大型/異型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件可采用低成本且快速成型的真空導(dǎo)入成型工藝（Vacuum infusion molding process，簡(jiǎn)稱VIMP）制備，該工藝方法靈活，能給一次成型帶有夾芯、加筋、預(yù)埋的大型結(jié)構(gòu)件，且成型工藝綠色環(huán)保，已成為復(fù)合材料領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。采用樹(shù)脂基纖維板面和泡沫或輕木芯材的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)可達(dá)到理想的結(jié)構(gòu)性能（強(qiáng)度、剛度、疲勞和沖擊韌性等），且具有輕質(zhì)、耐腐蝕、電磁屏蔽等特征，可替代鋼結(jié)構(gòu)面板制造各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而大幅度提高軍事設(shè)施、車輛、艦船、建筑、橋梁等的結(jié)構(gòu)性能和使用效果。如瑞典海軍的輕型護(hù)衛(wèi)艦Visby號(hào)，長(zhǎng)73m，艦上的部件如船體、甲板和上層建筑均采用復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制造，并采用真空導(dǎo)入成型工藝制造這些大型結(jié)構(gòu)件。美國(guó)海軍部門目前也正全面展開(kāi)真空導(dǎo)入制備復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的研究。目前真空導(dǎo)入成型工藝在我國(guó)風(fēng)力葉片制造領(lǐng)域悄然興起，并有向艦船領(lǐng)域滲透的趨勢(shì)。但傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)面板與芯材界面構(gòu)造簡(jiǎn)單，較易發(fā)生剝離破壞。目前縫紉點(diǎn)陣式泡沫夾層結(jié)構(gòu)雖成為研究熱點(diǎn)，但制備工藝較為復(fù)雜，較難成型大型結(jié)構(gòu)件。本文在傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)制備與研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制備了適合真空導(dǎo)入成型工藝的格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)其剪切、平壓與抗彎性能及破壞狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并應(yīng)用經(jīng)典夾層梁理論預(yù)估了受彎極限承載力。

1 制備工藝

1•1 試驗(yàn)材料

       本試驗(yàn)主要用到的原材料包括乙烯基酯樹(shù)脂，經(jīng)測(cè)試25℃時(shí)，粘度為350cps，需要1.2%過(guò)氧化甲乙酮（MEKP）作為固化劑；增強(qiáng)材料為800g/m2四軸向[0/45/90/-45]準(zhǔn)正交玻璃纖維布；PVC泡沫，密度為60kg/m³。

       真空導(dǎo)入工藝主要用到的試驗(yàn)耗材有真空袋、脫模布、導(dǎo)流布、密封膠帶、樹(shù)脂管、螺旋管。

1•2 真空導(dǎo)入制備過(guò)程

       預(yù)先將整塊PVC平板泡沫芯材（表面開(kāi)有正交布置的尖槽）分割成寬40mm的條形泡沫塊，然后用一層玻璃纖維布沿條形泡沫塊錯(cuò)位折疊式布置；然后，在平板玻璃模具上，于泡沫芯材上、下表面鋪放兩層干的800g/m2四軸向[0/45/90/-45]準(zhǔn)正交玻璃纖維布，形成的鋪層為[0/45/90/-45/0/45/90/-45]，參見(jiàn)圖1（b）；依次鋪放脫模布、導(dǎo)流布，并采用真空袋將其密封；型腔內(nèi)抽真空時(shí)，樹(shù)脂即可在大氣壓作用下沿樹(shù)脂管注入真空袋內(nèi)，并沿導(dǎo)流布分布、流動(dòng)而浸滯纖維束，浸滯到泡沫芯材時(shí)即沿芯材表面的齒槽分布，然后樹(shù)脂沿芯材厚度方向的剖開(kāi)腹板流動(dòng)至芯材下表面的纖維布。

       整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，齒槽的布置為樹(shù)脂提供了快速流動(dòng)通道，沿芯材厚度方向的腹板保證了樹(shù)脂在芯材兩面的流動(dòng)均勻，使得整個(gè)充模過(guò)程迅速完成，且無(wú)干點(diǎn)。由于所采用的乙烯基樹(shù)脂粘度較低（25℃時(shí)粘度為350cps），因此浸滯性較好。同時(shí)該樹(shù)脂可在室溫下固化，因此無(wú)需加熱加壓處理，這也保證了該工藝對(duì)大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的適用性，充模速度快，成型效益高。

圖1格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)

       制備時(shí)，室溫為28℃，可以發(fā)現(xiàn)：5s后，即可觀察到樹(shù)脂浸滯到下表面；20s后，上、下表面完成大部分充模過(guò)程，下表面略滯后于上表面,參見(jiàn)圖2；30s后，邊角五干點(diǎn)，完全完成充模過(guò)程；此后保持真空狀態(tài)30min；充模完成15min后，真空袋表面明顯發(fā)熱，樹(shù)脂固化；6h后，即可將脫模布剝離，取出制品，可以發(fā)現(xiàn)沿芯材厚度方向剖開(kāi)位置的玻璃纖維布與樹(shù)脂固化形成復(fù)合材料格構(gòu)腹板，將上、下面板與泡沫芯材有機(jī)形成一體，泡沫芯材上下表面的尖槽內(nèi)同樣填滿樹(shù)脂，將面板與泡沫芯材“釘”在一起，可提高面板與芯材的抗剝離能力，參見(jiàn)圖三。格構(gòu)腹板對(duì)夾層結(jié)構(gòu)剪切、平壓以及受彎性能的影響及其與傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)受力性能的比較將在其后通過(guò)試驗(yàn)論證。

圖2 充模過(guò)程（t=20s）


圖3 制備完成的樣品

2 受力性能試驗(yàn)

2•1 組分材料物理力學(xué)性能測(cè)試

       格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的組分材料主要包括乙烯基樹(shù)脂/玻璃纖維面板和由格構(gòu)腹板增強(qiáng)的PVC泡沫。面板的受拉性能可根據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行測(cè)試，其彈模為8730Mpa，拉伸強(qiáng)度為223.7Mpa，斷口形貌呈+45℃/-45℃破壞，參見(jiàn)圖4（a）。而增強(qiáng)前后泡沫的剪切性能與平壓性能試驗(yàn)結(jié)果參見(jiàn)表1，與增強(qiáng)前相比，泡沫芯材經(jīng)纖維腹板格構(gòu)增強(qiáng)后，剪切強(qiáng)度提高18.4%，剪切模量提高50.4%，腹板起到了阻止剪切裂紋擴(kuò)展，控制剪切變形的作用參見(jiàn)圖4（b）；平壓強(qiáng)度大幅提高268.9%，平壓模量提高15.0%，為樹(shù)脂基纖維腹板失穩(wěn)折斷破壞，并擠壓其周圍泡沫，參見(jiàn)圖4（c）。由此可說(shuō)明芯材經(jīng)樹(shù)脂基纖維腹板格構(gòu)增強(qiáng)后，其剪切性能與平壓性能均得以大幅度提高。

圖4 組分材料試驗(yàn)

2•2 受彎試驗(yàn)

       根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，制備跨度為450mm的格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎試樣，采用加載形式，并在跨中設(shè)豎向位移計(jì)。其破壞形態(tài)分別參見(jiàn)圖5.為芯材剪切破壞，格構(gòu)腹板有效抑制了面板與芯材剝離破壞的發(fā)生。圖6所示為格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)與真空導(dǎo)入制備的傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎荷載-跨中位移曲線，極限承載力提高了7.1%，抗彎剛度提高了20.4%。

圖5 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎試驗(yàn)


圖6 四點(diǎn)彎荷載—跨中位移曲線

2•3 四點(diǎn)彎極限承載力

       按經(jīng)典夾層梁理論分析夾層結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力分布。根據(jù)試驗(yàn)中觀察到的破壞模式，當(dāng)芯材所受的剪應(yīng)力，芯材易發(fā)生剪切破壞，則對(duì)于四點(diǎn)彎試件，芯材臨界剪切荷載可表示為：

       式中，Tcr為增強(qiáng)后芯材剪切強(qiáng)度，0.90Mpa；b為試件寬度，80mm；d為芯材高度，25mm。

       根據(jù)公式（1）可求得格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)四點(diǎn)彎極限承載力理論值為3.60KN，與試驗(yàn)值3.59KN僅差異0.28%，符合較好，這表明利用經(jīng)典夾層梁理論的簡(jiǎn)單方法預(yù)估格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)極限承載力具有較好的工程實(shí)用精度。

3 結(jié)論

     （1） 真空導(dǎo)入成型工藝充模速度快、成型效益高，適合制備大型/異型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)件；

     （2） 格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在泡沫芯材表面所開(kāi)的齒槽，以及沿厚度方向的剖開(kāi)腹板為樹(shù)脂充模過(guò)程提供了快速流動(dòng)通道；

     （3） 格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的剪切與平壓性能均較增強(qiáng)前的泡沫有了大幅度提高，格構(gòu)腹板對(duì)泡沫芯材起到了增強(qiáng)作用，且能有效抑制泡沫剪切裂紋的擴(kuò)展；

     （4） 格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)受彎時(shí)，其腹板可有效抑制面板與芯材的剝離破壞，極限承載力與抗彎剛度均高于傳統(tǒng)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，可利用經(jīng)典夾層梁理論的簡(jiǎn)單方法預(yù)估其受彎極限承載力，理論值與實(shí)測(cè)值符合較好。