，建立相应理论模型，经过修正之后的理论模型均能较好预报典型载荷下力学性能。本文研究发现碳纤维复合材料金字塔点阵结构具有密度低、比强度大、比刚度高

2、等优点，且芯子中具有大量空间，可以制备轻质多功能结构。论文关键词：碳纤维，金字塔，夹芯结构，复合材料0 引言轻质点阵结构高比强、高比刚以及优越的多功能特性是目前材料学界和力学界研究热点，作为一种新型的轻质夹芯结构，具有优良的力学性能，同时由于其内部具有大量的空间可以用作布线、预埋、储能等多功能结构。早期人们关注铝合金【1】、钛合金【2】等金属材料制备而成的点阵结构，近几年随着复合材料制备技术的开展，以碳纤维复合材料制备新型点阵结构逐渐兴起，从结构角度来讲，点阵结构具有与传统蜂窝结构相当的力学性能，并且要优于金属泡沫【3】。2007年美国弗吉利亚大学Finnegan et al【4】率先采用水切

3、割组装工艺制备出碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，该工艺没有充分发挥杆件中纤维材料的潜力，依然从试验的角度发现金字塔点阵夹芯结构具有高比强优势。本文首先介绍复合材料金字塔点阵结构几种设计思想，接着介绍了一种新的制备工艺，利用碳纤维预浸料细条通过模具来制备出金字塔点阵结构，在该方法中所有纤维增强方向均与载荷方向一致，充分发挥纤维增强的潜力。然后从平压、剪切等方面评价碳纤维复合材料金字塔点阵结构力学性能与失效机理。1 结构与制备工艺人们在对金属点阵结构研究过程中，成功制备出金字塔【5】、四面体【6】、Kagome【7】等各种拓扑构型的点阵结构，其中采用拉挤工艺制备出铝合金金字塔点阵结构如图1所示。

4、当采用复合材料设计制备点阵结构时，由于复合材料工艺复杂性物理论文，往往给成型复合材料点阵结构带来极大困难，在点阵各种拓扑构型中，以金字塔点阵最为对称，所以起初学者均设计制备碳纤维复合材料金字塔点阵结构。Finnegan et al【4】利用水切割嵌锁组装工艺制备出金字塔，但是该工艺未能充分发挥杆件中纤维增强的潜力，本人在其根底上进一步提出几种设计方法，杆件中纤维均沿着载荷方向，充分发挥纤维单向增强的潜力站大全。图1 铝合金金字塔点阵结构【5】Fig 1. Aluminum sandwich panels with pyramidal truss cores.1.1 杆件拼接组装金字塔点阵结构主

5、要是由四个杆件构成金字塔单胞，那么采用单个杆件进行组装方式是最直接方法，考虑到二次粘接，往往在单个杆件两端局部增大粘接面积，如图2所示。这种杆件可以采用拉挤成型工艺或者RTM注塑工艺批量成型，其中纤维方向可以全部沿着杆件方向，然后在面板上进行粘接组装，最终形成复合材料金字塔点阵结构，如图3所示。图2 杆件拼接组装工艺中单杆构型Fig 2. Construction of singlestrut in Truss Assembly Method for manufacturing composite sandwich panels withpyramidal truss cores.图3 杆件拼

6、接组装工艺形成复合材料金字塔点阵结构Fig 3. Sandwich panels with pyramidal truss cores manufactured by TrussAssembly Method1.2 杆件圆台组装单个杆件在进行组装时，容易产生相对滑移，杆件之间存在间隙，会影响结构整体的力学性能，于是在此根底上提出杆件圆台组装工艺。杆件和圆台是两个根本的单元，如图4所示，其中杆件更为规整，利用拉挤成型非常方便，纤维增强方向与杆件受载方向一致，圆台是连接四个杆件并与面板粘接的单元，在圆台中预留有四个小孔，四个杆件可以插入预留的小孔中形成金字塔构型，然后进行组装，两端粘接面板形成复合

7、材料金字塔点阵结构，如图5所示。图4 杆件圆台组装工艺中杆件与圆台构型Fig 4. Constructionof struts and circinal node in Truss and Circinal Node Assembly Method formanufacturing composite sandwich panels with pyramidal truss cores.图5 杆件圆台组装而成复合材料金字塔点阵结构Fig 5. Sandwich panels withpyramidal truss cores manufactured by Truss and Circinal

8、 Node Assembly Method1.3 短纤维铺设模具热压工艺杆件与圆台组装能极大发挥杆件中纤维潜力，然而整体组装过程复杂，带来很多组装误差，给二次粘接带来困难，于是考虑先将芯子局部整体成型，再与面板进行二次粘接，进而提出采用模具工艺制备碳纤维金字塔点阵芯子，其模具如图6所示。具体包括四局部物理论文，即上网架、下网架、硅橡胶方块、底板。其中底板和硅橡胶方块主要是支撑上下网架，首先将下网架与底板固定，预浸料细条铺设在下网架上端，铺设完毕放入硅橡胶方块于方槽中，再上下网架合模，放置在热压机中，通过上下网架的压力一体成型出复合材料金字塔点阵芯子。首先采用短纤维预浸料铺设下网架，即在下网架上

9、端面每个金字塔单胞的四个杆件均匀铺设一定长度的预浸料，在节点处有一半预浸料需要断开，防止交叉点重合导致预浸料整体高度不一致，铺设细节如图7所示。图6 热压模具图Fig 6. Schematic of the manufacturing mold.图7 短纤维成型复合材料金字塔点阵结构铺设细节图Fig 7. Method for putting short carbon fiber prepreg on bottom frames.1.4 长纤维铺设模具热压工艺短纤维铺设时虽然能防止节点重叠，但是过程有些繁琐，而且芯子中杆件纤维彼此不连续，没有相互约束，影响极低密度下芯子整体力学性能。采用长纤维

10、预浸料交叉铺设，在极低密度下连续的纤维能抑制屈曲，铺设方法即为将预浸料长细条纵横铺设在模具槽口中，然后上下网架合模成型。图8即为成型之后的复合材料金字塔点阵芯子，粘接上下面板制备成为复合材料金字塔点阵结构。图8 复合材料金字塔点阵芯子Fig 8.Fabricated carbon fiber composite pyramidal truss structures with .2 平压性能研究2.1 实验分析本文采用长纤维预浸料模具热压工艺制备碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构，我们设计出三组典型相对密度的平压试验即1.25%，1.81%，4.70%，从而研究其在平压载荷下宏观力学行为，分析其失

11、效机理。利用INSTRON 5569试验机，参考ASTM C365/C 364M-05实验标准对试样进行加载，通过试验发现三种典型失效模式，如图9所示。图9 复合材料金字塔点阵结构平压载荷下失效模式图，即屈曲、断裂、分层与脱胶Fig 9. Compressive failure modes for thecomposite pyramidal truss cores, including Euler buckling, fracture,delamination and debonding.从图9可以看出，在低密度时，易发生屈曲失稳，而相对密度为1.81%时，杆件发生纤维断裂，尤其在节点接触处

12、，杆件发生纤维断裂。在高密度时，杆件产生分层和脱胶失效破坏，而且分层破坏从三角地带开始萌生，进而扩展至整个杆件物理论文，脱胶产生于芯子和面板粘接部位，随着载荷增加，胶结处承当的载荷越来越大，以致最终不能抵抗载荷而发生脱胶行为。可见在相对较高密度下容易造成交叉点重叠，杆件产生加载盲区，在受载时会从加载盲区这个缺陷产生裂纹扩展。2.2 理论模型假设单个杆件两端为固支，压缩载荷下杆件与面板之间没有相对滑移，从结构力学角度推导出在平压载荷下复合材料金字塔点阵结构理论预报模型，如下所示：刚度模型：(1)屈曲模型：(2)断裂模型：(3)分层模型：(4)其中为杆件的压缩模量，分别对杆件断裂强度和分层强度，上

13、述参数均通过单杆压缩实验测得站大全。芯子高度 h = 15 mm，如图7所示，其余参数b = 4 mm, d = 3 mm, w = 45 。比照发现所推导的理论模型能较好预报结构力学性能，只是在预报相对高密度的试验值时，误差较大，主要是因为在理论模型中很难考虑脱胶因素，其理论与试验值汇总如表一所示。表一 试验值与理论值汇总表Table 1 comparison betweenexperimental results and analytical values 试样 t (mm) 实验失效模式 理论失 效模式 试验刚度/强度 (MPa) 理论刚度/强度 (MPa) 1 2 3 0.6 0.9

14、3.0 E F D E F D 45.8/0.304 70.3/3.17 241.5/6.18 49.3/0.307 74.0/3.56 262.2/7.17 备注：E = 杆件屈曲; F = 杆件断裂; D = 杆件分层。3 剪切性能研究3.1 实验分析参考ASTM剪切试验标准，采用INSTRON 5569对四组相对密度的试样进行剪切应变加载，发现四种典型试样的应力应变曲线和相应的实效模式，如图10所示。在加载初始阶段，应力应变曲线均呈线性变化，接着产生不同的破坏机理，导致曲线开始呈现非线性特征，对于相对密度为0.664%的试样，当应力到达0.075Mpa时，杆件发生弯曲变形，即欧拉屈曲失效

15、。当相对密度大于1.25%时，面芯脱胶是主要的失效模式。图10 剪切应力应变曲线及失效模式图Fig 10. Shear response andfailure modes of carbon fiber pyramidal truss cores3.2 理论模型假设杆件两端固支，那么可以推导出杆件屈曲和杆件断裂的理论公式，考虑到脱胶在实验中占有很大局部，建立了脱胶预报公式，具体如下所示：刚度模型：杆件屈曲：杆件断裂：面芯脱胶：其中、为通过实验测得杆件的压缩模量和强度，为胶层剪切强度，为剪切试样长度，为剪切试样宽度，为单胞数量物理论文，为单胞端头面积。下表二中汇总了理论值和实验值，从表中可以发现

16、理论模型能准确预报失效模型，在剪切刚度和强度预报上存在一定误差，一方面是因为实验误差，另一方面因为剪切理论模型推导忽略面板等因素。表二 剪切载荷下刚度强度实验值与理论预报值Table 2 Summary of the predicted and measured failureloads in shear testsE=杆件屈曲; F=杆件断裂; D=面芯脱胶; L=杆件分层. Analyt.=理论值; Obs.=实验值.4 结论本文针对碳纤维复合材料金字塔点阵结构，开展了设计、制备、性能表征方面研究工作，阐述四种设计思想，采用其中长纤维铺设热压模具工艺制备试样，该工艺能最大程度发挥纤维增强潜

17、力，经过平压和剪切试验研究其力学性能和失效破坏机理，观察到在平压下，随着相对密度的改变，存在杆件屈曲、杆件分层、杆件断裂失效模式，在低密度下具有优良的力学性能。在剪切载荷下，观察到杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层、面芯脱胶四种失效模式，发现该工艺能提高剪切屈曲强度，然后随着相对密度增加，脱胶逐渐成为主导失效模式，使得剪切性能较弱，是未来需要解决的主要问题。参考文献【1】Wallach JC, Gibson LJ.Mechanical behavior of a three-dimensional truss material .InternationalJournal of Solids and

18、Structures, 2001,38:7181-7196.【2】Queheillalt DT, Wadley HNG. Titanium alloylattice truss structures . Materials and Design, 2021, 30:1966-1975.【3】Ashby MF, Brechet YJM.Designing hybrid materials . Acta Materialia, 2003, 51: 5801-5821.【4】Finnegan K, Kooistra G, Wadley HNG, Deshpande VS. Thecompressive res