PMI泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响
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１７５１１１０２８０１)ꎻ 上海汽车工业科技发展基金 (１７１５)
作者简介: 王士杰 (１９９４￣) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 主要从事碳纤维复合材料应用方面的研究ꎮ
通讯作者: 孙泽玉 (１９８６￣) ꎬ 男ꎬ 工程师ꎬ 主要研究方向为碳纤维复合材料汽车轻量化ꎬ ｓｕｎｚｅｙｕ＠ｄｈｕ ｅｄｕ ｃｎꎮ
余木火 (１９６１￣) ꎬ 男ꎬ 博导ꎬ 教授ꎬ 主要研究方向为高性能纤维及其复合材料的应用ꎬ ｙｕｍｕｈｕｏ＠ｄｈｕ ｅｄｕ ｃｎꎮ
３ 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司ꎬ 上海
２０１６２０ꎻ ２ 上海市轻质结构复合材料重点实验室ꎬ 上海
２０１６２０ꎻ
２０００９２ꎻ ４ 上海汽车车身先进制造工程技术研究中心ꎬ 上海
２０００９２)
摘要: 采用落锤冲击试验开展了 ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响研究ꎮ 对厚度为 ５ ｍｍ 的碳纤维复
验ꎬ试验分析可知ꎬ冲击过程中最大接触载荷随着蒙
皮厚度、冲击能量、冲头直径的上升而提高ꎬ但是泡
沫夹芯厚度与冲击响应的关联不大ꎮ Ｂｅｒｎａｒｄ 等 [１６]
对以 ＰＭＩ 为填充的复合泡沫夹芯材料开展了低能
量冲击实验( 冲击设定的能量小于 １０ Ｊ) ꎬ最后数据
表明ꎬ蒙皮与泡沫夹芯临界面脱粘与泡沫的刚度以
使用碳纤维复合材料是汽车轻量化的有效途径
的密度以及蒙皮厚度的上升可以使夹芯板材的损伤
用量ꎬ是能真正推动碳纤维产业化发展的重要市场ꎬ
ｍｍ 圆柱冲头、７ ５ ｍｍ 球状冲头、７ ５ ｍｍ 圆锥形冲
之一ꎮ 在这一领域ꎬ碳纤维复合材料有巨大的潜在
有望成为推动我国碳纤维产业发展且具有中国特色
能量增加ꎮ Ｈｏｕ 等 [１４] 使用几种不同的冲击头( ７ ５
合材料层合板、ＰＭＩ 泡沫( 厚为 ３ ｍｍ) 夹芯碳纤维复合材料( 上下蒙皮各为 ２ ５ ｍｍ) 试件分别用 ５ Ｊ、１０ Ｊ、２０ Ｊ、４０ Ｊ 能量进行低
速落锤冲击实验ꎮ 实验结果表明ꎬ泡沫夹芯碳纤维复合材料的吸能效果好于碳纤维复合材料层合板ꎮ 随着冲击能量的提高ꎬ
两者的冲击吸能效果差距越来越小ꎬ但夹芯板的冲击损伤情况好于层合板ꎬ同时碳纤维复合材料层合板的吸收 / 冲击能量比的
头) 对泡沫金属铝夹芯材料进行准静态试验和弹道
的碳纤维应用领域ꎮ 汽车零部件中使用碳纤维复合
冲击试验ꎬ最后得出结论ꎬ影响冲击试验的主要参数
材料的主承力件( 如安全舱、轮毂等零部件) 均涉及
有复合材料泡沫夹芯密度和厚度、复合材料蒙皮厚
低速冲击问题ꎮ 许多研究表明ꎬ碳纤维复合材料与
度、试验设置的冲击速度等ꎬ而冲头形状的影响不是
材ꎬ设定 ２５ Ｊ 能量进行冲击测试ꎬ结果表明玻璃纤
冲击实验使用 ＭＴＳ ＺＣＪ１３０２￣ＡＤ 仪器化落锤冲
杂碳 / Ｋｅｖｌａｒ 为 面 层ꎬ 使 用 聚 氨 酯 闭 孔 硬 质 泡 沫 芯
维面层 的 冲 击 载 荷 峰 损 伤 程 度 最 高ꎬ 峰 值 最 低ꎻ
Ｋｅｖｌａｒ 纤维面层的损伤程度最低ꎬ冲击载荷峰历程
玻璃钢 / 复合材料
５３
２０１９ 年第 ８ 期
ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响
王士杰１ꎬ２ ꎬ 孙泽玉１ꎬ２∗ ꎬ 陶 雷１ꎬ２ ꎬ 杨 青３ꎬ４
(１ 东华大学材料科学与工程学院ꎬ 上海
最短ꎬ峰值最高ꎮ 于渤等
[１９]
ＦＲＰ / ＣＭ ２０１９ Ｎｏ ８
ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响
５４
２０１９ 年 ８ 月
等 [１８] 采用碳纤维、Ｋｅｖｌａｒ 纤维织物、玻璃纤维和混
准ꎬ对泡沫夹芯复合材料及碳纤维层合板进行水切
别是在汽车领域ꎬ需要在满足一定抗弯刚度的同时
满足安装尺寸的要求ꎬ故加入泡沫来分散剪切力在
对结构刚度有很大提升的同时ꎬ保证了刚度需求ꎮ
如何评估低速冲击后夹芯复合材料的质量问题
一直是复合材料领域的研究重点ꎬ国内外研究人员
[７￣１２]
ꎮ Ａｎｄｅｒｓｏｎ 等
[１３]
氨基甲酸酯泡沫夹芯材料ꎬ使用冲头直径分别为 １５
金属材料相比ꎬ抗冲击性能力差ꎬ等体积条件下刚度
太大ꎮ Ｗａｎｇ 等 [１５] 采用以 Ｔ３００ 碳纤维为蒙皮的聚
ꎬ因此
ｍｍ、２５ ｍｍ 和 ３５ ｍｍ 的球装冲头进行了低速冲击试
低 [１￣５] ꎮ 而泡沫夹芯复合材料不仅能有效提高材料
的结构稳定性和弯曲刚度ꎬ还可以减轻重量
[６]
在交通、体育、航空航天等领域正在被广泛应用ꎬ特
ＷＦ) 板材进行了低速冲击试验ꎬ试验结果表明泡沫
夹芯损伤程度只与上蒙皮凹坑深度有关ꎬ泡沫夹芯
定的损伤ꎮ 张龙飞等 [１７] 以无纺布和阻燃中密度纤
维板( ＭＤＦ) 为增强材料ꎬ对酚醛泡沫板进行结构增
强ꎬ结果表明采用 ＭＤＦ 增强酚醛泡沫板的压缩强
度、冲击韧性、抗弯强度等均能得到提升ꎮ 武晓东
收稿日期: ２０１８￣１１￣１９
值逐渐增大ꎬ而泡沫夹芯碳纤维复合材料的逐渐减小ꎬ但在 ４０ Ｊ 及其以下的冲击能量下ꎬ夹芯板的吸收 / 冲击能量比都高于层
合板ꎮ
关键词: 复合材料ꎻ 泡沫夹芯ꎻ 冲击能量ꎻ 落锤冲击
中图分类号: ＴＢ３３２ 文献标识码: Ａ 文章编号: １００３－０９９９(２０１９)０８－００５３－０６
本文作者还有杜宇 １ꎬ２ ꎬ 代兰奎 １ꎬ２ ꎬ 熊风 １ꎬ２ ꎬ 朱姝 １ꎬ２ ꎬ 张辉 １ꎬ２ ꎬ 余木火 １ꎬ２∗ ꎮ
基金项目: 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 ( １８Ｄ１１０３２０)ꎻ 上 海 市 科 委 科 研 课 题 资 金 资 助 ( １５ＪＣ１４００３０２ꎬ １６ＤＺ１１２１４０４ꎬ
用
及泡沫芯材性能有关ꎬ不是发生在所有的夹芯材料
不同的冲击能量冲击板材ꎬ总结了板材损伤、接触力
上的ꎬ即使冲击能量较小ꎬ泡沫夹芯及蒙皮也都有一
对该问 题 进 行 了 相 关 研 究
规律的关系ꎬ对不同铺层的蒙皮(ＬＴＭ４５ＥＬ / ＣＦ０１１１)、
不同厚度以及不同密度 的 泡 沫 夹 芯 ( １１０ Ｗ 和 ５１
作者简介: 王士杰 (１９９４￣) ꎬ 男ꎬ 硕士ꎬ 主要从事碳纤维复合材料应用方面的研究ꎮ
通讯作者: 孙泽玉 (１９８６￣) ꎬ 男ꎬ 工程师ꎬ 主要研究方向为碳纤维复合材料汽车轻量化ꎬ ｓｕｎｚｅｙｕ＠ｄｈｕ ｅｄｕ ｃｎꎮ
余木火 (１９６１￣) ꎬ 男ꎬ 博导ꎬ 教授ꎬ 主要研究方向为高性能纤维及其复合材料的应用ꎬ ｙｕｍｕｈｕｏ＠ｄｈｕ ｅｄｕ ｃｎꎮ
３ 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司ꎬ 上海
２０１６２０ꎻ ２ 上海市轻质结构复合材料重点实验室ꎬ 上海
２０１６２０ꎻ
２０００９２ꎻ ４ 上海汽车车身先进制造工程技术研究中心ꎬ 上海
２０００９２)
摘要: 采用落锤冲击试验开展了 ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响研究ꎮ 对厚度为 ５ ｍｍ 的碳纤维复
验ꎬ试验分析可知ꎬ冲击过程中最大接触载荷随着蒙
皮厚度、冲击能量、冲头直径的上升而提高ꎬ但是泡
沫夹芯厚度与冲击响应的关联不大ꎮ Ｂｅｒｎａｒｄ 等 [１６]
对以 ＰＭＩ 为填充的复合泡沫夹芯材料开展了低能
量冲击实验( 冲击设定的能量小于 １０ Ｊ) ꎬ最后数据
表明ꎬ蒙皮与泡沫夹芯临界面脱粘与泡沫的刚度以
使用碳纤维复合材料是汽车轻量化的有效途径
的密度以及蒙皮厚度的上升可以使夹芯板材的损伤
用量ꎬ是能真正推动碳纤维产业化发展的重要市场ꎬ
ｍｍ 圆柱冲头、７ ５ ｍｍ 球状冲头、７ ５ ｍｍ 圆锥形冲
之一ꎮ 在这一领域ꎬ碳纤维复合材料有巨大的潜在
有望成为推动我国碳纤维产业发展且具有中国特色
能量增加ꎮ Ｈｏｕ 等 [１４] 使用几种不同的冲击头( ７ ５
合材料层合板、ＰＭＩ 泡沫( 厚为 ３ ｍｍ) 夹芯碳纤维复合材料( 上下蒙皮各为 ２ ５ ｍｍ) 试件分别用 ５ Ｊ、１０ Ｊ、２０ Ｊ、４０ Ｊ 能量进行低
速落锤冲击实验ꎮ 实验结果表明ꎬ泡沫夹芯碳纤维复合材料的吸能效果好于碳纤维复合材料层合板ꎮ 随着冲击能量的提高ꎬ
两者的冲击吸能效果差距越来越小ꎬ但夹芯板的冲击损伤情况好于层合板ꎬ同时碳纤维复合材料层合板的吸收 / 冲击能量比的
头) 对泡沫金属铝夹芯材料进行准静态试验和弹道
的碳纤维应用领域ꎮ 汽车零部件中使用碳纤维复合
冲击试验ꎬ最后得出结论ꎬ影响冲击试验的主要参数
材料的主承力件( 如安全舱、轮毂等零部件) 均涉及
有复合材料泡沫夹芯密度和厚度、复合材料蒙皮厚
低速冲击问题ꎮ 许多研究表明ꎬ碳纤维复合材料与
度、试验设置的冲击速度等ꎬ而冲头形状的影响不是
材ꎬ设定 ２５ Ｊ 能量进行冲击测试ꎬ结果表明玻璃纤
冲击实验使用 ＭＴＳ ＺＣＪ１３０２￣ＡＤ 仪器化落锤冲
杂碳 / Ｋｅｖｌａｒ 为 面 层ꎬ 使 用 聚 氨 酯 闭 孔 硬 质 泡 沫 芯
维面层 的 冲 击 载 荷 峰 损 伤 程 度 最 高ꎬ 峰 值 最 低ꎻ
Ｋｅｖｌａｒ 纤维面层的损伤程度最低ꎬ冲击载荷峰历程
玻璃钢 / 复合材料
５３
２０１９ 年第 ８ 期
ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响
王士杰１ꎬ２ ꎬ 孙泽玉１ꎬ２∗ ꎬ 陶 雷１ꎬ２ ꎬ 杨 青３ꎬ４
(１ 东华大学材料科学与工程学院ꎬ 上海
最短ꎬ峰值最高ꎮ 于渤等
[１９]
ＦＲＰ / ＣＭ ２０１９ Ｎｏ ８
ＰＭＩ 泡沫对碳纤维复合材料抗低速冲击性能的影响
５４
２０１９ 年 ８ 月
等 [１８] 采用碳纤维、Ｋｅｖｌａｒ 纤维织物、玻璃纤维和混
准ꎬ对泡沫夹芯复合材料及碳纤维层合板进行水切
别是在汽车领域ꎬ需要在满足一定抗弯刚度的同时
满足安装尺寸的要求ꎬ故加入泡沫来分散剪切力在
对结构刚度有很大提升的同时ꎬ保证了刚度需求ꎮ
如何评估低速冲击后夹芯复合材料的质量问题
一直是复合材料领域的研究重点ꎬ国内外研究人员
[７￣１２]
ꎮ Ａｎｄｅｒｓｏｎ 等
[１３]
氨基甲酸酯泡沫夹芯材料ꎬ使用冲头直径分别为 １５
金属材料相比ꎬ抗冲击性能力差ꎬ等体积条件下刚度
太大ꎮ Ｗａｎｇ 等 [１５] 采用以 Ｔ３００ 碳纤维为蒙皮的聚
ꎬ因此
ｍｍ、２５ ｍｍ 和 ３５ ｍｍ 的球装冲头进行了低速冲击试
低 [１￣５] ꎮ 而泡沫夹芯复合材料不仅能有效提高材料
的结构稳定性和弯曲刚度ꎬ还可以减轻重量
[６]
在交通、体育、航空航天等领域正在被广泛应用ꎬ特
ＷＦ) 板材进行了低速冲击试验ꎬ试验结果表明泡沫
夹芯损伤程度只与上蒙皮凹坑深度有关ꎬ泡沫夹芯
定的损伤ꎮ 张龙飞等 [１７] 以无纺布和阻燃中密度纤
维板( ＭＤＦ) 为增强材料ꎬ对酚醛泡沫板进行结构增
强ꎬ结果表明采用 ＭＤＦ 增强酚醛泡沫板的压缩强
度、冲击韧性、抗弯强度等均能得到提升ꎮ 武晓东
收稿日期: ２０１８￣１１￣１９
值逐渐增大ꎬ而泡沫夹芯碳纤维复合材料的逐渐减小ꎬ但在 ４０ Ｊ 及其以下的冲击能量下ꎬ夹芯板的吸收 / 冲击能量比都高于层
合板ꎮ
关键词: 复合材料ꎻ 泡沫夹芯ꎻ 冲击能量ꎻ 落锤冲击
中图分类号: ＴＢ３３２ 文献标识码: Ａ 文章编号: １００３－０９９９(２０１９)０８－００５３－０６
本文作者还有杜宇 １ꎬ２ ꎬ 代兰奎 １ꎬ２ ꎬ 熊风 １ꎬ２ ꎬ 朱姝 １ꎬ２ ꎬ 张辉 １ꎬ２ ꎬ 余木火 １ꎬ２∗ ꎮ
基金项目: 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项 资 金 资 助 ( １８Ｄ１１０３２０)ꎻ 上 海 市 科 委 科 研 课 题 资 金 资 助 ( １５ＪＣ１４００３０２ꎬ １６ＤＺ１１２１４０４ꎬ
用
及泡沫芯材性能有关ꎬ不是发生在所有的夹芯材料
不同的冲击能量冲击板材ꎬ总结了板材损伤、接触力
上的ꎬ即使冲击能量较小ꎬ泡沫夹芯及蒙皮也都有一
对该问 题 进 行 了 相 关 研 究
规律的关系ꎬ对不同铺层的蒙皮(ＬＴＭ４５ＥＬ / ＣＦ０１１１)、
不同厚度以及不同密度 的 泡 沫 夹 芯 ( １１０ Ｗ 和 ５１