1 Introducció
El compost epoxi reforçat amb fibra de carboni (CFRP) té molts avantatges, com ara baixa densitat, alta resistència específica, alta rigidesa específica, resistència a la fatiga, resistència a la corrosió i bones propietats mecàniques. S'utilitza àmpliament en l'aeroespacial i altres estructures ambientalment dures, calor humida i impacte. La influència dels factors ambientals en els materials és cada cop més evident. En els darrers anys, estudiosos nacionals i estrangers han dut a terme un gran nombre d'estudis sobre els efectes de l'entorn calent i humit en els compostos CFRP [1] i l'impacte de l'impacte en els compostos CFRP. L'estudi va trobar que la influència de l'entorn calent i humit en els compostos CFRP inclou la plastificació de la matriu [2, esquerdament [31 i debilitament de les propietats de la interfície fibra-matriu [2'3'5], flexió del compost CFRP amb l'augment del temps de tractament tèrmic humit). Les propietats mecàniques del rendiment [2, propietats de cisallament interlaminar i de plom [2, 1 i propietats de tracció estàtica [3'6'7] van mostrar una tendència a la baixa. Woldesenbet et al. [8,9] van estudiar les propietats mecàniques d'impacte dels compostos a altes taxes de deformació després del tractament tèrmic humit i van obtenir que l'entorn calent i humit millorava la resistència a l'impacte dels compostos. Es revela que l'absorció d'humitat dels materials compostos pot millorar les propietats mecàniques d'impacte dels materials en determinades condicions, cosa que és força diferent dels resultats experimentals en condicions quasiestàtiques. El principal treball de recerca actual és l'efecte de la calor humida (inclosa la immersió en aigua) sobre les propietats d'impacte a baixa velocitat dels compostos de matriu de resina reforçada amb fibra. Pan Wenge et al. [10] van estudiar les propietats de compressió de laminats compostos de fibra de vidre/epoxi teixits bidimensionals després d'un impacte a baixa velocitat a temperatura ambient i en condicions càlides i humides (immersió en aigua a 65 °C). 4. El laminat en un ambient càlid i humit s'obté després d'un xoc a baixa velocitat. El rendiment de compressió es redueix significativament. Karasek et al. [1] van estudiar els efectes de la humitat i la temperatura sobre l'impacte dels compostos de grafit/epoxi i els van obtenir en ambients de baixa temperatura i temperatura ambient. La humitat té poc efecte sobre l'energia inicial i l'absorció d'energia del dany. Yucheng zhong et al. [12,13] van realitzar una prova d'impacte a baixa velocitat en laminats compostos després del tractament tèrmic humit. Es conclou que l'ambient càlid i humit redueix significativament el dany per impacte del laminat. Millora la resistència a l'impacte dels laminats. Krystyna et al. [14] van estudiar l'impacte a baixa velocitat d'un compost d'aramida-fibra de vidre/epoxi després del tractament tèrmic humit (immersió en aigua a 70 °C) i van obtenir una àrea de dany per impacte més petita després del tractament tèrmic humit. Això provoca danys per delaminació dins de la mostra, que absorbeix més energia durant l'impacte i inhibeix la formació de delaminació. De l'anterior es pot veure que la influència de l'entorn tèrmic humit sobre el dany per impacte dels materials compostos té un efecte promotor i un efecte debilitador. Per tant, cal més investigació i verificació. Pel que fa a l'impacte, Mei Zhiyuan et al. [15] van proposar i establir un model d'anàlisi de dinàmica de penetració de dues etapes (penetració de cisallament i penetració contínua) de laminats compostos reforçats amb fibra sota impacte d'alta velocitat. Guiping Zhao et al. [16] van dur a terme tres tipus de velocitats diferents (menors, iguals i superiors a la velocitat límit balística) sobre el rendiment d'impacte i el dany de la mostra després de tres tipus de laminats, però no van incloure l'impacte de l'entorn tèrmic humit sobre el dany per impacte. Basant-nos en la literatura esmentada, la recerca relacionada sobre l'impacte de l'entorn humit i calent en els laminats compostos reforçats amb fibra encara no s'ha explorat més a fons. En aquest article, es van estudiar les característiques de dany per impacte de laminats compostos de fibra de carboni/epoxi saturats en calor humida en condicions de bany d'aigua a 70 °C. Es van analitzar els efectes de l'entorn calent i humit sobre les característiques de fallada per impacte dels compostos en comparació amb mostres a temperatura ambient seca. A l'experiment, els laminats CFRP van ser impactats sobre els laminats CFRP a 45 m/s, 68 m/s i 86 m/s. Es va mesurar la velocitat abans i després de l'impacte. Es va analitzar la influència de l'entorn calent i humit en el rendiment d'absorció d'energia dels laminats. Es va utilitzar un C-scan ultrasònic per detectar el dany intern del laminat i es va analitzar la influència de la velocitat d'impacte a la zona fracturada. Es van utilitzar el microscopi electrònic d'escombratge i el sistema microscòpic tridimensional d'ultraprofunditat per observar les característiques mesoscòpiques del dany de la mostra, i es va analitzar el dany de la mostra mitjançant l'entorn de calor humida. L'impacte de les característiques.
2 Materials i mètodes experimentals
2. 1 Material i preparació
Material compost de resina epoxi de fibra de carboni (T300/EMl 12), preimmersió proporcionada per Jiangsu Hengshen Co., Ltd., gruix de preimmersió d'una sola capa de 0,137 mm amb una fracció volumètrica de fibra del 66%. El panell laminat es col·loca a la base de la capa. , mida 115 mm x 115 mln. S'utilitza el procés de conformació del tanc de premsat en calent. El diagrama del procés de curat preparat pel procés es mostra a la Figura 1. Primer, augmenteu l'habitatge de la temperatura ambient a 80 °C a una velocitat d'escalfament d'1 a 3 °C/min, després manteniu-lo calent durant 30 min, escalfeu a 130 °C a una velocitat d'escalfament de 113 °C/min, manteniu-lo calent a 120 min, reduïu-lo a 600C a una velocitat de refredament constant, i després retireu la pressió i allibereu-la, i allibereu-la.
2. 2 Tractament tèrmic humit
Després de la preparació de la mostra, aquesta es va tractar tèrmicament en humit d'acord amb l'especificació HB 7401-96.171 "Mètode experimental d'absorció d'humitat en ambient calent i humit de capa composta a base de resina". Primer, la mostra es col·loca en una cambra d'assecat termostàtica a 70 graus C per assecar-se. Es pesa regularment amb balances fins que la pèrdua de qualitat de la mostra s'estabilitzi en no més del 0,02%, el valor registrat en aquest moment és la massa seca d'enginyeria G. Després de l'assecat, la mostra es col·loca en aigua a 70 graus C per al tractament tèrmic en humit. Segons l'especificació HB 7401. El mètode especificat a 96 "mesura la qualitat de la mostra cada dia, registrada com a Gi, i registra el canvi d'absorció d'humitat Mi". L'expressió d'absorció d'humitat de la mostra laminat CFRP és:
La fórmula es detalla: Mi és l'absorció d'humitat de la mostra, Gi és la qualitat després que la mostra absorbeixi humitat, g, go és la qualitat en estat sec de l'enginyeria de la mostra.
2. 3 Experiments d'impacte
L'experiment d'impacte d'alta velocitat sobre el laminat CFRP es va dur a terme en un canó d'aire d'alta velocitat amb un diàmetre de 15 mm. El dispositiu de prova d'impacte d'alta velocitat (vegeu la Figura 2) inclou una pistola d'aire d'alta velocitat, un dispositiu de mesura de la velocitat làser abans i després de l'impacte, un cos de bala, un dispositiu d'instal·lació de la mostra (cantonada superior dreta de la Figura 2) i un dispositiu de recuperació de seguretat del cos de la bala. El cos de la bala és una bala cilíndrica amb cap cònic (Figura 2), i el volum de la bala és de 24,32 g amb un diàmetre de 14,32 mm; la velocitat d'impacte és de 45 m/s (energia d'impacte 46 J), 68 m/s (energia d'impacte 70 J), 86 m/s (energia d'impacte 90 J) d'impacte.
2. 4 Detecció de danys en mostres
Després de ser afectada per l'impacte, la placa de vora de la capa laminada composta d'epoxi de color fibra de carboni s'utilitza per detectar el dany d'impacte intern de la placa laminada CFRP, i l'àrea de projecció de l'àrea de dany d'impacte es mesura amb el programari d'anàlisi d'imatges UTwim, i les característiques detallades de la destrucció de la secció transversal s'observen mitjançant microscopi electrònic d'escaneig i sistema microscòpic 3D d'ultraprofunditat de camp.
3 Resultats i debats
3. 1 Característiques d'absorció d'humitat de les mostres
Amb un total de 37,7 dies, la mitjana d'absorció d'humitat saturada és de l'1,780%, amb una taxa de difusió de 6,183 x 10,7 lllnl2/s. La corba d'absorció d'humitat de la mostra de laminat CFRP es mostra a la Figura 3. Com es pot veure a la Figura 3, la taxa de creixement inicial de l'absorció d'humitat de la mostra és lineal. Després de l'etapa lineal, la taxa de creixement de l'absorció d'humitat comença a disminuir, assolint un nivell d'estat estacionari després d'uns 23 dies i assolint la saturació d'absorció d'humitat després d'un període de temps. Per tant, l'absorció d'humitat de la mostra s'ajusta al mode d'absorció d'humitat de dues etapes: la primera etapa d'absorció d'humitat es deu a l'acció conjunta de la temperatura i la humitat. La humitat a través del propi material conté porus, forats, esquerdes i altres defectes que s'estenen a l'interior del material. La difusió de l'aigua és lenta i arriba gradualment a la saturació en aquesta etapa.
3. Les característiques de destrucció aparent del tauler laminat de 2 capes
Velocitat d'impacte de 86 m/s quan la part frontal de la mostra i la part posterior del mapa de perfils de destrucció aparent, mitjançant la mostra seca a temperatura ambient, la forma de destrucció frontal de la mostra de saturació en calent i humit és més semblant. Les dues mostres en l'impacte, a causa de les esquerdes de la fonamentació, la seva destrucció al llarg de la primera capa de fibra tenen un cert lliscament. Això fa que la part frontal tingui una forma el·líptica o rectangular, i a més de poder veure l'esquerda al substrat, es pot veure que les fibres es trenquen. Mitjançant la mostra seca a temperatura ambient, la mostra de saturació en calent i humit a la part posterior de la destrucció de la forma es pot veure que la part posterior al llarg de la direcció d'impacte té un cert bony i presenta una esquerda en forma de creu. És obvi que la fractura de la fibra, l'esquerdament de la base i la fractura intercapa (estratificació) són tres formes de destrucció, l'última part de la fibra s'aixeca però no es trenca, només es produeixen estratificació i esquerdament fibra/base. La fractura de la fibra també és diferent, com es pot veure a partir de la comparació dels danys frontals i posteriors. La part frontal provoca la fractura de la fibra i el substrat a causa de la compressió i el cisallament. La part posterior es deu a l'estirament que fa que la fibra es trenqui i es trenqui el substrat. La figura 4 mostra una velocitat de xoc de 45 m/s, 68 m/s i 86 m/s quan s'escaneja el dany intern de la mostra C. L'àrea indicada per la línia grisa rodona aproximada al centre de la figura és l'àrea projectada del forat danyat. La línia negra a sobre i a sota de cada gràfic petit indica l'àrea de la zona de despreniment posterior de la mostra. L'àrea marcada amb la línia blanca de la figura (b) (d) (f) és el dany intern de la mostra al llarg del límit. El gràfic mostra que l'energia d'impacte augmenta a mesura que augmenta la velocitat d'impacte. La placa laminada és capaç d'absorbir més energia durant l'impacte (vegeu la figura 6 per a valors específics), cosa que resulta en una àrea creixent de projecció de dany laminat: en comparar la mostra a temperatura ambient seca amb la imatge de la mostra de saturació humida i calenta, es pot veure que hi ha dany intern (línia blanca) de la mostra produït al llarg del límit en l'estat de saturació humida-calent de la mostra, principalment a causa del procés d'absorció. La plastificació del substrat a la placa laminada i l'afebliment de la interfície fibra-base fan que el límit tingui un cert efecte sobre la placa laminada durant el procés d'impacte. Segons la figura, la zona de pelat posterior (línia negra) de la mostra en estat sec no és gaire diferent de l'estat de saturació calent i humit.
3. Les característiques destructives detallades del panell de 3 capes
El mapa de característiques de danys de secció transversal de la placa d'unió de capa CFRP, pres pel microsistema 3D d'ultraprofunditat i el mirall electrònic d'escaneig, amb una velocitat d'impacte de 45 m/s, sec, humit i calent, mostra que el dany de la mostra en ambdós estats inclou tres formes de destrucció: fractura de la fibra, esquerdament de la base i fractura entre capes. Però la base de les dues mostres està esquerdada de manera diferent. L'esquerdament del substrat en estat sec està esquerdat a la connexió entre la fibra i el substrat. Tanmateix, l'esquerdament del substrat després del tractament tèrmic humit s'acompanya de la caiguda de fragments del substrat. El rendiment d'impacte de l'estructura i la degradació de la interfície del substrat de fibra en ambients humits i calents de Wold-esenbet i altres materials determinats conjuntament en ambients humits i calents. En ambients humits i calents, la placa de capa CFRP a la base de resina experimenta l'absorció d'una certa quantitat d'aigua, i la filtració d'aigua farà que el substrat de resina es dissolgui. La fibra de carboni no és absorbent, per tant, hi ha d'haver una expansió humida entre les dues, i aquesta diferència debilita la interfície entre el substrat i la fibra, cosa que redueix la resistència del substrat. Quan se sotmeten a la càrrega d'impacte, els fragments del substrat es desprenen fàcilment, cosa que provoca una diferència respecte a la interfície de danys de la mostra a temperatura ambient seca. A partir de l'estructura detallada del mirall elèctric escanejat, es pot veure que l'esquerdament del cos de la base del pal humit i calent és principalment l'esquerdament solt de la ruptura de la premsa, mentre que l'esquerdament abans de la calor humida és principalment fràgil, i l'esquerdament de cisallament horitzontal entre les capes és més evident. Des del microscopi òptic de la figura, es pot veure que les formes de destrucció són diferents en els dos casos, i l'estat sec és la destrucció per tall. Per tallar la destrucció principalment, després de la calor humida per a la forma de destrucció acompanyada d'una destrucció significativa en capes, la proporció de destrucció en capes s'expandeix. Es pot veure des de l'angle del mecanisme de destrucció i les característiques d'absorció d'energia. Mei Zhiyuan va proposar dues etapes de la invasió del projectil: l'etapa de tall i l'etapa d'invasió contínua. L'àrea A de la mostra humida i calenta és la destrucció de l'etapa d'intrusió de cisallament, principalment perquè en el procés d'impacte, la placa de capes es comprimeix i es cisalla per formar la deformació de la destrucció, l'àrea b és la destrucció de l'etapa d'invasió contínua. Aquesta etapa es deu principalment a la reducció de la velocitat d'intrusió del cos de la bala sota l'acció del component d'esforç d'estirament de la capa fibrosa, i l'energia es converteix principalment en energia de deformació d'estirament de la fibra i energia de fractura de la capa intermèdia (l 51), de manera que la ruptura de la fibra el i la ruptura de la fibra anterior no estan en línia recta. A la mostra seca, aquest fenomen no és evident i el dany de la placa és més greu, la placa de la capa té un estat d'esquerdament. 3. 4 Energia d'absorció i anàlisi de l'àrea de projecció del forat de danys La figura 5 mostra la relació entre la temperatura ambient seca i la saturació en calent humit de la velocitat de llançament i la pèrdua d'energia del cos, a una velocitat d'incidència d'uns 45 m/s, la temperatura ambient seca de la bala rebota tot, per la qual cosa no es mostra a la figura. Com es pot veure a la figura 7, quan la prova es prova sota saturació tèrmica humida, la pèrdua d'energia de la bala és important i la capacitat de succió de la mostra després del tractament tèrmic humit augmenta.
La figura 6 és un diagrama gràfic de l'àrea de projecció de la velocitat d'incidència del cos de la bala i el forat de dany de la capa CFRP (la línia grisa marca part de la figura 4), es poden veure les figures (4), (5) i (6) completes: (1) amb l'augment de la velocitat d'impacte, l'àrea de projecció del forat de dany de la capa CFRP augmenta; (2) l'àrea de projecció del forat de dany a la mostra a temperatura ambient seca és més gran que la de saturació en calent i humit; (3) quan la velocitat d'impacte és d'uns 45 m/s, l'àrea de projecció del forat de dany de la placa laminada després del tractament tèrmic humit és molt més gran que l'àrea de projecció del forat de dany de la placa laminada en estat de temperatura ambient seca. L'àrea de projecció del forat en L de la mostra de saturació tèrmica humida va augmentar un 85,1% i a una velocitat de xoc d'uns 68 m/s, la placa laminada en estat de saturació humida i tèrmica va augmentar un 18,10%, el valor d'absorció (figura 5) va augmentar un 15,65%; A una velocitat d'impacte d'uns 88 m/s, la placa laminada en estat de saturació humida i tèrmica es va reduir en un 9,25%, mentre que el valor d'absorció encara va augmentar en un 12,45%.
Basant-se en els resultats de la investigació de Yucheng Zhong i altres productes, l'absorció d'humitat dels materials compostos reforçats amb fibra de carboni millora el límit elàstic i la resistència a l'impacte de la placa laminada, i combina l'àrea projectada del forat de danys de la mostra a temperatura ambient seca i la mostra de saturació en calent i humit en aquest article (Figura 4 a la línia grisa). El diagrama de relació amb la velocitat d'incidència del cos de la bala i l'àrea de projecció del forat de danys de la capa CFRP, i el dany en capes de la placa d'unió de capes CFRP es poden comparar quan la velocitat d'impacte és la mateixa i baixa. L'àrea del forat de danys de la mostra de saturació en calent i humit és relativament gran. Això es deu al fet que el tractament tèrmic humit fa que el substrat de la capa CFRP es plastifiqui, debilitant la interfície de fibra i substrat i el rendiment de la capa intermèdia, en l'impacte, l'estat de saturació en calor humida de l'expansió del dany en capes de la mostra, augmenta la proporció de danys. Segons Wu Yixuan i altres experiments, se sap que l'energia d'impacte en la direcció de pavimentació vertical és absorbida principalment pel substrat de resina, i la plastificació del substrat fa que la mostra de saturació humida i calenta absorbeixi més energia durant el procés d'impacte, millora la resistència a l'impacte i augmenta l'àrea de projecció del forat danyat; El dany del laminat CFRP no s'ha estès completament, l'impacte ha finalitzat, de manera que quan la velocitat d'impacte és més alta, el tractament tèrmic humit a l'àrea de projecció del dany del laminat CFRP ja no és greu, però a causa de la plastificació de la resina del substrat, la capacitat d'absorció encara augmenta.
4 Conclusions
(1) Amb l'augment de la velocitat d'impacte, l'àrea projectada del forat de dany del laminat compost de resina epoxi reforçada amb fibra de carboni (CFRP) augmenta, i la taxa de creixement del forat de dany 孑L a la mostra a temperatura ambient seca és més alta que la de saturació de calor humida. Gran: (2) Quan la velocitat d'impacte és de 45 m/s, l'àrea de projecció de dany del laminat CFRP en estat de saturació de calor humida augmenta en un 85,11%, quan la velocitat d'impacte és de 68 m/s, l'àrea de projecció de dany del laminat CFRP en estat de saturació de calor humida augmenta en un 18% en comparació amb el laminat CFRP en estat de temperatura ambient seca. 10%, la velocitat d'impacte és de 86 m/s. L'àrea de projecció de dany del laminat cFRP saturat i humit es redueix en un 9,9% en comparació amb el laminat cFRP a temperatura ambient seca. 25%; (3) Després que el laminat cFRP es vegi afectat per l'ambient calent i humit, el rendiment de la capa intermèdia del laminat es redueix, la qual cosa provoca l'expansió de l'àrea de delaminació.
Data de publicació: 24 de juny de 2019