nomex蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的滾筒剝離破壞分析

1、第 2期 2 0 0 2年 6月纖 維 復(fù) 合 材 料 FI 】 E l ER Co I 】 F ’ o S I TESNo ． 21 7J u n ． ． 2 0 0 2N o m e x蜂 窩夾 層 結(jié) 構(gòu) 的 滾 簡(jiǎn) 剝 離破 壞 分 析 李河清 趙景 麗張?jiān)?明張廣成 ( 兩北 工業(yè)大學(xué) ， 7 1 0 0 7 2 )摘 要 本文通過(guò)一 系列 的剝離試驗(yàn)結(jié) 果分析 了有 無(wú)膠膜 情況 下 ， 蜂窩 夾層結(jié) 構(gòu) 的剝 離強(qiáng)度

2、與破壞 模式 的關(guān) 系 ，提 出了粘接邊慢度 與剝 離強(qiáng)度 的關(guān) 系 ， 進(jìn)一 步論述 _ r 芯子 與面板間膠接強(qiáng)度 與破 壞模式 的關(guān) 系。關(guān)鍵詞 夾層結(jié)構(gòu) ， 滾筒剝 離 ， 預(yù)浸料 ， 膠膜 F a i l u r eAn a l y s i so fC l i mb i n gDr u m P e e lo fN o me xHo n e y c o m b S t r u c t u r eL iH e q i n g

3、Z h a oJ i n g l iZ h a n gYu a n mi n gZ h a n gGu a n g c h e n g( T h eN o r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i t y ， 71 0 0 7 2)AB ST RA CTI nt h i sp a p e r ， t h er e l a t i o n s h i pb e

4、 t w e e nt h ec l i mb i n gd r u m p e e ls t r e n g t ha n df a i l u r emo d eo fh o n e y c o mbi si n v e s t i g a t —e dM t has e r i e so ft e s t s ． T h ee o n c e p to ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e

5、 e nt h ec l i mb i n gd r u m p e e ls t r e n g tha n db o n d i n ge d g es t r e n g thi sp r e —s e n t e d ．I h er e l a t i o n s h i pb e t we e nt h eb o n d i n gs t r e n g thi nt h ec o r e sa n dt h el a y

6、e r sa n df a i l u r em o d eo fh o n e y c o mbi sa l s od i s c u s s e d ．K E Y W ORD Ss a n d M c hs ~ e t u r e ， c l i m b i n gd r u m p e e l ， r u b b e rf i l me s1 前 言 2 試 驗(yàn)部分 近年來(lái) ， 復(fù)合材料 的技術(shù)發(fā) 展十分迅速 ， 尤其是蜂 窩

7、夾層結(jié)構(gòu) 復(fù)合 材料 。蜂窩 夾層 結(jié)構(gòu) 技 術(shù) ， 是一 多學(xué) 科 的交叉學(xué)科 ， 貫穿從原材料 的制備 ， 結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)到成 型 工藝等等 。但 由 于其 重 量 輕 、 強(qiáng) 度 高 、 抗 彎 剛 度性 能 佳 ， 而且 可以得 到光滑 或平 整 的表面 ， 氣 動(dòng)性 能 良好。再加上傳熱 和聲學(xué)性 能 的可設(shè) 計(jì)性 ， 使 蜂 窩夾 芯板有 著 令人看好 的使用前景 。夾層 結(jié)構(gòu)滾筒剝離 是用 于評(píng) 定膠接表 面 質(zhì)量 和 工 藝

8、控 制 的最 常 用 的試 驗(yàn) 方 法之 一： 許 多研 究者對(duì)剝離試驗(yàn)進(jìn) 行過(guò)理論分析或 試驗(yàn)上 的探索_ l， 但關(guān) 于 蜂窩 夾層 結(jié) 構(gòu) 的剝 離情 況 尤其 是 弱蜂窩 的剝 離分 析 卻很 少報(bào) 道。而在 飛 機(jī)上 ． 有 不 少 部件 ( 如方 向舵 、 平尾和襟翼等 ) 是采用弱蜂 窩結(jié)構(gòu) 的。因此分析這種 芯子的剝離破壞 以及與成型工 藝的關(guān) 系 是十分重要 的 。某型飛機(jī)結(jié) 構(gòu) 中 ， 設(shè) 計(jì)上 大量 采用 高性 能

9、玻璃 纖 維預(yù)浸料和 N o m e x 蜂 窩夾 層結(jié) 構(gòu) ， 工 藝 上采用 蒙 皮 與 夾層結(jié)構(gòu)在熱 壓罐 中一次共 固化成型 。為了成 型時(shí)使 膠盡可能 的集 中在 蜂窩 壁與 蒙皮連 接 處 ， 形 成有 效 的 膠瘤， 提高綜合性能與膠接可靠性， 航空工業(yè)中蜂窩夾 層結(jié)構(gòu)均采用 高強(qiáng)度 、 高韌性環(huán) 氧膠膜 ， 成型 時(shí)把膠膜 鋪放在蜂窩 夾芯 與蒙 皮之 間 ， 提高膠 接 質(zhì)量 。但 因航 空膠膜價(jià)格 昂貴 ， 使制 造

10、成 本 大幅 上升 。為降 低生 產(chǎn) 成本 ， 簡(jiǎn)化生產(chǎn)工 藝 ， 本文重點(diǎn)研 究 了蒙皮采用 自粘性 預(yù)浸料時(shí) ， 采 用或 不采 用膠 膜 ( 以下 簡(jiǎn) 稱(chēng)有 無(wú)膠 膜 ) 成 型對(duì)夾 層結(jié)構(gòu)的剝離強(qiáng)度等 力學(xué)性能 的研究 。2 ． 1 主 要 原 材 料 玻璃布預(yù)浸料 B M S 8 —7 9 ，碳纖維布 預(yù)浸料 9 1 3 (一 1 2 O ～5 5 ％，N o m e x 蜂窩 ，膠 膜 B M& 5 - 1 0 1

11、。2 ． 2 試件制備及 固化 工藝 航空工業(yè) 常選用 夾層結(jié)構(gòu)制品 ， 為 了減輕結(jié)構(gòu)的重 量 ， 夾層結(jié)構(gòu)制品 的蒙 皮厚 度一般都 設(shè)計(jì)得 較薄 ， 鑒 于 此 ， 我們?cè)O(shè)計(jì) 的隨爐試驗(yàn)件 ( 具體 形式 見(jiàn)圖 1 ) 與飛機(jī) 結(jié) 構(gòu)鋪層層數(shù)相 同。內(nèi)外蒙皮選用 對(duì)稱(chēng) 鋪層 和非對(duì)稱(chēng)鋪 層兩種形式 ， 預(yù)浸料裁剪鋪疊后 ， 按設(shè) 計(jì)要求進(jìn) 行鋪 層 ，夾芯采用 N o m e x 蜂窩 ， 試驗(yàn)件分三類(lèi) ：A — l： 內(nèi)外蒙 皮

12、均采用 3 層玻璃 布預(yù)浸料 A — l J ： 外蒙皮 采用 3層玻璃 布 預(yù)浸料 ， 內(nèi)蒙 皮采 用 1 層玻璃 布預(yù)浸料 A 一 Ⅲ ： 外 蒙皮 采用 1 層 碳纖 維布 預(yù)浸料 ， 內(nèi)蒙皮 采用 1 層玻璃 布預(yù)浸料 。試件 采用熱 壓罐 成 型 ， 成 型工 藝 為 1 2 5 ±5 ~ C ／ 2 h ，成型壓力 為 0 ． 3 M P a 。試 件 按 國(guó)標(biāo) 要 求用 切 割 機(jī)加 工 成標(biāo)準(zhǔn)試件 。2 ． 3

13、 力學(xué)性能測(cè)試 試驗(yàn) 設(shè) 備 ： I N S T R O N 1 1 9 6電 子 萬(wàn) 能 試 驗(yàn) 機(jī) ( 英 國(guó) 產(chǎn) ) 。剝 離性能按 G B 1 4 5 5 -8 8的要求進(jìn)行測(cè) 試。維普資訊 http://www.cqvip.com 纖 維 復(fù) 合 材 料2 0 0 2 舒膠 模I } I1蜂 窩 央 層結(jié) 構(gòu) 有 膠 膜 示 意 圖 3 結(jié)果 與討論 蜂 窩 外蒙 皮3 ． 1試 驗(yàn) 結(jié) 果 試粵 僉 結(jié) 果 列 于 表 l

14、， 試驗(yàn) 破 壞 現(xiàn) 象 有 兩 種 情 況 ：( 1 ) 膠層 內(nèi)聚破壞 ， 即芯子從膠 層拔 出粘 附破壞 ； ( 2 ) 大 部 分芯子破壞 表 I 滾筒剝 離試 驗(yàn)結(jié)果 3 ． 2 試驗(yàn)現(xiàn)象與討 論 從試驗(yàn)結(jié)果 可 以看 出 ， ①有 膠膜 試 件的剝 離 強(qiáng)度 明顯大十無(wú)膠 膜試件 ， 說(shuō) 明膠膜 的存 在 ， 使面板 蜂窩 芯子問(wèn)的粘接強(qiáng) 度 明顯提 高， 從 而 使面 板與 芯子 構(gòu)成 整體結(jié)構(gòu) ． 充 分發(fā)揮 炙層結(jié)構(gòu)

15、的高 比剛度 、 比強(qiáng) 度。② 對(duì)有膠 膜 試件 ， 剝 離破壞 有兩 種情況 ， 其 ， 膠接 良好 時(shí) ， 破壞仍 發(fā)生住面板與芯子 的膠接 面上 ， 而且蜂 窩芯 在靠近膠瘤處 的端部 整 齊地撕 裂 ， 剝 離 面板 上 留下 了深淺均 勻的蜂 窩 壓痕 ； 其 二 ， 膠 接很 好時(shí) ， 由于 面板 與 芯子不易 分層 ， 當(dāng)剝 離強(qiáng) 度 達(dá) 到 一定 值 時(shí) ， 芯 子 被拉 斷 ． 隨后芯 便快速 撕裂破壞 。③無(wú)膠膜 時(shí)

16、 ， 破壞 始終 發(fā)生在面板 與芯 子 的膠接 面 』 二 ， 剝 離后 面板 上無(wú) 明顯 的膠瘤存在 ( 這 種現(xiàn)象與后面 的理論 分析一致 ) 。 l型 剝離強(qiáng)度 高于 I I 型 和 川型 ， 這 是 因?yàn)閷?duì) 稱(chēng)鋪層 在 剝離 試驗(yàn)過(guò)程 中 ， 試件保持平直 的緣故 。以 J 二 結(jié)果說(shuō) 明 ， 剝 離破壞模式將取 決 于 面板 、 面板膠 與芯 子問(wèn) 的膠 接情 況 以及 二 暫之間的強(qiáng)度 及匹配問(wèn)題。為 丁更深入 的認(rèn)識(shí) 此

17、 問(wèn) 題 ， 我 們 引 進(jìn)蜂 窩 夾 芯 粘 接 邊 強(qiáng) 度 的概 全 【 3匕 、：似設(shè)芯格 為正六邊 形 ， 則單 位 面積夾 芯 的粘接 邊 長(zhǎng) 度 l 可 簡(jiǎn) 化 為 ：- =( 1 )式 中 ： C為蜂窩邊長(zhǎng) ； t為蜂格 厚度 。粘接邊 強(qiáng)度 為 ：=( 2 )式 中 ：為蜂 窩平面拉脫強(qiáng) 度 由( 1 ) 和( 2 ) 可得 ( 3 )j從式 ( 3 ) 可知 ， 粘接邊強(qiáng)度與蜂 窩的強(qiáng)度 和厚度有 關(guān) 。可 以猜 想

18、， 當(dāng)膠膜 的剝 離強(qiáng)度在一定范 圍 內(nèi)， 蜂 窩 強(qiáng)度較 I I , H ~， 芯格易產(chǎn)生撕 裂破壞 ； 當(dāng)蜂窩本 身強(qiáng)度較 大時(shí) ， 芯格 均不會(huì)產(chǎn)生撕 裂破壞 ； 但剝離強(qiáng)度 超過(guò)一定 值時(shí) ， 芯格 也易產(chǎn)生撕裂 破壞 。3 ． 3 理 論 分 析 由試驗(yàn) 可知 ， 面板與 芯 子的膠 接強(qiáng) 度 對(duì)剝 離性能 影 響很 大 ， 經(jīng)理論分析 可知 ， 膠層受力有與 面板一起變 形 的膠 層正應(yīng)力 a和膠層 剪應(yīng)力 r文獻(xiàn) [ 4

19、] 根據(jù)膠層 應(yīng)力 一 ． ， 變形 一致 原理 以 及莫 爾強(qiáng)度 理論求 得 膠層 的膠接 強(qiáng)度為 ：= 象 。 r + √ ( 象+ (一 一 籌 Ix [。 r 一 √ ( 象 。+ (] ()式 中 ： E ． ， —— 膠粘劑或樹(shù)脂 的彈性模 量 ；E 廠(chǎng) 面板的 彈性模 量 ；aa—— 膠粘 劑或樹(shù)脂 的拉 、 壓強(qiáng)度 ；c 廣 與成 型工藝 有關(guān) 的系數(shù) 從上 面的分析 和試 驗(yàn)結(jié) 果 不難看 出 ． 不論在 什 么 情況

20、 下 ， 只要板芯之 間 的粘 接強(qiáng) 度大 于芯格 粘接 邊 強(qiáng) 度 ， 剝 離開(kāi)始時(shí) 的拉 伸應(yīng) 力就 會(huì)使 芯子 斷裂 。芯子一 旦斷裂 ， 由于裂 口“ 線(xiàn)受 力” 而導(dǎo) 致靠 近膠瘤 端部 的芯 子發(fā) 生撕 裂現(xiàn) 象 。反 之 ， 板 芯之 問(wèn) 的粘接 強(qiáng)度 小于 芯 格 粘接邊強(qiáng)度 ， 就不會(huì) 發(fā)生芯子破壞現(xiàn)象 。4 結(jié) 論 1 ) 有膠 膜 的 剝 離強(qiáng) 度 明 顯 大 于無(wú) 膠膜 的剝 離 強(qiáng) 度 ， 有膠膜時(shí) ， 面板

21、與芯子膠接強(qiáng)度 大于芯格 的粘接邊 強(qiáng)度時(shí) ， 發(fā)生芯 子撕 裂破壞 ； 無(wú)膠 膜時(shí) ， 面板 與芯子膠 接 強(qiáng)度小于芯格 的粘 接邊強(qiáng)度 ， 發(fā)生膠層 內(nèi)聚破壞 。2 ) 對(duì)稱(chēng)鋪 層工藝下剝離強(qiáng) 度較高 。3 ) 無(wú)膠膜 時(shí)剝 離強(qiáng) 度較 低 ， 但 在能 滿(mǎn)足 設(shè)計(jì) 使用 要求 下 ， 飛機(jī)設(shè)計(jì) 時(shí)可 根據(jù) 夾層 結(jié)構(gòu) 使用部 位 不 同選 擇 不同的膠接方式 。參 考 文 獻(xiàn) C a r lD w e b e ra n dMEG

22、r o s s ． Ma t e r i a lE n g i n e e r in g ， 1 9 7 9， 5： 9 2D P S ， 1 9 5 I 金屬 膠 接 和 金 屬 蜂 窩 膠 接 的 控 制 方 法 ， 1 9 7 I1 9 8 0周祝林 ， 楊 云娣 夾層結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法研究 ． 玻 璃鋼 ， 1 9 8 1周 祝林 ， 楊 云娣 夾 層 結(jié) 構(gòu) 粱 彎 曲理 論 與 試驗(yàn) 比較 ． 玻 璃 鋼l 9 9 2， 2： l