【原】《Composite Structures》：采用新型板芯连接工艺的热塑性复合材料桁架夹层结构的冲击性能

（翻译整理：李学宽  编辑校对：张鑫）

如今，为了在降低成本的同时进一步提高工程结构的有效承载力，“轻量化”已成为工程结构追求的发展方向。热塑性复合材料夹层结构轻质高强，具有非凡的工程应用潜力，其中桁架型芯是最常见的芯体形式之一。然而，型芯与板材的连接强度直接影响两者之间的载荷传递和支撑反馈，是决定夹层结构整体性能的关键因素。传统的钎焊引入了异相焊料，增加结构重量和生产成本；胶黏剂粘结耐环境性差，粘合强度较弱；基于热塑性树脂特性的熔融连接工艺成为行业关注的焦点。

哈尔滨工业大学的Hu Jiqiang（第一作者）、Wang Bing教授（通讯作者）团队在《Composite Structures》上发表了题为“Novel panel-core connection process and impact behaviors of CF/PEEK thermoplastic composite sandwich structures with truss cores”的文章，采用原位热压连接工艺（in‐suit hot‐pressing connection technology）实现了板材与型芯的成功连接，并研究了CF/PEEK复合材料夹层结构在低速冲击载荷下的冲击响应和破坏模式。

CF/PEEK桁架型芯的制备模具和工艺流程如图1所示：先将热压成型的CF/PEEK复合材料层压板切割成梯形网格，在制备模具上加热软化后进行冲压，模具冷却至室温后即可获得CF/PEEK桁架型芯。

图1 CF/PEEK桁架芯体的制备模具示意图（左）和工艺流程图（右）

原位热压连接工艺如图2（b）所示，使用垫块和限位块以防止结构在制备过程中破坏或滑移，与传统的胶黏剂粘结工艺不同，原位热压连接工艺无需引入任何异相材料，进一步减轻了夹层结构重量。

图2 CF/PEEK夹层结构连接工艺对比示意图

（a）传统胶黏剂粘结工艺；（b）本文采用的原位热压连接工艺

不同冲击能量和冲击部位下的载荷-时间曲线如图3所示，其中每组曲线自上而下型芯密度逐渐增大。实验结果与有限元模拟结果展现出良好的一致性，与冲击位置为型芯支撑点（CS）的测试相比，当冲击位置为无型芯支撑点（NCS）时，夹层结构受到的损伤更严重，且随着型芯密度的增大，芯层抗冲击强度显著提升，两种测试中夹层结构的破坏模式均由型芯断裂转变为板材开裂或分层，这一结论同样在冲击损伤对比结果（图4）中得到证实。

图3不同冲击能量和冲击部位下的载荷-时间曲线

图4 不同型芯密度NCS冲击（10J）实验结果和模拟结果对比

（a）纤维的拉伸损伤；（b）纤维的压缩损伤；（c）基体的拉伸损伤；（d）基体的压缩损伤

本文进行的所有低速冲击实验结果均未发现型芯与板材分离破坏模式，表明原位热压连接工艺可以实现夹层结构的牢固连接，为探索纤维增强热塑性复合材料夹层结构的冲击性能提供了理论和实践指导。

参考文献：Hu Jiqiang, Liu Ankang, Zhu Shaowei, et al. Novel panel-core connection process and impact behaviors of CF/PEEK thermoplastic composite sandwich structures with truss cores[J]. Composite Structures, 2020, 251:112659.

（感谢李学宽同学投稿！）

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