复合材料夹层结构

)T
避免缝线屈曲，提高斜缝合 泡沫夹层结构力学性能，尤 其是抗压性能；
便于制备大尺寸制件；
Z-pin夹层结构
应用领域
23
Z-pin夹层结构
24
连体织物及复合材料
面层
纤维 芯柱
面层
三维间隔连体织物是一种层与 层之间由连续纤维芯柱相接而 成一体呈空芯结构的编织物
面层之间芯柱经向呈“8”字形， 纬向呈“1”字形
3.0
70°-80°
2.5
60°-70°
Stress (MPa)
2.0
平
1.5
压
1.0
0.5
0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 Strain
芯柱断裂破坏 芯柱与面层夹角成80°-90°时性能最佳
Stress (MPa)
1.2
1.0
剪
0.8
切 0.6
warp weft
Time / s
树脂沿芯柱纤维浸润距离-时间曲线
经向
纬向
上下面层异步浸胶方法：
首 先 将 其 总 量 的 30% 均 匀
涂覆在模具上，使树脂完
全浸入织物下面层，然后
将剩余树脂均匀涂覆在织
物上面层。
粘度越小下浸速度和上浸速
度差异越大
27
连体织物及复合材料
树脂含量对浸渗质量的影响
1.93 kg/m2
2.31 kg/m2
Fiber volume fraction/% Distance/cm
50
5mm 8mm
10mm
40
30
20
10
0 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08 Vacuum pressure/MPa
0.10
真空作用下层连织物的纤维含量
随芯柱高度增加，可达到更高体积分数
28 Vacuum bag with HPM(weft)
4
1 0 25 50 75 100 125 150 Time/s
树脂在不同注胶方式下流动规律
沿织物纬向渗透速率均快于经向
30
连体织物及复合材料
层连织物内树脂渗透与回复特性
30
25
渗
25
Distance/cm
透
20
特
15
性
10
5
20
Distance / cm
15
0.06MPa
10
0.08MPa
0.1MPa
面板铺覆
斜缝合
合模
热膨胀成型
忽略面板和缝线的体积，忽略缝线张紧后的长度变化 认为缝线对泡沫芯刚性约束，缝线张紧力等于泡沫芯对模具的膨胀压力
最终
(T2, P2, V2)
(b3)
(T2, P1)
＋
(a)
(b2)
(T1, P1, V1)
(b1) ＋
起始
泡沫芯子
(T1, P1)
模具
P
K
F 2
(
F c
M c
25
Vacuum bag with HPM(warp)
Vacuum bag without HPM(weft)
22
Vacuum bag without HPM(warp)
Rigid mold without HPM(weft)
19
Rigid mold without HPM(warp)
16
13
10
7
0.00
0.01
上面层注入
下面层注入
注入示意图
充模时间/s
526
543
注入树脂质量/g
520
531
上表面
上下面层异步注入
381 722
下表面
11
Z向缝合夹层结构
工艺条件对承力柱孔隙的影响
宏观孔隙缺陷 延长真空作用时间，采用丝束小的纱线
5
4 4-5
3
3-4
2-3
2
1-2
1
0-1
d
0
c
30
150 270
390
510
b a
80
60
Y=1.38+0.31exp(0.00121X)
40
R2=0.99954
环氧E51流变曲线
20
0 0
1000 2000 3000 4000 5000 Time / s
120
100
Experimental data
Fitting experimental data 80
60
Y=0.43+0.07exp(0.00282X)
Lucas-Washburn方程
L2 cos rc t 2
14
12
Wicking distance / mm
10
8
6
4
Theoretical prediction
2
Wicking from top to bottom
Wicking from bottom to top
0
0
2000
4000
6000
0.0 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08 Vacuum pressure/MPa
0.10
层连织物的厚度回复率
织物的厚度回复率随着压力增大而减小 随着芯柱高度降低，厚度更易回复
31
连体织物及复合材料
Resin content Resin content
Resin content
树脂分布影响因素
主要几 何参数
承力柱高度 承力柱细度 承力柱分布密度
8
Z向缝合夹层结构
缝合工艺
上面板内层 上面板外层 承力柱纤维
泡沫芯材 下面板外层
下面板内层
9
Z向缝合夹层结构
缝合泡沫夹层结构制备方法
预成型体锁式缝合工艺
缝合泡沫夹层结构
缝合预成型体
复合工艺
10
Z向缝合夹层结构
缝合泡沫夹层树脂注入方法
树脂渗透方式
随着树脂粘度增加， 树脂渗透均匀性变
差
5 9 13 17 21 25
Distance/cm
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.1MPa
0.08MPa
0.2
5
10 15 20 25
Distance/cm
0.1
1
2
3
4
5
6
Distance/cm
32
连体织物及复合材料
力学特性与失效模式
3.5 80°-90°
0.4
0.2
0.0
芯柱根部断裂
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Strain
纬向性能优于经向
33
连体织物及复合材料
力学特性与失效模式
400
300
Load (N)
弯
200
曲 100
weft warp
0
012345678 Displacement (mm)
Face sheet compressive stress (MPa)
加入芯材的目的是维持两面板之间的距离，这一距离使夹层 面板截面的惯矩和弯曲刚度增大。由于芯材的比重小，所以用 它制成的夹层结构能在同样承载能力下，大大减轻结构的自重。
5
夹层结构的面板材料可以是玻璃钢板、塑料板、铝 板、胶合板等。它是夹层结构的主要受力部分。
夹层结构的夹芯材料有蜂窝芯材、泡沫塑料、强芯 毯、软木等，它在夹层结构中起连接和支撑面板的作用， 承受的是剪切应力。
主要几 何参数
无面/芯剥离
抗冲击性能优异
芯柱高度 经纱密度 纬纱密度 间隔纱密度
25
连体织物及复合材料
应用领域
制备多层吸波材料 应用于F/A-18E/F
波兰的Bilsam aviation制造 的轻型运动飞机Sky Cruiser
小型飞机座椅
26
连体织物及复合材料
树脂对层连织物的毛细浸润
40
R2=0.99821
20 191树脂流变曲线
0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Time / s
0 C expBt 环氧E51 191树脂
初始粘度/Pa•s
1.38
0.43
反应速率参数B 0.00121 0.00282 29
连体织物及复合材料
低粘度树脂真空辅助成型
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
0.7
0.6
0.3Pa·s 0.5Pa·s
高渗透率介质层有
0.7Pa·s
0.5
助于树脂均匀分布
0.4 0.3 0.2 0.1
1
Without high permeability media With high permeability media
0
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
Strain
13
Z向缝合夹层结构
缝合泡沫夹层结构力学性能
Load / N
1200
弯 800 曲
400
Stitched Sanwich Unstitched Sandwich
0 0
10
20
30
Displacement / mm
性能指标
平压强度 /MPa 平压模量 /MPa 侧压强度 /MPa 侧压模量 /MPa 弯曲强度 /MPa
复合材料夹层结构
2018.3.22
1
概述
先进复合材料的重要发展方向
轻量化 高性能 低成本
三维增强夹层结构 复合材料复合工艺力学 Nhomakorabea性2
概述
夹层结构优势
3
概述
4
概述
夹层结构
由三层以上的材料或结构组成的复合结构， 有两层薄而高强度的面板结构，其间夹着 一层厚而极轻的芯材。这是为了满足轻质 高强要求而发展起来的一种结构形式。
普通泡沫夹层结构 复合材料 0.4 22 10.9 1000 14.2
缝合泡沫夹层结构 复合材料 5.5 221 23.2 1517 29.3
缝合泡沫夹层结构复 合材料（去除泡沫）
4.5
195
20.0
1332
18.1
14
Z向缝合夹层结构
应用领域
15
Z-pin夹层结构
在泡沫塑料中植入与 外表面呈一定角度的 单向纤维针状物（即 Z-pin）形成网架结构
45
40
35
30
侧
25 20
压
15
10
5
warp weft
0 0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
strain
34
连体织物及复合材料
力学特性与失效模式
Face sheet tensile stress (MPa)
160
140
warp
weft
120
面
100
内
80
拉
60 40
伸
20
0
-20
夹层结构的优点很多，如比强度高、比刚度高、结 构稳定性好、承载能力高、耐疲劳、抗振动、隔音、隔热 等。
6
新型轻质夹层结构复合材料
Z向缝合夹层结构
Z-pin夹层结构
新型轻质夹层 结构复合材料
连体织物夹层结构
点阵夹芯结构
7
Z向缝合夹层结构
上面板
泡沫 芯材
下面板
承力柱
突出平压强度 优异耐久性 良好隔热隔声性
与传统的蜂窝夹层结构相比，突出的抗剪强度、抗 压强度、抗冲击强度及耐久性
面－芯粘结不需要其它胶粘剂
主要几 何参数
Z-pin植入角度 植入密度
Z-pin细度
16
Z-pin夹层结构
植入工艺
Z-pin植入工艺
缝合工艺 17
Z-pin夹层结构
Pin数控植入工艺
X-cor 31IG芯材
X-cor 51WF芯材
解决的问题 减小缝纫阻力 减少树脂灌入针孔
普通缝针
缝线
Kevlar纤维压缩强度较低； 碳纤维脆性大，不利于缝合，在
RTM工艺中难以充分浸渍
缝线
泡沫 芯子
面板
无底线缝合方式
尾部中空的缝针
缝线
普通缝纫机针的锁式缝合
尾部中空的缝针
钩针的锁式缝合
Z-pin夹层结构
预压缩－热膨胀成型工艺
泡沫芯子预压缩
2.89 kg/m2
3.85 kg/m2
不同树脂含量层连织物复合材料截面图
随着树脂含量的增加，纤维芯柱和下面层均出现树脂富集缺陷 28
连体织物及复合材料
Viscosity / Pa·s Viscosity / Pa·s
树脂流变特性对浸渗质量的影响
120
100
Experimental data
Fitting experimental data
* 热压工艺参数 的设定非常关 键
成型压力太小
Z－pin端部弯曲、劈裂 成型压力太大
Z-pin夹层结构
成型过程中的压力分配
成型压力
适配的成 型压力
压力 上限
压力 下限
第一阶段 第二阶段 第三阶段
压机位移
第一阶段
Z-pin刺入面板
第二阶段
面板密实
第三阶段
Z-pin压坏
Z-pin夹层结构
缝合方法的确定
Z向缝合夹层结构
缝合泡沫夹层结构力学性能
6.0
Stress / MPa
4.5
平
3.0
压
1.5
Stitched Sanwich Unstitched Sandwich
Stress / MPa
0.0 0.0
24
18
侧 压 12
6
0.1
0.2
0.3
Strain
Unstitched Sandwich Stitched Sandwich
5
0.3 Pa·s 0.5 Pa·s 0.7 Pa·s
0 0
1.2 1.0
10 20 30 40 50 60 70 80
Time/s
14mm 10mm 8mm
0 0
5 10 15 20 25 30 35 40
Time/ s
Thickness recovery rate
回
0.8
复
0.6
特
0.4
性
0.2
植入工艺要求：
Pin以精确的植入角植入泡沫
如无需局部增强，应保证pin的空间分布均匀
Pin嵌入蒙皮足够的深度，即保证pin伸出泡沫两端的长度精确
18
Z-pin夹层结构
成型工艺过程
Z-pin的制备 泡沫芯预打孔
Z-pin植入
面板预浸料铺放
热压成型
Z-pin增强泡沫 夹层结构
易出现的质量问题：
面芯粘结不良
6
5
5-6
4
4-5
3-4
3
2-3
2
1-2
1
0-1
d
0
c
30
150 270
390
510
b a
树脂注入方向
a b c d
7
6
6-7