1 Uvod
Epoksidni kompozit ojačan ugljičnim vlaknima (CFRP) ima mnoge prednosti kao što su niska gustoća, visoka specifična čvrstoća, visoka specifična krutost, otpornost na zamor, otpornost na koroziju i dobra mehanička svojstva. Široko se koristi u vazduhoplovstvu i drugim ekološki zahtjevnim konstrukcijama, vlažnoj toplini i udarima. Utjecaj faktora okoline na materijale sve je očigledniji. Posljednjih godina, domaći i strani naučnici proveli su veliki broj studija o utjecaju vruće i vlažne okoline na CFRP kompozite [1] i utjecaju udara na CFRP kompozite. Studija je otkrila da utjecaj vruće i vlažne okoline na CFRP kompozite uključuje plastifikaciju matrice [2, pucanje [31] i oslabljena svojstva međupovršine vlakna-matrica [2'3'5], savijanje CFRP kompozita s povećanjem vremena mokre toplinske obrade. Mehanička svojstva performansi [2, olovo i interlaminarna svojstva smicanja [2, 1] i statička svojstva zatezanja [3'6'7] pokazala su silazni trend. Woldesenbet i dr. [8,9] proučavali su mehanička svojstva kompozita pri visokim brzinama deformacije nakon obrade vlažnom toplinom i utvrdili da vruće i vlažno okruženje poboljšava udarnu čvrstoću kompozita. Otkriveno je da apsorpcija vlage kompozitnih materijala može poboljšati mehanička svojstva materijala pri udaru pod određenim uvjetima, što se prilično razlikuje od eksperimentalnih rezultata pod kvazi-statičkim uvjetima. Trenutni glavni istraživački rad je utjecaj vlažne topline (uključujući uranjanje u vodu) na svojstva kompozita od smole ojačane vlaknima pri maloj brzini udara. Pan Wenge i suradnici [10] proučavali su svojstva kompresije dvodimenzionalnih tkanih laminata od fiberglasa/epoksida nakon udara malom brzinom na sobnoj temperaturi i pod vrućim i vlažnim uvjetima (uranjanje u vodu na 65 °C). 4. Laminat u vrućem i vlažnom okruženju dobiva se nakon udara malom brzinom. Performanse kompresije su značajno smanjene. Karasek i suradnici [1] proučavali su utjecaj vlažnosti i temperature na udar grafitno/epoksidnih kompozita i dobili su ih u okruženjima niske temperature i sobne temperature. Vlažnost ima mali utjecaj na početnu energiju i apsorpciju energije oštećenja. Yucheng zhong i saradnici [12,13] proveli su test udara pri maloj brzini na kompozitnim laminatima nakon obrade vlažnom toplinom. Zaključeno je da vruće i vlažno okruženje značajno smanjuje oštećenja laminata od udara. Poboljšajte otpornost laminata na udar. Krystyna i saradnici [14] proučavali su udar kompozita aramid-staklena vlakna/epoksida pri maloj brzini nakon obrade vlažnom toplinom (uranjanje u vodu na 70 °C) i dobili su manju površinu oštećenja od udara nakon obrade vlažnom toplinom. To uzrokuje oštećenja od delaminacije unutar uzorka, koji apsorbira više energije tokom udara i sprječava stvaranje delaminacije. Iz navedenog se može vidjeti da utjecaj vlažne toplinske okoline na oštećenja od udara kompozitnih materijala ima i pospješujući i slabeći učinak. Stoga su potrebna daljnja istraživanja i provjere. U smislu udara, Mei Zhiyuan i saradnici [15] predložili su i uspostavili dvostepeni (smicanje i kontinuirano prodiranje) model analize dinamike prodiranja kompozitnih laminata ojačanih vlaknima pod udarom velikom brzinom. Guiping Zhao i saradnici... [16] su proveli tri vrste različitih brzina (manje od, jednake i veće od balističke granične brzine) na performanse udara i oštećenja uzorka nakon tri vrste laminata, ali nisu uključivali utjecaj vlažne toplinske okoline na oštećenja od udara. Na osnovu gore navedene literature, srodna istraživanja o utjecaju vlažne i vruće okoline na kompozitne laminate ojačane vlaknima tek trebaju biti dalje istražena. U ovom radu proučavane su karakteristike oštećenja od udara mokrim toplinskim zasićenjem kompozitnih laminata od ugljičnih vlakana/epoksida pod uvjetima vodene kupke na 70 °C. Utjecaji vruće i vlažne okoline na karakteristike udarnog loma kompozita analizirani su usporedbom sa suhim uzorcima na sobnoj temperaturi. U eksperimentu, CFRP laminati su udarani o CFRP laminate pri brzinama od 45 m/s, 68 m/s i 86 m/s. Mjerena je brzina prije i poslije udara. Analiziran je utjecaj vruće i vlažne okoline na performanse apsorpcije energije laminata. Ultrazvučno c-skeniranje je korišteno za detekciju unutrašnjih oštećenja laminata, a analiziran je i utjecaj brzine udara na područje loma. Skenirajući elektronski mikroskop i ultra-dubinski trodimenzionalni mikroskopski sistem korišteni su za posmatranje mezoskopskih karakteristika oštećenja uzorka, a oštećenje uzorka analizirano je vlažnom toplinskom okolinom. Utjecaj karakteristika.
2 Eksperimentalni materijali i metode
2. 1 Materijal i priprema
Kompozitni materijal od karbonskih vlakana epoksidne smole (T300/EMl 12), prethodno uranjanje obezbjeđuje Jiangsu Hengshen Co., Ltd., debljina jednoslojnog prethodnog uranjanja od 0,137 mm sa udjelom vlakana u volumenu od 66%. Laminatna ploča se postavlja na pod sloja, dimenzija 115 mm x 115 mln. Koristi se proces oblikovanja posude za vruće presovanje. Dijagram procesa stvrdnjavanja pripremljen ovim procesom prikazan je na slici 1. Prvo povisiti temperaturu prostorije sa sobne na 80 °C brzinom zagrijavanja od 1 do 3 °C/min, zatim održavati toplinu 30 minuta, zagrijavati na 130 °C brzinom zagrijavanja od 13 °C/min, održavati toplinu 120 minuta, smanjiti na 60...0C konstantnom brzinom hlađenja, a zatim uklonite pritisak i otpustite, i otpustite.
2. 2 Mokra termička obrada
Nakon pripreme uzorka, uzorak je termički obrađen u skladu sa specifikacijom HB 7401-96.171 "Eksperimentalna metoda apsorpcije vlage u kompozitnom sloju na bazi smole u vlažnom i vrućem okruženju". Prvo, uzorak se stavlja u termostatsku komoru za sušenje na 70 stepeni Celzijusa. Redovno se vaga pomoću vage dok gubitak kvaliteta uzorka ne bude stabilan na najviše 0,02%, a zabilježena vrijednost u ovom trenutku je inženjerska suha masa G. Nakon sušenja, uzorak se stavlja u vodu na 70 stepeni Celzijusa za termičku obradu u mokrom stanju. Prema specifikaciji HB 7401, metoda navedena u 96 "mjerenje kvaliteta uzorka svaki dan, zabilježeno kao Gi, i bilježenje promjene apsorpcije vlage Mi. Izraz apsorpcije vlage uzorka CFRP laminata je:
Formula je detaljno opisana: Mi je apsorpcija vlage uzorka, Gi je kvalitet nakon što uzorak apsorbira vlagu, g, go je kvalitet suhog stanja inženjerskog uzorka.
2. 3 Eksperimenta s udarom
Eksperiment udara velikom brzinom na CFRP laminatu proveden je na brzom zračnom topu promjera 15 mm. Uređaj za ispitivanje udarom velikom brzinom (vidi Sliku 2) uključuje brzi zračni top, laserski uređaj za mjerenje brzine prije i poslije udara, tijelo projektila, pričvršćivač za ugradnju uzorka (gornji desni ugao Slike 2) i sigurnosni uređaj za vraćanje tijela projektila u prvobitno stanje. Tijelo projektila je cilindrično projektilo sa konusnom glavom (Slika 2), a zapremina projektila je 24,32 g sa promjerom 14,32 mm; brzina udara je 45 m/s (energija udara 46 J), 68 m/s (energija udara 70 J), 86 m/s (energija udara 90 J).
2. 4 Detekcija oštećenja uzoraka
Nakon što je izložena udaru, rubna ploča od laminatnog sloja od epoksidnog kompozita u boji karbonskih vlakana koristi se za detekciju unutrašnjeg oštećenja od udara CFRP laminatne ploče, a područje projekcije područja oštećenja od udara mjeri se softverom za analizu slike UTwim, a detaljne karakteristike poprečnog presjeka uništenja promatraju se skenirajućim elektronskim mikroskopom i 3D mikroskopskim sistemom ultra-dubinskog polja.
3 Rezultati i diskusije
3.1 Karakteristike apsorpcije vlage uzoraka
Ukupno 37,7 dana, prosječna zasićena apsorpcija vlage iznosi 1,780%, sa stopom difuzije od 6,183 x 10,7 l/l²/s. Kriva apsorpcije vlage uzorka CFRP laminata prikazana je na slici 3. Kao što se može vidjeti na slici 3, početna stopa rasta apsorpcije vlage uzorka je linearna, nakon linearne faze, stopa rasta apsorpcije vlage počinje opadati, dostižući stacionarni nivo nakon otprilike 23 dana, a zasićenje apsorpcijom vlage dostiže nakon određenog vremenskog perioda. Stoga, apsorpcija vlage uzorka odgovara dvostepenom režimu apsorpcije vlage: prva faza apsorpcije vlage je posljedica zajedničkog djelovanja temperature i vlažnosti, vlaga kroz sam materijal sadrži pore, rupe, pukotine i druge nedostatke koji se šire u unutrašnjost materijala; difuzija vode je spora i postepeno dostiže zasićenje u ovoj fazi.
3. Karakteristike prividnog uništavanja dvoslojne laminatne ploče
Brzina udara od 86 m/s kada se prednja i zadnja strana uzorka vide na mapi profila vidljivog uništenja, na uzorku na suhoj sobnoj temperaturi, oblik uništenja prednjeg dijela uzorka na vlažnoj vrućoj zasićenosti je sličniji. Dva uzorka pri udaru, zbog pukotina u osnovi, njihovo uništenje duž prvog sloja vlakana ima određeno klizanje. To uzrokuje da prednja strana dobije eliptični ili pravokutni oblik, i pored toga što se može vidjeti pukotina u podlozi, može se vidjeti i lomljenje vlakana. Na suhom uzorku na sobnoj temperaturi, uzorku na vlažnoj vrućoj zasićenosti, na zadnjoj strani uništenja može se vidjeti da zadnja strana duž smjera udara ima određeno ispupčenje i predstavlja pukotinu u obliku križa. Očigledno je da su lom vlakana, pucanje baze i lom međusloja (slojevanje) tri oblika uništenja, posljednji dio vlakana se podiže, ali ne i lomi, samo se lome i pucaju vlakna/baza. Lom vlakana je također različit, što se može vidjeti iz poređenja frontalnog i zadnjeg oštećenja. Prednji dio uzrokuje lom vlakana i podloge zbog kompresije i smicanja. Stražnji dio uzrokuje istezanje koje uzrokuje lom vlakana i slojevitost podloge. Slika 4 prikazuje brzinu udara od 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s kada se uzorak skenira sa unutrašnjim oštećenjem C. Područje označeno približnom okruglom sivom linijom u sredini slike je projektovano područje oštećenja. Crna linija iznad i ispod svakog malog grafikona označava područje za područje ljuštenja nazad uzorka. Područje označeno bijelom linijom na slici (b) (d) (f) je unutrašnje oštećenje uzorka duž granice. Grafikon pokazuje da se energija udara povećava sa povećanjem brzine udara. Laminirana ploča je u stanju da apsorbuje više energije tokom udara (vidi sliku 6 za specifične vrijednosti), što rezultira povećanjem područja projekcije oštećenja laminata: poređenjem uzorka na suvoj sobnoj temperaturi sa slikom uzorka vlažnog vrućeg zasićenja, može se vidjeti da postoji unutrašnje oštećenje (bijela linija) uzorka nastalo duž granice u stanju vlažno-vrućeg zasićenja uzorka, uglavnom zbog procesa apsorpcije. Plastifikacija podloge u laminatnoj ploči i slabljenje međupovršine vlakna-baza uzrokuju da granica ima određeni utjecaj na laminatnu ploču tokom procesa udara. Prema slici, područje ljuštenja nazad (crna linija) uzorka u suhom stanju se ne razlikuje mnogo od stanja vlažnog vrućeg zasićenja.
3. Detaljne destruktivne karakteristike troslojne ploče
Mapa karakteristika oštećenja poprečnog presjeka spojne ploče CFRP sloja, snimljena ultra-dubinskim 3D mikrosistemom i skenirajućim elektronskim ogledalom, pri brzini udara od 45 m/s, suhom, mokrom i vrućem, pokazuje da oštećenje uzorka u oba stanja uključuje tri oblika uništenja: lom vlakana, pucanje baze i lom međusloja. Međutim, baza dva uzorka je napukla drugačije. Pucanje podloge u suhom stanju je napuklo na spoju između vlakana i podloge. Međutim, pucanje podloge nakon vlažne termičke obrade praćeno je ispadanjem fragmenata podloge. Wold-esenbet i drugi materijali u vlažnom i vrućem okruženju udarne performanse strukture strukture i degradacije međupovršine vlaknaste podloge zajednički su određeni. U vlažnom, vrućem okruženju, ploča CFRP sloja u bazi smole doživljava apsorpciju određene količine vode, prodiranje vode uzrokovat će otapanje podloge od smole. Karbonska vlakna nisu upijajuća, stoga mora doći do vlažnog širenja između njih, ova razlika slabi međupovršinu između podloge i vlakana, smanjujući čvrstoću podloge. Kada su izloženi udarnom opterećenju, fragmenti supstrata lako ispadaju, što rezultira razlikom u odnosu na površinu oštećenja suhog uzorka na sobnoj temperaturi. Iz detaljne strukture skeniranog električnog ogledala može se vidjeti da je pucanje mokrog i vrućeg tijela postolja uglavnom labavo pucanje usljed prešanog loma, dok je pucanje prije mokre topline uglavnom krhko, a horizontalna pukotina smicanja između slojeva je očiglednija. Iz optičkog mikroskopa na slici može se vidjeti da su oblici uništenja različiti u dva slučaja, a suho stanje je uništenje po rezanju. Da bi se uništenje uglavnom rezalo, nakon mokre topline za oblik uništenja praćen značajnim slojevitim uništenjem, udio slojevitog uništenja se proširio. To se može vidjeti iz mehanizma ugla uništenja i karakteristika apsorpcije energije. Mei Zhiyuan je predložio dvije faze prodora projektila: fazu rezanja i fazu kontinuiranog prodora. Područje A u mokrom vrućem uzorku je faza uništenja u fazi prodora smicanjem, uglavnom zato što se u procesu udara ploča slojeva komprimira i smiče, formirajući deformaciju uništenja, područje b je faza uništenja u fazi kontinuiranog prodora. Ova faza je uglavnom posljedica smanjenja brzine prodiranja tijela projektila pod djelovanjem komponente napona istezanja vlaknastog sloja, a energija se uglavnom pretvara u energiju istezanja vlakana i energiju loma međusloja (l 51), tako da prekid vlakana el i prethodni prekid vlakana nisu u pravoj liniji. U suhom uzorku ovaj fenomen nije očigledan, a oštećenje ploče je ozbiljnije, ploča sloja ima stanje pucanja. 3. 4 Analiza energije apsorpcije i površine projekcije oštećene rupe Slika 5 prikazuje odnos između temperature suhe prostorije i vlažnog vrućeg zasićenja brzine lansiranja i gubitka energije tijela, pri brzini upada od oko 45 m/s, temperatura suhe prostorije projektila se odbija, tako da nije prikazano na slici. Kao što se može vidjeti na slici 7, kada se ispitivanje provodi pod vlažnim termičkim zasićenjem, gubitak energije projektila je značajan, a usisni kapacitet uzorka nakon vlažne termičke obrade se povećava.
Slika 6 je grafički dijagram površine projekcije brzine upada tijela projektila i rupe od oštećenja CFRP sloja (siva linija označava dio Slike 4), detaljno prikazane na slikama (4), (5), (6): (1) s povećanjem brzine udara, površina projekcije rupe od oštećenja CFRP sloja se povećava; (2) Površina projekcije rupe od oštećenja u uzorku na suhoj sobnoj temperaturi je veća od površine projekcije rupe od oštećenja u mokrom toplom zasićenju; (3) kada je brzina udara oko 45 m/s, površina projekcije rupe od oštećenja laminirane ploče nakon mokre termičke obrade je mnogo veća od površine projekcije rupe od oštećenja laminirane ploče u stanju suhe sobne temperature. Površina projekcije oštećenja l-rupe uzorka pri mokrom termičkom zasićenju povećala se za 85,1%, a pri brzini udara od oko 68 m/s, laminirana ploča u stanju mokrog i termičkog zasićenja povećala se za 18,10%, vrijednost apsorpcije (Slika 5) povećala se za 15,65%; Pri brzini udara od oko 88 m/s, laminirana ploča u vlažnom i termičkom stanju zasićenja smanjena je za 9,25%, dok je vrijednost apsorpcije i dalje povećana za 12,45%.
Na osnovu istraživačkih rezultata Yucheng Zhonga i drugih proizvoda, apsorpcija vlage kompozitnih materijala ojačanih ugljičnim vlaknima poboljšava granicu elastičnosti i otpornost laminatne ploče na udar, te u ovom radu kombinuje projektovanu površinu rupe oštećenog sloja suhog uzorka na sobnoj temperaturi i uzorka mokrog toplog zasićenja (Slika 4 u sivoj liniji). Dijagram odnosa brzine upada metka u tijelo i površine projekcije rupe oštećenog CFRP sloja, te slojevitog oštećenja spojne ploče CFRP sloja, može se uporediti kada je brzina udara ista i mala. Površina oštećenog rupe mokrog toplog zasićenja uzorka je relativno velika. To je zbog toga što mokra termička obrada uzrokuje plastifikaciju podloge CFRP sloja, slabeći međupovršinu vlakana i podloge i performanse međusloja. Pri udaru, stanje mokrog toplotnog zasićenja uzorka slojevitog oštećenja širi se, a udio oštećenja se povećava. Na osnovu Wu Yixuanovih i drugih eksperimenata, poznato je da energiju udara u vertikalnom smjeru popločavanja uglavnom apsorbira smolna podloga, a zatim plastifikacija podloge uzrokuje da mokri i vrući zasićeni uzorak apsorbira više energije tokom procesa udara, poboljšava otpornost na udar i povećava površinu projekcije oštećenja; oštećenje CFRP laminata nije u potpunosti prošireno, udar je završen, tako da kada je brzina udara veća, mokra termička obrada na području projekcije oštećenja CFRP laminata više nije ozbiljna, ali zbog plastifikacije smolne podloge, kapacitet apsorpcije je i dalje povećan.
4 Zaključci
(1) S povećanjem brzine udara, projicirana površina oštećenog otvora kompozita od epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima (CFRP) se povećava, a brzina rasta oštećenog otvora u uzorku na suhoj sobnoj temperaturi je veća nego pri zasićenju vlažnom toplinom. Velika: (2) Kada je brzina udara 45 m/s, površina projekcije oštećenja CFRP laminata u stanju zasićenja vlažnom toplinom povećava se za 85,11%, kada je brzina udara 68 m/s, površina projekcije oštećenja CFRP laminata u stanju zasićenja vlažnom toplinom povećava se za 18% u poređenju sa CFRP laminatom u stanju zasićenja vlažnom toplinom na suhoj sobnoj temperaturi. 10%, brzina udara je 86 m/s. Površina projekcije oštećenja vlažno-zasićenog cFRP laminata smanjuje se za 9,9% u poređenju sa cFRP laminatom na suhoj sobnoj temperaturi. 25%; (3) Nakon što je cFRP laminat izložen vrućem i vlažnom okruženju, međuslojne performanse laminata se smanjuju, što rezultira širenjem područja delaminacije.
Vrijeme objave: 24. juni 2019.