● 摘要
夹层结构是复合材料高效应用的一种重要结构形式，在减轻结构重量，提高结构刚度，实现结构/功能一体化方面具有突出优势。目前，常用的夹层结构复合材料有两大类，一类是蜂窝夹层结构复合材料，另一类是泡沫夹层结构复合材料。本文重点考察泡沫夹层结构复合材料。由于传统泡沫夹层结构复合材料在厚度方向上抗压、抗剪性能较低，面板与芯子易开胶，在使用过程中经常发生芯子塌陷、面板失稳等问题，检测和修补难度大，这就严重限制了泡沫夹层结构复合材料在机身、机翼等重要构件上的应用。为了改进泡沫夹层结构复合材料性能，本文以轻质高强的碳纤维形成“X”状桁架结构对泡沫夹层结构进行厚度方向增强，分别采用Z-pin法和斜缝合法制备出综合性能好的X桁架/泡沫夹层结构复合材料，对其制备工艺、影响因素以及力学性能进行了系统的实验研究和深入的理论分析，研究结果为这类增强泡沫夹层结构复合材料的合理设计、制备及应用奠定了基础。首先针对Z-pin法X桁架/泡沫夹层结构复合材料的成型质量进行了研究，优化了热压工艺参数，明确了热压过程中外加压力在Z-pin和泡沫芯子上的分配关系，建立了Z-pin刺入面板长度、植入角度变化值与Z-pin承压的关系式。其次，提出了适配的Z-pin法X桁架/泡沫夹层结构成型压力的确定方法。在预定的成型压力下，成功制备出X桁架/泡沫夹层结构复合材料，该夹层结构复合材料的厚度及Z-pin角度与估算结果有较好的吻合。在此基础上，系统研究了Z-pin直径、Z-pin植入密度、角度、方向、Z-pin露出泡沫表面的长度以及面板厚度等结构参数对X桁架/泡沫夹层结构的平压性能、剪切性能、平拉性能、弯曲性能以及侧压性能等的影响，揭示了X桁架/泡沫夹层结构的结构参数对其主要力学性能的影响规律。发现在45°~90°内随着Z-pin植入角度的增大，平压性能增大而剪切和弯曲性能下降。适当增大Z-pin端部露出长度并将Z-pin沿即将承载的方向倾斜植入有利于剪切性能的提高。弯曲性能和侧压性能虽然主要受面板厚度的影响，但对Z-pin植入密度和方向等参数也有很大的依赖性。同时，针对斜缝合X桁架/泡沫夹层结构复合材料， 研究了以碳纤维预浸纱为缝线，斜缝合法制备X桁架/泡沫夹层结构的成型工艺，在原材料和结构参数相同的情况下，全面比较了采用Z-pin法和采用斜缝合法制备的X桁架/泡沫夹层结构复合材料的力学性能特点。发现斜缝合X桁架/泡沫夹层结构复合材料的剪切强度、平拉强度、弯曲强度以及侧压强度均高于Z-pin法X桁架/泡沫夹层结构复合材料，但平压强度较低，平压强度较低是由于缝线不直所致。为了解决这一问题，提出了一种利用泡沫芯子的可压缩性和热膨胀性克服缝线易于屈曲的方法，有效提高了斜缝合X桁架/泡沫夹层结构复合材料的力学性能，尤其是平压强度提高了106％。最后，针对这种X桁架/泡沫夹层结构复合材料，在等应变假设的基础上，建立了X桁架/泡沫夹层结构的三维单胞模型，对其平压模量和剪切模量进行了估算，理论计算值与实验值吻合较好。还采用了弹性地基梁原理，考虑了泡沫芯子的弹性支撑作用，建立了X桁架/泡沫夹层结构复合材料平压强度估算式，估算结果与实验值有较好的一致性。目前，正在运用上述研究结果，模拟某飞机的方向舵，制备带一定曲面的X桁架/泡沫夹层结构复合材料段件，准备进行验证实验，以促进促进该材料在飞机结构上的推广应用。