轻质夹层结构复合材料的制备及性能

张乔斌，李 浩，昌放辉

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033;2.海军92854部队，广东 湛江 524005)

轻质夹层结构复合材料的制备及性能

张乔斌1，李 浩1，昌放辉2

(1.海军工程大学，湖北 武汉 430033;2.海军92854部队，广东 湛江 524005)

为减轻以往夹层结构复合材料的密度，采用高强玻璃钢材料作为表层、多种空心玻璃微珠填充聚氨酯改性环氧树脂合成的轻质吸声材料作为芯材，制备了一种新型的轻质夹层结构复合材料，对夹层复合材料的制备工艺进行设计，并研究其水声性能和力学性能。结果证明，以南京玻纤院的S2高强织物采用真空成型合成的玻璃钢作为表层材料和轻质聚氨酯改性环氧树脂材料作为芯材来制作的夹层结构复合材料具有重量轻、水声性能和力学性能优良的特点，在降低夹层结构复合材料重量的同时，具有良好的声隐身性能和承载性能，更有利于工程应用。

复合材料;夹层;轻质;空心玻璃微珠;水声性能;力学性能

0 引言

国外把三明治夹层复合材料用于水下吸声结构，已有近40年时间［1］，应用部位也由原来的舵、稳定翼等附体结构，发展到了潜艇非耐压壳体等主要结构上［2］。夹层结构吸声材料集承载与吸声功能于一体，具有很强的可设计性，成型工艺方便。随着技术的进一步成熟，为解决吸声覆盖层的脱落问题，可以直接使用夹层复合吸声结构来代替原有的“钢板+消声覆盖层”结构［3－5］。因此，夹层复合材料结构已成为未来水下吸声结构的发展趋势之一［1］。

海军工程大学采用夹层复合材料结构代替钢质舵壳板，研究了一种夹层复合材料空心舵结构［3－5］，该结构的芯材为聚氨酯材料，取得了较好的声隐身效果。美海军使用的玻璃纤维增强复合材料夹层薄板结构被认为是未来发展的一种趋势［6］，但以往研究的夹层结构复合材料的芯材密度较大，使用受限。

本研究高强耐压材料作为表层、多种空心玻璃微珠填充聚氨酯基树脂合成的轻质吸声材料作为芯材，制备了一种轻质的夹层结构复合材料，对夹层复合材料的制备工艺进行设计，并研究其水声性能和力学性能。

1 实验部分

1.1 主要原料和试剂

乙烯基酯树脂(3201):工业级，上海光华树脂厂;聚氨酯改性环氧树脂:工业级，湖北京山北化复合材料厂;高强玻璃纤维:南京玻璃纤维研究设计院和253厂;空心玻璃微珠:10～600 μm，秦皇岛秦皇玻璃微珠有限公司;过氧化甲乙酮、环烷酸钴:A.R.试剂，上海光华化学试剂厂;硅烷偶联剂:KH－550，南京曙光化工厂;固化剂593:武汉市江北化学试剂厂。在使用前，乙烯基酯树脂、聚氨酯改性环氧树脂等进行真空除水处理备用;空心玻璃微珠用偶联剂KH－550进行表面处理后在真空烘箱中进行干燥除水。

1.2 表层材料制备

鉴于玻璃纤维增强复合材料(玻璃钢)的优越性能和使用范围越来越广［5］，因此夹层结构的表层材料定为玻璃钢。玻璃钢的合成原料和制备方法有很多种，本试验采用253厂S2高强织物和南京玻纤院的S2高强织物2种玻纤材料，以3201乙烯基树脂为基体，加入稀释剂、固化剂和促进剂并采用手工和真空成型2种方法制备玻璃钢。

1.3 芯材合成

1 .3 .1 原料选取

在芯材合成方面，鉴于空心玻璃微珠为球形薄壳颗粒，具有质轻，能有效降低材料的密度，提高比强度和机械性能，并具有孔隙率低，填充量高和微波吸收性能等优点，对高分子材料的阻尼性能也有优良的改性效果［7］，并且当声波入射后，声波会与微珠产生相互作用，延长了其在基体中的传播路径，增强基体对声波的衰减性能。由于空心玻璃微珠存在空腔谐振吸声，与基体之间可产生微相分离，从而增强了材料的吸声性能［8］。聚氨酯基树脂具有机械强度高、电绝缘性能优良、稳定性好等一系列优点，与固化剂作用后可形成三维网络结构，具有良好的阻尼性能［8］。考虑到声波的频段对微珠的粒径具有选择性，所以本研究采用粒径不同的多种空心玻璃微珠混合填充聚氨酯基树脂合成吸声芯材。

1 .3 .2 合成过程

先将称量好的聚氨酯基树脂适当加温并与KH550搅拌均匀，再加入593固化剂，最后按计量加入玻璃微珠以及自制的增韧剂、分散剂和消泡剂，采用适当的分散工艺使微珠在树脂基体中充分分散，引发交联并进行抽真空处理，然后倒入模具中，采取先下层后上层的分层浇注方法(其中上层玻璃微珠填料含量是下层的1/2)，下层浇注0.5 h进行上层浇注，然后在常温下固化24 h，脱模后放入一定温度的烘箱中进行后固化处理2 h得到芯材。实验中加入玻璃微珠粉后，要注意低速搅伴，避免将微珠打破，上下层比例为1:3。所合成芯材的相对密度为0.8±0.05。

1.4 试样制备

1 .4 .1 表层玻璃钢试件制备

按第1.2节中方法制备玻璃钢试样，制成试样并编号(针对生产厂家、手工和真空成型，试样分别编号为253－SG，NJ－SG，253－ZK和NJ－ZK)。各试样的规格、铺层总数、工艺、含胶量和厚度等参数见表1。

表1 试样的规格及参数Tab.1 Specifications and parameters of specimen

试件的制作按照 GB1446－83，GB1447－83和GB1449－83的相关标准实施，其中拉伸试件的形式及尺寸如图1所示。

图1 表层材料拉伸试件形状及尺寸Fig.1 The shape and size of surface material tensile specimen

1 .4 .2 芯材试件制备

按照试验所需制备的试样有:①声学性能测试试样，试样形状为圆柱形夹层结构，直径56.2 mm，芯材厚度25 mm，上下表面各贴4 mm厚玻璃钢;②压缩性能测试试样，可分为2种形状，一为方形块体40 mm×40 mm×60 mm，一为圆柱形直径50 mm、高60 mm;③拉伸性能测试试样，同图1中玻璃钢试样形状和尺寸;④剪切性能测试试样，为方形条状体，截面尺寸8 mm×8 mm。各试样形状如图2所示。

图2 芯材的测试试样Fig.2 The test specimen of core

1 .4 .3 夹层结构复合材料平板制备

采用在芯材表面贴附玻璃钢的方法来制备夹层结构复合材料平板试件，试件表层玻璃钢厚度为4 mm，芯材厚度为25 mm，板子整体尺寸为600 mm×560 mm×33 mm。

1.5 水声性能测试

按标准GB/T 14369－93在中船重工第七一五研究所国防水声测量一级站的脉冲声管中分别测量试样的声压反射系数R和声压透射系数T，然后计算出吸声系数α。测试前为更好地测量试样的声学参数，所有试样在水中浸泡24 h以上。

1.6 力学性能测试

表层玻璃钢材料的拉伸、弯曲和冲压式剪切性能按照GB1446－83标准测试;玻璃钢的面内拉伸常数(弹性模量ET、泊松比v、强度XT和断裂伸长率δb)和面内剪切常数(剪切模量G、剪切强度S)按照GB1446－83，GB/T 1447－83和 GB 3355－82标准进行测试;芯材的拉伸、压缩、剪切等力学性能和夹层结构复合材料的强度测试参数按照GB/T 2567－1995，GB/T 2568－1995，GB/T 2569－1995和GB1450.2－83标准进行测试。前3种试验测试均采用西安力创计量仪器有限公司生产的WDW－100型电子万能试验机;夹层结构复合材料夹板的强度采用均布载荷静压测试，其中位移测量采用CW－YB－2A位移传感器，量程10 mm，测试精度0.02 mm。

2 结果与分析

2.1 表层玻璃钢材料的制备工艺对其力学性能影响

表层玻璃钢材料的拉伸、弯曲和冲压剪切试验测试结果(均为多次测试后的平均值)如表2所示。

表2 玻璃钢试样力学性能试验结果Tab.2 Test results of mechanical properties of GFRP specimen

由表2可知，就工艺而言，真空成型较手工成型的材料拉伸性能(包括拉伸强度，拉伸弹性模量)有所提升，弯曲性能(包括弯曲强度和弯曲弹性模量)则有所下降，而冲压剪切性能，手工成型时试件冲压剪切强度比真空成型时低。考虑到夹层结构复合材料形式和横向承载特性，并且真空成型所制玻璃钢板性能要较手工成型均匀稳定，其相对密度可以稳定在1.7左右(含胶质量分数约30%)，所以表层玻璃钢制作工艺确定为真空成型。

对于玻纤材料而言，南京S2玻纤织物的综合性能比253厂S2玻纤织物具有明显优势，所以玻璃纤维选用南京玻纤院生产的S2玻纤织物。另外要说明的是:在本次测试试件的制作过程中，真空成型试件表面存在一层富集树脂层(厚度0.3～0.5 mm)，在测试时没有磨平，从而对真空成型试件的强度测试结果造成了一定影响，使整个体系测量的平均强度值偏低。

综合考虑以上特点后，确定表层玻璃钢合成的技术方案为:南京玻纤院生产的S2玻纤织物为增强体，3201乙烯基树脂为基体，制作工艺为真空成型。以下实验所用到的玻璃钢均采用此方案制作。

采用上述方案所制备的玻璃钢的面内拉伸常数和面内剪切常数的测试结果如表3所示。

表3 表层材料的基本力学性能参数Tab.3 Mechanical properties parameters of surface materials

由表3可知，本文所制备的玻璃钢具有非常优异的力学性能。同时，通过对试验数据的离散系数进行分析可知，所得到的表层材料基本力学常数(强度、断裂延伸率和剪切强度、泊松比和剪切模量)基本稳定，离散系数均在0.015～0.1之间，可以满足工程设计和数值仿真计算的要求。

2.2 芯材的合成配方对其力学性能的影响

本研究的夹层结构复合材料的主要结构特点是:表层玻璃钢的强度和模量都大于吸声芯材，其力学性能参数相对恒定;而吸声芯材的力学参数可随组分的变化进行适度的调整;另外，芯材的厚度大于表层材料的厚度。针对这类结构形式，文献［5］中作了较为详细的分析，认为对于芯材较厚而表层厚度相对较薄的夹层结构，主要由芯材承受变形引起的横向剪应力，且最大剪应力出现在夹芯层的中心位置。因此，夹层结构芯材的力学性能参数对夹层结构的力学性能影响很大。根据芯材的应力状态，其拉伸、压缩、剪切等力学性能测试结果见表4。其中配方II是在配方I的基础上添加了一定量的短切纤维进行改性。

由表4可知，2种配方的剪切强度相近，配方I芯材的压缩强度和拉伸强度相对较好，但其压缩模量和拉伸模量也较大，刚性较大;在测试过程中发现，配方Ⅱ的芯材力学参数(强度、失效应变、弹性模量、泊松比及剪切强度)的准确度及稳定性良好，除拉伸性能波动较大外，其他数据的离散系数均小于0.1，其精确度可以满足工程和计算需要，本研究选用配方Ⅱ的芯材。

2.3 夹层结构复合材料的水声性能

芯材对夹层结构复合材料的声学性能影响较大，以PUEP配方Ⅱ制作芯材，并用其制作夹层结构声学测试试件，在脉冲声管中测试其水声性能，测量结果如图3所示。

从图3可以看出，在吸声芯材厚度只有25 mm的情况下，夹层结构复合材料的综合水声性能良好，在10 kHz以上频段内，吸声系数都在0.4以上;在20 kHz以上频段内，吸声系数在0.8左右，具有较好的水下声隐身性能。

图3 夹层结构复合材料的反射系数和吸声系数频谱Fig.3 Sound reflection coefficient and sound absorption coefficient spectra of sandwich composite

2.4 夹层结构复合材料平板的力学性能

采用上述的表层材料和芯材制作了夹层结构复合材料平板，整板面密度在37 kg/m2左右，具有质轻的特点，并对其进行了强度测试，测试结果和Abaqus理论计算结果见表5。

表5 夹层结构复合材料板强度的测试和理论计算结果Tab.5 Test and theoretical calculation results of strength of sandwich structural composite plate

由表5可知，当均匀载荷为93.75 kPa时，板子的挠度为6.96 mm;当均匀载荷为104.17 kPa时，板子的挠度为7.83 mm.与理论计算结果相比，测试结果偏大，可能是因为板子加工时，表层材料和芯材加工工艺以及二者的粘结工艺都不够理想所致。由表5还可知，卸载后复合材料平板基本可恢复原状，板子表面无明显变形，证明该复合材料板可以满足正常的力学安全需求。另外，本研究还在该板中央加载了100 kg、作用面积250 cm2(0.04 MPa)的集中载荷，以测试板子的刚度，挠度的测量值是0.56 mm，而在该工况下，理论计算的最大安全挠度6.6 mm，也符合安全要求。该力学实验证明了本研究关于夹层结构复合材料的设计是合理的，可以满足承载的要求。

表4 芯材的力学性能参数测试结果Tab.4 Test results of mechanical properties parameters of core

3 结语

为降低夹层结构复合材料的密度，对夹层结构的表层材料和芯材进行了设计与研究，主要结论:

1)采用南京玻纤院的S2高强玻纤织物为增强体、3201树脂为基体，真空成型的玻璃钢具有非常优异的力学性能，可作为夹层结构复合材料的表层材料;

2)空心玻璃微珠填充聚氨酯基树脂可以降低所制备材料的密度并具有较好的力学性能;可以作为夹层结构复合材料的芯材;

3)以玻璃钢为表层材料，轻质聚氨酯基材料为芯材的夹层复合材料具有质轻、水下声隐身性能和力学性能优良的特点。

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Preparation and performance of lightweight sandwich composite

ZHANG Qiao-bin1，LI Hao1，CHANG Fang-hui2
(1.Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2.Naval Unit NO.92854，Zhanjiang 524005，China)

To alleviate the density of the sandwich composite，a new light sandwich composite was prepared using high-strength glass fiber-reinforced composite materials as the surface and light polyurethanemodified epoxy resin absorption material as the core which was synthesized from a variety of hollow glass microsphere and polyurethane-based resin.The preparation，underwater acoustic property mechanical property of sandwich composite were study.The research results showed that the sandwich composite has a low density，excellent underwater acoustic property and mechanical properties using GFRP synthesized from the S2 high-strength glass fiber fabric of Nanjing Institute as the surface material and light polyurethanemodified epoxy resin material as the core.This sandwich composite has a good bearing property and underwater sound stealth property while the weigh of the sandwich structure was reduced.This light sandwich structure must be more conducive to engineering applications.

composite;sandwich;lightweight;hollow glass microsphere;underwater acoustic property;mechanical property

O327

A

1672－7649(2011)12－0129－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.031

2010－12－15;

2011－02－25

张乔斌(1972－)，男，硕士，工程师，主要从事舰船动力维修保障以及船用材料的应用研究。