张佳蔚 孙笠 吕思彤 亢爱萌 司薇薇

摘 要：采用不同制造工艺制作碳纤维/环氧树脂面板及其泡沫夹层结构，并进行了力学性能测试，分析制造工艺对制品力学性能的影响。结果表明，真空导入法制作的碳纤维/环氧树脂面板，力学强度大;泡沫夹层结构的平拉、平压性能主要取决于芯材性能，弯曲性能主要取决于面板性能。

关键词：泡沫夹层结构;制造工艺;力学性能

1 引言

夹层结构自第二次世界大战产生至今，應用范围从最初的航空工业到近年的飞机、船舶、车辆、建筑等领域不断扩大。泡沫塑料夹层结构因其具有质量轻、刚度大、保温隔热等优点，适用于雷达天线罩、风力发电机叶片、交通工具等制造领域[1，2]。聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）刚性泡沫是一种闭孔刚性发泡材料，可用作轻质夹层结构的夹芯材料[3];碳纤维/环氧树脂强度大，可作为面板材料[4]。本文采用手糊法、真空袋压法和真空导入法制作碳纤维/环氧树脂面板，又用一次固化法和二次固化法制作泡沫夹层结构，分析不同成型工艺对面板和夹层结构力学性能的影响。

2 实验

2.1 原料

国产E-51环氧树脂;国产3K 200g碳纤维斜纹布;国产PMI硬质泡沫塑料;国产PMR脱模剂。

2.2 试样制备

采用手糊法、真空袋压法和真空导入法分别制备碳纤维/环氧树脂面板，碳纤维布铺层方向均为[0，0，45，45]。

采用一次固化法和二次固化法制作碳纤维/环氧树脂泡沫夹层结构。一次固化法是将浸胶的碳纤维和泡沫芯材组合后，同步固化。二次固化法是先将上下面板固化，再与泡沫芯材胶黏在一起。一、二次固化法均分别采用手糊法和真空袋压法制作夹层结构，厚度控制为30 mm。

2.3 性能测试

碳纤维/环氧树脂复合材料面板按照GB/T 3354-2014、GB/T 1451-2005、GB/T 3356-2014标准，分别测试拉伸、冲击和弯曲性能。泡沫夹层结构按照GB/T1452-2018、GB/T 1453-2005、GB/T 1456-2005标准，分别测试平拉、平压和弯曲性能。

3 结果与讨论

3.1 碳纤维/环氧树脂复合材料面板的力学性能

用手糊法、真空袋压法和真空导入法制备的碳纤维/环氧树脂面板的厚度不同，分别为1.424mm，1.152mm，1.356mm，这主要是浸胶方式不同造成的。手糊法利用刷子迫使纤维浸胶，真空袋压法和真空导入法利用大气压。真空袋压法得到的面板最薄，一方面是因为利用了大气压，另一方面是因为吸胶毡吸走了多余的树脂。对不同制作工艺得到的面板进行弯曲、拉伸和冲击实验，结果如表1所示。

比较表1数据可知，真空导入法制备的面板弯曲、拉伸和冲击性能大于真空袋法大于手糊法。这与碳纤维的含量有关，碳纤维含量增大，面板弯曲性能变好。但真空导入法面板碳纤维含量略小于真空袋压法，而前者的弯曲性能优于后者。这主要是因为真空袋压法制造真空时，树脂快速浸入吸胶毡，增大纤维含量的同时影响纤维和树脂间的界面强度。真空导入法容易控制树脂导入速度，保证树脂浸润效果。

3.2 碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的力学性能

采用一次固化和二次固化的碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的平拉、平压和弯曲实验数据如表2所示。

表2中的平拉和平压数据显示，一次固化和二次固化所得碳纤维增强环氧树脂/泡沫夹层结构的平拉性能和平压性能差别不大，且与泡沫芯材的数据相当。实验发现，面板与芯材结合力足够时，破坏主要为芯材断裂。这说明夹层结构的平拉和平压性能主要受芯材性能影响。另外手糊法制得的夹层结构比真空袋法制得的夹（下转第229页）（上接第227页）层结构，平拉强度略大、平压强度略小，这可能是因为真空袋压法利用大气压，成型的夹层结构有内应力的存在。

弯曲实验发现，夹层结构的破坏主要是芯材破坏而非面板屈曲，这说明夹层结构的弯曲性能主要受面板性能影响。从表2数据发现，手糊法制作的两种夹层结构弯曲性能彼此相当，真空袋法也是如此，这也说明对于弯曲性能，面板质量的影响更大。

4 结论

真空袋法制作的碳纤维/环氧树脂面板纤维含量高，真空导入法的面板拉伸、弯曲、冲击性能好。夹层结构的平拉、平压性能主要取决于芯材性能，弯曲性能主要取决于面板性能。真空袋法制作的夹层结构，平拉强度略小、平压强度略大。

参考文献：

[1]徐竹.复合材料成型工艺及应用[M].北京：国防工业出版社，2017.

[2]赵锐霞，尹亮，潘玲英，等.PMI泡沫夹层结构性能研究[J].宇航材料工艺，2012，42（005）：34-37.

[3]赵锐霞，尹亮，潘玲英.PMI泡沫夹层结构在航天航空工业的应用[J].宇航材料工艺，2011，41（002）：13-16.

[4]李扬，赵紫剑，陈光，等.某小型电动汽车复合材料夹层地板结构抗弯性能分析与改进[J].汽车工艺与材料，2018， 000（002）：55-59.