蜂窝芯体厚度对Nomex蜂窝夹层复合材料压缩性能的影响

徐 猛

(陕西飞机工业(集团)有限公司，陕西 汉中 723213)

0 引言

目前对蜂窝夹层复合材料的压缩性能研究等涉及的研究方法主要可以归纳为2种，分别是有限元法和解析法，主要针对的是面板屈皱问题的研究。Leotoing等通过借助第一种方法来针对材料整体的稳定性进行分析，同时借助第二种研究方法专门构建相应的模型来展开探究；修英姝等在研究中在有限元方法的基础上融合了遗传算法进而研究整个芯体的结构问题，讨论内部各个影响因素之间的影响关系，如铺层的角度和顺序，厚度和扭曲度等因素，同时构建相应的算法模型，计算出当厚度发生改变时此时对应的屈曲因子，重点探讨其厚度和临界载荷失稳两者的影响；法洋洋等在研究中借助有限元法来针对夹层的结构进行研究，并构建相应的研究模型，最终发现受到裁剪失效的影响会进一步影响到材料的形状变化，最终影响整个材料的质量效果。结合上述研究内容发现，针对芯体厚度和材料屈曲载荷以及压缩强度之间的影响关系研究比较缺乏。芯体厚度会对材料整体的压缩性产生影响，Nomex蜂窝夹层复合材料具有低密度、高强度、绝缘、隔热等优势，所以在航空领域中被广泛使用，具有良好的实际应用效果。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

选择试样材料，截面规格要求7.2cm×6.38cm，顶部3cm做灌胶，同时将材料两端进行蒙皮增加厚度，芯体宽为60cm，属于正六边形，其边长为0.8cm。压缩试样整体面板结构主要包括三层，铺层要求为[(±45)/0/(±45)]，要求一三层都是编织机构，其针对选择的材料为CCF3031/BA9916-Ⅱ，规格为2.3cm厚，第二层为单向带，其针对选择的材料是CCF3031/BA9916-Ⅱ，规格为1.25cm厚。蜂窝芯体制作的原材料为NRH-2-48，规格为0.8、1.2、2cm厚，彼此之间的连接主要借助胶体进行粘连。面板性能：其中E。芯体性能：ET=107MPa,GLT=37.8MPa,GWT=22.8MPa，EL=EW=GLW=0。面板内部各层性能：tab.1Mechanicalpropertiesof layers of carbon fiber laminates铺层E11/MPaE22/MPAVg12/MPaG13，G23/MPaCCF300 121 200 9 720 0.311 5 5 260 3 000CF303 1 58 300 0.056 2 4 660 2 760。

1.2 试验方法

需要使用的设备为型号为YAW-5000F的微机针对不同厚度的芯体进行电液长柱压力试验，检测其各自的压缩性如何，最终得出不同的结果之后计算均值。在进行操作的过程中需要将下端进行固定，然后从上往下进行试压，两侧也需要安装夹具，需要使得整个材料处于绝对的压缩状态下。同时还需要在测试过程中增加应变片，目的是能够及时检测出实验过程中不同位置的变化，其中针对每个测试材料分别安置98个应变片进行检测，并分别进行编号记录。具体的应变片安装分布：Fig.2 Positions of strain gage on the surface of specimen2。

2 试验结果及讨论

2.1 将不同测试样本中间第四部分的截面作为压缩性检测的结果

进行研究，绘制出不同的载荷应变曲线图。通过绘制图形能够看出在厚度为0.8cm的样本中，整体的曲线主要可以分成2部分内容，开始是实验阶段直到样本发生屈曲，然后是从开始出现屈曲直到最终损坏。分析第一部分的变化整体表现为线性变化，而进入到第二部分的变化中则表现出非线性的改变，同时即使样本已经出现明显的屈曲变化，但是其负荷能力依然很好，在外部压力逐渐增加的情况下这种屈曲也会逐渐增加，达到一定程度后出现损坏。在1.2cm厚度的芯体曲线中，发现其整体的曲线变化结构和0.8cm曲线比较一致。在2cm厚度的样本曲线图中则和之前的变化完全不同，整体曲线结构只表现出一种状态，也就是没有屈曲环节，直接是随着压力的增大发生损坏。

2.2 分析芯体厚度和屈曲载荷之间的关系

通过研究发现，在样本厚度为0.8和1.2cm的实验中，其对应的承载力为56、112kN，厚度为2cm的样本中并没有发生屈曲变化这一环节。这也就意味着厚度对于材料整体的载荷性能有着绝对的影响关系蜂窝芯体厚度对 Nomex蜂窝夹层复合材料压缩性能的影响，(a) 8mm (b) 12mm (c) 20mm，当芯体厚度不同时对应的载荷曲线图也会表现出一定的差异性。Fig.3 Load-strain curves of specimens with different honeycomb core thicknesses研究发现当厚度不断增加时，此时对应的载荷能力也在逐渐上升。而针对这种厚度一般的材料弯曲刚度计算为D=Ei1t1Ei2t2h2(Ei1t1+Ei2t2)λ(1)λ=(1-νxyνyx)，其中vxy，vyx为材料的泊松比，h为芯体厚度，t1为上面板厚度，t2为下面板厚度，Ei1为上面板弹性模量，Ei2为下面板弹性模量。通过上述计算方法能够发现这种厚度平方和弯曲刚度之间为正相关，也就是说对应的厚度越大，此时的弯曲刚度也会增加，意味着材料的承载性能越强。针对0.8和1.2cm的2个材料实验中发现在负载增加到一定程度上出现了弯曲变化，借助该公式计算对应的弯曲刚度比是1∶2.25，实验计算结果为1∶2，差异性较小。厚度为2cm的样品中发现没有出现屈曲变化，只有一种变化。

2.3 研究芯体厚度和破坏载荷之间的关系

通过计算发现3组厚度不同的样品最终对应的破坏载荷为99.7、124、202.1kN，对应的破坏应变为5906×10-6，6464×10-6，7528×10-6。通过这组数据能够发现厚度和破坏载荷之间的关系也为正向影响，计算后2种样品的破坏载荷能够发现比0.8cm厚度的能力提高了0.24和1.02倍。在复合材料中，芯体在和厚度垂直的LW面内刚度是处于无穷小的状态，而GLW和L、W方向分别对应的EL、EW的值都是0，也就是说在LW面内的载荷主体为面板自身，芯体的作用只是进行结构支撑。这也就意味着在芯体的厚度发生变化不断变大的时候，此时的材料对应的屈曲度也会发生变化，而一旦出现屈曲变化时，这种载荷能力将会大打折扣，并随着压力的不断增加最终出现破坏。

3 结语

结论：(1)复合材料本身的屈曲载荷和芯体厚度之间正相关，当厚度较薄时，对应的载荷能力也会减弱。实验中在0.8、1.2cm厚度的样本中，出现了屈曲变化，而2cm的实验中没有屈曲变化，则后者的承载能力要大于前两者。(2)如果材料的这种载荷能力比面板断裂强度要高，则此时的这种厚度变化和载荷性能之间的关系逐渐减弱。所以只有当这2种载荷能力相同时，此时对应的厚度是保障材料性能质量最优的数值。