閆盛宇,梁森,鄭長(zhǎng)升,陳新樂(lè),王玲

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,266520,山東青島)

樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有很高的比剛度、比強(qiáng)度以及優(yōu)良的阻尼特性,近年來(lái)在高速列車(chē)、航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。復(fù)合材料力學(xué)性能的可設(shè)計(jì)性又為其阻尼性能的進(jìn)一步提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了廣闊的空間。嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)(ECCDS)是在傳統(tǒng)樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基礎(chǔ)上,把阻尼材料通過(guò)共固化的方式嵌入其中。目前的ECCDS有兩種固化方式:一種是使用市售已硫化的橡膠片作為阻尼材料,并使用膠黏劑黏結(jié),最后固化成型[6-8]。該固化方式只是使用膠黏劑把兩種材料黏結(jié)在一起,已硫化阻尼材料在固化時(shí)受到高溫高壓作用后會(huì)返原老化,導(dǎo)致樹(shù)脂層與橡膠層開(kāi)裂。梁森等針對(duì)上述問(wèn)題,通過(guò)研究并配制阻尼材料,提出了一種新的固化方式,即使用未硫化的阻尼材料直接與復(fù)合材料預(yù)浸料發(fā)生共固化,阻尼材料通過(guò)物理融合、化學(xué)交聯(lián)與復(fù)合材料形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)在基體樹(shù)脂上,大大提高了黏彈性材料與復(fù)合材料的層間結(jié)合性能[9]。

然而,由于ECCDS層間剪切強(qiáng)度主要由阻尼層決定,在很多情況下阻尼層強(qiáng)度仍弱于基體樹(shù)脂,導(dǎo)致該材料的應(yīng)用范圍受到限制。基于此,本文提出了一種嵌入式共固化縫合阻尼復(fù)合材料(ECSDC)。ECSDC是在ECCDS的基礎(chǔ)上,用線狀纖維對(duì)復(fù)合材料預(yù)成型體進(jìn)行縫合,然后進(jìn)行共固化而成?？p合后的復(fù)合材料進(jìn)行共固化時(shí),預(yù)浸料中的樹(shù)脂會(huì)沿著縫合材料流動(dòng),待固化完成后,在復(fù)合材料板的法線方向上形成樹(shù)脂和縫合材料的復(fù)合體,可有效增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度和面外力學(xué)性能。本文還開(kāi)發(fā)了ECSDC的制作工藝,完成了試件的加工,并對(duì)其進(jìn)行了層間剪切試驗(yàn)、自由衰減試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn),得到材料的層間結(jié)合性能、阻尼性能與拉伸強(qiáng)度隨針距的變化規(guī)律,可為對(duì)三向力學(xué)性能有要求的復(fù)雜受載大阻尼復(fù)合材料構(gòu)件的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與制作工藝

1.1 ECSDC板制作材料的選擇

本文選擇的預(yù)浸料為玻璃纖維預(yù)浸料(型號(hào)HFS10,中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所),以酚醛樹(shù)脂(型號(hào)93-68123,無(wú)錫欣葉豪化工有限公司)作為基體,E-玻璃纖維(型號(hào)EW210F-120,宏達(dá)玻璃纖維布廠)作為增強(qiáng)體,酚醛樹(shù)脂的固化溫度為165 ℃。黏彈性阻尼材料主要成分為丁腈橡膠(型號(hào)1072,豐源橡膠制品廠)、炭黑、白炭黑、防老劑、促進(jìn)劑(型號(hào)分別為N330、T40、防老劑4020、橡膠促進(jìn)劑TMTD,青島金蘭化工有限公司)等,通過(guò)調(diào)節(jié)阻尼材料的組分使阻尼材料的硫化溫度曲線與酚醛樹(shù)脂的固化溫度曲線相吻合,最終達(dá)到共固化的目的[10-12]?？p合材料選擇1500旦的Kevlar49纖維(型號(hào)220dtex,常州高遠(yuǎn)化工有限公司),Kevlar49纖維力學(xué)性能良好,并且具有耐高溫性能?？p線為三股纖維編織而成,Kevlar49纖維密度為1.44 g/cm3,纖維橫截面積為0.12 mm2[13-14]。

1.2 ECSDC板的制備工藝

1.2.1 阻尼材料的制作 按照阻尼材料的預(yù)定組分量取材料,利用密煉機(jī)把所用材料混合均勻,混煉出膠料。為了方便阻尼材料的溶解,把混合好的膠料放在開(kāi)煉機(jī)上壓成厚度大約為1 mm的薄片。

1.2.2 阻尼材料的溶解 把煉制好的阻尼材料薄片剪成小碎片,然后把四氫呋喃(型號(hào)109-99-9,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)與阻尼材料按照7∶1的質(zhì)量比放在燒杯中進(jìn)行溶解。為了使阻尼材料溶解完全,使用玻璃棒多次攪拌,最后密封燒杯口放入陰涼處保存,期間每4 h攪拌一次,直至阻尼材料徹底溶解。圖1為處理好的阻尼材料與制備完成的阻尼材料溶液。

圖1 阻尼材料與阻尼材料溶液

1.2.3 刷涂阻尼薄膜與復(fù)合材料的縫合 把溶解好的阻尼膠漿用齊頭軟毛刷均勻地刷涂在復(fù)合材料預(yù)浸料上。多次試驗(yàn)探索發(fā)現(xiàn),由于阻尼材料與四氫呋喃的混合比例是固定的,只要控制好刷涂速度,每刷涂一層阻尼膠漿,晾干后的厚度即為0.025 mm,本文制作的試件阻尼層厚度為0.1 mm,需要刷涂4次。刷涂過(guò)程中采用雙面刷涂的方法,每刷涂一次之后,需要等待2～3 h,直至四氫呋喃完全揮發(fā)后再進(jìn)行下一次刷涂。刷涂好的復(fù)合材料采用正交鋪層合并在一起。

現(xiàn)有縫合方法主要分為單面縫合與雙面縫合,其中雙面縫合又分為鎖式縫合、改進(jìn)鎖式縫合與鏈?zhǔn)娇p合。結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件與各種縫合法的特點(diǎn),最終選擇采用改進(jìn)鎖式縫合法。保持行距為10 mm不變,針距分別為8、10、12、14、16 mm。圖2為刷涂與縫合完成后的復(fù)合材料預(yù)成型體。

圖2 復(fù)合材料的刷涂與縫合

1.2.4 抽真空與材料的共固化 為保證共固化后的效果,首先利用真空泵把復(fù)合材料預(yù)成型體內(nèi)的氣體抽出,以減少固化后試件的缺陷。利用真空袋與密封膠把縫合好的復(fù)合材料預(yù)成型體密封好,通過(guò)三通管把真空袋內(nèi)的氣壓保持在-0.1 MPa以下,把預(yù)成型體內(nèi)的空氣排出。

把抽完真空的復(fù)合材料預(yù)成型體取出放入熱壓罐內(nèi)進(jìn)行共固化,其共固化工藝過(guò)程如圖3a所示,具體為:升、降溫速率為3.5～4.5 ℃/min,25 min后從室溫升溫到130 ℃,加壓至0.5 MPa,并在該溫度和壓力下保持30 min;然后在20 min內(nèi)升溫到165 ℃,維持當(dāng)前溫度和壓力2 h;結(jié)束后釋放壓力,并在40 min內(nèi)降溫到室溫,取出試件。圖3b為共固化后的ECSDC板。

(a)共固化工藝曲線

(b)共固化后的ECSDC板圖3 共固化工藝曲線和共固化后的ECSDC板

1.3 層間剪切測(cè)試

為了檢測(cè)ECSDC板的層間結(jié)合性能,設(shè)計(jì)雙切口剪切試驗(yàn)試件,試件分為5組,針距分別為8、10、12、14、16 mm,每組5個(gè)試件,并取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為評(píng)估剪切強(qiáng)度的依據(jù)。試件的規(guī)格為25 mm×150 mm×2.1 mm,其中阻尼層厚度為0.1 mm。高鐵拉力測(cè)試機(jī)(GT-TCS-2000)的拉伸速度為2 mm/min,斷裂敏感度設(shè)為95%。圖4為剪切試件及其裝夾結(jié)構(gòu)。

圖4 剪切試件及其裝夾結(jié)構(gòu)

1.4 自由衰減試驗(yàn)

為研究嵌入式共固化縫合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)阻尼性能隨縫合參數(shù)的變化規(guī)律,采用自由衰減試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。主要試驗(yàn)儀器為B&K公司的激振力錘、pulse、數(shù)據(jù)處理軟件pulse-reflex以及上海歐多公司的位移傳感器,型號(hào)分別為8206-002、4524-B004、3560B。邊界條件為一邊固支,在自由衰減測(cè)試系統(tǒng)中,縫合梁試件尺寸為25 mm×250 mm×2.1 mm,縫合針距分別為8、10、12、14、16 mm,每組5個(gè)試件,取平均值作為最終結(jié)果。

1.5 拉伸破壞試驗(yàn)

為了探究彈性模量與拉伸破壞應(yīng)力隨針距的變化規(guī)律,使用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行了拉伸測(cè)試。試件的規(guī)格與上述自由衰減試件規(guī)格相同。為了探索縫合后的試件與縫合前試件拉伸強(qiáng)度的關(guān)系,拉伸試驗(yàn)增加一組未縫合試件作為對(duì)比。試驗(yàn)所用儀器為100 kN微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),型號(hào)為WDW-100E,分別對(duì)同一組的5個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 ECSDC層間剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

圖5為層剪破壞的應(yīng)力應(yīng)變圖,圖中實(shí)線是縫合針距為16 mm試件A的層間拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線,虛線為未縫合試件B的層間拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過(guò)計(jì)算得知,試件A的層間結(jié)合強(qiáng)度為6.12 MPa,試件B的層間結(jié)合強(qiáng)度為5.17 MPa。由圖可知:縫合后試件的層間最大剪切應(yīng)力明顯增大,而且有第二峰值,強(qiáng)度為1.76 MPa。縫合后的試件在共固化時(shí),樹(shù)脂會(huì)隨著縫線填充針孔,最終固化形成樹(shù)脂釘。樹(shù)脂釘?shù)拇嬖趯?dǎo)致了最大剪切應(yīng)力的第一峰值增大,而縫線本身則形成曲線的第二峰值,該特性可以保證零件在徹底發(fā)生層間破壞之前存在破壞預(yù)警,有重要的實(shí)際意義。

圖5 層剪破壞的應(yīng)力應(yīng)變圖

圖6為層間結(jié)合強(qiáng)度隨針距的變化曲線。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得,ECSDC試件的層間結(jié)合強(qiáng)度為6.12～7.91 MPa。隨針距增大,試件的層間最大剪切強(qiáng)度減小,即縫合后形成樹(shù)脂釘?shù)拿芏扔绊懥薊CSDC試件層間剪切強(qiáng)度。從圖中誤差可看出,試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)并不大。當(dāng)針距為8 mm時(shí),平均層間結(jié)合強(qiáng)度最大為7.91 MPa,比未縫合的試件增加了2.74 MPa,性能高于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)阻尼復(fù)合材料的層間結(jié)合強(qiáng)度。文獻(xiàn)[7]中未縫合橡膠夾芯層合板的最大層間結(jié)合強(qiáng)度為2.41 MPa;文獻(xiàn)[15]中縫合的復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層間結(jié)合強(qiáng)度為0.898～1.133 MPa。

圖6 層間結(jié)合強(qiáng)度隨針距的變化曲線

2.2 ECSDC阻尼測(cè)試結(jié)果及分析

在自由振動(dòng)衰減試驗(yàn)中使用最小二乘法對(duì)離散時(shí)域信號(hào)進(jìn)行擬合,從而使試驗(yàn)精度更高。

圖7為相對(duì)阻尼比隨針距的變化曲線,當(dāng)阻尼層厚度為0.1 mm時(shí),ECSDC的相對(duì)阻尼比在2.16%～2.92%,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.093。從圖7可知,ECSDC的相對(duì)阻尼比要小于ECCDS的,未縫合試樣相對(duì)阻尼比為3.25%,縫合針距為8 mm時(shí)相對(duì)阻尼比為2.16%,縫合針距為16 mm時(shí)相對(duì)阻尼比為2.92%。隨著針距增大,相對(duì)阻尼比增大。其原因在于縫針穿過(guò)阻尼層,在阻尼層留下針孔,導(dǎo)致阻尼層的黏彈性材料相對(duì)面積減小和相對(duì)阻尼比降低。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)綜合考慮工作環(huán)境對(duì)ECSDC的性能要求,以確定合適的針距。與國(guó)內(nèi)外其他橡膠夾芯復(fù)合材料相比,該結(jié)構(gòu)有著較為優(yōu)越的阻尼性能。文獻(xiàn)[16]以丁苯橡膠為夾芯、以玻璃纖維為上下面板進(jìn)行縫合,橡膠夾芯層厚度為2 mm,最大阻尼比為2.72%,而本文中橡膠層厚度為0.1 mm,最大阻尼比為2.92%。

圖7 相對(duì)阻尼比隨針距的變化曲線

2.3 ECSDC拉伸破壞試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為ECSDC結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度隨針距的變化曲線,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到ECSDC的拉伸強(qiáng)度為412.9～427.4 MPa,圖中誤差棒所代表的標(biāo)準(zhǔn)差小于7.9 MPa。

圖8 不同針距下ECSDC的拉伸強(qiáng)度

從圖8可知,縫合后的ECSDC試件與未縫合試件相比,最大破壞應(yīng)力有一定程度減小,隨著針距增大,ECSDC的最大破壞應(yīng)力增大。這是因?yàn)榭p針會(huì)少量破壞復(fù)合材料中的纖維,因此在不改變縫線行數(shù)的情況下,針距越大被破壞的纖維數(shù)量越少,拉伸最大破壞應(yīng)力越大。

3 結(jié) 論

嵌入式共固化縫合阻尼復(fù)合材料能提高ECCDS的層間結(jié)合性能與拉伸性能,并實(shí)現(xiàn)阻尼各向異性,具體結(jié)論如下。

(1)從層間剪切試驗(yàn)結(jié)果可知,縫合后的ECSDC試件其層間結(jié)合性能與未縫合的相比有明顯的提高,且縫合后的試件有二次剪切峰值。隨著針距的增大,ECSDC的層間結(jié)合性能變差。

(2)從ECSDC的自由衰減試驗(yàn)可知,縫合后ECSDC的相對(duì)阻尼比要小于未縫合的,隨著針距的增大,其相對(duì)阻尼比隨之增大。

(3)從材料的拉伸破壞試驗(yàn)結(jié)果可知,縫合后ECSDC試件的拉伸強(qiáng)度要比未縫合的小,隨著針距的增大,其拉伸強(qiáng)度隨之升高。