X-cor夹层复合材料力学性能研究.pdf

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1、西北工业大学硕士学位论文(学位研究牛)题目：基：堡Q!去屋复金挞料力堂：眭篚受究作者：杜蕉学科专业：固签力堂指导教师：筮挂蕴2 0 0 7 年0 3 月摘要摘要近年来，先进复合材料越来越广泛地应用于航空航天、船舶和公共交通等领域，作为结构材料和功能材料，极大地促进了这些领域的发展。夹层结构的出现更大程度地适应了现代工业尤其是航空和高速列车等领域中对于高强度、高刚度和超轻材料的需求。为改善蜂窝夹层复合材料本身的缺陷，c a r s t e n s e n等提出了一种新型的Z p i n 增强泡沫夹层复合材料一X c o r。X c o r 作为一种新兴的夹层结构形式刚刚起步，包括基本力学性能等都

2、还有待进一步地研究。本文在考察文献资料和国内工艺设备条件的基础上，自行制备了x c o r 夹层结构，包括z 呻i n 角度为1 5 0、夹芯厚度为1 2 7 唧和Z p i n角度为2 5 0、夹芯厚度为8 哪两种结构，同时，每组皆有相同批次和尺寸的未增强试件作为对比。通过试验研究了X _ c o r 增强泡沫夹层复合材料的基本力学性能，包括面内剪切、平面压缩和三点弯曲试验。通过与相同批次和尺寸的未增强件进行对比，发现x-c o r 增强能够大幅度地提高泡沫夹层结构的基本力学性能，尤其是能够弥补由于泡沫强度和刚度较低而带来的泡沫夹层结构剪切和压缩性能较差的缺陷，从而使得该种材料能够用于飞机、

3、潜艇和列车机车等的主承力结构，具有良好的应用前景。通过试验观察和对试验结果进行分析，并与相同条件的未增强件进行对比，本文研究了x-c o r 增强泡沫夹层结构的基本力学响应和破坏机理。可以发现，z p i n 的存在优化了材料的力学性能，改变了材料的破坏模式，使得该种材料从初始裂纹的产生到结构的彻底破坏都有着与未增强件不同的变形过程。提出了X c o r 增强泡沫夹层结构的剪切模量预测单胞模型，理论值与试验值符合良好。在模型的基础上考察了该种材料结构中各参数对x c o r 剪切模量的影响，X c o r 的剪切模量随着Z p i n 体积分数、模量和直径而增大，在体积分数一定的情况下，Z p

4、 i n 角度为4 5 0 时材料的剪切模量达到最大值。可以看出，x-c o r 增强泡沫夹层结构具有良好的可设计性，可以通过改变材料各参数来达到优化其力学性能的目的。根据试验结果并结合文献资料，本文也对x c o r 的强度预测模型进行了初步的研究和讨论。通过引进约束修正系数改进了c a r t i e 等提出的基于弹性基础上压杆屈曲的压缩强度模型，所得理论预测值与试验值更加接近。同时，根据不同的假设讨论了x _ c o r 的剪切强度预测模型，比较了它们之间的差异，为进一步建立更符合实际的理论模型打下基础。西北上q P 人学顿上宁位论文关键词：复合材料夹层结构，泡沫芯，Z p i n 增强

5、，力学性能，破坏机理UA b s“tAs t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fX 0 c o rs a n d w i c hA b s t r a c tI k c e my e a 瑙，a d v 锄c e dc o m p o s i t em a t e r i a l sw e r ew i d e l yu s e di I la v i a t i o l l 印a c e n i g 地s h j pa I l dp u b l i c 们筋c，硒s n c t I l m la I l d 如n c t i o

6、 m lr m t e r i a l s，p r o m o t i l l gm e 跎f i e l d sn 0 诎l y ma p p e 缸a n c eo fs a n d w i c hs t n l c t I：盯船瓤l a p t st ot h en e e d so fl l i g hs 呦g t h，M g hs 幽e s sa I l dw e i g I m e 氐i c i e n c yi 1 1t h es 觚t I l r e so fa i r c m f t 觚db u l l e t 订a I i l l F o r 锄e l i o l 讹gm

7、ed i s a d v a l l t a g e so fh O n e y c O m bc o m p o s i t e s，an o v e lZ _ p i n】df o 锄c o r es 锄捌c hI l a m e dX c o r、v 船p r e m e db yC a r s t e n s e ne t c har i s i n gs 锄d 晰c hm a t e r i 乩t h eb a S i cr n e c l l a n i c a lp r o p e r t i e so f 一c o rs h o l l t db ef I l 劬e rs t

8、I l d i e d B a s c do nl i t e r 8 t l l 舱a I l dt h ec o n d i t i o no fo I l rt c c h I l i c se q l l i p m e m。w ef a b r i c a t e dX-c o rm a t e r i a l sb yo I l r s e 址i 1 1 c l u d i n gf o 锄c o r es a n d w i c ho f1 5”Z p i l l l l e da I l g l e 谢m1 2 7 m mt h i c k 船c o r e，2 5”Z-p i

9、 n n e d 粕g l e、】l，i t h8 m mt 量l i c k n e s sc o r c，e a c h 酉唧o f m e mh a do n es 锄ec a s t i n gp a r tm 睇i l l f o r c e dt 0c o m m s t T h i spa _ p e rs 叫i e dt h eb a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f X c O rs a n(t、衍c hb ye x p e r i n l e n t s，i n c l l l d i I l go u t O p

10、 l 粕es h e 鸥c o m p r e s s i O na n dt l l r e ep o i n tn 删e x p e r i m e n t s B yc o n 仃a s t i i l gw i t h 加：l r e 抽面r c e ds p e c i m e n s，f o u n dX-c o rc a ni n l p r o v e 也eb a s i cm e c l l a n i c a lp r o p c n i e sn o t a b l e l y，e s p e c i a l l yc o m p e n s a l et h es l

11、o r t c o m i I l g so f l o ws t i 觚s s 姐ds t f e n g t l lo fs 锄d、v i c hi n d u c i n gb yt h ew e a kf o 锄c o r c S ot h i ss a n d、撕c hm m r i a l sc 锄b e 啪e do n 也ep r i m a r yl o a db 咖洒gs t r I l c 劬呜i n 出r a 危s u b I I l j 撕n e 髓db l l 王l e t 扛a i l l，w h i c hp o s s s e sw e Ua p p I i c

12、 a t i o nf o r c g r o 衄d W e 咖d i e dm eb a s i cm e c l l a I l i c“r e s p o n s e 锄db r e a k a g er n e c I l a r l i s mo fX c o rs 勰椭c hb y【p l c l 诋n t s，a n dc o n t r a s t e dw i 血瑚【r e i l】心b r c e ds p e c i I n e n s W ef o 衄d 也ee x i s t e n c eo f Z p i no p t i I n i z et l l em e

13、c h a l l i c a lp r o p e r t i e s，c I 啪g et h ef 砸l u r em a p，m 出泔l i sm a t e r i a I sh a v ed i 丘白朔吐d c f c I n n a t i o n 丘o m 也ei n i t i 撕o no fc 瑚I c l$t oc m 蛐gf a i l u 咒T I 硷p a p e re s t a b l i s h e dt h em e t b o df o rp r e d i c t i r l gs h e a rm o d m u so fX c o r，t h ep r

14、 e d i c t i o nr e s u l t sa c c o r d 谢t l le x p e f i m e n t a ld a【协w e l l V a r i o l l sf a c t o r sw l l i c ha f 艳c t坨p r o p e r I yo fs h e 缸m o d u I l l sa r ed e m o n s t m t e d，t l l es h e a rm o d u l u si l l c r e 鹤e s 埘mt h em o d l l l u s，d i 锄e 峨m l dv 0 1 啪e 丘a c t i o

15、no f p i n S，锄df e a c h e s“sm a x i m u ma t 也ea n g c lo f 4 5”o nd e 缅j t cv o l u m e 丘a c t i o n T h eb e s tt l l i I l gf b fX-z-p i I lr e i n f b r o c df o a mc o r c 洲c hi st h a ti t sp g r a I n m a b l eb ya l t e 血gt h cv 撕o u sd e s i g I lp a 埘n e t c r st o叩t i l n i _ z ct I l e

16、m e c l l a n i c a lp r o p e r t i e s T h ep a p e rs t I l d i e d 柚dd i s c l l s s e dt h em o d e lf o rp r e d i c 6 n 窑S t 糟n g t l lo f X c o rb 嬲e do ne x p e f i l】艟n t sa n dl i t e r a n 聆s B ye m p l 呵i n gr e s m c t i o nc o 觥c t i o nc o e m c i e m，a H l e l i o r a t em ec o r n

17、p r c s s i o ns n c n g 血m o d e lb 勰e do nE l l l c rb u c“i I l gl o a df o ras i 脚噼I ym l p p o r t e dc o l u n mo n af 机m d a t i o np r e s e n t e db yC a r t i e，m a 王(et h ep r e d i c t i o nr e s I l l t s印p r o a c ha n d 锄；托霉b 酣【c fw i mt h em e a s u r e df e s l l l t s A t 也es 锄ed m

18、 e，b a s e do nd i 丘b r e n t 硒s I l l n p t i o 璐，w ed i s c u s dm es h e a rs 灯e n g t hp r e d i c t i o nI n o d e lo f X c o r t h eI 西北上业大学顾上学位论文d i 彘r e n c e sb e t、v e e nm e mw 盯ee x p e r i m e n t a l l yc o I n p a r e d，l a i dm ef o l l l l d a t i o no ff I|n h e rr e s e a r c h K

19、e yw o r d s：c o m p o s i t es a n d、“c h，f o 柚c o r e，Z p i nr e i n f o r c e d，m e c h a n i c a lp r o p e n i e s，f a i l u r cm 印西北工业大学业学位论文知识产权声明书本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北上业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅雨借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和

20、汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。保密论文待解密后适用本声明。学位论文作者签名：芏!垂如0 7 年；月似日指导教师签名立垂，艟；忉#多月l 乏日西北：业大学学位论文原创性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究T 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人学位论文与资料

21、若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。学位论文作者签名：二丝加力年；月肛曰第-章前舌第一章前言1 1 复合材料夹层结构特点及其发展现状最近三十年来，先进复合材料在航空航天方面的应用越来越广泛【l。，目前，世界各主要航空公司生产的大中小型飞机几乎都使用了复合材料，包括用在飞机地板、机身和机翼等关键部位。美国在7 0 年代早期研制F 1 5 的时候就开始尝试将复合材料用于飞机的水平尾翼，垂直尾翼和机身等，到了1 9 7 8 完成具有超强机动能力的m M A T 原型机研制时，飞机中钛、铝的使用已有了大幅下降，而复合材料的比例明显提高。现在，无论是考虑机动性的军用飞机还是考虑安全性的民用飞机，都已经

22、大量并且越来越多地使用复合材料。夹层结构的出现更大程度地适应了航空航天、船舶、列车机车、体育运动器材和风力发电等工程中对于重量的优先考虑。早期夹层结构在航空航天方面的应用可以追溯到1 9 3 7 年，“信天翁”飞机机翼中出现以b a J s a 轻质木材做夹芯以雪松做面板的夹层结构。由于轻木芯易潮解、腐蚀和燃烧，不利于飞机的安全性和可靠性，人们又研制出纸质蜂窝和金属蜂窝作为夹芯材料，随后又出现玻璃纤维和碳纤维增强的热固性树脂蜂窝和芳香族聚酰胺夹芯材料，以及泡沫夹芯。现在，夹层结构已经大量地用于各种类型飞机的设计与制造，波音公司采用尼龙蜂窝芯子制造夹层结构并用于波音7 4 7 的地板，欧洲直升机

23、工业公司将夹层材料用于髓1 0 l 直升飞机螺旋桨旋翼，B 5 8 高速轰炸机应用蜂窝夹层机构材料的面积占整个飞机材料面积的8 5 以上，F“1 战斗机夹层结构的使用面积甚至占到了9 0，国产直九N o m e x 蜂窝夹层材料的用量也占到了整机8 0 左右的覆盖面积1 3】。在航天方面，我国长征系列火箭(C z 2 c、C z 2 E 和C z 3 A 等)整流罩的前锥部分采用可以透射电波的玻璃钢蒙皮，玻璃钢芯子夹层材料，其它大面积使用铝蒙皮、铝蜂窝夹芯的夹层结构；火箭的舱体和卫星支架则采用了碳纤维增强环氧蒙皮和铝蜂窝作芯子的夹层材料。在夹层结构中，使用低密度夹心材料增大层合板的厚度，这样在

24、重量增加很少的情况下，能大幅度的提高结构的刚度。在弯曲荷载下，面层材料主要承担拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。常用的芯材包括蜂窝和泡沫材料。夹层结构与传统材料相比具有如下优点：(1)较高的比重量和比刚度。在夹层结构中，面板厚度一般只占整个夹层结构厚度较小的比例；同时，芯子均为轻质多孔材料，这样就能够以较小的重量增加的代价换来较大的截面转动惯量，减重西北上q P 人中硕上学位论文效果极为明显，是一种高效结构材料。(2)良好的可设计性。夹层结构作为一种良好的结构材料使用的同时也可以作为很好的功能材料来使用。可用作夹芯的材料很多，设计时可以根据夹层结构的力学性、功能性而定。比如飞机结构设计中防

25、飞鸟撞击的要求，军用飞机的防弹功能和隐身要求，同时在大量结构中需要的保温、隔音、吸振的功能。轻质木芯具有比较好的压缩性能，蜂窝夹芯具有较高的剪切强度，泡沫夹芯不但具有良好的减振性和绝热性能，而且可以得到光滑平整的表面，气动性能良好。(3)能够充分发挥复合效应的优越性。夹层结构是各组分材料通过复合工艺形成的整体结构，但它并不是几种材料简单的叠加组合，而是具有按照复合效应形成的新的性能，这种复合效应是夹层结构特有的。比如在夹层结构受弯时，上蒙皮(面板)受压，下蒙皮受拉，芯子传递剪切载荷。从力学角度分析，它的受力类似于工字梁，面板相当于工字梁的翼缘，芯子相当于工字梁的腹板。不同的是芯材与面板不是同一

26、材料，芯材是分散的，而不是集中在狭长的腹板上。同时，在芯材的有效支持下，面板一般更不容易发生失稳屈曲。除了上面所说的优点外，夹层结构还具有隔热、隔音和耐疲劳等优点。当然，夹层结构的材料性能也表现出对复合工艺的依赖性。夹层复合材料在形成过程中存在着材料的物理和化学变化，过程非常复杂，因此构件的性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等依赖性比较大，同时也由于在成型过程中很难准确地控制工艺参数，所以，一般来说夹层复合材料构件的性能分散性也是比较大的。夹层结构设计准则包括以下几个方面【4】：(1)蒙皮的厚度能够承受设计载荷下的拉伸、压缩和面内强度。(2)夹芯应有足够的强度，能承受设计载荷下的横向剪力。(3

27、)夹芯的压缩模量和蒙皮的抗压强度足以防止蒙皮在设计载荷下的起皱。(4)夹芯应有足够的抗压强度和模量，以防止法向载荷或翘曲变形产生的压塌。(5)夹层结构应有足够的弯曲和剪切刚度，夹芯应有足够的厚度和剪切模量，以满足挠曲变形的设计要求和防止受载后夹层结构的总体屈曲。从以上设计准则中可以看出，对于夹层结构的芯子材料来说，不仅仅需要其具有较小的比重量，还需要具有较好的剪切和压缩性能，才能在充分发挥夹层结2第草前言构优势的同时保持良好的整体性，并承受面板传递的剪切与压缩载荷。目前应用最广泛的是蜂窝夹层结构，芯材包括铝蜂窝和N O M E x 纸质蜂窝，其中应用最多的是N O M E x 纸质蜂窝。这是因

28、为N O M E x 纸质蜂窝具有较高的剪切刚度和强度，相对密度比较低，与碳纤维复合材料面板构成的复合材料蜂窝夹层结构具有较高的抗弯刚度和最小的比重。但是蜂窝夹层结构制造工艺复杂，而且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”，严重时会影响到面板的光滑平整性，进而影响到结构的气动性能【5】。另外，复合材料蜂窝夹层结构产生微裂纹后蜂窝芯容易进水并不易排出，这不但会增加结构重量，还会造成胶层吸湿降解，使面板与芯子脱胶，脱胶的复合材料蜂窝夹层结构的修理非常困难M】。闭孔硬质泡沫作芯材的复合材料夹层板可以避免蜂窝夹层结构的上述主要缺点，且在受热情况下具有很好的尺寸稳定性，并具有良好的

29、耐化学腐蚀性能，因而被广泛用于航空、航天和航海等领域。闭孔硬质泡沫的主要缺点是其刚度和强度均比蜂窝芯材低(包括N O M E x 纸质蜂窝)，因此用它作芯材的复合材料夹层板拉伸、压缩、剪切以及弯曲强度和刚度都要低于相同芯材密度的蜂窝夹层板。同时，夹芯和面板两种不同的材料必须有效地结合在一起形成整体结构，但由于没有横向增强，面板和芯材很容易发生脱粘破坏，包括制造缺陷、维修时工具跌落等造成损伤，特别是在冲击载荷作用下，面板和芯材很容易在服役期即发生脱粘和分层，进而引起灾难性的后果。这些缺点限制了泡沫夹层材料用在飞机主承力结构上，比如机身和机翼等关键部位。可见发展一种有效的横向增强技术是十分必要的。

30、1 2 泡沫夹层复合材料的横向增强技术基于泡沫夹层结构的上述缺点，国外学者提出了不少层间增韧方法以增强其沿厚度方向的强度，其中尤以缝纫和z-p i n 增强最具代表性p t s】。缝纫泡沫夹层复合材料是将干纤维布(干法缝纫)或者预浸带(湿法缝纫)铺设在硬质泡沫芯材上下表面，在z 向用高强度的K c v l a r 缝线缝合，缝线垂直于X Y 面(图1 1)。常用的缝纫方法包括锁式缝纫和改进的锁式缝纫，图1 1 示为锁式缝纫【9】。最后将预制件通过树脂转移模压删(R e s i l lT r a I l s f c rM o l l l d i n g)、树脂膜渗透R F I(R e s i n

31、F i l mI n f I l s i o n)或真空辅助树脂转移模压删(V k u l l n lA s s i s t c dR e s i n1 h n s 船M o u l d i l l g)等工艺充填树脂并固化成型。西北工业大学硕上学位论文图1 1 缝纫泡沫夹层复合材料大量研究表明缝纫能够显著地提高泡沫夹层结构抵抗分层破坏的能力，特别是能够有效地阻止夹层板的I 型断裂胁1 2】。但缝纫技术存在着自身的缺陷【1 3】。现在的缝纫工艺要求能够到达所缝材料的两面，但随着现代工业的发展，需要夹层结构构件的尺寸越来越大，形状也越来越复杂。在一些复合材料结构中(比如大型飞机的机身等)，皆要求

32、复合材料构件整体成型，这就需要几乎是同等尺寸的缝纫设备。同时，对于复杂几何尺寸的夹层结构构件进行缝纫也是不现实的。另外，缝纫增强技术会在缝线针孔附近靠近两端表面处形成富树脂区，这个富树脂区的存在，会造成层压板表面树脂含量过商，表面容易吸湿并产生微裂纹，成为破坏的初始损伤源【5 l。另外，缝纫会增加面板厚度，使面板纤维含量变低，降低层合板的刚度和强度。Z p i n 增强泡沫夹层结构不仅充分地利用了复合材料夹层结构的优势，而且能显著地增强其抵抗分层破坏的能力，提高剪切和压缩性能，有研究表面，即使在不使用胶膜的情况下，其强度和刚度都已经高于蜂窝夹层结构【1 4 1。近年来该种材料成为国外研究的热点

33、，包括N A s A 等已经致力于此种结构的研究。1 3x c o r 夹层结构介绍2 0 0 1 年美国陆军试验室的K u I I k e l 发0 B f i e n 和s 设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一种先进的夹层芯材x c o r 及其复合材料夹层结构力学性能的研究报告“习。X c o r 夹层结构是将经过预浸的细长的复合材料纤维杆或者金属丝按一定角度插入闭孔泡沫芯材中，并在两头预留出一小段植入上下面板，经固化形成的整体结构(图1 2)。4第一章前言图l 一2x-c o r 夹层结构试验件照片图1 3x c o r 夹层结构示意图

34、常用的z p i n 是预浸碳纤维杆，其直径一般为l O-1 m m 量级，需要预成型。为了尽可能地消除固化后的残余热应力，预成型的树脂选择与面板相同的树脂体系，同时为改善工艺，需用稀释剂稀释树脂。采用手工缠绕的方法制作碳销钉，经固化、裁剪加工，即可得到设计长度和直径的z p i n 材料。由于插入泡沫中的碳针是硬质的，只能够直接植入泡沫中。美国s i k o 船b 公司和A z t e x 公司利用层压板Z-p i n 增强的“超声辅助Z F i b e r 工艺”(U l 订a s o i l i c a u yA s s i s t e dz F i b c r 眦e 豁，简称u A z

35、)，设计并制造了用于泡沫夹层复合材料的四自由度自动x c o r 植入机(如图1-4 所示)，成功解决了x c o r 的自动化制造问剧1 6】。该设备不仅可对泡沫夹层结构植入x-c o r，还可以进行机加工。图1 4 为原型机，只能用于制造小尺寸元件，用于工业生产的植入机可加工的部件尺寸将会达到1 2 m 2 4 m。西北上q k 人学硕上学位论文图l-4 泡沫灾层结构x _ c o r 植入机原型将z p i n 按一定角度植入泡沫芯材中以后，按要求在两头预留出一小段，在两面铺上千纤维布或者预浸带，使露出的Z p i n 部分插入到面板纤维铺层中，最后用v 越汀M 工艺固化后即得到X c

36、o r 增强泡沫夹层结构。S i k 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 f增强泡沫夹层复合材料与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层复合材料相比，可以减重l O 1 5。该技术体现出的低成本和高性能的优势是显而易见的。X c o r 增强泡沫夹层复合材料可能替代蜂窝夹层复合材料，成为飞机主承力构件的重要结构材料。s i k o r s 虹飞机公司最近几年进行了这种材料在旋翼飞机上的应用研究，并与美国航空应用技术委员会和美国陆军航空和导弹司令部合作进行了“直升机旋翼结构验证计划”限w S T D)，研究发展了x c o r 增强泡沫夹层复合材料，并制

37、定了其在新型飞行器上的设计方针，这其中包括在研的鼬H 一6 6 科曼奇武装直升机r 丌。1 4 乙p i n 增强泡沫夹层结构研究现状2 0 0 1 年美国陆军试验室的K u n k e l 及0 B r i e n 和S m o r s b 飞机公司的C a r s t e n s e n等人【I 纠先后发表了关于x c o r 增强夹层结构力学性能的研究报告。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1 0 1 5。2 0 0 1 年，N A s A 兰利研究中心【”J 对过渡区X-c o

38、r 夹层结构进行了试验研究。试验内容包括三点弯、单轴拉伸和拉弯组合试验。用数码摄影和数码摄相技术6第一车前言记录试验过程中过渡区的变形和最终破坏形式，主要关心p i I l 与面板的脱粘，用声发射表征破坏时刻。在三点弯试验过程中，变形主要发生在层合板区域，并有少量的p i n 和面板脱胶：在拉伸试验中，最终失效发生在试验件中部的面板；在拉弯组合试验中，过渡区的p i l l 发生脱胶和屈曲，在最初施加轴向载荷时产生较大的震动。2 0 0 1 年，美国北达科他州立大学的u K V a i d y a 掣1 9 埔低成本的液体成型技术制成了x c o r 夹层结构；试验研究了z p i n 泡沫夹

39、层抗高应变率冲击性能，与无p i n 板作比较。试验表明，z _ p i I l 的存在有效地抑制了芯材在高应变率冲击载荷作用下的变形。2 0 0 3 年，英国剑桥的C a r t i e 等【2 0 l 试验研究钛p i n 和碳p i I l 增强泡沫夹层结构准静态和动态面压缩性能，用x 射线扫描观察p i I l 变形。试验结果表明，有p i n 板能量吸收率高；泡沫帮助p i n 稳定并抵抗弹性屈曲，所以夹层结构压缩强度由p i n 弹性屈曲强度控制；动态加载下，p i I l 板强度有更大提高，原因是p i I l的微惯性矩起了稳定作用，抵抗了弹性屈曲。同时，通过两种材料p i n

40、的对比表明，p i n 的强度和刚度对所增强泡沫夹层结构的力学性能有很大的影响。2 0 0 5 年，英国克兰菲尔德大学的加m e a 等【2 l】研究了Z p i n 增强泡沫夹层结构的面外力学性能，并与蜂窝夹层结构进行对比。试验结果表明，蜂窝夹芯板在最终强度上高于z _ p m 增强泡沫夹层结构，但是，当夹层结构的刚度作为设计的关键参数的时候，选用Z p i I l 增强泡沫夹芯是合适的。在结构有抗吸湿能力的要求下，或者结构重量作为首要考虑的前提下，使用z p i n 增强泡沫夹层结构明显优于蜂窝夹芯结构。2 0 0 6 年，黜c c 等【2 2 l 研究了z p i n 增强泡沫夹层梁的三

41、点弯曲破坏模式，比较了不同跨距和尺寸下X c o r 夹层结构板的弯曲破坏，包括面板凹陷、面板失效和芯子剪切破坏。基于X c o r 的压缩性能，用刚塑性材料来模拟X-c o r 的剪切行为。2 0 0 4 年，沈飞和南航的田旭等【2 3 l 试制并研究了x c o r 夹层结构的力学性能。主要进行了平压、三点弯、压剪试验，结果性能分别提高1 5、3 5、5 4 5 倍。已有的文献表明，X _ c o r 增强能够大幅度地提高泡沫夹层结构的剪切刚度和强度，显著地改善平压和弯曲性能，在航空航天方面具有良好的应用前景。虽然该种材料的研究还处于初级阶段，但已经表现出不同于缝纫等横向增强技术的特殊的变

42、形与破坏模式，更不同于蜂窝等传统的夹层复合材料。较大刚度和强度的z 向碳p i n 的存在复杂化了材料的应力应变场，使得传统的层合板理论不能直接用于X c o r 增强泡沫夹层结构的分析；同时，由于Z 口i n 的加入增加了材料不同相之间的界面，损伤和破坏模式将比传统的复合材料更加复杂。7西北上廿人学硕i 学位论文1 5 论文各部分的主要内容本论文在自行制备X c o r 增强泡沫夹层结构试验件的基础上，通过剪切、平压和弯曲试验研究其基本力学性能，并与传统的未增强泡沫夹层复合材料结 句进行比较。在此基础上，对X c o r 增强泡沫夹层结构的破坏机理进行了考察。最后，对该种材料的力学响应进行初

43、步的理论分析。第二章介绍了自行制备X-c o r 增强泡沫夹层结构工艺流程，包括各组分材料和最后成型的试验件的参数。第三章为试验部分。进行了x c o r 增强泡沫夹层结构复合材料的面内剪切、平面压缩和三点弯曲试验，并与相应的未增强材料进行对比，研究其基本力学性能。第四章研究了X-c o r 增强泡沫夹层结构复合材料的力学响应与破坏机理。第五章基于面内剪切试验，建立了x c o r 增强泡沫夹层结构的剪切刚度预报模型，与试验结果和有限元模拟值进行比较。第六章初步探讨了x c o r 增强泡沫夹层结构的强度分析模型。x-c o r 增强泡林火足结构试件的制备第二章X c o r 增强泡沫夹层结构

44、试件的制备x c o r 增强泡沫夹层结构属于一种新兴的复合材料结构形式，国内并没有一套适合制作该种材料结构的设备与工艺。作者在考察了各种文献及国内试验条件的基础上，制定了切实可行的制备方案：试制了x-c o r 夹层结构试验件。2 1 试件参数试件分四组，具体参数如表2 1：表2 Ix-c o r 增强泡沫夹层结构试验件面板类型芯子厚度批次组别芯材Z-p i n 类型z p m 角度铺层(m m)C 3 0 0 B A 9 9 1 2R O H A C E L L 毋I(o。，9 0。，“5。k7 l W F1 2 7碳纤维1 5 0lC 3 0 0 B A 9 9 1 2R o H A c

45、 E L P1 2 7树脂1 5 0(o。，9 0。，4 5。k7 1 W FC 3 0 0 B A 9 9 1 2R o H A c E L pI(o。9 0。，“5 0 L7 1 W F1 2 7碳纤维1 5 02C 3 0 0 B A 9 9 1 2R O H A c E L p8碳纤维2 5 0(o。，9 0 0，“5。k7 1 W F第一批试件乙p i n 植入密度皆为5 m m(行距)5 l n m(每组X 之间)，第二批试件Z-p i I l 密度为3 姗(行距)5 n H n(每组X 之间)。每组试件皆有相同批次和尺寸的未增强泡沫夹层结构试验件作为对比。芯子材料选用德国D e

46、g I l s s a 公司生产的R o H A C E L L。闭孔聚甲基丙烯酰亚胺P h 缸泡沫。R O H A C E L L。在受热情况下具有很好的尺寸稳定性，并具有良好的耐化学腐蚀性能(碱除外)，1 0 0 的闭孔结构保证了该种材料在潮湿环境下能够有效地抵抗吸湿冰冻解冻的恶劣环境变化，这明显优于蜂窝夹层结构。在相同密度情况下，没有一种其他泡沫塑料能够超过R O H A c E L p 的弹性模量和强度。面板为碳纤维增强树脂基复合材料，树脂基体为B A 9 9 1 2，增强材料为T 3 0 0碳纤维，以(o o，9 0 0，4 5 0 k 铺设8 层，为准各向同性层合板。z p i n

47、 选用北京航空制造工程研究所生产的1 K 预浸碳纤维，平均直径为O 2 7 f n I n。9图2 一l 泡沫芯材和用作z-p i n 的预搜碳纤维2 2 试件制备过程试件制各过程可以描述如下：鼢!竺竺型广二二：图2-2X c o r 增强泡沫夹层材料试件制备流程l OX c o r 增强泡沫必层结构试件的制备图2 3 泡沫芯材钻孔图2-4 植入z-p i n 后的泡沫芯材夹层结构的压制成型是在北京航空制造工程研究所完成的。为了考察删工艺(真空辅助树脂转移成型)的效果，同时研究树脂与泡沫芯材、面板之间的结合性能，部分试件的泡沫芯材仅仅按一定角度和密度钻孔，并未加入增强碳纤维。成型后经显微镜下观

48、察，删工艺达到了良好的浸润效果，树脂沿钻孔填满了泡沫里面的空隙。成型后的试件如图2 5；西北上q k 人中颀上学位论文2 3 本章小结图2 5X c o r 增强泡沫夹层材料x _ c o r 增强泡沫夹层材料的制备目前在国内并没有一套适合的工艺，主要是缺乏将z-p i l l 植入泡沫芯材的关键设备，比如类似s i I r s k y 公司的四自由度自动X-c o r 植入机，这给材料的研制带来较大的困难。本文在国内现有实验条件的基础上，采用人工钻孔植入预浸碳纤维(z-p 试)的方法，自行制备了x-c o r增强泡沫夹层复合材料试验件，后面可以看到，制备的材料取得了良好的增强效果，能够为我国

49、尽快地进入该种新型材料的力学性能研究起到较好的铺垫作用。第三章x c o r 火层结构摹本力学性能试验第三章x c o r 夹层结构基本力学性能试验X c o r 增强泡沫复合材料作为一种新兴的复合材料形式才刚刚起步，包括其基本力学性能等仍然是目前研究的重点，其中最为重要的是剪切和压缩性能，以及作为夹层结构最大优势之所在的弯曲性能。本文通过x c o f 增强泡沫夹层复合材料的剪切、压缩和三点弯曲基本力学性能试验，研究其对于传统泡沫夹层材料的增强作用。3 1 剪切性能试验剪切试件分为三组，试件尺寸及各参数如下：表3 1x o f 剪切试验件组别芯子厚度(m m)z p i n 类型z-p i

50、n 角度试件尺寸I1 2 7碳纤维1 5 05 0 m m 1 0 0 m m 1 6 2 m mI I8碳纤维2 5 05 0 m m 1 0 0 m m 1 1 4 m mI I I1 2 7树脂1 5 05 3 m m 1 3 5 m m 1 5 1 m m图3 1 剪切试验件照片面板两面用具有高强度和高刚度的双组分环氧粘结在加载块上，待胶完全固化后通过加载块两端的加载孔以铰接的方式用夹具将试件夹在试验机上。为了突出主要应力尽量减小次要应力，应保证加载线与试件对角线重合，这样剪切变形在中部是均匀的，如图3 2 所示。西北1 业人学硕士学位论文F图3 2 剪切试验装置示意图试验在I N S