大型/異型復合材料結構件可采用低成本且快速成型的真空導入成型工藝（Vacuum infusion molding process，簡稱VIMP）制備，該工藝方法靈活，能給一次成型帶有夾芯、加筋、預埋的大型結構件，且成型工藝綠色環保，已成為復合材料領域的重要發展方向之一。采用樹脂基纖維板面和泡沫或輕木芯材的復合材料夾層結構可達到理想的結構性能（強度、剛度、疲勞和沖擊韌性等），且具有輕質、耐腐蝕、電磁屏蔽等特征，可替代鋼結構面板制造各種結構構件，從而大幅度提高軍事設施、車輛、艦船、建筑、橋梁等的結構性能和使用效果。如瑞典海軍的輕型護衛艦Visby號，長73m，艦上的部件如船體、甲板和上層建筑均采用復合材料夾層結構制造，并采用真空導入成型工藝制造這些大型結構件。美國海軍部門目前也正全面展開真空導入制備復合材料夾層結構的研究。目前真空導入成型工藝在我國風力葉片制造領域悄然興起，并有向艦船領域滲透的趨勢。但傳統復合材料夾層結構面板與芯材界面構造簡單，較易發生剝離破壞。目前縫紉點陣式泡沫夾層結構雖成為研究熱點，但制備工藝較為復雜，較難成型大型結構件。本文在傳統復合材料夾層結構制備與研究的基礎上，設計并制備了適合真空導入成型工藝的格構增強型復合材料夾層結構，對其剪切、平壓與抗彎性能及破壞狀態進行了試驗研究，并應用經典夾層梁理論預估了受彎極限承載力。

1 制備工藝

1•1 試驗材料

       本試驗主要用到的原材料包括乙烯基酯樹脂，經測試25℃時，粘度為350cps，需要1.2%過氧化甲乙酮（MEKP）作為固化劑；增強材料為800g/m2四軸向[0/45/90/-45]準正交玻璃纖維布；PVC泡沫，密度為60kg/m³。

       真空導入工藝主要用到的試驗耗材有真空袋、脫模布、導流布、密封膠帶、樹脂管、螺旋管。

1•2 真空導入制備過程

       預先將整塊PVC平板泡沫芯材（表面開有正交布置的尖槽）分割成寬40mm的條形泡沫塊，然后用一層玻璃纖維布沿條形泡沫塊錯位折疊式布置；然后，在平板玻璃模具上，于泡沫芯材上、下表面鋪放兩層干的800g/m2四軸向[0/45/90/-45]準正交玻璃纖維布，形成的鋪層為[0/45/90/-45/0/45/90/-45]，參見圖1（b）；依次鋪放脫模布、導流布，并采用真空袋將其密封；型腔內抽真空時，樹脂即可在大氣壓作用下沿樹脂管注入真空袋內，并沿導流布分布、流動而浸滯纖維束，浸滯到泡沫芯材時即沿芯材表面的齒槽分布，然后樹脂沿芯材厚度方向的剖開腹板流動至芯材下表面的纖維布。

       整個試驗過程中，齒槽的布置為樹脂提供了快速流動通道，沿芯材厚度方向的腹板保證了樹脂在芯材兩面的流動均勻，使得整個充模過程迅速完成，且無干點。由于所采用的乙烯基樹脂粘度較低（25℃時粘度為350cps），因此浸滯性較好。同時該樹脂可在室溫下固化，因此無需加熱加壓處理，這也保證了該工藝對大型復合材料結構件的適用性，充模速度快，成型效益高。

圖1格構增強型復合材料夾層結構

       制備時，室溫為28℃，可以發現：5s后，即可觀察到樹脂浸滯到下表面；20s后，上、下表面完成大部分充模過程，下表面略滯后于上表面,參見圖2；30s后，邊角五干點，完全完成充模過程；此后保持真空狀態30min；充模完成15min后，真空袋表面明顯發熱，樹脂固化；6h后，即可將脫模布剝離，取出制品，可以發現沿芯材厚度方向剖開位置的玻璃纖維布與樹脂固化形成復合材料格構腹板，將上、下面板與泡沫芯材有機形成一體，泡沫芯材上下表面的尖槽內同樣填滿樹脂，將面板與泡沫芯材“釘”在一起，可提高面板與芯材的抗剝離能力，參見圖三。格構腹板對夾層結構剪切、平壓以及受彎性能的影響及其與傳統復合材料夾層結構受力性能的比較將在其后通過試驗論證。

圖2 充模過程（t=20s）


圖3 制備完成的樣品

2 受力性能試驗

2•1 組分材料物理力學性能測試

       格構增強型復合材料夾層結構的組分材料主要包括乙烯基樹脂/玻璃纖維面板和由格構腹板增強的PVC泡沫。面板的受拉性能可根據文獻[5]進行測試，其彈模為8730Mpa，拉伸強度為223.7Mpa，斷口形貌呈+45℃/-45℃破壞，參見圖4（a）。而增強前后泡沫的剪切性能與平壓性能試驗結果參見表1，與增強前相比，泡沫芯材經纖維腹板格構增強后，剪切強度提高18.4%，剪切模量提高50.4%，腹板起到了阻止剪切裂紋擴展，控制剪切變形的作用參見圖4（b）；平壓強度大幅提高268.9%，平壓模量提高15.0%，為樹脂基纖維腹板失穩折斷破壞，并擠壓其周圍泡沫，參見圖4（c）。由此可說明芯材經樹脂基纖維腹板格構增強后，其剪切性能與平壓性能均得以大幅度提高。

圖4 組分材料試驗

2•2 受彎試驗

       根據參考文獻[8]，制備跨度為450mm的格構增強型復合材料夾層結構四點彎試樣，采用加載形式，并在跨中設豎向位移計。其破壞形態分別參見圖5.為芯材剪切破壞，格構腹板有效抑制了面板與芯材剝離破壞的發生。圖6所示為格構增強型復合材料夾層結構與真空導入制備的傳統復合材料夾層結構四點彎荷載-跨中位移曲線，極限承載力提高了7.1%，抗彎剛度提高了20.4%。

圖5 復合材料夾層結構四點彎試驗


圖6 四點彎荷載—跨中位移曲線

2•3 四點彎極限承載力

       按經典夾層梁理論分析夾層結構截面應力分布。根據試驗中觀察到的破壞模式，當芯材所受的剪應力，芯材易發生剪切破壞，則對于四點彎試件，芯材臨界剪切荷載可表示為：

       式中，Tcr為增強后芯材剪切強度，0.90Mpa；b為試件寬度，80mm；d為芯材高度，25mm。

       根據公式（1）可求得格構增強型復合材料夾層結構四點彎極限承載力理論值為3.60KN，與試驗值3.59KN僅差異0.28%，符合較好，這表明利用經典夾層梁理論的簡單方法預估格構增強型復合材料夾層結構極限承載力具有較好的工程實用精度。

3 結論

     （1） 真空導入成型工藝充模速度快、成型效益高，適合制備大型/異型復合材料夾層結構件；

     （2） 格構增強型復合材料夾層結構在泡沫芯材表面所開的齒槽，以及沿厚度方向的剖開腹板為樹脂充模過程提供了快速流動通道；

     （3） 格構增強型復合材料夾層結構的剪切與平壓性能均較增強前的泡沫有了大幅度提高，格構腹板對泡沫芯材起到了增強作用，且能有效抑制泡沫剪切裂紋的擴展；

     （4） 格構增強型復合材料夾層結構受彎時，其腹板可有效抑制面板與芯材的剝離破壞，極限承載力與抗彎剛度均高于傳統復合材料夾層結構，可利用經典夾層梁理論的簡單方法預估其受彎極限承載力，理論值與實測值符合較好。