嵌入式共固化缝合阻尼复合材料的力学性能

闫盛宇,梁森,郑长升,陈新乐,王玲

(青岛理工大学机械工程学院,266520,山东青岛)

树脂基纤维增强复合材料由于具有很高的比刚度、比强度以及优良的阻尼特性,近年来在高速列车、航空、航天等领域得到了广泛应用[1-5]。复合材料力学性能的可设计性又为其阻尼性能的进一步提高和结构的优化提供了广阔的空间。嵌入式共固化复合材料阻尼结构(ECCDS)是在传统树脂基纤维增强复合材料的基础上,把阻尼材料通过共固化的方式嵌入其中。目前的ECCDS有两种固化方式:一种是使用市售已硫化的橡胶片作为阻尼材料,并使用胶黏剂黏结,最后固化成型[6-8]。该固化方式只是使用胶黏剂把两种材料黏结在一起,已硫化阻尼材料在固化时受到高温高压作用后会返原老化,导致树脂层与橡胶层开裂。梁森等针对上述问题,通过研究并配制阻尼材料,提出了一种新的固化方式,即使用未硫化的阻尼材料直接与复合材料预浸料发生共固化,阻尼材料通过物理融合、化学交联与复合材料形成互穿网络结构长在基体树脂上,大大提高了黏弹性材料与复合材料的层间结合性能[9]。

然而,由于ECCDS层间剪切强度主要由阻尼层决定,在很多情况下阻尼层强度仍弱于基体树脂,导致该材料的应用范围受到限制。基于此,本文提出了一种嵌入式共固化缝合阻尼复合材料(ECSDC)。ECSDC是在ECCDS的基础上,用线状纤维对复合材料预成型体进行缝合,然后进行共固化而成。缝合后的复合材料进行共固化时,预浸料中的树脂会沿着缝合材料流动,待固化完成后,在复合材料板的法线方向上形成树脂和缝合材料的复合体,可有效增强复合材料的层间剪切强度和面外力学性能。本文还开发了ECSDC的制作工艺,完成了试件的加工,并对其进行了层间剪切试验、自由衰减试验和拉伸试验,得到材料的层间结合性能、阻尼性能与拉伸强度随针距的变化规律,可为对三向力学性能有要求的复杂受载大阻尼复合材料构件的广泛应用提供参考。

1 试验材料与制作工艺

1.1 ECSDC板制作材料的选择

本文选择的预浸料为玻璃纤维预浸料(型号HFS10,中国兵器工业集团第五三研究所),以酚醛树脂(型号93-68123,无锡欣叶豪化工有限公司)作为基体,E-玻璃纤维(型号EW210F-120,宏达玻璃纤维布厂)作为增强体,酚醛树脂的固化温度为165 ℃。黏弹性阻尼材料主要成分为丁腈橡胶(型号1072,丰源橡胶制品厂)、炭黑、白炭黑、防老剂、促进剂(型号分别为N330、T40、防老剂4020、橡胶促进剂TMTD,青岛金兰化工有限公司)等,通过调节阻尼材料的组分使阻尼材料的硫化温度曲线与酚醛树脂的固化温度曲线相吻合,最终达到共固化的目的[10-12]。缝合材料选择1500旦的Kevlar49纤维(型号220dtex,常州高远化工有限公司),Kevlar49纤维力学性能良好,并且具有耐高温性能。缝线为三股纤维编织而成,Kevlar49纤维密度为1.44 g/cm3,纤维横截面积为0.12 mm2[13-14]。

1.2 ECSDC板的制备工艺

1.2.1 阻尼材料的制作 按照阻尼材料的预定组分量取材料,利用密炼机把所用材料混合均匀,混炼出胶料。为了方便阻尼材料的溶解,把混合好的胶料放在开炼机上压成厚度大约为1 mm的薄片。

1.2.2 阻尼材料的溶解 把炼制好的阻尼材料薄片剪成小碎片,然后把四氢呋喃(型号109-99-9,国药集团化学试剂有限公司)与阻尼材料按照7∶1的质量比放在烧杯中进行溶解。为了使阻尼材料溶解完全,使用玻璃棒多次搅拌,最后密封烧杯口放入阴凉处保存,期间每4 h搅拌一次,直至阻尼材料彻底溶解。图1为处理好的阻尼材料与制备完成的阻尼材料溶液。

图1 阻尼材料与阻尼材料溶液

1.2.3 刷涂阻尼薄膜与复合材料的缝合 把溶解好的阻尼胶浆用齐头软毛刷均匀地刷涂在复合材料预浸料上。多次试验探索发现,由于阻尼材料与四氢呋喃的混合比例是固定的,只要控制好刷涂速度,每刷涂一层阻尼胶浆,晾干后的厚度即为0.025 mm,本文制作的试件阻尼层厚度为0.1 mm,需要刷涂4次。刷涂过程中采用双面刷涂的方法,每刷涂一次之后,需要等待2～3 h,直至四氢呋喃完全挥发后再进行下一次刷涂。刷涂好的复合材料采用正交铺层合并在一起。

现有缝合方法主要分为单面缝合与双面缝合,其中双面缝合又分为锁式缝合、改进锁式缝合与链式缝合。结合现有试验条件与各种缝合法的特点,最终选择采用改进锁式缝合法。保持行距为10 mm不变,针距分别为8、10、12、14、16 mm。图2为刷涂与缝合完成后的复合材料预成型体。

图2 复合材料的刷涂与缝合

1.2.4 抽真空与材料的共固化 为保证共固化后的效果,首先利用真空泵把复合材料预成型体内的气体抽出,以减少固化后试件的缺陷。利用真空袋与密封胶把缝合好的复合材料预成型体密封好,通过三通管把真空袋内的气压保持在-0.1 MPa以下,把预成型体内的空气排出。

把抽完真空的复合材料预成型体取出放入热压罐内进行共固化,其共固化工艺过程如图3a所示,具体为:升、降温速率为3.5～4.5 ℃/min,25 min后从室温升温到130 ℃,加压至0.5 MPa,并在该温度和压力下保持30 min;然后在20 min内升温到165 ℃,维持当前温度和压力2 h;结束后释放压力,并在40 min内降温到室温,取出试件。图3b为共固化后的ECSDC板。

(a)共固化工艺曲线

(b)共固化后的ECSDC板图3 共固化工艺曲线和共固化后的ECSDC板

1.3 层间剪切测试

为了检测ECSDC板的层间结合性能,设计双切口剪切试验试件,试件分为5组,针距分别为8、10、12、14、16 mm,每组5个试件,并取试验数据的平均值作为评估剪切强度的依据。试件的规格为25 mm×150 mm×2.1 mm,其中阻尼层厚度为0.1 mm。高铁拉力测试机(GT-TCS-2000)的拉伸速度为2 mm/min,断裂敏感度设为95%。图4为剪切试件及其装夹结构。

图4 剪切试件及其装夹结构

1.4 自由衰减试验

为研究嵌入式共固化缝合复合材料结构阻尼性能随缝合参数的变化规律,采用自由衰减试验对其进行测试。主要试验仪器为B&K公司的激振力锤、pulse、数据处理软件pulse-reflex以及上海欧多公司的位移传感器,型号分别为8206-002、4524-B004、3560B。边界条件为一边固支,在自由衰减测试系统中,缝合梁试件尺寸为25 mm×250 mm×2.1 mm,缝合针距分别为8、10、12、14、16 mm,每组5个试件,取平均值作为最终结果。

1.5 拉伸破坏试验

为了探究弹性模量与拉伸破坏应力随针距的变化规律,使用万能拉伸试验机对试件进行了拉伸测试。试件的规格与上述自由衰减试件规格相同。为了探索缝合后的试件与缝合前试件拉伸强度的关系,拉伸试验增加一组未缝合试件作为对比。试验所用仪器为100 kN微机控制电子式万能试验机,型号为WDW-100E,分别对同一组的5个试件进行测试。

2 结果与分析

2.1 ECSDC层间剪切试验测试结果及分析

图5为层剪破坏的应力应变图,图中实线是缝合针距为16 mm试件A的层间拉伸应力应变曲线,虚线为未缝合试件B的层间拉伸应力应变曲线。通过计算得知,试件A的层间结合强度为6.12 MPa,试件B的层间结合强度为5.17 MPa。由图可知:缝合后试件的层间最大剪切应力明显增大,而且有第二峰值,强度为1.76 MPa。缝合后的试件在共固化时,树脂会随着缝线填充针孔,最终固化形成树脂钉。树脂钉的存在导致了最大剪切应力的第一峰值增大,而缝线本身则形成曲线的第二峰值,该特性可以保证零件在彻底发生层间破坏之前存在破坏预警,有重要的实际意义。

图5 层剪破坏的应力应变图

图6为层间结合强度随针距的变化曲线。由试验数据可得,ECSDC试件的层间结合强度为6.12～7.91 MPa。随针距增大,试件的层间最大剪切强度减小,即缝合后形成树脂钉的密度影响了ECSDC试件层间剪切强度。从图中误差可看出,试验数据波动并不大。当针距为8 mm时,平均层间结合强度最大为7.91 MPa,比未缝合的试件增加了2.74 MPa,性能高于国内外同类阻尼复合材料的层间结合强度。文献[7]中未缝合橡胶夹芯层合板的最大层间结合强度为2.41 MPa;文献[15]中缝合的复合材料泡沫夹层结构的层间结合强度为0.898～1.133 MPa。

图6 层间结合强度随针距的变化曲线

2.2 ECSDC阻尼测试结果及分析

在自由振动衰减试验中使用最小二乘法对离散时域信号进行拟合,从而使试验精度更高。

图7为相对阻尼比随针距的变化曲线,当阻尼层厚度为0.1 mm时,ECSDC的相对阻尼比在2.16%～2.92%,试验数据的标准差小于0.093。从图7可知,ECSDC的相对阻尼比要小于ECCDS的,未缝合试样相对阻尼比为3.25%,缝合针距为8 mm时相对阻尼比为2.16%,缝合针距为16 mm时相对阻尼比为2.92%。随着针距增大,相对阻尼比增大。其原因在于缝针穿过阻尼层,在阻尼层留下针孔,导致阻尼层的黏弹性材料相对面积减小和相对阻尼比降低。在实际应用时,应综合考虑工作环境对ECSDC的性能要求,以确定合适的针距。与国内外其他橡胶夹芯复合材料相比,该结构有着较为优越的阻尼性能。文献[16]以丁苯橡胶为夹芯、以玻璃纤维为上下面板进行缝合,橡胶夹芯层厚度为2 mm,最大阻尼比为2.72%,而本文中橡胶层厚度为0.1 mm,最大阻尼比为2.92%。

图7 相对阻尼比随针距的变化曲线

2.3 ECSDC拉伸破坏试验结果与分析

图8为ECSDC结构拉伸强度随针距的变化曲线,由试验数据得到ECSDC的拉伸强度为412.9～427.4 MPa,图中误差棒所代表的标准差小于7.9 MPa。

图8 不同针距下ECSDC的拉伸强度

从图8可知,缝合后的ECSDC试件与未缝合试件相比,最大破坏应力有一定程度减小,随着针距增大,ECSDC的最大破坏应力增大。这是因为缝针会少量破坏复合材料中的纤维,因此在不改变缝线行数的情况下,针距越大被破坏的纤维数量越少,拉伸最大破坏应力越大。

3 结 论

嵌入式共固化缝合阻尼复合材料能提高ECCDS的层间结合性能与拉伸性能,并实现阻尼各向异性,具体结论如下。

(1)从层间剪切试验结果可知,缝合后的ECSDC试件其层间结合性能与未缝合的相比有明显的提高,且缝合后的试件有二次剪切峰值。随着针距的增大,ECSDC的层间结合性能变差。

(2)从ECSDC的自由衰减试验可知,缝合后ECSDC的相对阻尼比要小于未缝合的,随着针距的增大,其相对阻尼比随之增大。

(3)从材料的拉伸破坏试验结果可知,缝合后ECSDC试件的拉伸强度要比未缝合的小,随着针距的增大,其拉伸强度随之升高。