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泡沫来层复合材料的制备及其力学和阻燃性能的研究

李国琴  
【摘要】:夹层结构自20世纪40年代诞生以来,由于它具有高的比强度和高的比模量、耐疲劳、抗震动性能好,并能有效地吸收冲击载荷,同时又能通过适当的面板,芯材和胶黏剂,满足各种使用条件下的要求,因此一直是航空和航天工程中的结构“材料”。目前夹层结构的应用已遍及航空航天、船舶、交通运输、建筑、电子工业以及体育和娱乐界。 夹层结构在力学上的特点是表层为主要承载层,而芯材的作用是把两块表层板撑开并且和表层牢固地粘合在一起并承受剪切力,其中芯材和面层的粘结结合是关键技术之一,只有两者有效结合,才能实现夹层结构的良好性能。对于主承力的面板,传统的层合板有易分层的缺陷。另一方面,泡沫芯材和上下面板的传统胶黏方式不易实现很好的效果,芯材和上下面板也存在脱离现象,成为受力弱点。本文中的夹层结构,不仅三维正交面板层与传统的层合面板层相比,有不易分层的特点,同时用Z向捆绑纱将泡沫芯材和上下面板用织造的方式结合在一起,使夹层结构的整体性更好。 本实验中采用芳纶三维织物为面板,酚醛泡沫为芯材,酚醛树脂为固化树脂,通过三维正交机织机织造得到夹层结构复合材料的预制件,采用手糊成型和真空辅助树脂转移成型(VARTM)两种方法制备泡沫夹层复合材料,随后对制得的泡沫夹层复合材料进行了力学和燃烧性能测试和分析。 在低速冲击试验中,我们得到了冲击能量为12J和19J冲击作用下的载荷-时间曲线和能量-时间曲线,以此分析了泡沫夹层结构复合材料在低速冲击作用下的破坏形式,我们得出泡沫夹层复合材料的冲击损伤破坏过程可以分为三个阶段:夹层结构复合材料上面板树脂压碎以及上面板损伤、泡沫芯材破坏、下面板的损伤破坏。泡沫夹层复合材料在冲击能量为12J时的破坏形式为上面板损伤和芯材的部分裂纹出现,当冲击能量为19J时,泡沫夹层复合材料的下面板开始出现损伤。此外,我们发现真空辅助树脂转移(VARTM)成型制得的泡沫夹层复合材料的抗冲击性能比手糊成型制得的夹层复合材料好,这与VARTM成型的树脂浸润效果好有关。 三点弯曲试验中,对制得的夹层复合材料的弯曲载荷-位移曲线进行分析来说明材料在弯曲载荷下的几种损伤形式:夹层结构复合材料面板的压缩或拉伸破坏;芯材的剪切破坏;芯材的压缩或者拉伸破坏。夹层结构复合材料弯曲损伤破坏,与面板的固化成型效果、面板与酚醛泡沫的粘合作用、以及材料在三点弯曲测试中,剪切破坏更易于弯曲破坏等因素有关。 阻燃性能采用了两种燃烧指标测试方法:极限氧指数和水平燃烧法测试方法。两种成型方法制得的泡沫夹层复合材料的极限氧指数均能达到49%,水平燃烧得到的燃烧等级均为HB,故此泡沫夹层复合材料具有优良的阻燃性能。


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