對(duì)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(duì)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(guò)渡層，將面芯點(diǎn)面連接轉(zhuǎn)化為過(guò)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(wèn)題依然突出。

　　

　　與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性樹(shù)脂表面能較低，膠粘連接對(duì)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(shù)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(duì)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(lái)，國(guó)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(píng)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(wèn)題，本文對(duì)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(jiàn)構(gòu)型與材料選擇，重點(diǎn)梳理各類熔融連接方法，并對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

　　

　　

　　

　　圖1 常見(jiàn)夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)型

　　

　　1 常見(jiàn)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(lái)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(wú)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(kāi)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(duì)不同蜂窩芯層構(gòu)型和材料體系，已有膠粘展開(kāi)、樹(shù)脂浸漬、擠出成型、復(fù)合材料裁折等工藝方法。常見(jiàn)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(guò)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(shù)脂復(fù)合而成，通過(guò)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(shù)脂包括聚丙烯 (PP)、聚酰胺 (PA) 等工程樹(shù)脂及聚乙烯亞胺 (PEI)、聚醚醚酮 (PEEK) 等高性能樹(shù)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(shù)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(shù)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(duì)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(guò)界面樹(shù)脂的熔融和固結(jié)而連接成一體的過(guò)程，其機(jī)制如圖 2 所示：在壓力和溫度作用下兩接觸面樹(shù)脂軟化，達(dá)到完全接觸后樹(shù)脂分子鏈在界面處發(fā)生遷移，在分子鏈遷移完成后樹(shù)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?gòu)?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(duì)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(jiàn)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(guò)熱板熔化面芯界面樹(shù)脂，移開(kāi)熱板快速壓合面板與芯層，待樹(shù)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(duì)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(tái)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(shù)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(zhǎng)條；第二步，將三角形長(zhǎng)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(shù)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(shù)脂，將復(fù)合平板折疊成波紋胞元；第三步，熔化接觸面樹(shù)脂，加壓冷卻制成層級(jí)波紋夾芯板，其中泡沫夾芯段即為層級(jí)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(jí)波紋夾芯板。該方法連接處樹(shù)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯

　　

　　(SrPET) 金字塔夾芯結(jié)構(gòu)

　　

　　

　　

　　圖5 層級(jí)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(duì)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(guò)平壓實(shí)驗(yàn)研究了不同相對(duì)密度 GF/PP 波紋夾芯板的變形過(guò)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(kāi)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(duì)當(dāng)波紋芯層相對(duì)密度較低時(shí)芯層易發(fā)生壁板屈曲的問(wèn)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(duì)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(shù)脂加熱熔化后冷卻固結(jié)完成連接。然而面板樹(shù)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(wèn)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(duì)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(wèn)題。Schneider等針對(duì)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(dòng)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(guò)渡處出現(xiàn)樹(shù)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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(duì)較大，借助面芯共固結(jié)一次成型夾芯結(jié)構(gòu)相對(duì)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(shù)脂過(guò)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(duì)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(chē)用內(nèi)外飾對(duì) 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(shù)脂熔融連接主要發(fā)生在臨近面芯界面處，既避免了樹(shù)脂過(guò)度熔融帶來(lái)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(duì)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(shù)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)?；?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(wú)定形樹(shù)脂 PEI 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于半結(jié)晶態(tài)樹(shù)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(dòng)，冷卻后固結(jié)即可形成面芯界面。面板溫度低于 PEEK 樹(shù)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(dòng)送入含有加熱元件的生產(chǎn)線中，樹(shù)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(guò)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(guò)在蜂窩芯層與面板間復(fù)合延流膜和無(wú)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(shù)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(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)的研究者們?cè)趨f(xié)同研究中心 SFB 639 項(xiàng)目的支持下，開(kāi)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(kāi)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(guò)在線熱壓同步實(shí)現(xiàn)樹(shù)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(guò)高卷曲紗線對(duì)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(xiāo)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(shì)，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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)成熟，但其對(duì)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(guò)交叉搭接處時(shí)，搭接處樹(shù)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(méi)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(shù)脂浸潤(rùn)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(jìng)爭(zhēng)機(jī)制圖，預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)在三點(diǎn)彎曲下的承載能力和失效模式。對(duì)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(duì)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(huì)面臨無(wú)法取出的難題。Sugiyama等提出了一種借助纖維張力無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)弱會(huì)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(guò)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(duì)比面芯界面脫粘失效是否先于其他失效模式出現(xiàn)，來(lái)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(lái)定量表征面芯界面性能，常見(jiàn)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(guò)程中通過(guò)面板和芯層間植入聚四氟乙烯薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。加載過(guò)程中需要記錄載荷位移曲線與裂紋擴(kuò)展過(guò)程，最終經(jīng)過(guò)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(duì)應(yīng) I 型 (張開(kāi)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(tái)，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(shì)，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(duì)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(chē)、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(dòng)多孔結(jié) 構(gòu) (Pressure actuated cellular structures， PACS)，推導(dǎo)了最小促動(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng) (圖18(a))。熱塑性蜂窩夾芯板已在電動(dòng)汽車(chē)集成地板 (圖18(b)) 和貨車(chē)車(chē)廂上應(yīng)用，能夠大幅降低車(chē)輛整體質(zhì)量，降低油耗。Brádaigh等借助 pCBT 樹(shù)脂高流動(dòng)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(zhǎng)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(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室 Murray等采用真空輔助樹(shù)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(shù)脂體系的熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片，該葉片長(zhǎng) 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(shù)脂粘接而成，粘接與固化過(guò)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(hào)的風(fēng)電葉片為對(duì)象，采用電阻焊接方法制備了總長(zhǎng)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(chē)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(shù)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(yǔ)

　　

　　面對(duì)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(duì)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?；谘芯亢蛻?yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)分析，從以下角度對(duì)熔融連接熱塑性復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)靈活。而一步法會(huì)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?shī)A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(shù)脂芯層的力學(xué)性能相對(duì)較低。對(duì)于纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，Wei等開(kāi)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(duì)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者在制備工藝、產(chǎn)熱機(jī)制、性能測(cè)試等方面開(kāi)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(guò)程的熱力耦合，下一步需要開(kāi)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(guò)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(kāi)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(duì)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(guò)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(shù)脂的高流動(dòng)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(shù)脂浸潤(rùn)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。