1 Introduzione
U cumpostu epossidicu rinforzatu cù fibra di carbone (CFRP) hà parechji vantaghji cum'è una bassa densità, una alta resistenza specifica, una alta rigidità specifica, una resistenza à a fatica, una resistenza à a corrosione è e bone proprietà meccaniche. Hè largamente utilizatu in l'aerospaziale è in altre strutture ambientalmente dure, calore umitu è impattu. L'influenza di i fattori ambientali nantu à i materiali hè sempre più evidente. In l'ultimi anni, studiosi naziunali è stranieri anu realizatu un gran numeru di studii nantu à l'effetti di l'ambiente caldu è umitu nantu à i cumposti CFRP [1] è l'impattu di l'impattu nantu à i cumposti CFRP. U studiu hà trovu chì l'influenza di l'ambiente caldu è umitu nantu à i cumposti CFRP include a plasticizazione di a matrice [2, a screpolatura [31 è l'indebulimentu di e proprietà di l'interfaccia fibra-matrice [2'3'5], a flessione di u cumpostu CFRP cù l'aumentu di u tempu di trattamentu termicu umitu). E proprietà meccaniche di e prestazioni [2, e proprietà di taglio interlaminare è di piombu [2, 1 è e proprietà di trazione statica [3'6'7] anu mostratu una tendenza à a calata. Woldesenbet et al. [8,9] anu studiatu e proprietà meccaniche à l'impattu di i cumposti à alte velocità di deformazione dopu u trattamentu termicu umitu, è anu ottenutu chì l'ambiente caldu è umitu hà migliuratu a resistenza à l'impattu di i cumposti. Hè statu rivelatu chì l'assorbimentu di l'umidità di i materiali cumposti pò migliurà e proprietà meccaniche d'impattu di i materiali in certe cundizioni, ciò chì hè abbastanza differente da i risultati sperimentali in cundizioni quasi-statiche. L'attuale principale travagliu di ricerca hè l'effettu di u calore umitu (cumprese l'immersione in acqua) nantu à e proprietà d'impattu à bassa velocità di i cumposti di matrice di resina rinforzata cù fibre. Pan Wenge et al [10] anu studiatu e proprietà di compressione di laminati cumposti bidimensionali di fibra di vetru/epossidichi tessuti dopu un impattu à bassa velocità à temperatura ambiente è in cundizioni calde è umide (immersione in acqua à 65 °C). 4. U laminatu in ambiente caldu è umitu hè ottenutu dopu un scossa à bassa velocità. A prestazione di compressione hè significativamente ridutta. Karasek et al. [1] anu studiatu l'effetti di l'umidità è di a temperatura nantu à l'impattu di i cumposti di grafite/epossidichi, è li anu ottenuti in ambienti à bassa temperatura è à temperatura ambiente. L'umidità hà pocu effettu nantu à l'energia iniziale è l'assorbimentu di l'energia di u dannu. Yucheng zhong et al [12,13] anu realizatu una prova d'impattu à bassa velocità nantu à i laminati cumposti dopu un trattamentu termicu umitu. Hè statu cunclusu chì l'ambiente caldu è umitu riduce significativamente u dannu d'impattu di u laminatu. Migliurà a resistenza à l'impattu di i laminati. Krystyna et al. [14] anu studiatu l'impattu à bassa velocità di u cumpostu aramide-fibra di vetru/epossidu dopu à u trattamentu termicu umitu (immersione in acqua à 70 °C), è anu ottenutu una zona di danni da impattu più chjuca dopu à u trattamentu termicu umitu. Questu provoca danni da delaminazione in u campione, chì assorbe più energia durante l'impattu è inibisce a furmazione di delaminazione. Si pò vede da ciò chì precede chì l'influenza di l'ambiente termicu umitu nantu à i danni da impattu di i materiali cumposti hà un effettu di prumuzione è un effettu di indebulimentu. Dunque, sò necessarie ulteriori ricerche è verifiche. In termini di impattu, Mei Zhiyuan et al. [15] anu prupostu è stabilitu un mudellu di analisi di dinamica di penetrazione à duie tappe (penetrazione di taglio è penetrazione cuntinua) di laminati cumposti rinforzati cù fibre sottu impattu à alta velocità. Guiping Zhao et al. [16] anu realizatu trè tippi di velocità diverse (inferiori, uguali è superiori à a velocità limite balistica) nantu à e prestazioni d'impattu è i danni di u campione dopu à trè tippi di laminati, ma ùn anu micca implicatu l'impattu di l'ambiente termicu umitu nantu à i danni da impattu. . Basatu annantu à a literatura sopra, a ricerca cunnessa à l'impattu di l'ambiente umitu è caldu nantu à i laminati cumposti rinforzati cù fibre ùn hè ancu stata esplorata più in prufundità. In questu articulu, sò state studiate e caratteristiche di danni à l'impattu di laminati cumposti di fibra di carbone/epossidu saturati di calore umitu in cundizioni di bagnu d'acqua di 70 °C. L'effetti di l'ambiente caldu è umitu nantu à e caratteristiche di rottura à l'impattu di i cumposti sò stati analizati per paragone cù campioni à temperatura ambiente secca. In l'esperimentu, i laminati CFRP sò stati impattati nantu à i laminati CFRP à 45 m/s, 68 m/s è 86 m/s. A velocità prima è dopu l'impattu hè stata misurata. L'influenza di l'ambiente caldu è umitu nantu à e prestazioni di assorbimentu di energia di i laminati hè stata analizata. U c-scan ultrasonicu hè statu utilizatu per rilevà u dannu internu di u laminatu, è l'influenza di a velocità di l'impattu nantu à l'area fratturata hè stata analizata. U microscopiu elettronicu à scansione è u sistema microscopicu tridimensionale ultra-prufundità-prufundità sò stati utilizati per osservà e caratteristiche mesoscopiche di u dannu di u campione, è u dannu di u campione hè statu analizatu da l'ambiente di calore umitu. L'impattu di e caratteristiche.
2 Materiali è metudi sperimentali
2. 1 Materiale è preparazione
Materiale cumpostu di resina epossidica di fibra di carbone (T300/EMl 12), pre-immersione furnita da Jiangsu Hengshen Co., Ltd., spessore di pre-immersione à un solu stratu di 0,137 mm cù una frazione di volume di fibra di 66%. U pannellu laminatu hè pusatu nantu à u pianu di u stratu. , dimensione 115 mm x 115 mln. U prucessu di furmazione di u tank di pressa à caldu hè utilizatu. U diagramma di u prucessu di polimerizazione preparatu da u prucessu hè mostratu in a Figura 1. Prima alzate l'abitazione da a temperatura ambiente à 80 °C à una velocità di riscaldamentu da 1 à 3 °C/min, poi mantene caldu per 30 min, riscaldate à 130 °C à una velocità di riscaldamentu di 113 °C/min, mantene caldu à 120 min, riduce à 600C à una velocità di raffreddamentu custante, è poi caccià a pressione è liberà, è liberà.
2. 2 Trattamentu termicu umitu
Dopu à a preparazione di u campione, u campione hè statu trattatu termicamente à umitu in cunfurmità cù a specificazione HB 7401-96.171 "Metudu sperimentale di assorbimentu di umidità in ambiente caldu è cumpostu cumpostu à basa di resina". Prima, u campione hè piazzatu in una camera di asciugatura termostatica à 70 gradi C per asciugà. Pesendu regularmente cù bilance finu à chì a perdita di qualità di u campione sia stabile à micca più di 0,02%, u valore registratu in questu mumentu hè Massa Secca Ingegneristica G. Dopu l'asciugatura, u campione hè piazzatu in acqua à 70 gradi C per u trattamentu termicamente à umitu. Sicondu a specificazione HB 7401. U metudu specificatu in 96 "misura a qualità di u campione ogni ghjornu, registrata cum'è Gi, è registra u cambiamentu di assorbimentu di umidità Mi. L'espressione di assorbimentu di umidità di u campione laminatu CFRP hè:
A formula hè dettagliata: Mi hè l'assorbimentu di umidità di u campione, Gi hè a qualità dopu chì u campione hà assorbitu l'umidità, g, go hè a qualità di u statu seccu di l'ingegneria di u campione.
2. 3 Esperimenti d'impattu
L'esperimentu d'impattu à alta velocità nantu à u laminatu CFRP hè statu realizatu nantu à un cannone à aria à alta velocità cù un diametru di 15 mm. U dispusitivu di prova d'impattu à alta velocità (vede a Figura 2) include una pistola à aria à alta velocità, un dispusitivu di misurazione di a velocità laser prima è dopu l'impattu, u corpu di a pallottola, u dispusitivu d'installazione di u campione (angulu in cima à diritta di a Figura 2) è un dispusitivu di ricuperazione di sicurezza di u corpu di a pallottola. U corpu di a pallottola hè una pallottola cilindrica à testa conica (Figura 2), è u vulume di a pallottola hè 24,32 g cù un diametru di 14,32 mm; a velocità d'impattu hè 45 m/s (energia d'impattu 46 J), 68 m/s (energia d'impattu 70 J), 86 m/s (energia d'impattu 90 J) d'impattu.
2. 4 Rilevazione di danni à i campioni
Dopu esse stata affettata da l'impattu, a piastra di bordu di u stratu laminatu cumpostu epossidicu di culore di fibra di carbone hè aduprata per rilevà u dannu internu di l'impattu di a piastra laminata CFRP, è l'area di pruiezione di l'area di dannu di l'impattu hè misurata da u software d'analisi di l'imagine UTwim, è e caratteristiche dettagliate di a distruzzione trasversale sò osservate da u microscopiu elettronicu à scansione è u sistema microscopicu 3D à ultra-prufundità di campu.
3 Risultati è discussioni
3. 1 Caratteristiche di assorbimentu di umidità di i campioni
Un totale di 37,7 ghjorni, a media di l'assorbimentu di umidità saturata hè 1,780%, cù una velocità di diffusione di 6,183x10,7 lllnl2/s. A curva di assorbimentu di umidità di u campione di laminatu CFRP hè mostrata in a Figura 3. Cum'è si pò vede da a Figura 3, a velocità di crescita iniziale di l'assorbimentu di umidità di u campione hè lineare, dopu à a fase lineare, a velocità di crescita di l'assorbimentu di umidità cumencia à diminuisce, righjunghjendu un livellu di statu stabile dopu à circa 23 ghjorni, è righjunghjendu a saturazione di l'assorbimentu di umidità dopu un certu periodu di tempu. Dunque, l'assorbimentu di umidità di u campione hè cunforme à a modalità di assorbimentu di umidità à duie fasi: a prima fase di l'assorbimentu di umidità hè dovuta à l'azione cumuna di a temperatura è di l'umidità, l'umidità attraversu u materiale stessu cuntene pori, buchi, crepe è altri difetti spargugliati à l'internu di u materiale; A diffusione di l'acqua hè lenta è righjunghje gradualmente a saturazione in questa fase.
3. E caratteristiche apparenti di distruzzione di u pannellu laminatu à 2 strati
Una velocità d'impattu di 86 m/s quandu a parte anteriore di u campione, a parte posteriore di a mappa di u prufilu di distruzzione apparente, da u campione à temperatura ambiente secca, a forma di distruzzione di a parte anteriore di u campione di saturazione calda è umida hè più simile, i dui campioni in l'impattu, per via di e crepe di a fundazione, a so distruzzione longu u primu stratu di fibra hà un certu scivulamentu. Questu face chì a parte anteriore rendi una forma ellittica o rettangulare, è in più di pudè vede a crepa in u sustratu, e fibre ponu esse viste rompe. Da u campione à temperatura ambiente secca, u campione di saturazione calda è umida nantu à u spinu di a distruzzione di a forma pò esse vistu chì u spinu longu a direzzione di l'impattu hà un certu rigonfiamentu, è presenta una crepa in forma di croce. Hè evidenti chì a frattura di a fibra, a crepa di a basa è a frattura interstrata (stratificazione) sò trè forme di distruzzione, l'ultima parte di a fibra hè alzata ma micca rotta, solu stratificazione è crepatura fibra/basa. A frattura di a fibra hè ancu diversa, cum'è si pò vede da u paragone di i danni frontali è posteriori. A parte anteriore provoca a frattura di a fibra è di u sustratu per via di a cumpressione è di u tagliu. A parte posteriore hè per via di u stiramentu chì hà causatu a rottura di a fibra è a stratificazione di u sustratu. A Figura 4 hè una velocità di scossa di 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s quandu u campione di danni interni C scansiona. L'area indicata da a linea grisgia tonda apprussimativa l à u centru di a figura hè l'area prughjettata di u foru di danni. A linea nera sopra è sottu à ogni picculu graficu indica l'area per l'area di sfaldatura posteriore di u campione. L'area marcata in a linea bianca in a figura (b) (d) (f) hè u dannu internu à u campione longu u cunfine. U graficu mostra chì l'energia d'impattu aumenta cù l'aumentu di a velocità d'impattu. A piastra laminata hè capace di assorbe più energia durante l'impattu (vede a Figura 6 per i valori specifici), risultendu in una zona crescente di prughjezzione di danni à u laminatu: paragunendu u campione à temperatura ambiente secca cù l'imagine di u campione di saturazione calda-umida, si pò vede chì ci hè un dannu internu (linea bianca) di u campione pruduttu longu u cunfine in u statu di saturazione calda-umida di u campione, principalmente per via di u prucessu di assorbimentu. A plasticizazione di u sustratu in a piastra laminata è l'indebulimentu di l'interfaccia fibra-base facenu chì u cunfine abbia un certu effettu nantu à a piastra laminata durante u prucessu d'impattu. Sicondu a figura, a zona di sfaldatura posteriore (linea nera) di u campione in un statu seccu ùn hè micca assai diversa da u statu di saturazione à caldu è umitu.
3. E caratteristiche distruttive dettagliate di u pannellu à 3 strati
A mappa di e caratteristiche di danni trasversali di a piastra di giunzione di u stratu CFRP, presa da u microsistema 3D ultra-prufonda è u specchiu elettronicu di scansione, cù a velocità d'impattu di 45 m/s, seccu è umitu è caldu, mostra chì u dannu di u campione in i dui stati include trè forme di distruzzione: frattura di a fibra, frattura di a basa è frattura interstrata. Ma a basa di i dui campioni hè crepata in modu diversu. A frattura di u sustratu in un statu seccu hè crepata à a cunnessione trà a fibra è u sustratu. Tuttavia, a frattura di u sustratu dopu u trattamentu termicu umitu hè accumpagnata da a caduta di frammenti di u sustratu. Wold-esenbet è altri materiali in l'ambiente umitu è caldu di a prestazione d'impattu di a struttura di a degradazione di l'interfaccia di a struttura è di u sustratu di fibra determinata inseme, in l'ambiente umitu caldu, a piastra di stratu CFRP in a basa di resina sperimenta l'assorbimentu di una certa quantità d'acqua, l'acqua chì filtra farà chì u sustratu di resina si dissolva. A fibra di carbone ùn hè micca assorbente, allora ci deve esse espansione umida trà i dui, sta differenza indebulisce l'interfaccia trà u sustratu è a fibra, riduce a resistenza di u sustratu. Quandu sò sottumessi à u caricu d'impattu, i frammenti di u sustratu sò facilmente cascati, risultendu in una differenza da l'interfaccia di danni di u campione à temperatura ambiente secca. Da a struttura dettagliata di u specchiu elettricu scansionatu, si pò vede chì a frattura di u corpu di basa di u postu bagnatu è caldu hè principalmente a frattura sciolta di a rottura di a pressa, mentre chì a frattura prima di u calore umitu hè principalmente fragile, è a frattura di taglio orizzontale trà i strati hè più evidente. Da u microscopiu otticu in a figura, si pò vede chì e forme di distruzzione sò diverse in i dui casi, è u statu seccu hè a distruzzione per-inter-taglio. Per taglià a distruzzione principalmente, dopu u calore umitu per a forma di distruzzione accumpagnata da una distruzzione stratificata significativa, a proporzione di distruzzione stratificata si hè allargata. Si pò vede da l'angulu di u mecanismu di distruzzione è e caratteristiche di assorbimentu di l'energia. Mei Zhiyuan hà presentatu duie fasi di l'invasione di u prughjettile: a fase di taglio è a fase di invasione cuntinua. L'area A in u campione caldu umitu hè a distruzzione di a fase di intrusione di taglio, principalmente perchè in u prucessu d'impattu, a piastra di stratificazione hè cumpressa è tagliata a furmazione di a deformazione di distruzzione, l'area b hè a distruzzione di a fase di invasione cuntinua. Questa tappa hè principalmente duvuta à a riduzione di a velocità d'intrusione di u corpu di a pallottola sottu à l'azione di a cumpunente di stress di stiramentu di u stratu fibrosu, è l'energia hè principalmente cunvertita in energia di deformazione di stiramentu di a fibra è energia di frattura interstratu (l 51), in modu chì a rottura di a fibra el è a rottura di a fibra precedente ùn sò micca in linea retta. In u campione seccu, questu fenomenu ùn hè micca evidente, è u dannu di a piastra hè più seriu, a piastra di u stratu hà un statu di cracking. 3. 4 Energia d'assorbimentu è analisi di l'area di pruiezione di u foru di danni A Figura 5 mostra a relazione trà a temperatura ambiente secca è a saturazione calda umida di a velocità di lanciu è a perdita d'energia di u corpu, à a velocità incidente di circa 45 m/s, a temperatura ambiente secca di a pallottola rimbalza tutta, dunque ùn hè micca mostrata in a figura. Cum'è si pò vede da a Figura 7, quandu a prova hè testata sottu saturazione termica umida, a perdita d'energia di a pallottola hè seria, è a capacità di aspirazione di u campione dopu u trattamentu termicu umidu aumenta.
A Figura 6 hè un diagramma graficu di l'area di pruiezione di a velocità d'incidente di u corpu di a pallottola è u foru di danni di u stratu CFRP (a linea grisgia marca una parte di a Figura 4), si ponu vede e figure cumplete (4), (5), (6): (1) cù l'aumentu di a velocità d'impattu, l'area di pruiezione di u foru di danni di u stratu CFRP aumenta; (2) L'area di pruiezione di u foru di danni in u campione à temperatura ambiente secca hè più grande di quella di saturazione à caldu umitu; (3) quandu a velocità d'impattu hè di circa 45 m/s, l'area di pruiezione di u foru di danni di a piastra laminata dopu u trattamentu termicu umitu hè assai più grande di l'area di pruiezione di u foru di danni di a piastra laminata in u statu di temperatura ambiente secca. L'area di pruiezione di u foru l di danni di u campione di saturazione termica umida hè aumentata di 85,1% è à una velocità d'urto di circa 68 m/s, a piastra laminata in un statu di saturazione umida è termica hè aumentata di 18,10%, u valore di assorbimentu (Figura 5) hè aumentatu di 15,65%; À una velocità d'impattu di circa 88 m/s, a piastra laminata in u statu di saturazione umida è termica hè stata ridutta di 9,25%, u valore d'assorbimentu hè sempre aumentatu di 12,45%.
Basatu annantu à i risultati di a ricerca di Yucheng Zhong è altri prudutti, l'assorbimentu di l'umidità di i materiali cumposti rinforzati cù fibra di carbonu migliora u limite elasticu è a resistenza à l'impattu di a piastra laminata, è combina l'area prughjettata di u foru di dannu di u campione à temperatura ambiente secca è u campione di saturazione à caldu umitu in questu documentu (Figura 4 in a linea grisgia). U diagramma di relazione cù a velocità d'incidenza di u corpu di a pallottola è l'area di prughjezzione di u foru di dannu di u stratu CFRP, è u dannu stratificatu di a tavola di unione di u stratu CFRP pò esse paragunatu quandu a velocità d'impattu hè a stessa è bassa. L'area di u foru di dannu di u campione di saturazione à caldu umitu hè relativamente grande. Questu hè duvutu à u trattamentu termicu umitu chì face a plasticizazione di u substratu di u stratu CFRP, indebulendu l'interfaccia di fibra è substratu è e prestazioni interstrate, in l'impattu, u statu di saturazione à calore umitu di l'espansione di u dannu stratificatu di u campione, a proporzione di danni aumenta. Basatu annantu à Wu Yixuan è altri esperimenti, sapemu chì l'energia d'impattu in a direzzione di pavimentazione verticale hè principalmente assorbita da u sustratu di resina, allora a plasticizazione di u sustratu face chì u campione di saturazione umidu è caldu assorbe più energia durante u prucessu d'impattu, migliora a resistenza à l'impattu è aumenta l'area di pruiezione di u foru di dannu; U dannu di u laminatu CFRP ùn hè micca statu cumpletamente estesu, l'impattu hè finitu, dunque quandu a velocità d'impattu hè più alta, u trattamentu termicu umidu nantu à l'area di pruiezione di u dannu di u laminatu CFRP ùn hè più seriu, ma per via di a plasticizazione di a resina di u sustratu, a capacità d'assorbimentu hè sempre aumentata.
4 Cunclusioni
(1) Cù l'aumentu di a velocità d'impattu, l'area prughjettata di u foru di danni di u laminatu cumpostu di resina epossidica rinforzata cù fibra di carbone (CFRP) aumenta, è a velocità di crescita di u foru di danni 孑L in u campione à temperatura ambiente secca hè più alta di quella sottu saturazione di calore umitu. Grande: (2) Quandu a velocità d'impattu hè 45 m/s, l'area di prughjezzione di danni di u laminatu CFRP in u statu di saturazione di calore umitu hè aumentata di 85,11%, quandu a velocità d'impattu hè 68 m/s, l'area di prughjezzione di danni di u laminatu CFRP in u statu di saturazione di calore umitu hè aumentata di 18% paragunata à u laminatu CFRP in u statu di temperatura ambiente secca. 10%, a velocità d'impattu hè 86 m/s. L'area di prughjezzione di danni di u laminatu cFRP saturatu bagnatu hè ridutta di 9,9% paragunata à u laminatu cFRP à temperatura ambiente secca. 25%; (3) Dopu chì u laminatu cFRP hè affettatu da l'ambiente caldu è umitu, a prestazione interstrata di u laminatu hè ridutta, risultendu in l'espansione di l'area di delaminazione.
Data di publicazione: 24 di ghjugnu 2019