西北工业大学硕上学位论文
图１．１缝纫泡沫夹层复合材料
大量研究表明缝纫能够显著地提高泡沫夹层结构抵抗分层破坏的能力，特别是能够有效地阻止夹层板的Ｉ型断裂‘胁１２】。但缝纫技术存在着自身的缺陷【１３】。现在的缝纫工艺要求能够到达所缝材料的两面，但随着现代工业的发展，需要夹层结构构件的尺寸越来越大，形状也越来越复杂。在一些复合材料结构中（比如大型飞机的机身等），皆要求复合材料构件整体成型，这就需要几乎是同等尺寸的缝纫设备。同时，对于复杂几何尺寸的夹层结构构件进行缝纫也是不现实的。另外，缝纫增强技术会在缝线针孔附近靠近两端表面处形成富树脂区，这个富树脂区的存在，会造成层压板表面树脂含量过商，表面容易吸湿并产生微裂纹，成为破坏的初始损伤源【５ｌ。另外，缝纫会增加面板厚度，使面板纤维含量变低，降低层合板的刚度和强度。
Ｚ—ｐｉｎ增强泡沫夹层结构不仅充分地利用了复合材料夹层结构的优势，而且能显著地增强其抵抗分层破坏的能力，提高剪切和压缩性能，有研究表面，即使在不使用胶膜的情况下，其强度和刚度都已经高于蜂窝夹层结构【１４１。近年来该种材料成为国外研究的热点，包括ＮＡｓＡ等已经致力于此种结构的研究。
１．３ｘ．ｃｏｒ夹层结构介绍
２００１年美国陆军试验室的ＫｕＩＩｋｅｌ发０’Ｂｆｉｅｎ和ｓ设ｏｒｓｋｙ飞机公司的ｃａｒｓｔｅｍｅｎ等人先后发表了关于一种先进的夹层芯材—ｘ．ｃｏｒ及其复合材料夹层结构力学性能的研究报告“习。Ｘ．ｃｏｒ夹层结构是将经过预浸的细长的复合材料纤维杆或者金属丝按一定角度插入闭孔泡沫芯材中，并在两头预留出一小段植入上下面板，经固化形成的整体结构（图１．２）。
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第一章前言
图ｌ一２ｘ－ｃｏｒ夹层结构试验件照片
图１．３ｘ．ｃｏｒ夹层结构示意图
常用的ｚ—ｐｉｎ是预浸碳纤维杆，其直径一般为ｌＯ－１ｍｍ量级，需要预成型。为了尽可能地消除固化后的残余热应力，预成型的树脂选择与面板相同的树脂体系，同时为改善工艺，需用稀释剂稀释树脂。采用手工缠绕的方法制作碳销钉，经固化、裁剪加工，即可得到设计长度和直径的ｚ．ｐｉｎ材料。
由于插入泡沫中的碳针是硬质的，只能够直接植入泡沫中。美国ｓｉｋｏ船ｂ公司和Ａｚｔｅｘ公司利用层压板Ｚ－ｐｉｎ增强的“超声辅助Ｚ—Ｆｉｂｅｒ工艺”（Ｕｌ订ａｓｏｉｌｉｃａｕｙＡｓｓｉｓｔｅｄｚ．Ｆｉｂｃｒ眦ｅ豁，简称ｕＡｚ），设计并制造了用于泡沫夹层复合材料的四自由度自动ｘ．ｃｏｒ植入机（如图１－４所示），成功解决了ｘ．ｃｏｒ的自动化制造问剧１６】。该设备不仅可对泡沫夹层结构植入ｘ－ｃｏｒ，还可以进行机加工。图１．４为原型机，只能用于制造小尺寸元件，用于工业生产的植入机可加工的部件尺寸将会达到１．２ｍ×２．４ｍ。
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图ｌ－４泡沫灾层结构ｘ＿ｃｏｒ植入机原型
将ｚ．ｐｉｎ按一定角度植入泡沫芯材中以后，按要求在两头预留出一小段，在两面铺上千纤维布或者预浸带，使露出的Ｚ—ｐｉｎ部分插入到面板纤维铺层中，最后用ｖ越汀Ｍ工艺固化后即得到Ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层结构。
Ｓｉｋｏｒｓｋｙ飞机公司的研究表明，在带有和不带有冲击损伤的情况下，ｘ．ｃｏｆ增强泡沫夹层复合材料与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层复合材料相比，可以减重ｌＯ．１５％。该技术体现出的低成本和高性能的优势是显而易见的。Ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层复合材料可能替代蜂窝夹层复合材料，成为飞机主承力构件的重要结构材料。ｓｉｋｏｒｓ虹飞机公司最近几年进行了这种材料在旋翼飞机上的应用研究，并与美国航空应用技术委员会和美国陆军航空和导弹司令部合作进行了“直升机旋翼结构验证计划”限ｗＳＴＤ），研究发展了ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层复合材料，并制定了其在新型飞行器上的设计方针，这其中包括在研的鼬Ｈ一６６科曼奇武装直升机‘ｒ丌。
１．４乙ｐｉｎ增强泡沫夹层结构研究现状
２００１年美国陆军试验室的Ｋｕｎｋｅｌ及０’Ｂｒｉｅｎ和Ｓｍｏｒｓｂ飞机公司的Ｃａｒｓｔｅｎｓｅｎ等人【Ｉ纠先后发表了关于ｘ．ｃｏｒ增强夹层结构力学性能的研究报告。研究表明，在带有和不带有冲击损伤的情况下，ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层复合材料结构与具有相同压缩和剪切强度的蜂窝夹层复合材料结构相比，可以减重１０．１５％。
２００１年，ＮＡｓＡ兰利研究中心【”Ｊ对过渡区Ｘ－ｃｏｒ夹层结构进行了试验研究。试验内容包括三点弯、单轴拉伸和拉弯组合试验。用数码摄影和数码摄相技术
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图２一ｌ泡沫芯材和用作ｚ－ｐｉｎ的预搜碳纤维２．２试件制备过程
试件制各过程可以描述如下：鼢．＠
＼＼！竺竺型广～．＼二二：／
图２－２Ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层材料试件制备流程
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Ｘ．ｃｏｒ增强泡沫必层结构试件的制备
图２．３泡沫芯材钻孔
图２－４植入ｚ－ｐｉｎ后的泡沫芯材
夹层结构的压制成型是在北京航空制造工程研究所完成的。为了考察Ⅵ删工艺（真空辅助树脂转移成型）的效果，同时研究树脂与泡沫芯材、
面板之间的结合性能，部分试件的泡沫芯材仅仅按一定角度和密度钻孔，并未加入增强碳纤维。成型后经显微镜下观察，Ⅵ删工艺达到了良好的浸润效果，树脂沿钻孔填满了泡沫里面的空隙。
成型后的试件如图２．５；
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图２．５Ｘ．ｃｏｒ增强泡沫夹层材料
２．３本章小结
ｘ＿ｃｏｒ增强泡沫夹层材料的制备目前在国内并没有一套适合的工艺，主要是缺乏将ｚ－ｐｉｌｌ植入泡沫芯材的关键设备，比如类似ｓｉＩ∞ｒｓｋｙ公司的四自由度自动Ｘ－ｃｏｒ植入机，这给材料的研制带来较大的困难。本文在国内现有实验条件的基础上，采用人工钻孔植入预浸碳纤维（ｚ－ｐ试）的方法，自行制备了ｘ－ｃｏｒ增强泡沫夹层复合材料试验件，后面可以看到，制备的材料取得了良好的增强效果，能够为我国尽快地进入该种新型材料的力学性能研究起到较好的铺垫作用。
第三章ｘ．ｃｏｒ火层结构摹本力学性能试验
第三章ｘ．ｃｏｒ夹层结构基本力学性能试验
Ｘ—ｃｏｒ增强泡沫复合材料作为一种新兴的复合材料形式才刚刚起步，包括其基本力学性能等仍然是目前研究的重点，其中最为重要的是剪切和压缩性能，以及作为夹层结构最大优势之所在的弯曲性能。本文通过ｘ．ｃｏｆ增强泡沫夹层复合材料的剪切、压缩和三点弯曲基本力学性能试验，研究其对于传统泡沫夹层材料的增强作用。
３．１剪切性能试验
剪切试件分为三组，试件尺寸及各参数如下：
表３．１ｘ《ｏｆ剪切试验件
组别芯子厚度（ｍｍ）ｚ—ｐｉｎ类型ｚ－ｐｉｎ角度试件尺寸
Ｉ１２．７碳纤维１５０５０ｍｍ×１００ｍｍ×１６．２ｍｍ
ＩＩ８碳纤维２５０５０ｍｍ×１００ｍｍ×１１．４ｍｍ
ＩＩＩ１２．７树脂１５０５３ｍｍ×１３５ｍｍ×１５．１ｍｍ
图３．１剪切试验件照片
面板两面用具有高强度和高刚度的双组分环氧粘结在加载块上，待胶完全固化后通过加载块两端的加载孔以铰接的方式用夹具将试件夹在试验机上。为了突出主要应力尽量减小次要应力，应保证加载线与试件对角线重合，这样剪切变形在中部是均匀的，如图３．２所示。
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图３—２剪切试验装置示意图
试验在ＩＮＳＴＲＡＮ．１１９６试验机上进行，加载速率为Ｏ．５珊吡／ＩＩｌｉｎ，采用张开型引伸计（ＣＯＤ规）记录加载块之间的相互错动，进而得到试件的剪切变形，记录位移（ＣＯＤ规）—载荷曲线。
试验装置如图３．３所示：
图３－３剪切试验装置
图３４一图３—５分别为１２．７ｍｍ厚度夹芯、１５０碳纤维Ｚ．ｐｉｎ增强和１２．７ｍｍ厚度夹芯、１５０树脂ｚ．ｐｉｎ增强试件典型剪切应力．应变曲线，图３．６为未增强试件典型剪切应力．应交曲线。
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