對于目前廣泛使用的熱固性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，其面芯界面增強(qiáng)方法主要有改進(jìn)面芯連接形式和增加面芯粘接面積兩種思路。改進(jìn)面芯連接形式的方法，存在著犧牲面板性能、槽口處應(yīng)力集中的難題。對于增加面芯粘接面積的方法，一種方式是發(fā)展具有更大面芯接觸面積的新型點(diǎn)陣芯層構(gòu)，一種是引入過渡層，將面芯點(diǎn)面連接轉(zhuǎn)化為過渡層與面板的粘接，但面芯界面強(qiáng)度很大程度上仍取決于膠粘劑性能。盡管表面機(jī)械打磨、表面化學(xué)處理等方法能夠一定程度上提高面芯連接性能，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面芯界面強(qiáng)度較低的問題依然突出。

　　

　　與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性樹脂表面能較低，膠粘連接對熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面芯界面強(qiáng)度提升有限。得益于熱塑性樹脂僅發(fā)生加熱熔化和冷卻固結(jié)的特性，熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)可采用熔融連接方式以實(shí)現(xiàn)可靠的面芯界面連接。Grünewald 等對熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的制備方法進(jìn)行了綜述，主要側(cè)重泡沫芯層構(gòu)型。近年來，國內(nèi)外學(xué)者在熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面芯連接方面進(jìn)行了諸多有益探索，相繼發(fā)展了面芯共固結(jié)、折疊熱粘、面芯熱熔粘接、界面膠柱增強(qiáng)等工藝方法，拓展了熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析和表征評價(jià)方法。圍繞熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面芯連接問題，本文對熔融連接方面的研究進(jìn)展進(jìn)行概述 (圖 1)，首先介紹常見構(gòu)型與材料選擇，重點(diǎn)梳理各類熔融連接方法，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

　　

　　

　　

　　圖1 常見夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)型

　　

　　1 常見構(gòu)型與材料

　　

　　夾芯結(jié)構(gòu)由剛性面板和輕質(zhì)芯層復(fù)合而成，面板主要承受彎曲和面內(nèi)載荷，芯層主要承受由面板傳來的橫向剪切力，同時(shí)支撐面板、防止局部屈曲。按照芯層拓?fù)錁?gòu)型是否規(guī)則，夾芯結(jié)構(gòu)可以分為無序的泡沫夾芯結(jié)構(gòu)和胞元周期有序的多孔夾芯結(jié)構(gòu)兩大類 (圖 1)。泡沫芯材根據(jù)孔間是否聯(lián)通可以分為開孔泡沫和閉孔泡沫，有序多孔芯層主要包括蜂窩、點(diǎn)陣和波紋等構(gòu)型。蜂窩芯層起源于仿生學(xué)，在力學(xué)性能上表現(xiàn)出橫觀各向同性。針對不同蜂窩芯層構(gòu)型和材料體系，已有膠粘展開、樹脂浸漬、擠出成型、復(fù)合材料裁折等工藝方法。常見的點(diǎn)陣芯層包括金字塔、四面體和3D-Kagome等，點(diǎn)陣芯層通過桿件的拉壓變形抵抗外載作用。波紋構(gòu)型是由波紋輪廓沿單一方向拉伸而成的棱柱結(jié)構(gòu)，具有三角形、梯形、正弦形和鉆石形等類型。波紋構(gòu)型在單一方向上周期分布，在力學(xué)性能上表現(xiàn)出各向異性。

　　

　　面板由增強(qiáng)纖維與熱塑性樹脂復(fù)合而成，通過鋪層設(shè)計(jì)與各類芯層復(fù)合得到熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。面板所用增強(qiáng)體通常有纖維氈、連續(xù)單向纖維、纖維編織布等結(jié)構(gòu)形式，常用樹脂包括聚丙烯 (PP)、聚酰胺 (PA) 等工程樹脂及聚乙烯亞胺 (PEI)、聚醚醚酮 (PEEK) 等高性能樹脂，需綜合考慮設(shè)計(jì)要求、工藝成本等因素選擇具體材料種類。本文梳理了面芯熔融連接熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的芯層構(gòu)型和所用材料，如表 1 所示。目前已有芯層為純熱塑性樹脂的商用夾芯結(jié)構(gòu)，芯層構(gòu)型以泡沫和蜂窩居多，在包裝、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。為了將增強(qiáng)纖維與熱塑性樹脂復(fù)合進(jìn)而大幅提高芯層力學(xué)性能，學(xué)者們提出了適用于不同結(jié)構(gòu)形式和材料體系的纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了面芯熔融連接的 可行性，但大多處于實(shí)驗(yàn)室或者中試階段，仍需進(jìn)一步突破大批量制備的難題。

　　

　　表1 采用熔融連接的熱塑性復(fù)合材料

　　

　　夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)型與材料概覽

　　

　

　　

　　2 熔融連接方法

　　

　　對于金屬夾芯結(jié)構(gòu)和熱固性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，可根據(jù)材料種類適配膠粘劑，實(shí)現(xiàn)面芯可靠連接。而熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面芯可熔融連接同時(shí)不引入新材料。熔融連接 (Fusion bonding) 是指聚合物部件間通過界面樹脂的熔融和固結(jié)而連接成一體的過程，其機(jī)制如圖 2 所示：在壓力和溫度作用下兩接觸面樹脂軟化，達(dá)到完全接觸后樹脂分子鏈在界面處發(fā)生遷移，在分子鏈遷移完成后樹脂在壓力作用下冷卻固結(jié)完成熔融連接。本文梳理了現(xiàn)有熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的代表性熔融連接方法 (圖 3)，主要有熱板焊接、模壓成型、連續(xù)熱壓、面芯共編與增材制造。熱板焊接、模壓成型和連續(xù)熱壓方法通常需要面板和芯層分體成型再復(fù)合成夾芯板，而面芯共編、整體編織和增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)面板和芯層的一體化成型。以下重點(diǎn)對這五種熔融連接方法進(jìn)行介紹。

　　

　

　　

　　圖2 熔融連接原理

　　

　　

　　

　　圖3 常見的熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)熔融連接方法

　　

　　2.1 熱板焊接

　　

　　在熱板焊接方法中，首先需要單獨(dú)制備面板和芯層，優(yōu)選溫度、時(shí)間和壓力等工藝參數(shù)，通過熱板熔化面芯界面樹脂，移開熱板快速壓合面板與芯層，待樹脂冷卻固結(jié)后即制成熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。Schneider等提出了“預(yù)拉伸-切割拉伸成型工藝”(圖4)，分別制備出自增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯 (自增強(qiáng)聚酯)(SrPET) 金字塔點(diǎn)陣芯層和預(yù)埋凸臺的面板。制備金字塔點(diǎn)陣芯層的步驟包括：第一步，借助熱壓模具法制備波紋芯層；第二步，按照設(shè)計(jì)尺寸切割成金字塔點(diǎn)陣預(yù)制體；第三步，加熱熔化金字塔點(diǎn)陣預(yù)制體連接處的樹脂，進(jìn)而拉伸固結(jié)形成金字塔點(diǎn)陣芯層。制備面板的步驟包括：第一步，熱壓給定厚度的熱塑性復(fù)合材料層合板，并切割成三角形長條；第二步，將三角形長條按照胞元尺寸周期性排列放置在熱塑性復(fù)合材料預(yù)浸料中，放入熱壓模具制成含有周期性凸起的熱塑性復(fù)合材料面板。使用預(yù)熱鋁板將待粘表面加熱到樹脂熔點(diǎn)以上(約200℃)，在1.4 kPa 壓力作用下保持面板和芯層待粘表面壓力接觸，直到冷卻固結(jié)。在面外壓縮工況下考察了夾芯結(jié)構(gòu)承載能力，面芯界面未發(fā)生破壞。該工藝方法首次制備了熱塑性復(fù)合材料金字塔點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)，具有批量化連續(xù)生產(chǎn)的潛力。但面板凸起改變了金字塔胞元桿的受力狀態(tài)，導(dǎo)致金字塔胞元易屈曲效。

　　

　　為進(jìn)一步提高文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，Velea等提出了“熱板熔融折疊焊接工藝” (圖5)，具體步驟包括：第一步，將PET泡沫周期間隔插入SrPET鋪層中，熱壓制成包括泡沫夾芯段和層合板段的熱塑性復(fù)合材料平板；第二步，加熱熔化泡沫夾芯段與層合板段交界處樹脂，將復(fù)合平板折疊成波紋胞元；第三步，熔化接觸面樹脂，加壓冷卻制成層級波紋夾芯板，其中泡沫夾芯段即為層級波紋芯層，層合板段即為夾芯結(jié)構(gòu)面板；第四步，重復(fù)以上步驟即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)制備層級波紋夾芯板。該方法連接處樹脂熔融連接、胞元間機(jī)械自鎖，確保了載荷傳遞途徑，提高了結(jié)構(gòu)承載能力。

　　

　　

　　

　　圖4 熱板焊接制備的自增強(qiáng)聚對苯二甲酸乙二醇酯

　　

　　(SrPET) 金字塔夾芯結(jié)構(gòu)

　　

　　

　　

　　圖5 層級熱塑性復(fù)合材料波紋夾芯結(jié)構(gòu)

　　

　　Du 等發(fā)展了熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)熱壓成型及面芯熱熔粘結(jié)工藝(圖6)，分別制備面板和波紋芯層，將熱壓機(jī)下壓板清理干凈加熱到250℃，面板和波紋芯層放置在下壓板一定時(shí)間(5~10 s) 同時(shí)施加壓力。之后迅速取出面板和波紋芯層，迅速放入L型鋼制模具中對齊粘結(jié)。最后施加 0.0017 MPa 壓強(qiáng)，直到冷卻至室溫，制成連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯 (GF/PP) 波紋夾芯結(jié)構(gòu)。通過平壓實(shí)驗(yàn)研究了不同相對密度 GF/PP 波紋夾芯板的變形過程和典型失效模式，結(jié)構(gòu)在平面壓縮載荷作用下并未出現(xiàn)面芯脫粘。同時(shí)根據(jù)典型失效模式和剛度折減準(zhǔn)則開發(fā)用戶子程序VUMAT，模擬夾芯結(jié)構(gòu)在平壓載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)，與實(shí)驗(yàn)取得了較好的一致性。

　　

　　針對當(dāng)波紋芯層相對密度較低時(shí)芯層易發(fā)生壁板屈曲的問題，Chen等提出了多層波紋熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，基于熱壓模具成型工藝和熱熔粘接方法設(shè)計(jì)并制備多層GF/PP 波紋夾芯板。采用準(zhǔn)靜態(tài)平壓實(shí)驗(yàn)研究芯層排布方式、夾芯層數(shù)和裝配誤差對多層波紋夾芯板的變形機(jī)制和能量吸收的影響，雙層波紋夾芯板的主要失效模式是中間面板彎曲、芯層屈曲和斷裂。

　　

　　

　　

　　圖6 玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯 (GF/PP)

　　

　　波紋夾芯板制備流程圖

　　

　　2.2 模壓成型

　　

　　熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的模壓成型具有等溫 (Isothermal) 和非等溫 (Non-isothermal) 兩種工藝路徑。等溫模壓成型中，面板和芯層在外部壓力作用下整體加熱，面芯界面處樹脂加熱熔化后冷卻固結(jié)完成連接。然而面板樹脂熔化再冷卻固結(jié)的時(shí)間窗口較短，芯層易發(fā)生局部壓潰。為解決此問題，學(xué)者們提出了模內(nèi)發(fā)泡、面芯共固結(jié)、熱熔膠接和非等溫模壓等解決方案。

　　

　　2.2.1 模內(nèi)發(fā)泡

　　

　　模內(nèi)發(fā)泡法屬于等溫模壓的范疇，該方法將預(yù)成型面板加熱并提前固定在模具型腔內(nèi)，配合原位發(fā)泡 (In-situ foaming) 技術(shù)，只需一步即可制備熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示。根據(jù)發(fā)泡原理不同，模內(nèi)發(fā)泡主要包括注塑發(fā)泡 (Injection foaming) 和薄膜發(fā)泡 (Film foaming)。傳統(tǒng)等溫模壓方法中，壓力由模具由面板向芯層傳導(dǎo)，而模內(nèi)發(fā)泡時(shí)泡沫芯層厚度逐漸增加，達(dá)到夾芯板設(shè)計(jì)厚度后，保持模具行程與溫度，能夠從機(jī)制上減弱芯層局部壓潰的不利影響。

　　

　　

　　

　　圖7 模內(nèi)發(fā)泡方法：(a)注塑發(fā)泡；(b)薄膜發(fā)泡

　　

　　2.2.2 面芯共固結(jié)

　　

　　對于具有周期性胞元的熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)，如何在面芯熔融連接時(shí)實(shí)現(xiàn)芯層保型是需要解決的難點(diǎn)問題。Schneider等針對SrPET材料提出了鋁模填充的面芯共固結(jié)成型方法，成功制備了SrPET波紋夾芯結(jié)構(gòu)。在圖8(a)所示的方案中，下面板預(yù)浸料鋪放于下模具，再將芯層預(yù)浸料纏繞在波紋金屬塊外部，制成波紋單胞預(yù)制體并排放置于下面板之上，覆蓋上面板預(yù)浸料整體熱壓成型，脫模后即可制成熱塑性復(fù)合材料波紋夾芯結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，SrPET 波紋夾芯結(jié)構(gòu)具有與工業(yè)泡沫塑料相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)靜態(tài)壓縮性能，但其動態(tài)壓縮性能較好。然而在該初步方案中各波紋胞元間材料不連續(xù)，在過渡處出現(xiàn)樹脂富余區(qū)，限制了結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能。進(jìn)一步提出了具有芯層連續(xù)鋪層的面芯共固結(jié)工藝 (圖8(b))，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明夾芯結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)面芯破壞。同時(shí)采用實(shí)驗(yàn)和有限元結(jié)合的方法研究了芯層和面板質(zhì)量分布對結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)提高芯層質(zhì)量比例有利于提高SrPET波紋夾芯結(jié)構(gòu)承載能力和吸能，結(jié)構(gòu)吸能要優(yōu)于鋁波紋夾芯結(jié)構(gòu)，與碳纖/環(huán)氧面板和泡沫芯層夾芯板相當(dāng)。為進(jìn)一步提高面芯界面性能，Schneider 等發(fā)展了面芯縫合共固結(jié)工藝 (圖 8(c))，芯層預(yù)浸料與下面板通過凱夫拉/不銹鋼線縫合后間隔放置鋁芯模，模壓成型并脫模得到熱塑性復(fù)合材料波紋夾芯結(jié)構(gòu)。在簡支梁沖擊工況下，結(jié)構(gòu)中部受到?jīng)_量為750~3450 N·m/s2 泡沫鋁子彈沖擊后，面芯界面完好。

　　

　

　　

　　

　　

　　

　　

　　圖8 SrPET 復(fù)合材料波紋夾芯結(jié)構(gòu)面芯共固結(jié)：

　　

　　(a) 芯層間斷鋪層；(b) 芯層連續(xù)鋪層；(c) 縫合增強(qiáng)

　　

　　值得注意的是，Schneider等的系列工作采用了高柔度的母體材料SrPET，因此能夠預(yù)成型芯層胞元，并共固結(jié)制備夾芯結(jié)構(gòu)。但常溫下，采用玻璃纖維或者碳纖維作為增強(qiáng)體的熱塑性復(fù)合材料剛度相對較大，借助面芯共固結(jié)一次成型夾芯結(jié)構(gòu)相對困難。Hu等提出了一種原位熱壓成型制備碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮 (CF/PEEK) 復(fù)合材料類金字塔夾芯板的方法 (圖9)，該方法首先熱壓成型全復(fù)合材料面板與類金字塔點(diǎn)陣芯層，點(diǎn)陣芯層在鋼制墊塊支撐和周向夾具限位下與面板原位熱壓，實(shí)現(xiàn)面芯熔融連接。借助落錘試驗(yàn)考核結(jié)構(gòu)面芯連接性能與抗沖擊性能，在不同芯層密度、沖擊能量和沖擊位置下，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為桿件屈曲/斷裂或面板局部破壞，并未出現(xiàn)面芯脫粘的情況。

　　

　　

　　

　　圖9 CF/PEEK金字塔夾芯結(jié)構(gòu)面芯連接方法：

　　

　　(a)膠粘連接；(b)原為熱壓

　　

　　2.2.3 熱熔膠接

　　

　　Imran等采用兩步法制備了100%可回收的自增強(qiáng)聚丙烯 (SrPP) 波紋夾芯結(jié)構(gòu) (圖10)，分別熱壓成型面板和波紋芯層，再借助 PP 熱熔膠熔融連接制成夾芯結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微鏡結(jié)果顯示，面芯界面處樹脂過渡連續(xù)、纖維絲束平均分布。采用理論、有限元和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了SrPP 波紋夾芯結(jié)構(gòu)面外壓縮性能，探討了波紋角度和質(zhì)量分布對彎曲性能和吸能的影響。

　　

　　

　　

　　圖10所制備的 SrPP 結(jié)構(gòu)

　　

　　Gao等面向車用內(nèi)外飾對 PP 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的需求，提出了PP膠膜復(fù)合熱壓工藝方法 (圖11)，制備了 GF/PP 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。在該方案中PP膠膜在微觀上具有纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有助于提高面芯界面強(qiáng)度。同時(shí)使用熱熔膠膜后，樹脂熔融連接主要發(fā)生在臨近面芯界面處，既避免了樹脂過度熔融帶來的芯層性能降低，又縮短了工藝時(shí)間。進(jìn)一步研究了面板鋪層和芯層幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲性能的影響，并采用多目標(biāo)優(yōu)化方法確定了最佳參數(shù)組合，使得夾芯結(jié)構(gòu)具有最大比吸能和最小峰值力。

　　

　　

　　

　　圖11 GF/PP 復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)：

　　

　　(a) 面芯鋪層方案；(b) 制備流程圖

　　

　　2.2.4 非等溫模壓

　　

　　熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)模壓成型的另一種途徑為非等溫成型。在該方法中，面板加熱后迅速與芯層復(fù)合，在面芯連接處芯層樹脂僅依靠面板溫度熔融固結(jié)，模具僅提供壓力。Grünewald等發(fā)展了非等溫模壓方法，制備出熱塑性復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)。基于 Thermabond®思想，首先在 CF/PEEK 面板表面復(fù)合PEI薄膜后加熱，再與 PEI 泡沫芯層在壓力作用下復(fù)合成夾芯結(jié)構(gòu)(圖12(a))。由于無定形樹脂 PEI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于半結(jié)晶態(tài)樹脂 PEEK 的熔點(diǎn)，因此 PEI 泡沫表面與 CF/PEEK 面板的 PEI 層熱傳導(dǎo)后發(fā)生分子鏈移動，冷卻后固結(jié)即可形成面芯界面。面板溫度低于 PEEK 樹脂熔點(diǎn)，保證了面板外形和力學(xué)性能，為熱塑性復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的面芯熔融連接提供了可靠方案。在此基礎(chǔ)上，亦可在PEI 泡沫中布置熱塑性膠棒以增強(qiáng)芯層承載能力 (圖12(b))，熱塑性膠棒在芯層兩端形成鉚接頭，與面板形成機(jī)械嵌鎖連接可進(jìn)一步提高面芯界面性能。

　　

　　2.3 連續(xù)熱壓

　　

　　批量化制備熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)一直是學(xué)術(shù)和工業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。目前最成熟的熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝為雙帶復(fù)合工藝 (圖1)，面板和芯層堆疊后由傳送帶自動送入含有加熱元件的生產(chǎn)線中，樹脂受熱熔化并在壓力作用下熔融連接，冷卻固結(jié)后即可形成熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、時(shí)間、傳送速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的連續(xù)熱壓成型，進(jìn)而按照使用需求切割加工或二次熱成型。目前 PP 蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，主要有六角蜂窩和圓形蜂窩兩種構(gòu)型，面芯連接形式為蜂窩胞元和面板間的線面連接。

　　

　　

　　

　　圖12 (a) 熱塑性復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)制備示意圖；

　　

　　(b) 熱塑性復(fù)合材料泡沫芯層增強(qiáng)示意圖

　　

　　      為提高界面連接性能，一方面可將粘接形式從線面連接優(yōu)化為面面連接(圖13)，如Pflug等所提出的ThermHex®系列蜂窩。另一方面還可以通過在蜂窩芯層與面板間復(fù)合延流膜和無紡布實(shí)現(xiàn)。

　　

　　

　　

　　圖13 ThermHex®蜂窩結(jié)構(gòu)制備示意圖

　　

　　2.4 面芯共編

　　

　　2.1-2.3節(jié)所綜述的方法中，面芯界面處僅發(fā)生樹脂分子鏈擴(kuò)散，面板和芯層中的纖維并未貫穿面芯界面，理論上面芯界面性能仍有提升的空間。借助增強(qiáng)體纖維和基體纖維的共編技術(shù)制成預(yù)制體，配合可拆卸模具，能夠?qū)崿F(xiàn)三維編織復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面芯一體化成型。德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)的研究者們在協(xié)同研究中心 SFB 639 項(xiàng)目的支持下，開展了三維編織復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)方面的系列研究。Mountasir等開發(fā)了改進(jìn)型雙劍桿織機(jī)，制備了 GF/PP 共編纖維預(yù)制體，并通過在線熱壓同步實(shí)現(xiàn)樹脂固結(jié)和結(jié)構(gòu)成型，成功制成了三維編織復(fù)合材料夾芯平板 (圖14)。通過高卷曲紗線對面芯連接區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)接頭力學(xué)性能的提升。使用可拆卸模具或在胞元內(nèi)填充輕質(zhì)泡沫，也能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)賦型和結(jié)構(gòu)性能提升。Hufenbach等精心設(shè)計(jì)了芯模剪力控制系統(tǒng)，配合單曲面熱壓模具，成功制備出了三維編織復(fù)合材料夾芯曲板。

　　

　　

　　

　　圖14 (a) 制件與可拆卸芯模；

　　

　　(b) 銷釘導(dǎo)向剪力機(jī)構(gòu)；(c) 曲面結(jié)構(gòu)成型模具

　　

　　2.5 增材制造

　　

　　增材制造又稱 3D 打印，可按軌跡逐層增加材料，具有成本低、材料利用率高等優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速制造。Compton等以碳化硅晶須和短切碳纖增強(qiáng)環(huán)氧墨水為原料，通過調(diào)控噴嘴結(jié)構(gòu)和纖維尺寸，實(shí)現(xiàn)纖維方向可控排布，3D 打印制備了多種輕質(zhì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，分析了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。Buican等 3D 打印制備了熱塑性復(fù)合材料夾芯板，面板和芯層分別為短切碳纖增強(qiáng)尼龍和短切玻纖增強(qiáng)聚乳酸。研究了纖維填充率對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)填充率顯著影響結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲和抗沖擊性能，而對拉伸性能影響不顯著。按照增強(qiáng)纖維形式的不同，現(xiàn)有 3D打印成型的熱塑性復(fù)合材料主要分為非連續(xù)纖維增強(qiáng)和連續(xù)纖維增強(qiáng)兩種，其中非連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 3D 打印相對成熟，但其對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的提升有限，目前關(guān)注較多的是連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 3D 打印。

　　

　　Hou等基于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印，提出了芯材十字交叉和面芯集成制造策略，成功制備了凱夫拉/聚乳酸 (Kevlar/PLA) 波紋夾芯板 (圖15(a))。當(dāng)打印噴頭經(jīng)過交叉搭接處時(shí)，搭接處樹脂加熱熔融，與噴頭內(nèi)新擠出線材二次固結(jié)。該方法中纖維體積分?jǐn)?shù)可控，纖維含量為11.5vol% 時(shí)結(jié)構(gòu)面外壓縮強(qiáng)度可達(dá)17.17 MPa，十字交叉處沒有出現(xiàn)破壞，芯材與面板結(jié)合緊密未發(fā)生剝離現(xiàn)象。為了進(jìn)一步改善樹脂浸潤與層間粘接性能，Luo等在已有連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印系統(tǒng)中集成激光加熱模塊，優(yōu)化打印參數(shù)后 CF/PEEK 復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和剛度可達(dá)480 MPa 和 37 GPa，制備了輕質(zhì)波紋夾芯結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)雜構(gòu)型夾芯結(jié)構(gòu) 3D 打印一體化成型的可行性 (圖15(b)~15(d))。Zeng等使用碳纖維增強(qiáng)聚乳酸 (CF/PLA)3D 打印了具有形狀記憶能力的波紋夾芯結(jié)構(gòu)，考慮面板失效、面板屈曲、芯層剪切和壓潰失效，繪制失效競爭機(jī)制圖，預(yù)測了結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲下的承載能力和失效模式。對比彎曲性能發(fā)現(xiàn) 3D 打印波紋夾芯結(jié)構(gòu)比其他夾層結(jié)構(gòu)具有更高的彎曲強(qiáng)度。

　　

　　從幾何構(gòu)型上，波紋夾芯結(jié)構(gòu)可以看作由外輪廓線拉伸而成，先打印的結(jié)構(gòu)能夠?yàn)楹罄m(xù)材料的打印提供支撐。而對于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)，蜂窩的非連續(xù)輪廓不能為上面板提供連續(xù)支撐，胞元內(nèi)加支撐則會面臨無法取出的難題。Sugiyama等提出了一種借助纖維張力無支撐 3D 打印蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的方案，材料為 CF/PLA，考察了蜂窩構(gòu)型 (六角、菱形、方形、圓形) 和幾何尺寸對結(jié)構(gòu)三點(diǎn)彎曲性能的影響，其中菱形蜂窩彎曲強(qiáng)度最高。

　　

　

　　

　　圖15 (a) 路徑設(shè)計(jì)；(b) 波紋截面；(c) 3D 打印過程；

　　

　　(d) 3D 打印制備的 CF/PEEK 波紋夾芯結(jié)構(gòu)

　　

　　3 面芯界面性能表征

　　

　　輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)優(yōu)異性能依賴于良好的面芯界面，粘接缺失或過弱會影響面板與芯層間的剪應(yīng)力傳遞，脫粘區(qū)域甚至?xí)U(kuò)散到整個(gè)面芯界面造成夾芯結(jié)構(gòu)整體失效，因此有必要考察復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面芯界面性能。一方面，可以通過研究夾芯結(jié)構(gòu)在剪切、側(cè)向壓縮和彎曲等工況下的宏觀力學(xué)性能，對比面芯界面脫粘失效是否先于其他失效模式出現(xiàn)，來定性表征面芯界面性能；另一方面，由于面芯界面的脫粘通常表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展，也可采用臨界應(yīng)變能釋放率來定量表征面芯界面性能，常見的表征方法包括：雙懸臂梁 (Double cantilever beam， DCB)、含裂紋夾芯梁 (Cracked sandwich beam，CSB)、混合模式彎曲 (Mixed mode bending MMB) 和雙懸臂梁-非均勻彎矩 (Double cantilever beam-uneven bending moment，DCB-UBM)，各類試樣如圖 16 所示。預(yù)置裂紋通常在制備過程中通過面板和芯層間植入聚四氟乙烯薄膜來實(shí)現(xiàn)。加載過程中需要記錄載荷位移曲線與裂紋擴(kuò)展過程，最終經(jīng)過計(jì)算可得到臨界應(yīng)變能釋放率。雙懸臂梁方法和含裂紋夾芯梁方法分別對應(yīng) I 型 (張開型) 和 II 型 (滑移型) 裂紋加載方式，混合模式彎曲方法和雙懸臂梁-非均勻彎矩方法能夠表征結(jié)構(gòu)在 I 型和 II 型兩種裂紋加載方式下的面芯界面性能。筆者自主設(shè)計(jì)并搭建了電阻焊接平臺，制備了電阻焊接熱塑性波紋夾芯結(jié)構(gòu)，圖 17 所示的側(cè)壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與熱板焊接試件發(fā)生面芯脫粘相比，采用電阻焊接后結(jié)構(gòu)發(fā)生整體承載優(yōu)勢，在中部發(fā)生斷裂，面芯界面表現(xiàn)出較高連接強(qiáng)度。該工作證實(shí)了電阻焊接方法增強(qiáng)面芯界面的可行性。

　　

　　

　　

　　圖16脫粘夾芯試樣[57]：(a) 雙懸臂梁 (DCB)；

　　

　　(b) 混合模式彎曲 (MMB)；(c) 含裂紋夾芯梁 (CSB)；

　　

　　(d) 雙懸臂梁-非均勻彎矩 (DCB-UBM)

　　

　

　　

　　圖17 (a) 側(cè)壓載荷位移曲線對比；(b) 熱板焊接波紋夾芯

　　

　　結(jié)構(gòu)失效模式；(c) 電阻焊接波紋夾芯結(jié)構(gòu)失效模式

　　

　　4 應(yīng)用

　　

　　熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌性可回收的特性，已在航空、汽車、風(fēng)電等領(lǐng)域取得應(yīng)用。本文重點(diǎn)綜述了熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的面芯熔融連接方法，因此本部分相應(yīng)介紹熔融連接熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用。Meyer等受捕蠅草結(jié)構(gòu)啟發(fā)，在胞元間引入柔性鉸鏈設(shè)計(jì)出了壓力促動多孔結(jié) 構(gòu) (Pressure actuated cellular structures， PACS)，推導(dǎo)了最小促動壓力下的最佳胞元厚度，借助面芯共編成型制備出可適用于航空變形副翼的熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)。采用風(fēng)洞測試和有限元方法考察了結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)在不同氣動載荷下可保持結(jié)構(gòu)完整性，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)載荷下翼型的高速可控驅(qū)動 (圖18(a))。熱塑性蜂窩夾芯板已在電動汽車集成地板 (圖18(b)) 和貨車車廂上應(yīng)用，能夠大幅降低車輛整體質(zhì)量，降低油耗。Brádaigh等借助 pCBT 樹脂高流動特性，采用真空熱壓方法整體制備了目前最大的一體成型全熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片 (圖18(c))，該葉片長12.6 m，重500 kg，纖維體積含量50vol%，可供250 kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用。

　　

　　美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 Murray等采用真空輔助樹脂傳遞模塑 (Vacuum assisted resin transfer molding, VARTM) 和二次連接方法成功制備了基于 Elium®樹脂體系的熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片，該葉片長 9 m，在常溫下僅用 3 h 即可固結(jié)完成，大大降低了時(shí)間和能耗成本。由于該工作中葉片各部分采用環(huán)氧樹脂粘接而成，粘接與固化過程耗時(shí)與結(jié)構(gòu) 成型相當(dāng)，因此Murray等進(jìn)一步探討了采用熔融連接的可行性，以GE 公司 56.9 m 型號的風(fēng)電葉片為對象，采用電阻焊接方法制備了總長為 5 m 的玻璃纖維增強(qiáng)Elium®復(fù)合材料葉尖 (圖19)。葉尖部分布置了雷電保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在考核工況下電阻焊接界面保護(hù)完好。

　　

　　

　　圖18 (a) 可變形副翼；(b) 車用地板；(c) 風(fēng)電葉片

　　

　　

　　

　　圖19 風(fēng)電葉片各部分電阻焊接示意圖

　　

　　Thomas在 PET 中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.01wt%~ 5wt% 的 石 墨 烯 納 米 片 (Graphene nano-patelet，GNP) 和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5wt% 的非連續(xù)碳纖維，采用共混造粒與螺桿擠出技術(shù)生產(chǎn)了增強(qiáng)型 3D 打印線材，其導(dǎo)電性能和力學(xué)性能相較于原有 PET 樹脂均有大幅提高。最終 3D 打印出熱塑性復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，成功作為機(jī)殼應(yīng)用于立方微衛(wèi)星 (Cubic microsatellite)。

　　

　　5 結(jié)束語

　　

　　面對熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)面芯連接的難題，學(xué)術(shù)和工業(yè)界的研究者們針對不同材料體系和結(jié)構(gòu)形式，提出了多種不同技術(shù)成熟度的熔融連接技術(shù)方法，取得了一定應(yīng)用。基于研究和應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)分析，從以下角度對熔融連接熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢進(jìn)行如下展望：

　　

　　(1) 采用多步法時(shí)，面板和芯層可以獨(dú)立成型，材料和工藝選擇相對靈活。而一步法會受到材料、工藝和面芯連接形式等諸多因素的限制。芯層采用模具支撐能夠避免芯層在受熱受壓時(shí)局部變形，但一定程度上又阻礙了熱塑性夾芯結(jié)構(gòu)的大批量制備。目前連續(xù)熱壓具有大批量、低成本制備的潛力，但純樹脂芯層的力學(xué)性能相對較低。對于纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，Wei等開發(fā)出了復(fù)合材料蜂窩裁折工藝，有效提高了全熱固性復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的面芯界面強(qiáng)度，提升了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。而對于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，預(yù)浸料常溫下剛度較大，其批量化制備工藝有待于進(jìn)一步探索。

　　

　　(2) 電阻焊接、超聲焊接、感應(yīng)焊接產(chǎn)熱可控、可長距離連續(xù)焊接，具有熔融連接熱塑性復(fù)合材料大批量制備的潛力。國內(nèi)外學(xué)者在制備工藝、產(chǎn)熱機(jī)制、性能測試等方面開展了前期的研究工作，現(xiàn)有研究主要是依賴于大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定工藝窗口，數(shù)值模擬方法并未考慮焊接工藝過程的熱力耦合，下一步需要開展大尺寸熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)批量化制備的研究工作。

　　

　　(3) 連續(xù)纖維 3D 打印技術(shù)可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的可控制造，所開發(fā)的3D 打印多重界面強(qiáng)化方法能夠改善復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度，也實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料構(gòu)件低成本快速制造。目前應(yīng)用構(gòu)型主要為波紋、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)，其拓?fù)錁?gòu)型可看成特定外形沿平面法線拉伸而成。而對于輪廓引導(dǎo)線不與平面垂直、引導(dǎo)線為曲線、其他復(fù)雜構(gòu)型夾芯結(jié)構(gòu)，以及新型材料體系，在批量應(yīng)用前需要突破相應(yīng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料增材制造工藝過程控制技術(shù)。

　　

　　(4) 面芯共編技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維編織復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)一體化成型。形成編織預(yù)制體后有兩種工藝途徑可供選擇，分別是模壓成型和液體成型。模壓成型適用于增強(qiáng)體纖維和基體纖維混編體系，在芯層孔隙中需要填充可拆卸模具或是增強(qiáng)材料 (比如泡沫)。液體成型 (如 VARTM) 則依賴于樹脂的高流動特性，同時(shí)需要根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)型合理設(shè)置出入澆口和流道，選擇合理的工藝參數(shù)以實(shí)現(xiàn)更好的樹脂浸潤效果，在大尺寸風(fēng)電葉片成型方面有著廣闊的應(yīng)用前景。