摘要

研究了低密度芳纶短纤维 (AF) 对碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面增韧效果和增韧机制。制备了复合材料夹芯梁，将6mm长度的AF制成絮状纤维薄层用于夹芯梁界面层的增韧，并采用非对称双悬臂梁实验对增韧和未增韧夹芯梁进行了界面断裂韧性的测量。相比于未增韧夹芯梁试件，增韧试件的平均临界能量释放率提高了91%，平均临界载荷提高了55%，而引入AF增韧层仅使夹芯梁质量提升了0.36%，显示本文方法具有良好的增韧效果与效率。使用SEM观察了夹芯梁界面的断面形貌与特征，微观观测结果显示，在界面裂纹扩展的过程中，AF一方面在面板与芯体之间形成桥联微结构，通过纤维拔出、纤维剥离、纤维断裂等行为，提高界面裂纹扩展的耗散能与临界载荷。另一方面，在蜂窝壁板周围的树脂“圆角”富余区，AF还能提高树脂与蜂窝壁板的粘结性能，避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小而发生拔出。本文定量地测量了AF对CF/EP-铝蜂窝界面的宏观增韧效果，并阐释了其微观增韧机制，相关发现可为提高复合材料夹芯结构的安全性和可靠性提供指导。

引言

碳纤维 (CF) 和铝蜂窝已广泛应用于航空航天、交通运输等领域。由CF作为面板，铝蜂窝作为芯体组成的复合夹芯结构兼备高比刚度、高比强度和轻质等优点，同时还具有良好的能量吸收能力和阻尼特性。夹芯结构的性能很大程度上依赖于面板和芯体之间的界面结合强度，由于碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP) 面板与铝蜂窝芯体之间存在较大性能差异，在服役过程中容易出现界面分层破坏，极大影响结构的整体性和承载力，因此提高结构的界面断裂韧性具有重要意义。

由于蜂窝芯体本身孔洞较多且结构脆弱 ，Z-pin法、缝纫法等界面增韧方法均不适用，而短纤维增韧是一种适合铝蜂窝芯体且具有良好增韧效果的方法。研究发现短CF可以提高热压陶瓷基等复合材料的界面断裂韧性。Li等、Zhang等的研究表明亚麻纤维可以提高复合材料的界面韧性及其他力学性能。有学者在对纤维界面的I 型和II型断裂韧性的测量中，发现芳纶短纤维(AF) 具有良好的增韧性能。AF在对CF层合板界面断裂韧性和整体性能的提升方面均有着优异的表现。研究表明，极小重量比的AF可以有效地提高泡沫铝夹芯复合材料/结构的能量吸收率。Shi等、Sun等、石姗姗等研究了AF增韧夹芯梁在三点弯曲等情况下的破坏形式，发现增韧后梁的力学性能有明显提升。

现有研究表明分层破坏是结构非常重要的一 种破坏形式，会严重影响结构的整体性能，了解界面断裂韧性相关的性能参数对于指导结构的实际工程设计有着重要意义。研究发现，引入AF增韧后，原碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的三点弯曲与面内压缩性能有所提高，侧面反映出界面破坏程度有所减小，但具体界面性能的提升效率如何、界面破坏形式如何，目前缺乏针对性的研究和可量化的数据。本文对AF增韧的宏观效果进行了定量测量，并对其微观增韧机制进行了阐释，相关发现可为提高复合材料夹芯结构的安全性和可靠性提供指导。

1 实验材料及夹芯板的制备

1.1 原材料

夹芯板的面板材料采用神鹰复合材料科技有限公司生产的CR12U-200II碳纤维(CF)单向编织布，面密度为200g/m2，将其裁剪至单块面积为290mm×290mm的尺寸以满足实验所需试件要求。将LY5288环氧树脂与HY5289固化剂按照100∶23的比例混合均匀后浸润CF布，以实现面板与芯体的粘结。本次实验所用夹芯材料为广州晓达金属制品有限公司生产的铝蜂窝，其高度为10.02mm，六边形蜂窝孔径尺寸为7.0mm，孔壁厚度为0.06mm。

研究所使用的芳纶纤维(AF) 为美国杜邦公司生产的Kevlar29(凯夫拉纤维)，首先将纤维裁剪至单根长度为6mm，长度标准差控制在±0.5mm，之后将裁剪好的凯夫拉纤维(下文统称AF纤维)放入带有钝头的破壁机内搅拌50~60s，转速控制在2000r/min，经此过程获得分散均匀的絮状AF，其处理前后的对比效果如图1所示。

1.2 碳纤维-芳纶纤维增强环氧树脂复合材料 (CF- AF/EP)-铝蜂窝夹芯板的制作

制作开始之前首先进行实验台的清理工作，并将准备好的实验用材放置在硅油纸上， 以避免灰尘杂质等对实验的影响。采用人工铺设的方法将搅拌加工后的絮状AF平铺在一块裁剪好的CF布上，铺设过程需操作谨慎，保证AF增韧层的均匀性，最终每个夹芯梁增韧层的实际面密度为(6.2±0.2) g/m2。将裁剪好的20块CF布分为两组， 每组各10块，分别用于上下面板的制备。用调配好的混合EP充分浸润CF布，每浸润一层即将其放置在恒定低温的冷藏柜中，以确保所有预浸CF布的温度保持一致，其中，混合EP的密度控制在121.6~122.2g/m2之间，每次制作夹芯板所用的混合EP用量为(205±0.5)g。待浸润工作完成后，将10层CF布按照 [0°/90°]的顺序依次铺叠在290mm×290mm的模具中，随后放置与模具等面积的铝蜂窝芯体，并将2层铝箔纸对折后放置在铝蜂窝与上面板接触面的一端，铝箔纸的总厚度为48µm，由于铝箔纸之间未被EP粘结，因此可达到制备预制裂纹的目的。制备增韧夹芯板时，需在上面板与芯体之间铺设AF增韧层，上侧CF布的排布顺序与下侧保持对称，对于未增韧板则无需铺设AF增韧层，增韧结构示意图如图2所示。

模具组装完成后，使用热压固化的方式将其制成夹芯板，由于芯体结构较脆弱，为避免压坏铝蜂窝，热压过程的恒定压强条件为0.22MPa。整个热压过程在真空环境下进行，固化过程分为2个阶段，第1个阶段先将模具从室温升温至50℃,用时10min，随后保温30min；第2个过程将模具升温至70℃,用时10min，并保温30min。保温完成后，模具经自然冷却降至室温，经脱模处理后即分别可得到CF/EP-铝蜂窝夹芯板和CF- AF/EP-铝蜂窝夹芯板。

1.3 试件及夹具尺寸

采用非对称双悬臂梁 (ADCB) 实验进行界面断裂韧性的测量，量化的指标为界面的临界能量释放率与临界载荷。测量方法参考ASTMD5528−01，由于双悬臂梁(DCB) 样本宽度并非关键参数，为确保测量结果的准确性，夹芯梁的宽度应保证至少能覆盖10个完整的蜂窝芯体，夹具宽度与梁宽保持一致。如图3所示，将制备的增韧与未增韧夹芯板切割至合适尺寸，测量所用的夹芯梁试件长度L=280mm，宽度b=75mm，厚度h=13.12mm，预制裂纹的长度为80mm，由于载荷施加在夹具中心线上，因此试件的实际预制裂纹长度a0=50mm。夹具与试件之间通过万能胶进行粘结，为防止出现脱粘现象，粘结完成后应在通风良好处静置6~8h，再进行试件的测量工作。

在对照实验中，增韧试件(实验组) 相较于未增韧试件(对照组)，唯一的变量在于其上面板与蜂窝芯体之间存在AF增韧层。上下各10层的CF面板为测量提供了足够的强度和刚度，保证裂纹 能沿着界面层进行扩展。

1.4 测试方法及相关说明

ADCB实验采用Instron电子万能拉伸试验机进行测试工作，加载方法为准静态加载法，加载和卸载速率均为2mm/min。由于实验中夹芯梁为非对称结构，同时铝蜂窝芯体的几何参数在裂纹产生过程中沿裂纹扩展方向时刻变化，且蜂窝芯体发生塑性变形，因此实验产生的裂纹为I型和II型的混合型裂纹，比例未知，无法通过公式计算得出，故采取加载-卸载循环的方式，利用积分得到耗散能，再除以裂纹扩展面积，得到临界能量释放率。实验的拉伸载荷由1个量程为5000N的传感器进行捕捉记录，加载过程如图4所示。

由于铝蜂窝自身结构的不连续性，结构的界面裂纹往往并非呈现规律性的均匀扩展，本次研究所用夹芯梁试件的蜂窝芯体单胞直径尺寸为7mm，因此当加载至试件两侧裂纹扩展分别达到3~7mm后，以2mm/min的速率进行卸载直至拉伸载荷降为0，并对裂纹扩展位置进行标注。由于卸载过程中裂纹不会增加，故采用此方法进行测量所得结果具有很好的准确性。另外需要强调的是，界面裂纹前沿部位并非一条直线，而是具有一定曲率半径的曲线，但在一段较长的界面裂纹扩展过程中，该曲线对于界面裂纹扩展面积的影响较小。本次实验将试件两侧每次裂纹扩展距离的均值作为单次裂纹扩展长度，以简化计算和分析。重复以上加-卸载过程直至界面裂纹扩展总长度达到30~40mm，方可结束单个试件的测量。

2 结果和讨论

2.1 夹芯结构界面临界能量释放率的计算

界面临界能量释放率GC可以很好地表征和评估界面断裂韧性，ADCB实验加-卸载过程的典型荷载-位移曲线如图5所示，

对一个完整的加-卸载过程所围成的曲线进行积分，即可得到单次加-卸载所耗散的能量ΔU，用ΔU除以单次裂纹扩展面积，即可得到试件的界面临界能量释放率，计算公式如下：

其中：GC表示临界能量释放率；b 为夹芯梁试件的宽度；ΔU为一个完整的加-卸载过程中的能量耗散；Δa1、Δa2分别表示试件左右两侧单次裂纹扩展距离。由于在重复的加-卸载过程中，CF/EP面板和铝蜂窝芯体只发生弹性变形，不会造成能量耗散，因此尽管CF/EP面板存在残余挠度变形，利用式(1) 仍可保证测量结果的准确性。

2.2 CF-AF/EP-铝蜂窝夹芯结构界面增韧效果和分析

依据1.4节中的测量方法，对未增韧试件和AF增韧试件各独立进行5组实验，其临界能量释放率与临界载荷的散点图分别如图6和图7所示。

图中实线和虚线分别表示两类试件对应参数的上下限范围，对明显异常的数据需进行剔除。在ADCB实验过程中 ，界面裂纹基本保持在上面板和铝蜂窝夹芯之间的界面层，偶尔出现在界面层与CF/EP面板交界处。增韧试件的临界能量释放率GC和临界载荷P相较于未增韧试件有明显的提升，说明AF具有很好的增韧效果。与此同时，增韧试件数据的离散度也相对较大，这是由于蜂窝芯体本身存在较多孔洞，芯体结构的不连续性导致AF与蜂窝孔壁处混合树脂的粘结具有较大的随机性。尽管如此，增韧试件的临界能量释放率GC与临界载荷P的下限值仍高于未增韧试件相应指标的上限值，显示出AF优异的增韧性能。对比测量结果，未增韧试件能量释放率GC在1000~1900J/m2之间，而增韧试件的GC在2000~3 500J/m2之间，临界载荷方面，未增韧和增韧试件极限载荷分别为232.56N 和347.37N。与未增韧试件相比，增韧试件的平均临界能量释放率提高了91%，平均临界载荷提升了55%，表明AF界面增韧能极大地提高CF/EP-铝蜂窝夹芯结构的界面断裂韧性，实验结果与文献中AF对于夹芯复合结构的增韧效果保持一致。

根据图5和图6可以看出，在加载过程中，增韧夹芯梁试件的极限载荷和临界能量释放率均先增后减，这说明在加载初期，界面裂纹扩展距离较短，此时AF未发挥出全部的增韧能力。随着裂纹扩展距离的不断增加，AF在夹芯梁试件前端形成的桥联微结构逐渐被破坏，桥联结构数量由渐增趋于稳定，试件的承载力逐渐下降。如图8所示，相较于断裂初期，裂纹扩展至12mm后，临界能量释放率GC有所提高，说明该阶段AF的增韧效果趋于稳定，而离散度的增加是由于蜂窝芯体结构的不连续性，增大了桥联微结构产生位置和数量的随机性。

2.3 CF-AF/EP-铝蜂窝夹芯结构试件的微观形貌和 增韧机制

为充分理解AF对CF/EP-铝蜂窝夹芯结构界面层的增韧机制，对断裂后的面板和芯体表面进行SEM观测。为此，首先选取典型的面板和芯体断裂面，对其进行喷金操作，使其导电，电压加速度为20kV，放大倍数为20~1200倍。

图9(a) 为增韧试件蜂窝芯体断裂面的整体形貌特征。与其他夹芯结构不同，由于铝蜂窝芯体为多孔薄壁结构，芯体与CF/EP面板之间的接触面积很小，而粘结面板和芯体的混合EP主要集中在蜂窝壁板处，形成树脂“圆角”富余区，即愈靠近面板及蜂窝壁板的部位，树脂含量愈高，在横截面上呈现出圆角形状。树脂在蜂窝芯体结构中的独特分布方式，增大了AF形成的桥联微结构的作用范围，发挥增韧效果的AF可以嵌入树脂富余区，形成更加复杂的复合圆角结构，进一步提升CF/EP面板与芯体之间的粘结强度。在界面裂纹扩展过程中，面板受到AF与混合EP的共同作用，在外力作用下产生撕裂破坏，呈现出如图9(a) 所示的破坏形貌。

通过SEM观测，发现大量AF发生剥离或拔出行为，说明纤维桥联增韧机制同样适用于CF- AF/EP-铝蜂窝界面。对图9(a) 进行局部放大观察，发现大量AF呈现断裂破坏，如图9(b) 所示。进一步观察可以发现，AF 的末端出现分叉开裂和明显变细，说明当分层破坏发生时，AF同时作用在蜂窝芯体和CF/EP面板两侧，形成桥联微结构，增加了面板与芯体之间的平面约束。随着界面裂纹的不断扩展，桥联微结构逐渐被破坏，即与面板和芯体粘结紧密的AF发生断裂破坏，粘结程度相对较弱的AF发生纤维剥离或拔出行为，以此提高界面裂纹扩展的耗散能和临界载荷。

图10(a) 和图10(b) 分别为未增韧和增韧试件面板侧的断裂形貌。对于未增韧试件，可以明显地观察到铝蜂窝壁板拔出后的痕迹，说明仅依赖树脂连接面板和芯体的方法具有一定的局限性。而在增韧试件发生分层破坏后的界面上，可以观察到未完全拔出的蜂窝孔壁及蜂窝壁板的残留痕迹，说明在蜂窝壁板附近的树脂富余区，AF还可以增强树脂和蜂窝壁板的粘结性能，避免蜂窝壁板因接触面积过小而被拔出。

综合以上破坏特征，如图11所示，当界面分层破坏发生时，AF会形成连接面板与铝蜂窝芯体的桥联微结构，增加面板与芯体之间的约束力，阻止裂纹的进一步扩展。随着外部载荷的不断增加，靠近载荷一端的桥联微结构出现纤维拉伸断裂破坏或发生纤维拔出和剥离， 与此同时，裂纹扩展端则会形成新的桥联结构，短纤维的增韧效果也逐渐稳定。在此过程中AF通过纤维拔出、纤维剥离和纤维断裂的形式提高了界面分层破坏所耗散的能量和临界载荷。同时AF的存在提高了EP与蜂窝壁板之间的粘结性能，使原本容易从树脂中拔出的蜂窝壁板更加牢固地嵌入树脂中，改变了其破坏形式，进一步提高了CF-AF/EP-铝蜂窝夹芯结构的界面断裂韧性。

以上分析在微观层面上揭示了AF的增韧机制，而在宏观层面上，增韧效果表现为增韧试件的临界能量释放率和临界载荷得到了明显提升。由于增韧试件与未增韧试件之间的唯一变量为絮状AF增韧层，因此上述实验所得结果能很好地证明AF对于CF/EP-铝蜂窝夹芯复合结构具有显著有效的增韧效果。

3 结论

(1) 芳纶短纤维(AF) 界面增韧能够显著提高碳纤维增强环氧树脂复合材料(CF/EP)-铝蜂窝夹芯结构的界面断裂韧性。相比于未增韧夹芯梁试件，含有(6.2±0.2) g/m2AF增韧层的试件平均临界能量释放率提高了91%，平均临界载荷提高了55%，而引入AF增韧层仅使夹芯梁试件质量提升了0.36%，显示出本文方法具有良好的增韧效果与效率。

(2) 纤维桥联增韧机制适用于碳纤维-芳纶纤维增强环氧树脂复合材料(CF-AF/EP)-铝蜂窝夹芯界面。使用SEM观察了夹芯梁试件的断面形貌与特征，微观观测结果显示，虽然铝蜂窝芯体与面板的接触面积很小，但AF仍可以在面板与芯体之间形成桥联微结构，通过纤维拔出、纤维剥离、纤维断裂等行为，提高界面裂纹扩展的耗散能与临界载荷。

(3) AF 在蜂窝壁板周围的树脂富余区具有良好的增韧效果。在蜂窝壁板与面板相接的树脂 “圆角”富余区，AF可以提高树脂与蜂窝壁板的粘结性能，有效避免蜂窝壁板因与面板接触面积过小而被拔出， 改变了芯体在界面分层过程中的破坏模式，进一步提升了夹芯结构的界面断裂韧性。

来源：复合材料学报，迈爱德编辑整理

作者：刘浩洋, 吕超雨, 石姗姗, 孙直

文章来源：多孔材料洞察

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