1 Въведение
Епоксидният композит, подсилен с въглеродни влакна (CFRP), има много предимства, като ниска плътност, висока специфична якост, висока специфична твърдост, устойчивост на умора, устойчивост на корозия и добри механични свойства. Той се използва широко в аерокосмическата индустрия и други екологично агресивни конструкции, устойчиви на влажна топлина и удар. Влиянието на факторите на околната среда върху материалите е все по-очевидно. През последните години местни и чуждестранни учени са провели голям брой изследвания върху ефектите на гореща и влажна среда върху CFRP композитите [1] и въздействието на удара върху CFRP композитите. Проучването установи, че влиянието на гореща и влажна среда върху CFRP композитите включва пластификация на матрицата [2, напукване [31] и отслабване на свойствата на интерфейса влакна-матрица [2'3'5], огъване на CFRP композита с увеличаване на времето за мокра термична обработка. Механичните свойства на експлоатационните характеристики [2, олово и междуслойни свойства на срязване [2, 1] и статичните свойства на опън [3'6'7] показват низходяща тенденция. Woldesenbet et al. [8,9] са изследвали ударно-механичните свойства на композитите при високи скорости на деформация след мокра термична обработка и са установили, че горещата и влажна среда подобрява ударната якост на композитите. Разкрито е, че абсорбцията на влага от композитните материали може да подобри ударно-механичните свойства на материалите при определени условия, което е доста различно от експерименталните резултати при квазистатични условия. Основната настояща изследователска работа е върху ефекта на влажната топлина (включително потапяне във вода) върху ударно-механичните свойства при ниска скорост на композити от смолна матрица, подсилени с влакна. Пан Венге и др. [10] са изследвали компресионните свойства на двуизмерни тъкани композитни ламинати от фибростъкло/епоксидна смола след удар с ниска скорост при стайна температура и при горещи и влажни условия (потапяне във вода при 65 °C). 4. Ламинатът в гореща и влажна среда се получава след удар с ниска скорост. Компресионните характеристики са значително намалени. Карасек и др. [1] са изследвали ефектите на влажността и температурата върху удара на графит/епоксидни композити и са ги получили в среда с ниска температура и при стайна температура. Влажността има малък ефект върху началната енергия и абсорбцията на енергия от повредата. Yucheng zhong и др. [12,13] са провели тест за удар при ниска скорост върху композитни ламинати след обработка с мокра топлина. Заключението е, че горещата и влажна среда значително намалява повреди от удар на ламината. Подобрява устойчивостта на удар на ламинатите. Krystyna и др. [14] са изследвали удара при ниска скорост на композит от арамид-стъклени влакна/епоксидна смола след обработка с мокра топлина (потапяне във вода при 70 °C) и са получили по-малка площ на повреди от удар след обработка с мокра топлина. Това причинява повреди от деламинация вътре в пробата, която абсорбира повече енергия по време на удара и възпрепятства образуването на деламинация. От гореизложеното може да се види, че влиянието на влажната топлинна среда върху повреди от удар на композитните материали има едновременно насърчаващ и отслабващ ефект. Следователно са необходими допълнителни изследвания и проверки. По отношение на удара, Mei Zhiyuan и др. [15] са предложили и създали двуетапен (срязващо проникване и непрекъснато проникване) модел за анализ на динамиката на проникване на армирани с влакна композитни ламинати при удар с висока скорост. Guiping Zhao и др. [16] са провели три вида различни скорости (по-малка, равна и по-голяма от балистичната гранична скорост) върху ударните характеристики и повредите на образеца след три вида ламинати, но не са включили въздействието на влажната топлинна среда върху повредите от удара. Въз основа на горепосочената литература, свързаните изследвания върху въздействието на влажната и гореща среда върху влакнести композитни ламинати все още не са допълнително проучени. В тази статия са изследвани характеристиките на ударните повреди на наситени с мокра топлина въглеродни влакна/епоксидни композитни ламинати при условия на водна баня с температура 70°C. Влиянието на горещата и влажна среда върху характеристиките на ударно разрушаване на композитите е анализирано чрез сравнение със сухи проби при стайна температура. В експеримента CFRP ламинати са били подложени на удар върху CFRP ламинати със скорост 45 m/s, 68 m/s и 86 m/s. Измерена е скоростта преди и след удара. Анализирано е влиянието на горещата и влажна среда върху енергийните характеристики на ламината. За откриване на вътрешни повреди на ламината е използвано ултразвуково c-сканиране и е анализирано влиянието на скоростта на удара върху площта на счупването. Сканиращ електронен микроскоп и ултрадълбочинна триизмерна микроскопска система са използвани за наблюдение на мезоскопските характеристики на повредата на пробата, а повредата на пробата е анализирана от влажна топлинна среда. Въздействието на характеристиките.
2 Експериментални материали и методи
2. 1 Материал и подготовка
Композитен материал от въглеродни влакна, епоксидна смола (T300/EMl 12), предварително потапяне, осигурено от Jiangsu Hengshen Co., Ltd., еднослойна дебелина на предварително потапяне 0,137 мм с обемна фракция на влакната 66%. Ламинатът се полага върху пода на слоя, размер 115 мм x 115 млн. Използва се процес на формоване в резервоар за горещо пресоване. Диаграмата на процеса на втвърдяване, получена чрез процеса, е показана на Фигура 1. Първо се повишава температурата на жилището от стайна температура до 80 °C със скорост на нагряване от 1 до 3 °C/мин, след това се поддържа топло в продължение на 30 минути, загрява се до 130 °C със скорост на нагряване 113 °C/мин, поддържа се топло в продължение на 120 минути, намалява се до 60...0C с постоянна скорост на охлаждане, след което отстранете налягането и освободете, и освободете.
2. 2 Мокра термична обработка
След подготовката на образеца, той е обработен с мокра топлина в съответствие със спецификацията HB 7401-96.171 „Експериментален метод за абсорбция на влага от композитен слой на основата на смола в мокра гореща среда“. Първо, образецът се поставя в термостатична сушилня при 70 градуса C, за да изсъхне. Претегля се редовно с помощта на везни, докато загубата на качество на образеца се стабилизира на не повече от 0,02%. Регистрираната стойност в този момент е инженерна суха маса G. След изсушаване образецът се поставя във вода при 70 градуса C за обработка с мокра топлина. Съгласно спецификацията HB 7401, методът, посочен в 96, „измерва качеството на образеца всеки ден, записва се като Gi, и записва промяната на абсорбцията на влага Mi. Изразът за абсорбция на влага на образеца от CFRP ламинат е:
Формулата е подробна: Mi е абсорбцията на влага от образеца, Gi е качеството след абсорбиране на влага от пробата, g, go е качеството на сухото състояние на инженерния образец.
2. 3 Експеримента за въздействие
Експериментът с високоскоростен удар върху CFRP ламинат беше проведен с високоскоростен въздушен пистолет с диаметър 15 мм. Устройството за високоскоростен ударен тест (виж Фигура 2) включва високоскоростен въздушен пистолет, лазерно устройство за измерване на скоростта преди и след удара, тяло на куршума, приспособление за монтаж на образеца (горен десен ъгъл на Фигура 2) и устройство за безопасно възстановяване на тялото на куршума. Тялото на куршума е цилиндричен куршум с конична глава (Фигура 2), а обемът му е 24,32 г с диаметър 14,32 мм; скоростта на удара е 45 м/с (енергия на удара 46 J), 68 м/с (енергия на удара 70 J), 86 м/с (енергия на удара 90 J).
2. 4 Откриване на повреди по образци
След като е била засегната от удара, плочата с ръбове от въглеродни влакна, изработена от епоксиден композитен ламинатен слой, се използва за откриване на вътрешни повреди от удара на CFRP ламинатната плоча, а площта на проекция на зоната на повреди от удара се измерва със софтуера за анализ на изображения UTwim, а подробните характеристики на разрушението от напречно сечение се наблюдават чрез сканиращ електронен микроскоп и ултрадълбочинна 3D микроскопска система.
3 Резултати и дискусии
3.1 Характеристики на абсорбция на влага на образците
Общо 37,7 дни, средната абсорбция на влага при наситено насищане е 1,780%, със скорост на дифузия от 6,183 x 10,7 л/л²/с. Кривата на абсорбция на влага на образеца от CFRP ламинат е показана на Фигура 3. Както може да се види от Фигура 3, началната скорост на растеж на абсорбцията на влага на образеца е линейна, след линейния етап скоростта на растеж на абсорбцията на влага започва да намалява, достигайки стабилно ниво след около 23 дни и достигайки насищане на абсорбцията на влага след определен период от време. Следователно, абсорбцията на влага на образеца съответства на двустепенния режим на абсорбция на влага: първият етап на абсорбция на влага се дължи на съвместното действие на температурата и влажността, като влагата през самия материал съдържа пори, дупки, пукнатини и други дефекти, разпространяващи се във вътрешността на материала; дифузията на водата е бавна и постепенно достига насищане на този етап.
3. Характеристики на видимото разрушаване на двуслойната ламинатна плоскост
Скорост на удара от 86 m/s, когато предната част на образеца, задната част на видимата карта на профила на разрушаване, чрез суха проба при стайна температура, формата на разрушаване на предната част на влажната, горещо-насищаща проба е по-близка до тази на двата образеца при удара, поради пукнатините в основата, разрушаването по протежение на първия слой влакна има известно приплъзване. Това кара предната част да придобие елипсовидна или правоъгълна форма и освен че може да се види пукнатината в основата, може да се види и скъсване на влакната. При суха проба при стайна температура, влажна, горещо-насищаща проба, на задната част на разрушаването може да се види, че задната част по посока на удара има известна издутина и представлява кръстосана пукнатина. Очевидно е, че счупването на влакната, напукването на основата и междуслойното счупване (наслояване) са три форми на разрушаване, като последната част на влакното се повдига, но не се счупва, а само наслояване и напукване на влакната/основата. Счупването на влакната също е различно, както може да се види от сравнението на предното и задното увреждане. Предната част причинява счупване на влакната и основата поради натиск и срязване. Задната част се дължи на разтягане, което води до счупване на влакната и наслояване на основата. Фигура 4 показва скорост на удара от 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s при сканиране на вътрешното увреждане на образеца C. Площта, обозначена с приблизителната кръгла сива линия l в центъра на фигурата, е проектираната площ на отвора за увреждане. Черната линия над и под всяка малка диаграма показва площта за зоната на обратно отлепване на образеца. Площта, обозначена с бялата линия на фигура (b) (d) (f), е вътрешното увреждане на образеца по границата. Графиката показва, че енергията на удара се увеличава с увеличаване на скоростта на удара. Ламинираната плоча е способна да абсорбира повече енергия по време на удара (вижте Фигура 6 за конкретни стойности), което води до увеличаване на площта на проекция на увреждане на ламината: чрез сравняване на сухата проба при стайна температура със снимката на влажната горещо насищаща се проба, може да се види, че има вътрешно увреждане (бяла линия) на образеца, образувано по границата в състоянието на мокро-горещо насищане на образеца, главно поради процеса на абсорбция. Пластификацията на субстрата в ламинатната плоча и отслабването на интерфейса влакна-основа водят до определен ефект на границата върху ламинатната плоча по време на процеса на удар. Според фигурата, зоната на обратно отлепване (черна линия) на образеца в сухо състояние не се различава много от състоянието на мокро горещо насищане.
3. Детайлните разрушителни характеристики на трислойния панел
Картата на характеристиките на напречното сечение на съединителната плоча от CFRP слой, направена от ултрадълбока 3D микросистема и сканиращо електронно огледало, със скорост на удара 45 m/s, сухо, мокро и горещо, показва, че повредата на образеца и в двете състояния включва три форми на разрушаване: счупване на влакната, напукване на основата и междуслойно счупване. Но основата на двата образеца се напуква по различен начин. Напукването на субстрата в сухо състояние е напукване на връзката между влакното и субстрата. Въпреки това, напукването на субстрата след мокра термична обработка е съпроводено с падане на фрагменти от субстрата. Wold-esenbet и други материали във влажна и гореща среда, характеристиките на удара върху структурата на структурата и разграждането на интерфейса между влакнестите субстрати се определят съвместно. Във влажна и гореща среда, CFRP слойът в основата от смола абсорбира определено количество вода, просмукваща се вода ще доведе до разтваряне на смолния субстрат. Въглеродните влакна не са абсорбиращи, следователно трябва да има мокро разширение между двете, тази разлика отслабва интерфейса между субстрата и влакната, намалявайки здравината на субстрата. Когато са подложени на ударно натоварване, фрагментите от субстрата лесно изпадат, което води до разлика в повърхността на повреждане на сухата проба при стайна температура. От детайлната структура на сканираното електрическо огледало може да се види, че напукването на мокрото и горещото тяло на основата е главно от хлабаво напукване от пресоване, докато напукването преди мокрото нагряване е предимно крехко, а хоризонталната пукнатина от срязване между слоевете е по-очевидна. От оптичния микроскоп на фигурата може да се види, че формите на разрушаване са различни в двата случая, а сухото състояние е на междуслойно разрушаване. За да се стигне до разрушаване главно от рязане, след мокрото нагряване за формата на разрушаване, съпроводена със значително слоесто разрушаване, делът на слоестото разрушаване се увеличава. Това може да се види от механизма на ъгъла на разрушаване и характеристиките на поглъщане на енергия. Мей Джиюан предлага два етапа на проникване на снаряда: етап на рязане и етап на непрекъснато разрушаване. Зона А в мократа гореща проба е етап на разрушаване от срязващо проникване, главно защото в процеса на удар наслояващата се плоча се компресира и срязва, образувайки деформация на разрушаване, зона b е етап на разрушаване от непрекъснато разрушаване. Този етап се дължи главно на намаляването на скоростта на проникване на тялото на куршума под действието на компонента на опъване на влакнестия слой, като енергията се преобразува главно в енергията на опъване на влакната и енергията на междуслойно счупване (l 51), така че скъсването на влакната el и предишното скъсване на влакната не са по права линия. В сухата проба това явление не е очевидно и повредата на плочата е по-сериозна, като слоестата плоча е в състояние на напукване. 3. 4 Анализ на абсорбционна енергия и площ на проекция на повредата. Фигура 5 показва връзката между температурата в суха стая и горещото насищане на влажната среда, скоростта на изстрелване и загубата на енергия на тялото. При скорост на падане от около 45 m/s, куршумът се отбива при температура в суха стая, така че това не е показано на фигурата. Както може да се види от Фигура 7, когато тестът се провежда при термично насищане на влажна среда, загубата на енергия на куршума е значителна и всмукателният капацитет на пробата след обработка с мокра топлина се увеличава.
Фигура 6 е графична диаграма на площта на проекция на скоростта на падане на тялото на куршума и отвора за увреждане на CFRP слоя (сивата линия маркира част от Фигура 4). На фигури (4), (5), (6) може да се види следното: (1) с увеличаване на скоростта на удара, площта на проекция на отвора за увреждане на CFRP слоя се увеличава; (2) Площта на проекция на отвора за увреждане в пробата при суха стайна температура е по-голяма от тази при горещо насищане във влажно състояние; (3) когато скоростта на удара е около 45 m/s, площта на проекция на отвора за увреждане на ламинираната плоча след термична обработка във влажно състояние е много по-голяма от площта на проекция на отвора за увреждане на ламинираната плоча при суха стайна температура. Площта на проекция на отвора за увреждане на l-образната проба при термично насищане във влажно състояние се е увеличила с 85,1%, а при скорост на удара от около 68 m/s, стойността на поглъщане на ламинираната плоча в състояние на мокро и термично насищане се е увеличила с 18,10%, а стойността на поглъщане (Фигура 5) се е увеличила с 15,65%; При скорост на удара от около 88 m/s, ламинираната плоча в състояние на мокро и термично насищане е намаляла с 9,25%, но стойността на абсорбция все още се е увеличила с 12,45%.
Въз основа на резултатите от изследванията на Yucheng Zhong и други продукти, абсорбцията на влага от композитни материали, подсилени с въглеродни влакна, подобрява границата на еластичност и удароустойчивостта на ламинатната плоча и комбинира проектираната площ на отвора за повреждане на сухата проба при стайна температура и пробата, насищана с мокра гореща вода (Фигура 4 в сивата линия). Диаграмата на зависимостта между скоростта на падане на куршума върху тялото и проекционната площ на отвора за повреждане на CFRP слоя, както и слоестото увреждане на свързващата плоча на CFRP слоя, може да се сравни, когато скоростта на удара е еднаква и ниска. Площта на отвора за повреждане на CFRP слоя при влажна гореща вода е сравнително голяма. Това се дължи на факта, че влажната термична обработка води до пластифициране на подложката на CFRP слоя, отслабване на интерфейса между влакната и подложката и междуслойните характеристики. При удар, състоянието на насищане с мокра топлина на пробата, слоестото увреждане се разширява, а делът на повреди се увеличава. Въз основа на експерименти на Wu Yixuan и други е известно, че енергията на удара във вертикалната посока на настилката се абсорбира главно от смолната основа, след което пластифицирането на основата кара мократа и гореща проба да абсорбира повече енергия по време на процеса на удар, подобрявайки устойчивостта на удар и увеличавайки площта на проекция на отвора за повреда; повредата върху CFRP ламината не е напълно разширена, ударът е приключил, така че когато скоростта на удара е по-висока, мократа топлинна обработка върху площта на проекция на повредата върху CFRP ламината вече не е сериозна, но поради пластифицирането на смолата на основата, абсорбционният капацитет все още се увеличава.
4 Заключения
(1) С увеличаване на скоростта на удара, проектираната площ на отвора за повреждане на ламинат от епоксидна смола, подсилена с въглеродни влакна (CFRP), се увеличава, а скоростта на растеж на отвора за повреждане в пробата при суха стайна температура е по-висока, отколкото при насищане с влажна топлина. Големи: (2) Когато скоростта на удара е 45 m/s, площта на проекция на повредата на CFRP ламината в състояние на насищане с влажна топлина се увеличава с 85,11%, а когато скоростта на удара е 68 m/s, площта на проекция на повредата на CFRP ламината в състояние на насищане с влажна топлина се увеличава с 18% в сравнение с CFRP ламината в състояние на суха стайна температура. С 10% скоростта на удара е 86 m/s. Площта на проекция на повредата на намокрения и наситен cFRP ламинат е намалена с 9,9% в сравнение с cFRP ламината при суха стайна температура. 25%; (3) След като cFRP ламинатът е засегнат от гореща и влажна среда, междуслойните характеристики на ламината се намаляват, което води до разширяване на зоната на деламинация.
Време на публикуване: 24 юни 2019 г.