【文章內(nèi)容簡介】 模擬以及增強(qiáng)技術(shù)等。隨著計(jì)算機(jī)分析軟件的發(fā)展，用有限元分析軟件來模擬預(yù)測(cè)夾層結(jié)構(gòu)的破壞過程成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向，也具有及其重要的實(shí)用價(jià)值，如果能夠正確 評(píng)估復(fù)合材料泡沫芯夾層結(jié)構(gòu)的破壞，就可以為夾層結(jié)構(gòu)的檢修更換提供依據(jù)，也能為設(shè)計(jì)師提供參考數(shù)據(jù)，對(duì)于了解復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限很重要，所以具有較大的工程意義。 低能量沖擊損傷是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)用中經(jīng)常遇到的主要損傷形式 [8]。相對(duì)于中、高能量的沖擊，低能量沖擊損傷對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的危害更加致命。高能量和中等能量的沖擊可以在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面造成明顯或易見的損傷，相對(duì)容易檢測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行維修；低能量沖擊往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生目視不可檢的內(nèi)部損傷，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面沒有損傷，或只有輕微的壓痕，而內(nèi)部已產(chǎn)生 大量的基體開裂和大面積的分層擴(kuò)展，有時(shí)還伴有少量纖維斷裂 [57]。這些目視不可檢的內(nèi)部損傷將使層合板的力學(xué)性能嚴(yán)重退化，其結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度會(huì)大幅度下降，其中剩余壓縮強(qiáng)度 (CAI)下降尤為顯著，甚至達(dá)到 60％以上 [9]。在日常飛機(jī)、船舶、汽車等維護(hù)檢測(cè)時(shí)，低能量沖擊損傷往往難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、修理，從而引發(fā)突然事故，給它們安全留下致命的隱患。此外，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)低能量沖擊損傷后的剩余強(qiáng)度評(píng)估、疲勞壽命分析，以及結(jié)構(gòu)的日常檢測(cè)維護(hù)與損傷修復(fù)等問題，也都要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開深入的研究工作。 因此，研究復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低 能量沖擊損傷問題具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 國內(nèi)外 相關(guān) 研究 進(jìn)展 復(fù)合材料的沖擊損傷研究開始與上世紀(jì)七十年代，在八十年代逐步得到發(fā)展 [13]。至今，已有許多研究者針對(duì)復(fù)合材料低能量沖擊損傷問題進(jìn)行了研究，并取得了一定的進(jìn)展。 不少研究者提高耐沖擊性能的主要措施是通過對(duì)填料的選擇和表面進(jìn)行改性來提高復(fù)合材料抗沖擊性能。填料改性是對(duì)表面性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，賦予其新的功能，開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，提高工業(yè)價(jià)值和附加值的重要技術(shù)手段之一 【 10】 。 填料改性是為了改變填料表面原有的性質(zhì)（親油性、吸油率、浸潤性、混合物 粘度等），改善礦物填料與有機(jī)聚合物的相容性以及加工流動(dòng)性，提高填料／樹脂相界面之間的結(jié)合力，促進(jìn)復(fù)合材料物理機(jī)械性能的提高，使非功能填料轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芴盍稀? 提高增韌不飽和聚酯樹脂的綜合性能，使不飽和聚酯樹脂增韌朝著功能化、精細(xì)化、高性能化的方向發(fā)展，一直是不飽和聚酯樹脂增韌研究的主要方向。增韌改性途徑：改南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 變不飽和聚酯樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)有其局限性；彈性體增韌雖然可以提高沖擊強(qiáng)度，但其它性能如拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、耐熱性能有所下降，這兩種改性途徑存在的缺陷，使不飽和聚酯樹脂增韌改性的發(fā)展受到一定影響。無機(jī)物特別是納米材 料增韌，不僅起到增強(qiáng)增韌的效果，并且還可改善不飽和樹脂聚酯耐磨、水、酸堿等性能；互穿聚合物網(wǎng)絡(luò) (IPN)[11]的增韌是不飽和聚酯樹脂增韌新的較有效的方法，它可增加基體與添加相之間的作用力和相容性，不僅有利于增韌，還賦予不飽和聚酯樹脂其它優(yōu)異性能，這兩種改性途徑是不飽和聚酯增韌發(fā)展趨勢(shì)。 不飽和樹脂屬熱固性樹脂，需在固化劑的作用下形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)才能獲得其特有性能。但在固化交聯(lián)時(shí)，因體積收縮會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力和不同材料熱膨脹系數(shù)之差而產(chǎn)生熱應(yīng)力 【 12】 。這些內(nèi)應(yīng)力往往被束縛在樹脂與填料界面上，導(dǎo)致固化物內(nèi)部產(chǎn) 生微裂紋，使得不飽和樹脂固化物的抗沖擊性能變差，耐熱沖擊和斷裂韌性降低。因此，消除不飽和樹脂固化物的內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品的韌性和抗開裂性能，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外許多高分子材料專家一直在致力于不飽和樹脂改性的研究，并已取得顯著的成果，相繼開發(fā)出許多用于改性不飽和樹脂的改性劑產(chǎn)品，已成為改性不飽和樹脂的主要手段。 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)是飛行器、船舶工業(yè)、汽車工業(yè)等常用的結(jié)構(gòu)形式，但由于夾層結(jié)構(gòu)的層間性能和抵抗低速?zèng)_擊性能較弱，在低速?zèng)_擊載荷的作用下，會(huì)造成面板基體開裂和纖維斷裂、夾芯壓塌、面板和芯材間的界 面脫膠等多種失效，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)承載能力的下降。通過對(duì)復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的低速?zèng)_擊及沖擊后含損傷的夾層結(jié)構(gòu)在壓縮載荷作用下?lián)p傷擴(kuò)展的全過程進(jìn)行模擬研究，預(yù)測(cè)分析夾層結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊后的剩余壓縮強(qiáng)度。沖擊損傷的剩余強(qiáng)度問題，是目前復(fù)合材料損傷容限研究領(lǐng)域中，最為人們關(guān)注的研究課題。人們對(duì)沖擊后剩余強(qiáng)度的研究主要基于 4 種方法：（ 1）軟化夾雜法，即將沖擊損傷等效為規(guī)則形狀的軟化夾雜，然后采用基于各種破壞準(zhǔn)則的點(diǎn)應(yīng)為或平均應(yīng)力判據(jù)確定板的失效強(qiáng)度；（ 2）子層屈曲法，將沖擊損傷看做大小不同的多個(gè)規(guī)則形狀的分層，認(rèn)為壓縮破 壞過程是各個(gè)子層不斷發(fā)生屈曲失效的過程，當(dāng)所有的子層都屈曲時(shí)，層板發(fā)生破壞；（ 3）開口等效法，用一個(gè)圓孔或橢圓孔取代沖擊損傷，之后用孔斷裂韌性判據(jù)來判斷板的破壞；（ 4）損傷累積法，利用動(dòng)態(tài)有限計(jì)算層板的沖擊損傷的剛度下降，作為板的初試損傷，用損傷累積法模擬板的壓縮破壞過程，并計(jì)算剩余壓縮強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)的損傷尺寸隨沖擊能量的增加而增大，殘余凹痕深度也隨之增加，而其剩余壓縮強(qiáng)度隨著沖擊能量的增加而降低。正確評(píng)估復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的破壞，就可以為夾層機(jī)構(gòu)的檢修和更換提供依據(jù)，也能為設(shè)計(jì)師提供參考數(shù)據(jù)，對(duì) 于了解復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的損傷容限很重要，為泡沫夾層結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用提供了有效方法。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 研究內(nèi)容 本課題主要研究內(nèi)容： （ 1）以不飽和聚酯樹脂為基體材料、玻璃纖維為增強(qiáng)材料，采用手糊成型工藝制備復(fù)合材料面板，以聚氨酯泡沫塑料為夾芯，制備復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣； （ 2）采用落球式?jīng)_擊試驗(yàn)儀測(cè)試試樣的沖擊性能； （ 3）采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試沖擊后試樣的壓縮強(qiáng)度； （ 4）分析不同規(guī)格復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣的破壞機(jī)理； （ 5）制備具有良好耐沖擊性能的復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)試樣。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 2 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)儀器和原料 本實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)儀器和藥品分別列于 表 01 和 表 02 中。 表 01 實(shí)驗(yàn)儀器 儀器名稱 型號(hào) 生產(chǎn)廠家 電子天平 YP20xx1 上海光正醫(yī)療儀器有限公司 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī) WDW500 上海華龍測(cè)試儀 器有限公司 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī) 自制 超聲波探傷儀 CTS26 廣東汕頭超聲電子股份有限公司 表 02 實(shí)驗(yàn)藥品 材料名稱 型號(hào)（規(guī)格） 生產(chǎn)廠家 不飽和聚酯樹脂 191 南京永祥化工有限公司 過氧化甲乙酮 AR 南京永祥化工有限公司 環(huán)烷酸鈷 AR 南京永祥化工有限公司 玻璃布 九江市江南玻璃纖維有限公司 甲基硅油 201（ CS） 杭州鍇德化工有限公司 聚氨酯 A 組分 南京 永祥化工有限公司 聚氨酯 B 組分 南京永祥化工有限公司 復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的制備 本實(shí)驗(yàn)制備不同規(guī)格的復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)，選取玻纖含量為 33%和玻纖含量為 25%兩種玻纖含量不同的復(fù)合材料板，制備發(fā)泡率為 60%、 70%、 80%、 90%、100%的泡沫夾層結(jié)構(gòu)，用復(fù)合材料板與聚氨酯 泡沫以不飽和樹脂作為膠黏劑 制成多種不同的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)試樣。 制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的配方（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）：蔗糖聚醚和聚醚二醇， 100；催化劑， ；發(fā)泡劑， 8；泡沫穩(wěn)定劑， 2； PAPI， 115；玻璃微珠， 0~15。在配方中，前 4 項(xiàng)稱為 A 組分， PAPI 稱為 B 組分。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 由于樹脂固化受外界溫度的影響較大，實(shí)驗(yàn) 樹脂 基體配比比例隨溫度變化而變化， 在本文研究進(jìn)行過程中，結(jié)合工作環(huán)境的溫度狀態(tài)，經(jīng)過大量凝膠實(shí)驗(yàn)確定了不飽和聚酯樹脂的配方，如 表 23 所示。 表 23 不飽和聚酯樹脂配方（質(zhì)量份） 不飽和聚酯樹脂 /g 引發(fā)劑（過氧化甲乙酮） /g 促進(jìn)劑（環(huán)烷酸鈷） /g 100 2 復(fù)合材料板手糊成型工藝流程如 圖 01 所示： 圖 01 手糊成型工藝流程示意圖 將 復(fù)合材料板 試 樣 與聚氨酯 泡沫以不飽和樹脂作為膠黏劑 制成復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)試樣。 本文制備復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的具體工藝過程如下： （ 1）模具準(zhǔn)備 將 500mm 500mm 4mm 玻璃平板表面擦洗干凈、干燥，作為模具使用。 （ 2）玻璃布裁剪 根據(jù) 需要 ，用剪刀裁剪 300mm 300mm的玻璃布若干塊。 （ 3）手糊成型操作 1）用裁剪好的脫模布平攤在玻璃平板上。 2）將 1 層玻璃布鋪放在玻璃平板上。 后處理 試樣 模具 清理 涂脫模劑 清理模具 玻璃纖維 剪裁 手糊成型 固化 脫模 樹脂 固化劑 促進(jìn)劑 樹脂膠液配制 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 3）根據(jù)設(shè)計(jì)的層數(shù)、配方等，按設(shè)計(jì)配方將引發(fā)劑與不飽和聚酯樹脂混合均勻，然后加入促進(jìn)劑攪勻，馬上淋澆在玻璃布上，并用毛刷壓 實(shí) ， 使樹脂浸透玻璃布，觀察不應(yīng)有明顯氣泡。 4）鋪放下一層玻璃布，并立即涂樹脂；緊接著第二層、第三層，重復(fù)操作。 5）達(dá)到所需層數(shù)時(shí) （ 6 層） ，手糊成型完成。 6）待其達(dá)到一定強(qiáng)度后才能脫模。通常 15~25℃、 24h 即可脫模。 7）復(fù)合材料板脫模后，修理毛邊。復(fù)合材料板的厚度約為 2mm。 將玻纖層數(shù)改為 8 層，重復(fù)上述操作制作厚度約為 2mm的復(fù)合材料層合板。 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的具體制作工藝過程如下： （ 1） 模具的準(zhǔn)備 將 240mm