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(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(duì)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(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

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(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(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(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(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)。

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。基于研究和應(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(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(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。