Z-pin增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

第28卷 第4期

航 空 材 料 学 报

J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS

V o l 28, N o 4 A ugust 2008

2008年8月

Z -pi n 增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

杜 龙, 矫桂琼, 黄 涛

(西北工业大学力学与土木建筑学院, 西安710072)

摘要:Z-pi n 增强泡沫夹层结构作为一种新兴的复合材料夹层结构形式, 能够克服传统蜂窝夹层结构的诸多缺陷。采用预浸碳纤维增强R ohacell 夹芯, 进行Z-pi n 角度为15 和25 , 夹芯厚度分别为12 7mm 和8mm 两种Z-p i n 增强泡沫夹层结构的面内压缩性能试验, 并与相同批次和尺寸的未增强件进行对比, 考察其对传统泡沫夹层结构的增强作用。试验发现X 状Z -p i n 增强能够大幅度提高夹层结构的压缩强度与刚度。同时, 增强材料表现出与传统泡沫夹层结构不同的压缩变形与破坏模式。证实Z -pin 的弹性屈曲控制着结构的压缩强度, 夹芯厚度和Z-pi n 角度影响Z -p i n 屈曲的计算长度, 从而成为材料压缩强度的控制因数。在此基础上, 考虑面板对Z -pin 的有限转动约束, 通过引进约束修正系数改进现有的压缩强度预测模型, 预测值与试验结果更加接近。关键词:夹层结构; Z -p i n 增强; 压缩性能

中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2008) 04-0101-06

为改善传统蜂窝夹层结构的 电报效应 和抗潮湿性能差等主要缺陷, 用泡沫取代蜂窝作为夹层结构的芯材成为一种理想的选择, 但泡沫芯材的不足之处在于强度和刚度较低。近年来, 国

外研究者提出一种新型的Z-p i n 增强泡沫(X-

cor ) 夹层结构

[1, 2]

, 它是将经过树脂预浸的细长

复合材料纤维杆(一般为预浸碳纤维杆) 或者金属丝(Z -p i n ) 按一定角度嵌入闭孔泡沫芯材中, 并在两头预留出小部分植入上下面板, 经固化形成的整体结构(图1)

。

图1 Z-pi n 增强夹层结构试件及结构示意图F i g 1 Z -p i n reinforced sandw ich sa mp le and s ketch m ap

2001年美国陆军试验室的Kunke l 等和S i k or -sky 飞机公司的Carstensen 等先后发表了关于Z -pi n 增强夹层结构力学性能的研究报告。研究表明, 在含和不含冲击损伤的情况下, 该种材料与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层结构相比, 可以减重10%~15%。0 Brien 等研究了Z -p i n 增强泡沫夹

[4]

层和层压板过渡区破坏机理。Cartie 等通过试验

收稿日期:2007-05-26; 修订日期:2007-10-14

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10572116), 航空科学基金资助项目(04B53013)

作者简介:杜龙(1981 ), 男, 博士研究生, 研究方向为先进复合材料及其结构的力学行为。

[3]

[2]

研究准静态和动态下Z -pin 增强泡沫夹层结构面压缩问题, 揭示了Z 向销钉和泡沫相互作用的抗压机理。Va i d ya 等研究了垂直植入的碳针增强泡沫夹层在高应变率冲击下的力学响应, 并与蜂窝夹层结构作了比较。R ice 等研究了Z -pin 增强泡沫夹层梁的三点弯曲破坏模式, 比较不同尺寸和跨距下夹层结构板的弯曲破坏。国内, 田旭涛

[8]

[7]

[6]

[5]

等试制了X-

cor 夹层结构并对其基本性能进行试验研究。黄

等对横向增强泡沫夹层结构的方法和性能进行论述, 并预测了前景。

提高泡沫夹芯的压缩性能是进行横向增强的主要目标之一, 本工作通过不同Z -p i n 角度和夹芯厚

102航 空 材 料 学 报第28卷

度的Z -pi n 增强泡沫夹层结构面内压缩性能试验, 研究其对泡沫芯材的增强效果及其压缩破坏机理, 并改进了现有的压缩强度预报模型。

Rohace ll 71WF 闭孔聚甲基丙烯酰亚胺P M I 泡沫, 面板为碳纤维增强树脂基复合材料, 树脂基体为B A9912, 增强材料为T300碳纤维, 以(0 , 90 , 45 ) S 铺设8层, 为准各向同性层合板。Z -pi n 为T300预浸碳纤维, 浸润树脂为与面板树脂相同体系的BA9912, 平均直径0 27mm 。试件参数示于表1。

1 试 验

本试验中泡沫芯材选用Degussa 公司生产的

表1 Z -p i n 增强夹层结构压缩试验件

T able 1 Spec i m en fo r compression test o f Z -pin re i n f o rced sand w ich

Spec i m en type

Co re t h ickness /mm

12. 78

Z-pi n Carbon fi ber

Z -pin ang le

15 25

Spec i m en di m ensi ons 40mm 50mm 16. 4mm 40mm 50mm 11. 1mm

所有试件Z -p i n 密度皆为0 133p i n /mm, 且每组试件皆有相同批次和尺寸的未增强对比件。试验

在I N STRAN-5567试验机上进行, 加载速率为0 5mm /mi n , 采用引伸计(COD 规) 测量压缩位移, 进而可以得到试件的压缩模量。典型压缩应力-应变曲线如图2所示。压缩试验结果示于表2。

从试验结果可以看出, Z -pi n 增强能够大幅提高泡沫夹层结构的压缩性能, 无论是压缩刚度还是强度都比传统的泡沫夹层结构有极大的改善, 15 Z -pi n 增强使夹芯厚度为12 7mm 试件的压缩模量提高到4 03倍, 压缩强度提高到4 26倍; 25 Z -p i n 增强使夹芯厚度为8mm 试件的压缩模量提高到8 72倍, 压缩强度提高到7 35

倍。

表2 压缩试验结果T able 2 R esults of compress i on test

Speci m en type

U n re i nforced R ei n f o rced U n re i nforced R ei n f o rced

Z -p i n ang l e

15 25

Co m pressi on modu l us /M P a

73. 0294. 063. 5554. 0

Compression streng t h /M Pa

2. 138. 952. 0114. 71

图2 增强与未增强泡沫夹层结构试件典型压

缩应力-应变曲线

F i g 2 R epresenta ti ve co m pressi ve stress versus

stra i n curves o f re i nforced and unreinforc -ed foam co re sand w i ch

2

无论泡沫夹芯的厚度为12 7mm 还是8mm, 未

增强试件的压缩都经历了 弹塑性变形 达到极限强度 载荷跌落 进入屈服平台 致密化增强 的阶段, 对应于闭孔泡沫 孔壁弹性变形 孔壁屈曲 孔壁挤压致密化 的变形特征。同时, 由于泡沫结构本身的特殊性, 压缩变形的非线性特征比较明显。另外, 从未增强件的压缩应力-应变曲线可以看出, 达到极限强度后, 到材料的致密化增强需要经过了一个比较长的平台阶段, 压缩变形较大。

图3为增强试件的压缩破坏模式。在压缩试验中, 当载荷达到某个值时试件开始不断地发出 劈啪 声, 这种响声一直持续到试件达到极限强度以后, 其原因是泡沫与Z -pin 之间的界面开裂或者极少部分Z -pin 被劈断而产生的声响。在夹芯厚度12 7mm 试件的中, 随着响声的出现应力-应变曲线也开始发生波动, 试件刚度下降。但是对于夹芯厚度为8mm 试件的试验中并没有出现这种现象, 当达到试件的极限压缩强度时, 随着一声较大的声响, 应

第4期Z -pin 增强泡沫夹层结构面压缩性能研究103

力迅速下降。对于夹芯厚度为12 7mm 的试件, 应力的下降幅度很大, 几乎是呈直线下降; 而对于夹芯厚度为8mm 的试件, 应力-应变曲线的下降是呈斜线。究其原因, 应该与Z -pin 体积分数有关, 8mm 试件Z -pin 体积分数大于12 7mm 试件, 而泡沫芯子中较大体积分数Z -p i n 的存在使其能更快地进入致密化阶段。

试件达到极限压缩强度前后, 试件侧面并没有观察到比较明显的裂纹, 而观察到边缘Z -pin 存在

屈曲现象, 这证实了文献[4]的结论, 即Z -pin 增强泡沫夹层结构的压缩强度不再是由泡沫控制而是由Z -pi n 的弹性屈曲控制。

图4比较了达到极限压缩强度后, 继续加压过程中未增强试件与增强件的侧面变形情况。未增强件的压缩变形比较平和, 侧面整体微微外鼓。增强件在继续施压过程中侧面开始出现一些裂纹, 并鼓出许多小包, 表明Z -pin 在泡沫中发生了屈曲甚至断裂。

的Cartie 等

[4]

认为, Z -p i n 的受压弹性屈曲控制着

2 Z -p i n 增强泡沫夹层结构的压缩强度

在Z -p i n 增强泡沫夹层结构的压缩试验中, 当材料达到极限压缩强度时观察到Z -p i n 的屈曲, 同时试件外侧面并没有明显的变形和泡沫开裂。剑桥

结构的压缩强度, 而泡沫可以看作是抵抗Z -p i n 屈曲的弹性基础, 但计算结果比试验值低。这是因为碳针两端存在有限转动而并不是完全无转动约束的铰支, 需要考虑这种转动约束效应对压缩强度的影响。

104航 空 材 料 学 报第28卷

为了将Z -pin 两端的有限约束考虑进去, 作者对弹性基础上的压杆屈曲模型进行修正, 并考虑到不可忽略Z -p i n 的体积分数较低时泡沫的压缩承载, 计及泡沫对压缩强度的影响。采用压杆在不同支承条件下计算屈曲载荷时修正计算长度的方法, 将T i m oshenko 给出的弹性基础上简支压杆屈曲载荷计算公式作如下修正:

[9]

P buc = 224( l) 2m +m (1)

其中, l 为Z -p i n 长度, E I 为Z -p i n 弯曲刚度。 为泡4

沫的弹性基础模量, 屈曲半波数m =

EI

称为约束修正系数, 其值大小反映面板对Z -pin 的约束情况, 与试件各组分材料性质、Z -p i n 植入面板长度和加工工艺等有关。

忽略Z -pi n 在泡沫中造成的应力扰动, 当Z -pin 达到屈曲强度时泡沫内的应力: 4E c P bus

c = d (2)

p E s c cos 其中, d p 为Z -p i n 直径, E c 为泡沫弹性模量, E s 为Z -

pi n 拉伸模量, c 为夹芯厚度。 这样有平衡方程: max

=A c

A buc cos + c

A

(3) 其中, A 为受压面积, A c 为泡沫的压缩面积, n 为大小为A 的压缩面积内的Z -p i n 数。

而Z -p i n 体积分数有关系式:2

f =

n d p

4A cos

(4)

将式(4) 代入(3), 并根据

A c

A

1, 最后得到Z -pi n 增强泡沫夹层结构的压缩强度为:

2

max =f p cos + c

(5)

其中, p =P bus /A p 为Z -pin 压缩失稳临界应力, A p = d 2

p /4为Z -pin 横截面积。

在上面的模型中, 有两个重要的参数:弹性基础模量 和约束修正系数 , 下面将分别予以讨论。 反映弹性基础上单位长度的杆件在单位横向变形下受到的基础反力。泡沫芯材的弹性基础模量

可以通过将钢针拉过泡沫的方法测量[4]

, 试验装置如图5。

将泡沫用钢针穿过后架在两个钢性垫块上, 在泡沫上加压,

加载速度为0 1mm /mi n , 记录载荷-位移曲线。弹性基础模量由下式计算: =

P

h c s

(6)

图5 弹性基础模量的测定F i g 5 M easurement o f founda tion m odul us

其中,

P

为载荷-位移曲线上直线段的斜率, h c 为泡沫厚度。

的数值大小反映面板对Z -p i n 的约束强弱, 根据欧拉屈曲理论, 其值应该介于0 5~1之间, 反映约束介于固支与铰支之间。 值的精确测量相对困难。由于 只与各组分材料性质、Z -pin 植入面板长度和试件加工工艺等有关, 而与泡沫芯材和Z -p i n 长度等其他因数无关, 如果采用化学或者物理的方法去掉Z -pi n 增强泡沫夹芯中的泡沫, 只留下面板与Z -pin 组成的空间网架结构, 可以在不改变面板对Z -pin 约束的情况下, 通过压缩失稳试验得到两端未知约束pin -core 的压缩失稳临界应力 max , 于是可以由式(7) 反算出 , 进而可以由式(5) 计算Z -p i n 增强泡沫夹层结构的压缩强度。

=

co s

l

m ax A p

(7)

反算出的 约为0 89左右, 表明Z -pi n 端的约束更接近铰支。

为了验证本文模型的合理性, 根据文献[4]中对挖去泡沫后Z -pin 与面板组成的空间网架结构的压缩试验数据, 计算Z -pin 增强泡沫夹层结构的压缩强度, 模型预测值与文献模型和试验结果的比较列于表3。

可以看出, 虽然改进模型的预测结果好于文献模型给出的结果, 但仍然低估了Z -p i n 增强泡沫夹层结构的压缩强度。这可能与弹性基础模量的准确性有关。同时, Z -pin 与泡沫之间的界面也有待进一步的研究。另外, 由于工艺等原因, 各Z -p i n 与面板之间的结合也存在一定差异, 得到的约束系数应该是一个平均的结果。

图6表明随着Z -pi n 体积分数的增大, 夹层结构的面压缩强度呈线性增加, 这与常识相符。同时, 压缩强度也随着Z -pi n 模量的增大而提高。图7表

第4期Z -pin 增强泡沫夹层结构面压缩性能研究

表3 压缩强度预测值与试验结果的比较/M P a

T ab l e 3 Compare o f co m pressi on predicted data and experi m ental resu lts

105

Core thickness/

mm

F oa m R ohace 31

Z-pi n

V o l u m e fracti on o f pi n /%

Exper i m enta l va l ues /M P a

11. 2

P redicti on results /M Pa R eference m odel

6. 329. 02m proved m ode l I

8. 811. 610R ohace 51T i pin 3 612. 5R ohace 31

C p i n

明Z -p i n 倾斜角度越大, 压缩强度越低。不同的泡沫芯材由于其对Z -p i n 的支承情况不同而影响夹层结构的压缩强度, Rohace ll 71W F 相比Rohacell 31I G

具有更大的模量和密度, 从而提高了受压Z -pi n 的弹性屈曲强度。

3 结 论

(1) Z -p i n 增强能够大幅地提高泡沫夹层结构的压缩性能, 使其从变形至破坏都有着与未增强件

不同的响应过程。

9. 5

6. 32

8.

6

(2) 通过引进约束修正系数, 对现有的Z -p i n 增

强泡沫夹层结构的压缩强度预测模型进行改进, 预测结果好于原有模型。

(3) Z -pi n 增强泡沫夹层结构具有良好的可设计性, 可以通过改变材料参数优化结构的压缩性能。压缩强度随着Z -p i n 体积分数、模量的增大而提高, 随着Z -p i n 倾角的增大而减小。参考文献:

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106航 空 材 料 学 报第28卷

Through -Thic kness Co mpression Properties of Z -P i n Rei nforce d Foa m Core Sandwich

DU Long , JI A O Gu-i q i o ng , HUANG Tao

(Schoo l ofM echan i cs and C i v il Constructi on , N orth w estern Po l y techn icalU n i v ers it y , X i an 710072, Chi na)

Abstrac t :A s a nove l sandw ich structures , Z-p i n re i nforced f oam co re sand w i ch can ov ercome t he li m itations o f trad i tiona l honeyco m b co re sand w i ch . A se ries exper i m ents we re carr i ed ou t t o i nvesti g ate t he responses o f Z -p i nned foam core sandw ich under co m pressi v e load i ng , i nc l ud i ng inc li na ti on ang les of 15 and 25 w it h foa m core thickness of 12 7mm and 8mm, and each group of t he m had a con -trasted one . Exper i m enta l resu lts show ed Z-p i nned f o a m core could re i nforce t he compress i on modu l us and strength o f sand w i ch m arkedl y, and had a defor m ati on and fa il ure m ap wh ich w as d ifferen t fro m unreinforced one under com pressi on . The th i ckness o f foam co re and i nc li nation ang le of pi n w ere dom i nated factors of co m pression strength , by i n fluencing t he effecti ve l eng th o f Z -p i n buck li ng . Considered the ac t ua l restr icti on o f face s heets , t he ex isti ng co m pression streng t h m ode lw as a m e li o ra ted by emp l oy i ng restr i ction co r -rection coe ffi c ient , m ade the pred icti on res u lts approach and agree better w ith the m easured results . K ey word s :sand w i ch ; Z-pi n re i n f o rced ; co m pressi on prope rti es

(上接第87页)

M icrowave Absorbi ng Prediction of Fe 3O 4/

Conductive Polyanili ne Nanoco mposites wit h Core -Shell Structure

HAN X iao , WANG Yuan -sheng

i ng , N ava lU n i ve rsity o f Eng ineer i ng , W uhan 430033, Ch i na)

1

2

(1. State K ey L aboratory of Po l ym erM a teria l s Eng ineer i ng of S i chuan U niversity , Chengdu 610065, Ch i na ; 2. D epa rt m en t of T rai n -

Abstrac t :In cons i dera tion o f the i nteracti ons o f F e 3O 4/conduc tive po l y an ili ne nanoco m pos ites w ith core -she ll struc t ure , the e ffective electro m agne tic pa rame ter for m ula o f the composite syste m was derived from the c l assica lM axw el-lG a rne tt f o r mu l a . The nu m erica l si m -u l ation resu lts show tha t the per m eability of the s u rround i ng m edia ( h ) i ncreases w ith the i ncreasing vo l ume fraction . The supe r -ex -change e l ectromagneti c coup li ng resonance phenomena o f the e l ec trom agnetic para m eter has m ade the m icrow ave absorb i ng structure w it h t he th i ckness o f 2mm reach the m ax i m u m m icrow ave a ttenuati on w hen the proporti on of core /shell i s 0. 6, and w ith t he i ncreas i ng vo l ume fracti on , t he m ax i m u m m icrow av e absorpti on peak i ncreases and shifts to lo w frequency . T he opti m izati on results show tha t the four -levelm icrow ave absorb i ng structure w it h volu m e fracti on of 0. 3has the opti m a l absorb i ng property and the m i n i m u m o f re fl ectiv i ty is -62dB .

K ey word s :core -she ll structure ; effecti ve e lectro m agnetic para m e ter ; m icrow av e absorbi ng property ; opti m izati on