nomex蜂窩夾層結構的滾筒剝離破壞分析

1、第 2期 2 0 0 2年 6月纖 維 復 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 構 的 滾 簡 剝 離破 壞 分 析 李河清 趙景 麗張元 明張廣成 ( 兩北 工業(yè)大學 ， 7 1 0 0 7 2 )摘 要 本文通過一 系列 的剝離試驗結 果分析 了有 無膠膜 情況 下 ， 蜂窩 夾層結 構 的剝 離強度

2、與破壞 模式 的關 系 ，提 出了粘接邊慢度 與剝 離強度 的關 系 ， 進一 步論述 _ r 芯子 與面板間膠接強度 與破 壞模式 的關 系。關鍵詞 夾層結構 ， 滾筒剝 離 ， 預浸料 ， 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 驗部分 近年來 ， 復合材料 的技術發(fā) 展十分迅速 ， 尤其是蜂 窩

7、夾層結構 復合 材料 。蜂窩 夾層 結構 技 術 ， 是一 多學 科 的交叉學科 ， 貫穿從原材料 的制備 ， 結構設 計到成 型 工藝等等 。但 由 于其 重 量 輕 、 強 度 高 、 抗 彎 剛 度性 能 佳 ， 而且 可以得 到光滑 或平 整 的表面 ， 氣 動性 能 良好。再加上傳熱 和聲學性 能 的可設 計性 ， 使 蜂 窩夾 芯板有 著 令人看好 的使用前景 。夾層 結構滾筒剝離 是用 于評 定膠接表 面 質量 和 工 藝

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

9、玻璃 纖 維預浸料和 N o m e x 蜂 窩夾 層結 構 ， 工 藝 上采用 蒙 皮 與 夾層結構在熱 壓罐 中一次共 固化成型 。為了成 型時使 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 層結構均采用 高強度 、 高韌性環(huán) 氧膠膜 ， 成型 時把膠膜 鋪放在蜂窩 夾芯 與蒙 皮之 間 ， 提高膠 接 質量 。但 因航 空膠膜價格 昂貴 ， 使制 造

10、成 本 大幅 上升 。為降 低生 產 成本 ， 簡化生產工 藝 ， 本文重點研 究 了蒙皮采用 自粘性 預浸料時 ， 采 用或 不采 用膠 膜 ( 以下 簡 稱有 無膠 膜 ) 成 型對夾 層結構的剝離強度等 力學性能 的研究 。2 ． 1 主 要 原 材 料 玻璃布預浸料 B M S 8 —7 9 ，碳纖維布 預浸料 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 夾層結構制品 ， 為 了減輕結構的重 量 ， 夾層結構制品 的蒙 皮厚 度一般都 設計得 較薄 ， 鑒 于 此 ， 我們設計 的隨爐試驗件 ( 具體 形式 見圖 1 ) 與飛機 結 構鋪層層數相 同。內外蒙皮選用 對稱 鋪層 和非對稱鋪 層兩種形式 ， 預浸料裁剪鋪疊后 ， 按設 計要求進 行鋪 層 ，夾芯采用 N o m e x 蜂窩 ， 試驗件分三類 ：A — l： 內外蒙 皮

12、均采用 3 層玻璃 布預浸料 A — l J ： 外蒙皮 采用 3層玻璃 布 預浸料 ， 內蒙 皮采 用 1 層玻璃 布預浸料 A 一 Ⅲ ： 外 蒙皮 采用 1 層 碳纖 維布 預浸料 ， 內蒙皮 采用 1 層玻璃 布預浸料 。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 國標 要 求用 切 割 機加 工 成標準試件 。2 ． 3

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

14、， 試驗 破 壞 現(xiàn) 象 有 兩 種 情 況 ：( 1 ) 膠層 內聚破壞 ， 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 驗結果 3 ． 2 試驗現(xiàn)象與討 論 從試驗結果 可 以看 出 ， ①有 膠膜 試 件的剝 離 強度 明顯大十無膠 膜試件 ， 說 明膠膜 的存 在 ， 使面板 蜂窩 芯子問的粘接強 度 明顯提 高， 從 而 使面 板與 芯子 構成 整體結構 ． 充 分發(fā)揮 炙層結構

15、的高 比剛度 、 比強 度。② 對有膠 膜 試件 ， 剝 離破壞 有兩 種情況 ， 其 ， 膠接 良好 時 ， 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 ， 由于 面板 與 芯子不易 分層 ， 當剝 離強 度 達 到 一定 值 時 ， 芯 子 被拉 斷 ． 隨后芯 便快速 撕裂破壞 。③無膠膜 時

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 明顯 的膠瘤存在 ( 這 種現(xiàn)象與后面 的理論 分析一致 ) 。 l型 剝離強度 高于 I I 型 和 川型 ， 這 是 因為對 稱鋪層 在 剝離 試驗過程 中 ， 試件保持平直 的緣故 。以 J 二 結果說 明 ， 剝 離破壞模式將取 決 于 面板 、 面板膠 與芯 子問 的膠 接情 況 以及 二 暫之間的強度 及匹配問題。為 丁更深入 的認識 此

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

18、， 當膠膜 的剝 離強度在一定范 圍 內， 蜂 窩 強度較 I I , H ~， 芯格易產生撕 裂破壞 ； 當蜂窩本 身強度較 大時 ， 芯格 均不會產生撕 裂破壞 ； 但剝離強度 超過一定 值時 ， 芯格 也易產生撕裂 破壞 。3 ． 3 理 論 分 析 由試驗 可知 ， 面板與 芯 子的膠 接強 度 對剝 離性能 影 響很 大 ， 經理論分析 可知 ， 膠層受力有與 面板一起變 形 的膠 層正應力 a和膠層 剪應力 r文獻 [ 4

19、] 根據膠層 應力 一 ． ， 變形 一致 原理 以 及莫 爾強度 理論求 得 膠層 的膠接 強度為 ：= 象 。 r + √ ( 象+ (一 一 籌 Ix [。 r 一 √ ( 象 。+ (] ()式 中 ： E ． ， —— 膠粘劑或樹脂 的彈性模 量 ；E 廠 面板的 彈性模 量 ；aa—— 膠粘 劑或樹脂 的拉 、 壓強度 ；c 廣 與成 型工藝 有關 的系數 從上 面的分析 和試 驗結 果 不難看 出 ． 不論在 什 么 情況

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

21、與芯子膠接強度 大于芯格 的粘接邊 強度時 ， 發(fā)生芯 子撕 裂破壞 ； 無膠 膜時 ， 面板 與芯子膠 接 強度小于芯格 的粘 接邊強度 ， 發(fā)生膠層 內聚破壞 。2 ) 對稱鋪 層工藝下剝離強 度較高 。3 ) 無膠膜 時剝 離強 度較 低 ， 但 在能 滿足 設計 使用 要求 下 ， 飛機設計 時可 根據 夾層 結構 使用部 位 不 同選 擇 不同的膠接方式 。參 考 文 獻 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 夾層結構試驗方法研究 ． 玻 璃鋼 ， 1 9 8 1周 祝林 ， 楊 云娣 夾 層 結 構 粱 彎 曲理 論 與 試驗 比較 ． 玻 璃 鋼l 9 9 2， 2： l