全 文 ：第 32卷第 5期
2010年 9月
南　京　工　业　大　学　学　报　(自 然 科 学 版)
JOURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY(NaturalScienceEdition)
Vol.32 No.5
Sep.2010
doi:10.3969/j.issn.1671-7627.2010.05.001
齿槽增强泡桐木夹层结构界面性能试验
万　里 ,刘伟庆 ,周　叮 ,方　海
(南京工业大学 土木工程学院 , 先进工程复合材料研究中心 ,江苏 南京 211816)
收稿日期:2010-05-08
基金项目:973计划前期研究专项基金资助项目(2008CB617613);国家自然科学基金资助项目(50978134);江苏省高校自然科学基金资助
项目(09KJB560001)
作者简介:万　里(1982—),男 ,湖北荆州人 ,博士生 ,主要研究方向为工程复合材料;刘伟庆(联系人),教授 , E-mail:wqliu@njut.edu.cn.
摘　要:采用在芯材表面开槽并注入树脂的方法 ,可以有效提高泡桐木夹层结构的玻璃纤维树脂面板与泡桐木芯材
之间的黏结性能.为比较齿槽的界面增强效果 , 使用真空导入工艺制备了多个不同槽宽 、槽深及间距的试件 ,应用双
悬臂梁(DCB)方法 ,测试了夹层梁发生层间断裂时的能量释放率 ,发现齿槽构造可以显著地提高泡桐木夹层结构的
界面性能.同时 ,分析了影响夹层结构界面性能的关键因素 ,齿槽的增强作用可体现在工艺和界面构造两方面.
关键词:夹层结构;界面;泡桐木;能量释放率;双悬臂梁
中图分类号:TB33;TU41　　　文献标志码:A　　　文章编号:1671-7627(2010)05-0001-05
Experimentalstudyontheinterfaceofgroovedpaulownia
woodsandwichcomposites
WANLi, LIUWei-qing, ZHOUDing, FANGHai
(AdvancedEngineeringCompositesResearchCenter, CollegeofCivilEngineering,
NanjingUniversityofTechnology, Nanjing211816, China)
Abstract:Toimprovetheadhesivepropertiesbetweenthefacesandthecore, somegrooveswerema-
chinedonthesurfaceofthepaulowniawoodcore, and, theresinswerefulfiledinthegrooves.Aftercu-
ring, theresinsleftinthegroovesstronglybondthefaceandthecoretogether.Therefore, theadhesive
capacitybetweenthefacesandthecorewasenhanced.Forcomparingtheinterfacialstrengtheningap-
proaches, VARIMprocesswasusedtomanufacturethespecimenswithdiferentgroovewidths, depths
anddistances, andtheDCBmethodwasusedtotesttheinterfacialpropertiesofthesandwichbeams.
Basedontheenergyreleaseratiosfromthetestdata, somefactorswereanalyzed.Itwasfoundthatthe
groovescouldsignificantlyimproveboththeprocessingandinterfacialproperties.
Keywords:sandwich;interface;paulowniawood;energyreleaseratio;DCB
　　夹层结构由上下两层较薄的高强度 、高刚度的
面板和中间轻质芯材复合黏结而成 ,具有轻质 、高强
等许多优异的力学性能 , 已经广泛应用于航空 、航
天 、汽车 、船舶 、建筑等领域.夹层结构上 、下面板主
要承受拉 、压应力 ,中间芯材主要承受剪应力 ,上 、下
面板通过黏结剂与芯材黏结并形成整体受力 [ 1] .面
板与芯材之间的黏结性能对夹层结构整体性能的影
响巨大 , Zenkert等[ 2]在研究泡沫夹层结构时发现在
循环荷载作用下面板芯材界面处会产生裂纹 , Kulk-
arni等[ 3]发现夹层结构的疲劳破坏最先开始于界
面 ,界面处的裂纹扩展导致了芯材剪切破坏;Somers
等[ 4]对夹层梁的屈曲 /后屈曲性能分析后认为 ,夹
层结构对面板与芯材处的界面性能异常敏感;Su-
vorov等[ 5]通过提高面板与芯层界面处的能量释放
率改善了夹层结构的抗冲击性能.
Srinivas等 [ 6]于 1994年将悬臂梁方法引入到夹
层结构的研究中 ,并测试了铝质面板 、PVC泡沫 、
PMI泡沫芯材和 2种不同胶粘剂所构成的夹层结
构.1996年 , Cantwel等 [ 7]采用带辊轮的双悬臂梁系
统测试了 PVC泡沫和 Balsa轻木芯材与玻璃纤维树
脂面板之间的界面断裂韧性.目前 ,美国材料与试验
协会(ASTM)采用了双悬臂梁方法(DCB)测试层合
结构的层间性能[ 8] .在试件黏结面处预开口 ,当裂
纹扩展 3 ～ 5mm时 ,以层间的断裂能释放率作为其 I
型裂纹的临界能量释放率.但在齿槽夹增强型夹层
结构中 ,由于芯材表面或内部常存在特殊的构造形
式 ,不能直接采用标准的 DCB测试方法.国标中仅
有标准平拉试验方法可用于测试夹层结构的界面黏
结强度 ,目前还未有类似于 DCB的测试方法 ,且关
于 DCB试验方法的研究也较少.泮世东等[ 9]采用
DCB方法对于蜂窝夹层结构的界面性能做了测试 ,
并对蜂窝夹层结构中蜂窝芯材与面板间的 I型断裂
韧性进行了计算.
由于进口轻木夹芯材料的价格高昂 ,南京工
业大学先进工程复合材料研究中心于 2006年起
对以泡桐木为芯材的夹层结构在各类工程中的应
用进行了研究 ,并将其成功应用于快速拼装道面
垫板 [ 10] .为提高泡桐木夹层结构的力学性能 ,拓展
其应用领域 ,本文对其构造及界面力学性能作深
入的研究.
1　面板———泡桐木芯材界面性能
试件采用手糊工艺制作 ,芯材厚度取常用尺寸
25mm,面板由 4层 800g无碱玻璃纤维布与乙烯基
树脂复合而成 ,铺层设计为 [ 0°/90°、 ±45°、0°/90°、
±45°] ,厚度 3mm左右.试件长 200mm,宽 60mm,
预开口长 50mm.加载块尺寸为 60mm×5mm×
30mm(长 ×宽 ×高),正中间开有圆孔 , 用于穿螺
栓 ,孔径为 6mm,如图 1所示.通过有穿孔的金属
块 ,拉伸试件的上下两层 ,促使试件在预开口处产生
裂纹 ,并进一步扩展.记录下试件扩展过程中所需的
荷载与夹头的位移 ,绘制出试件的荷载 -位移曲线
后 ,对曲线进行积分 ,则能量释放率 [ 8]
G=-1bdUda (1)
式中:U为试件中总的弹性应变能;b为试件的宽
度;a为裂纹扩展的长度.具体试验装置见图 2,试验
在电伺服万能试验机上进行 ,最大荷载为 50kN,数
据采集频率为 50Hz,同时用摄像设备记录下试件的
整个断裂过程.试件上 ,在裂纹的预计拓展方向上 ,
采用白色修正液涂抹 ,使裂纹更加明显 ,在界面下方
贴上刻度纸 ,可通过视频直接读出裂纹拓展速度 ,亦
可用于事后分析裂纹的扩展情况.
图 1　双悬臂梁试件尺寸(mm)
Fig.1　Doublecantileverbeamspecimens
图 2　双悬臂梁试验装置
Fig.2　ApparatusofDCBtest
对所有试件的荷载 -位移曲线 (图 3)进行积
分 ,得到所有 4个试件(NRD-1、NRD-2、NRD-3、
NRD-4)裂纹扩展过程中的能量释放率 ,见表 1.由
表 1可见 ,试件 NRD-1、NRD-2、NRD-4的能量
释放率相差不大 ,而试件 NRD-3的能量释放率稍
大于三者.检查发现试件 NRD-3的芯材表面存在
结巴 ,结巴中富余的树脂引起数据的异常 ,因而舍弃
该数据.除了 NRD-3,余下 3个试件的平均能量释
放率为374N/m,变异系数为 2%,稳定性较好.对比
3个试件(除了 NRD-3)的荷载位移曲线 ,曲线吻
合得非常好 ,说明 DCB方法稳定性较好 ,以能量释
2 南　京　工　业　大　学　学　报　(自 然 科 学 版) 第 32卷　
放率作为指标能较好地对界面的力学性能及黏结效
果作出评价.
图 3　手糊试件试验荷载 -位移曲线
Fig.3　p-Δcurvesofthehandlay-upspecimens
表 1　手糊泡桐木夹层结构界面能量释放率
Table1　Interfacialenergyreleaseratioofhandylay-uppaulownia
woodsandwich N/m
试件 NRD-1 NRD-2 NRD-3 NRD-4
能量释放率 380 364 426 379
2　齿槽增强泡桐木芯材夹层结构
在泡桐木芯材表面开槽 ,尺寸构造如图 4所示.
在 Balsa轻木芯材中 , DIAB公司的 ProBalsa、Alcan
公司的 BALTEK均开有齿槽 ,方法是将 Balsa轻木
沿纵断面方向拼接 ,在其表面开出齿槽 , 宽度约
0.8mm,高度 3mm,间距 20mm,主要为真空导入成
型工艺中的树脂提供流动路径.
为分析沟槽的增强效果 ,本文用典型锯片制作
了 3种齿槽宽度 ,分别为 0.8、1.3、2.2mm, 3种齿槽
深度分别为 1、3、5mm,以及 3种间距分别为 10、20、
40mm,采用正交试验方法及无量纲化方法 ,先取其
中 8种尺寸组合进行试验 ,试件尺寸如表 2所示.试
件铺层 、芯材厚度与前文的试验相同 ,但由于工艺不
同 ,试件最终成型厚度略薄于手糊试件.
为保证沟槽中充满树脂 ,本文根据需要采用真
空导入成型工艺(VARIM)[ 11] .通过真空泵 ,将试件
中的空气抽出 ,然后再利用大气压力将树脂吸入 ,树
脂沿沟槽流遍泡桐木芯材的表面.图 5为试件的成
型过程及剥离面板后的芯材表面 ,可看到芯材表面
的沟槽已经被树脂完全充满.
图 6为根据试验数据绘制的荷载 -位移曲线 ,
由于试件数量较多 ,图线过于密集 ,因而图 6只绘出
了部分试件的曲线.对所有试件的曲线进行积分 ,得
到了齿槽增强型泡桐木夹层结构的能量释放率 ,如
表 2所示.由图 2可见:可以看到试件 GCD-1的性
能最差 , 能量释放率仅为 395N/m, 远低于其他试
件.其性能不佳的原因在于其齿槽深度仅 1mm,极
易被纤维遮挡 ,树脂在其表面流动困难 ,影响了试件
的成型;其余 8个试件的能量释放率较之手糊成型
试件提高了 1倍以上 ,性能提升非常显著.
图 4　齿槽增强泡桐木夹层结构芯材　
Fig.4　Groovedpaulowniawoodcore　
表 2　齿槽增强型泡桐木夹层结构界面能量释放率
Table2　Interfacialenergyreleaseratioofgroovedpaulowniawood
sandwich
试件编号 槽宽b/mm
槽深
h/mm
槽间距
d/mm
能量释放率 /
(N·m-1)
GCD-1 0.8 1.0 40 395
GCD-2 0.8 3.0 40 783
GCD-3 1.3 3.0 20 745
GCD-4 1.3 5.0 20 797
GCD-5 2.2 3.0 20 803
GCD-6 2.2 5.0 20 805
GCD-7 1.3 5.0 10 864
GCD-8 2.2 5.0 10 1 002
GD-X 0.8 3.0 20 791
3　结果分析
3.1　参数分析
由于试件 GCD-1在制备过程中树脂未能充满
齿槽 ,参数分析时 ,只考虑其他 8个试件.如图 6所
示 ,同宽度 、间距情况下(GCD-3与 GCD-4比较 ,
GCD-5与 GCD-6比较),齿槽深度对于夹层结构
3　第 5期 万　里等:齿槽增强泡桐木夹层结构界面性能试验
图 5　齿槽增强泡桐木夹层结构制备过程
Fig.5　Manufactureprocessofgroovedpaulowniawoodsandwich
图 6　部分齿槽增强试件的荷载 -位移曲线
Fig.6　p-Δcurvesofsomegroovedpaulowniawood
sandwichspecimens
层间性能的影响较小 , 2组试件中齿槽的深度由
3mm增长到 5mm,能量释放率提高幅度不到 1%.
试验过程中 ,当齿槽深度超过 3mm时 ,面板与芯材
沿树脂的根部断裂 ,只有极少的树脂从沟槽中拉拔
出来 ,因而超过 3mm时 ,齿槽中树脂对界面的作用
效果相同;齿槽深度 、间距相同时 (GCD-3与
GCD-5比较 , GCD-4与 GCD-6比较 , GCD-7与
GCD-8比较),槽宽由 1.3mm增长到 2.2mm,面板
与芯材之间的能量释放率均有不同程度的增长 ,最
少 1%,最高达到了 16%,平均增长 6%;而在同等
槽宽 、槽深情况下(GCD-2与 GD-X比较 , GCD-
4与 GCD-7比较 , GCD-6与 GCD-8比较),减少
齿槽的间距 ,面板与芯材之间的能量释放率随之增
加 ,最低提高 1%,最高达到了 24%,平均 11%.因
此减少齿槽间距对于提高面板与芯材之间的性能作
用明显.
由于3mm槽深和 5mm槽深对于泡桐木夹层结
构的作用基本相近 ,在确认齿槽作用时 ,槽深影响可
忽略.以齿槽宽度 b与齿槽间距 d的比(b/d)作参
数 ,绘制出齿槽能量释放率曲线 ,并根据试件 GCD
-2 ～GCD-8的试验结果进行多项式拟合 ,得到能
量释放率随 b/d的变化曲线 ,如图 7所示.相同 b/d
时的能量释放率变化不大 ,主要影响来自于树脂槽
的面积.
对比分析不同阶次多项式的相关系数后 ,以试
件 GCD-2 ～ GCD-8的试验数据为基础 ,选择以二
阶多项式进行拟合 ,得到式(2),对应的相关系数
r=0.985 7.基于式(2)计算得到 GD-X的能量释
放率为782N/m,与实测值相差 1%,吻合较好.
G=790 -454 bd +6 476
b
d
2 (2)
图 7　齿槽增强试件能量释放率随 b/d的变化
Fig.7　Energyreleaseratiocurveofgroovedpaulowniawood
sandwichspecimenswithb/d
3.2　工艺和齿槽构造对界面性能的影响
齿槽在泡桐木夹层结构中承担了两部分作用:
一是真空导入成型工艺的需要.树脂沿沟槽流遍芯
材表面 ,改善树脂对纤维及芯材表面的浸润性能;二
是作为一种界面构造措施 ,当树脂完全固化后 ,残留
在齿槽中的树脂可以起到束缚面板与芯材的作用.
以式(3)分别表示 2种作用效果.
G=Gv+Gg (3)
式中:Gv为面板与芯材之间直接黏结部分产生的能
量释放率;Gg为齿槽中树脂断裂产生的能量释放
率.假设在 40mm间距 、0.8mm宽度齿槽的试件中
(齿槽仅占芯材表面积的 4%),因齿槽面积较小 ,忽
略齿槽构造产生的作用 ,认为采用真空导入工艺通
过抽出空气 ,使得面板与芯材之间的微小空隙被树
脂完全浸渍 ,测得试件界面处的能量释放率达到
783N/m(GCD-2).以此值近似作为无齿槽构造时
的能量释放率 ,即无齿槽时 , Gg=0, Gv=783N/m.
增加齿槽的宽度并减少间距 ,泡桐木与面板之间的
直接黏结面积不断减小 ,同时齿槽所占的表面积逐
渐增加.因为面板与芯材直接黏结部分的能量释放
率只与直接黏结的面积大小有关 ,因而总的能量释
放率可按齿槽所占的面积比例进行划分 ,在不同齿
4 南　京　工　业　大　学　学　报　(自 然 科 学 版) 第 32卷　
槽的试件中 ,直接黏结(受工艺原因影响较大)产生
的能量释放率可以由式(4)表示.
Gv =783 1 -bd-4b2d2 (4)
式中bd-4b2d2 为齿槽占芯材表面积的比例.齿槽黏结
所产生的能量释放率 ,可以按式(5)进行计算.
Gg =790 -454 bd +6 476 bd
2 -Gv (5)
齿槽构造中树脂产生的断裂能高于面板与芯材之间
直接黏结产生的断裂能 ,因而增大齿槽面积 ,泡桐木
夹层结构的界面性能可以得到相应的提高.经过计
算 ,齿槽构造在界面性能中贡献最大的为试件
GCD-8,占了总能量释放率的 25%.试验完成后 ,
观察试件发现 ,齿槽位置所对应的面板均呈现出白
色痕迹 ,有大量纤维从面板中露出 ,如图 8所示.这
表明 ,齿槽构造中树脂断裂实质上是树脂与面板中
纤维之间的界面破坏 ,因而若能提高纤维与树脂的
界面相容性 ,齿槽增强泡桐木夹层结构的界面性能
可以得到进一步的提高.
(a)GCD-5　　　　　　　　　(b)GCD-7
图 8　齿槽增强泡桐木夹层结构界面破坏后的状态
Fig.8　Interfacialfailuremodeofgroovedpaulowniawoodcore
sandwich
4　结　论
泡桐木芯材表面开槽可以显著地提高泡桐木夹
层结构面板与芯材之间的界面性能.其对于界面性
能的提高首先体现在对工艺的改善上 ,齿槽通过提
高树脂在芯材表面的流动性 ,使得纤维得到充分浸
渍 ,同时空气得以充分排出 ,从而改善了泡桐木夹层
结构的界面性能.另外 ,由残留在齿槽内的树脂对面
板也存在着较强的黏结力 , 树脂填充的齿槽作为一
种界面构造对界面性能有着不可忽视的增强作用.
随着齿槽面积占芯材表面积的比例逐渐提高 ,齿槽
内的树脂对界面性能的增强作用不断提高.
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