碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层材料的埋件结构破坏形式分析

王 非，许文彬，周秀燕，王宝瑞

(1.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)(2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层材料的埋件结构破坏形式分析

王 非1，许文彬2，周秀燕1，王宝瑞1

(1.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)(2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109)

本文介绍了2种螺纹规格M3、M6埋件在碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层结构中受水平方向和垂直方向拉脱时的不同表现形式。通过对2种规格埋件垂直和水平方向加载测试可知：M3螺柱受载能力最弱，在水平拉力达到4 000N时，M3螺柱最先被剪断破坏。同时通过实验证实碳纤维蒙皮塑性变形优于铝蜂窝，但弱于屈服后的蜂窝结构。

蜂窝夹层结构；垂直/水平拉脱力；埋件；碳纤维蒙皮

1 引 言

碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层材料一般由碳纤维网格蒙皮板和铝蜂窝夹芯结构通过胶结而成。由于其比强度/比刚度高、质量轻，已经广泛应用到航天器的支撑和传递载荷的重要结构部件中，满足航天器中“轻型化、高承载”的要求[1-2]。而蜂窝中的埋件结构作为航天器设计中的连接部件，被认为主要承受拉脱力和剪切力，同时外界载荷也是通过埋件传递并且分散到整个蜂窝结构中。因此，埋件的结构直接影响碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层结构的可靠性和疲劳寿命[3-4]。对于夹层结构来说，埋件的存在会导致结构单元中产生分层、孔隙、富树脂等缺陷，因此作为一种缺陷因素，含埋件的碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层结构的失效机理非常复杂，要综合考虑种种因素。本文通过选择不同螺纹规格的埋件，水平和垂直2个方向对碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层材料进行拉脱实验，分析有着不同螺纹规格埋件的碳纤维蒙皮/蜂窝夹层材料的破坏形式，进而判断碳纤维蒙皮/蜂窝夹层结构中埋件在不同方向上受拉条件下的破坏形式以及破坏载荷[5]。

2 实验部分

2.1 材料

面板：碳纤维复合材料(M40JB/环氧)，厚度为0.4 mm；

芯材：铝蜂窝(HB5443-90)，铝箔厚度为0.04 mm，孔边长为5 mm，高为39 mm；

埋件：铝合金，内嵌M3、M6钢丝螺套；

胶黏剂：J-47系列。

2.2 碳纤维/铝蜂窝夹层材料制备

(1)加工铝合金埋件；(2)埋件表面磷酸阳极氧化处理；(3)蜂窝芯子用乙酸乙酯清洗；(4)胶结碳纤维蒙皮和铝蜂窝；(5)碳纤维蒙皮/铝蜂窝夹层材料在130℃下固化2h[6]。

2.3 测试方法

本实验采用垂直、水平2种测试方法进行拉脱力实验。

垂直/水平加载试验：对试件预加载1 KN，消除试验工装配合间隙对试验结果的影响，然后以2 mm/min的速度进行匀速加载，当载荷—位移曲线出现拐点时，作为拉脱试验破坏点，记录破坏载荷。试验工装见图1-2[7]。

3 结果与讨论

3.1 垂直拉脱力试验

M3、M6埋件进行垂直拉脱试验，载荷-位移曲线见图1-2，拉脱破坏载荷如表1所示。

图1 M3埋件垂直拉脱试验破坏载荷-位移曲线

图2 M6埋件垂直拉脱试验破坏载荷-位移曲线

根据测试结果可知，碳纤维蒙皮/铝蜂窝(蜂窝板)垂直拉脱试验的破坏形式主要为膨胀胶外侧铝蜂窝屈曲变形，上下蒙皮随蜂窝形变，但与蜂窝及埋件未出现脱粘情况，埋件正上方蒙皮纤维有时出现分层破坏状态。例如M6埋件1#蜂窝板在5 200 N载荷附近出现塑性变形拐点，膨胀胶外侧铝蜂窝屈曲变形，上下蒙皮随蜂窝形变，与蜂窝及埋件未脱粘，在5 577 N载荷时，埋件正上方蒙皮纤维分层破坏。由表1平均值比较可知，M3埋件拉脱力要小于M6埋件的拉脱力。上下蒙皮及蜂窝板整体破坏形式如图3-5所示。

表1 M3、M6埋件垂直拉脱试验破坏载荷

图3 埋件蜂窝板破坏形式剖视图

图4 埋件蜂窝板上蒙皮破坏形式

图5 埋件蜂窝板下蒙皮破坏形式

3.2 水平拉脱力试验

对M3、M6埋件进行水平拉脱试验，载荷-位移曲线见图6，拉脱破坏载荷如表2所示。

图6 埋件水平拉脱试验破坏载荷-位移曲线

项目M3M6拉脱力/N拉脱力/N1#1060043732#1322840583#1146229344#1216841065#147483908平均值124413336

根据水平拉脱试验结果可知，M6埋件的碳纤维蒙皮/铝蜂窝水平拉脱试验中破坏形式主要为膨胀胶开裂，单侧铝蜂窝屈曲变形，上下蒙皮与蜂窝及埋件未脱粘，埋件正上方蒙皮纤维有时会出现分层情况，例如M6埋件2#蜂窝板在13 228 N载荷附近出现塑性变形拐点，膨胀胶外侧铝蜂窝屈曲变形，上下蒙皮随蜂窝形变，与蜂窝及埋件未脱粘，正上方蒙皮纤维有时出现分层情况，如图7所示。而M3埋件的碳纤维蒙皮/铝蜂窝水平拉脱试验破坏形式主要是M3螺柱剪切破坏，而上下蒙皮与蜂窝及埋件未脱粘。

图7 M6埋件蜂窝板上蒙皮及剖面破坏形式

4 结 语

对M3、M6埋件的垂直与水平方向进行拉脱破坏测试结果表明：M3螺柱受载能力最弱，在水平拉脱试验中4 000 N左右最先破坏；铝蜂窝受载能力次之，在垂直拉脱试验中M3试件4 800 N左右发生屈服破坏，M6试件5 200 N左右发生屈服破坏，破坏载荷与埋件外沿膨胀胶的周长存在线形关系；第3薄弱的是膨胀胶结构强度，其在水平拉脱试验中12 000 N左右发生破坏。此外，在铝蜂窝发生屈服破坏后，部分蒙皮在螺纹孔附近发生分层破坏，这表明碳纤维蒙皮塑性变形优于铝蜂窝，但弱于屈服后的蜂窝结构。

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Failure Mode Analysis of Embedded Structure in Carbon Fiber Skins /Aluminum Honeycomb Sandwich Material

WANG Fei1, XU Wenbin2, ZHOU Xiuyan1，WANG Baorui1

(1.Harbin FRP Institute, Harbin 150036) (2.Shanghai Aerospace System Engineering Institute, Shanghai 201109)

The pull-out different forms of two kinds of M3 and M6 inserts in carbon fibers skin/aluminum honeycomb sandwich structure were tested. It was found that the M3 stud loading capacity was weakest, destroyed in the research of the level 4 000 N. At the same time, the experiment confirmed that carbon fibers skin plastic deformation is better than the core of aluminum honeycomb, but weaker honeycomb structure after yield.

honeycomb sandwich structure; horizontal/vertical pulling strength; inserts; carbon fibers skin

2015-01-17)

王非(1983-)，男，黑龙江人，硕士，工程师。研究方向：复合材料成型工艺技术。E-mail：15045016985@163.com.