对位芳纶纸蜂窝异面压缩强度影响因素的探究

摘要

本研究以对位芳纶纸为原材料，采用对位芳纶纸浸渍固化树脂模拟芳纶纸蜂窝孔格壁的方式，研究了树脂在孔格壁中的比例对蜂窝孔格壁力学性能的影响；通过研究孔格边长1.83 mm、密度80 kg/m³的对位芳纶纸蜂窝的压缩破坏形貌，确定了该种规格的对位芳纶纸蜂窝的压缩破坏模式为塑性坍塌，对位芳纶纸蜂窝异面压缩强度的关键影响因素为：蜂窝孔格尺寸、孔格壁的厚度及其拉伸强度；蜂窝压缩强度的实测值与对应模式下的压缩强度理论值对应性良好。

关键词

芳纶纸; 蜂窝材料; 异面压缩强度; 力学性能

蜂窝夹层结构复合材料（以下简称蜂窝材料）是一类重要的结构减重材料，由蜂窝芯与上、下表面的蒙皮组成，是结构效率最高的形式之一，在保证材料满足强度要求的前提下，能够尽可能得轻，因此具有优异的强度/质量比。蜂窝材料还有弯曲刚度和强度大、抗失稳能力强、耐疲劳、隔音隔热的优点，长期以来备受航空领域的关注^[1-3]。纸这一传统材料作为蜂窝芯早已得到了研究和应用，但局限于植物纤维纸本身的力学性能，传统植物纤维纸蜂窝结构材料主要应用于包装行业^[4-6]。芳纶纸由高强高模的芳纶短切纤维与芳纶浆粕通过传统造纸湿法成型技术制造，后经过高温压光等工序提高结构致密性和纤维间结合，从组成和结构两方面克服了植物纤维纸的缺点，经过涂胶、叠合、压制和拉伸后变成蜂窝形状，通过浸渍树脂和固化令蜂窝定型，最终形成芳纶蜂窝芯。截至目前芳纶纸蜂窝材料已应用于航空航天和轨道交通等重要行业^[7-8]。

Kelsey等人^[9]对蜂窝材料的剪切模量和异面压缩模量等性能进行了研究，王厚林等人^[10-11]在芳纶纸蜂窝材料中进行了验证。Gibson等人^[12]对蜂窝材料的异面压缩破坏行为做过系统性的研究，Wang等人^[13]、刘杰等人^[14]对对位芳纶纸蜂窝材料异面压缩破坏强度影响因素做了初步分析。针对不同力学特性的蜂窝孔格壁，异面压缩强度的理论公式有所不同。对于具有弹性材料特性的孔格壁，影响蜂窝材料异面压缩强度（${\sigma }_{\mathrm{3}}^{*}$）的关键变量为：蜂窝芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的杨氏模量（E_s），具体表达式见式(1)^[12]。

$${\sigma }_{\mathrm{3}}^{*}\approx \mathrm{21.9}{E}_{\mathrm{s}}{(\frac{t}{l})}^{\mathrm{3}}$$

（1）

针对具有塑性材料特性的孔格壁，Alexander^[15]、McFarland^[16]、Wierzbicki等人^[17-18]、Ashby等人^[19]和Zhang等人^[20]研究表明，影响蜂窝材料异面压缩强度（σ₃^*）的关键变量为：蜂窝芯的孔格尺寸（l）、孔格壁厚度（t）及孔格壁的屈服强度（σ_ys），具体表达式见式(2)。

$${\sigma }_{\mathrm{3}}^{*}=\mathrm{5.6}{\sigma }_{\mathrm{y}\mathrm{s}}{\left(\frac{t}{l}\right)}^{\raisebox{1ex}{$\mathrm{5}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$\mathrm{3}$}\right.}$$

（2）

针对具有脆性材料特性的孔格壁^[12, 19]，影响蜂窝材料异面压缩强度（σ₃^*）的关键变量为：蜂窝芯的孔格尺寸（l）、孔格壁的厚度（t）及孔格壁的拉伸强度（σ_fs），具体表达式见(3)。

$${\sigma }_{\mathrm{3}}^{*}=\mathrm{12}{\sigma }_{\mathrm{f}\mathrm{s}}\left(\frac{t}{l}\right)$$

（3）

本研究将对位芳纶纸直接浸渍树脂并固化制成浸胶纸来模拟对位芳纶纸蜂窝材料的孔格壁，研究了树脂在孔格壁中的比例对孔格壁及蜂窝材料异面压缩强度的影响，对位芳纶纸蜂窝材料在异面压缩破坏时的失效模型。在现有理论基础上总结出影响特定密度下对位芳纶纸蜂窝材料异面压缩强度的关键力学性能，为芳纶纸蜂窝材料的设计提供参考。

1 实　验

1.1　实验原料

短切对位芳纶纤维、浆粕由中蓝晨光化工有限公司提供，纤维直径（12±1） μm，长度6.0 mm，浆粕长度1.0~1.5 mm，打浆度60~65°SR。短切对位芳纶纤维与浆粕按照固定的比例制备不同定量的对位芳纶纸，分别记为a（45 g/m²）、b（48 g/m²）、c（50 g/m²）、d（60 g/m²）。浸渍用树脂为自制醇溶性酚醛树脂。

1.2　实验设备

L&W 250厚度仪，瑞典Lorentzen & Wettre公司；INSTRON 3300万能材料试验机，美国Instron公司；Phenom Pro扫描电子显微镜，荷兰Phenom公司。

1.3　浸胶对位芳纶纸制备与性能表征

实验选用不同定量的对位芳纶纸通过浸渍树脂并固化（以下简称浸胶纸）来模拟蜂窝孔格壁，制成孔格边长1.83 mm、密度80 kg/m³的对位芳纶纸蜂窝芯（以下简称1.83-80）。根据式（4）和式（5）计算得到浸胶纸的定量及每种对位芳纶纸所需要的上胶量，A为以对位芳纶纸a为原料浸胶制成的浸胶纸，B、C、D类似，对位芳纶纸与浸胶纸的对应关系以及浸胶纸中树脂所占的比例见表1。用扫描电子显微镜观察浸胶纸的截面树脂分布及其渗透情况，测定浸胶纸的相关力学性能作为孔格壁的性能。

$$\rho =\mathrm{1.54}\frac{{\rho }_{\mathrm{s}}t}{l}=\mathrm{1.54}\frac{M}{l}$$

（4）

式中，ρ为蜂窝密度，kg/m³；ρ_s为浸胶纸密度，kg/m³；t为浸胶纸厚度，mm；l为蜂窝孔格边长，mm；M为浸胶纸的定量，g/m²。

$$\mathrm{上}\mathrm{胶}\mathrm{量}=\frac{\mathrm{浸}\mathrm{胶}\mathrm{纸}\mathrm{定}\mathrm{量}-\mathrm{原}\mathrm{定}\mathrm{量}\mathrm{纸}}{\mathrm{浸}\mathrm{胶}\mathrm{纸}\mathrm{定}\mathrm{量}}\times \mathrm{100}\%$$

（5）

表1 对位芳纶纸与浸胶纸的对应关系以及浸胶纸中树脂所占的比例

Table 1 Relationship between para-aramid paper and impregnated paper and the proportion of resin in impregnated paper

浸胶纸	对位芳纶纸	对位芳纶纸定量/g·m-2	树脂占比/%	浸胶纸定量/g·m-2
A	a	45.0	52.7	95.1
B	b	48.0	49.5	95.1
C	c	50.0	47.4	95.1
D	d	60.0	39.6	95.1

对位芳纶纸和浸胶纸的定量、厚度分别按照标准GB/T 451.2—2002、GB/T 451.3—2002进行测试；对位芳纶纸和浸胶纸的拉伸强度、杨氏模量测试按照GB/T 22898—2008《纸和纸板 抗张强度的测定-恒速拉伸法(100 mm/min)》进行测试。

1.4　对位芳纶蜂窝压缩样品破坏情况表征

对位芳纶纸由华南理工大学夏晨斌课题组实验室自制，对位芳纶纸蜂窝材料由航空工业济南特种结构研究所使用夏晨斌课题组提供的对位芳纶纸制作。

1.83-80的对位芳纶纸蜂窝材料异面压缩破坏的方式参照GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》。采用相机和扫描电子显微镜拍摄经过异面压缩破坏后的蜂窝样品，观察蜂窝芯的变形情况，与现有的3种压缩破坏模型^[12]进行对比，判断对位芳纶纸蜂窝材料压缩破坏的失效模型。

1.5　对位芳纶纸蜂窝异面压缩强度测试

将对位芳纶纸蜂窝材料的异面压缩强度实测值与根据对应浸胶纸力学性能计算得到的蜂窝异面压缩强度理论值作比较，通过两者的对比验证所判断的破坏模式的正确性。

蜂窝密度和压缩强度的测试按照GB/T 1464—2005《夹层结构或芯子密度试验方法》、GB/T 1453—2005《夹层结构或芯子平压性能试验方法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1　对位芳纶纸和浸胶纸形态与性能对比

使用扫描电子显微镜观察4种对位芳纶纸和浸胶纸截面状况，结果如图1所示。从图1中可以看出，对位芳纶纸表面没有传统间位芳纶纸一样的致密薄膜^[11]，因此使得对位芳纶纸的树脂渗透较为容易。对比对位芳纶纸截面和对应浸胶纸截面可以发现，树脂能渗透到纸张内部，填充孔隙，增强纤维间结合强度，但并未将所有孔隙完全渗透，在芳纶纸上、下表面形成致密的树脂层，有效地提高了浸胶纸的厚度，这归因于对位芳纶纸内部浆粕的作用，隔绝了部分树脂的渗透。

图1 浸渍树脂前后对位芳纶纸截面形貌

Fig. 1 Cross section of papers before and after impregnation

图2为4种浸胶纸的厚度对比图，通过对比4种浸胶纸可以发现，相同定量的浸胶纸，其厚度随对位芳纶纸定量的增加呈现上升的趋势。图3为4种浸胶纸的拉伸强度对比图，图4为4种浸胶纸的杨氏模量对比图。由图3和图4可知，拉伸强度和杨氏模量呈现出相类似的趋势：浸胶纸A、D的性能均略高于B、C，且浸胶纸C的性能最差。从数据结果来看，一方面是因为更低定量的对位芳纶纸脱水压力小，可以以更低的浓度成型，纸张匀度更好，更均匀的体系对纤维力学性能的发挥有明显的优势。因此，增加纤维比例有利于浸胶纸综合力学性能的提升。更深层次的原因可能是芳纶纸和树脂存在最佳比例，过高或者过低的树脂含量均不利于浸胶纸力学性能的充分发挥。

图2 浸胶纸厚度对比

Fig. 2 Comparison of thickness of impregnated papers

图3 浸胶纸拉伸强度对比

Fig. 3 Comparison of tensile strength of impregnated papers

图4 浸胶纸杨氏模量对比

Fig. 4 Comparison of Young’s modulus of impregnated papers

2.2　对位芳纶纸蜂窝压缩破坏后样品截面形貌

使用相机和扫描电子显微镜拍摄浸渍纸蜂窝压缩破坏后样品的表面、截面形貌（见图5）以及压缩破坏后试样格壁变形情况（见图6）。

图5 对位芳纶纸蜂窝孔格变形情况和蜂窝壁变形情况

Fig. 5 Deformation of the aramid paper honeycomb cells and walls

图6 对位芳纶纸蜂窝压缩破坏后格壁变形情况

Fig. 6 Deformation of the aramid paper honeycomb wall after the compression failure

从图5(b)中可以较为明显地发现，蜂窝样件在压缩破坏后蜂窝孔格发生较为明显的变形，由原先规则的六边形蜂窝孔格变为非规则六边形，部分变形严重的孔格甚至变成了五边形。蜂窝芯孔格的不规则一方面可以认为是蜂窝芯在制造过程中工艺不佳所导致，另一方面是因为蜂窝材料存在树脂分布不均的问题，在均匀受压时树脂含量较低处率先发生形变，进而导致平面倾斜，面内产生应力分量，从而导致蜂窝孔格形状的改变。

从图5(c)~图5(d)中可以发现，蜂窝孔格壁大都发生了类似弯折或者位错的变形，根据Gibson等人^[12]提出的3种蜂窝异面压缩的理论模型，对位芳纶纸蜂窝的压缩破坏更趋近于塑性坍塌破坏模型。从图6(a)也可以发现，蜂窝中较薄的单层壁出现塑性坍塌模型中非常典型的“塑性铰”结构，而较厚的双层壁除了出现“塑性铰”结构、“位错”结构，还出现了双层壁开裂（图6(c)~图6(d)）的情况，原因可能是节点胶强度不足。据此，根据塑性坍塌模型式（2）可以归纳出影响蜂窝异面压缩强度孔格壁的关键力学性能为：孔格壁的屈服强度（浸胶纸的应力应变曲线没有明显屈服点，因此使用拉伸强度代替屈服强度）、孔格的尺寸以及孔格壁的厚度。

2.3　对位芳纶纸蜂窝异面压缩强度研究

根据蜂窝样件压缩破坏后的形貌分析，假定对位芳纶纸蜂窝的压缩破坏模式更趋近于塑性坍塌模型。将4种对位芳纶纸a、b、c、d按照标准的工艺流程制成4种对应的1.83-80蜂窝材料，记为H_a、H_b、H_c、H_d，按照平压测试标准进行异面压缩强度测试，将蜂窝材料压缩强度实测值与根据浸胶纸A、B、C、D厚度和横向拉伸强度计算得到的异面压缩理论强度比较，具体结果见图7。由图7可知，对位芳纶纸蜂窝的异面压缩强度的实测值与根据塑性坍塌模型计算得到的蜂窝材料异面压缩强度理论值差距较小，这一结果也与2.2得出的结论相吻合。浸胶纸D的横向拉伸强度和厚度均高于浸胶纸A，但是由这2种浸胶纸制得的蜂窝压缩强度却是H_a＞H_d，原因之一是高定量的芳纶纸加工难度大。

图7 蜂窝异面压缩强度实测值与理论值比较

Fig. 7 Comparison of measured and theoretical values of out-of-plane compression strengths of honeycombs

3 结　论

本研究探讨并验证了对位芳纶纸蜂窝在受到异面压缩破坏时的失效模型，通过将对位芳纶纸直接浸渍树脂模拟对位芳纶纸蜂窝的孔格壁，研究了树脂在孔格壁中的比例对孔格壁力学性能的影响。

3.1　1.83 mm-80 kg/m³的对位芳纶纸蜂窝材料异面压缩破坏的模式更符合塑性坍塌破坏模型，在该密度规格下，改变芳纶纸与树脂的比例后，压缩强度理论计算结果与实测值对应性良好，通过理论值预测对位芳纶纸蜂窝异面压缩强度的方法具有可行性。

3.2　影响对位芳纶纸蜂窝材料异面压缩强度的主要因素为：蜂窝材料的孔格尺寸、孔格壁的厚度及其拉伸强度。