1 Introduktion
Kulfiberforstærket epoxykomposit (CFRP) har mange fordele, såsom lav densitet, høj specifik styrke, høj specifik stivhed, træthedsbestandighed, korrosionsbestandighed og gode mekaniske egenskaber. Det anvendes i vid udstrækning i luftfart og andre miljømæssigt barske strukturer, fugtig varme og slagfasthed. Indflydelsen af miljøfaktorer på materialer bliver stadig tydeligere. I de senere år har indenlandske og udenlandske forskere udført et stort antal undersøgelser af virkningerne af varmt og fugtigt miljø på CFRP-kompositter [1] og virkningen af slagfasthed på CFRP-kompositter. Undersøgelsen viste, at indflydelsen af varmt og fugtigt miljø på CFRP-kompositter omfatter blødgøring af matrixen [2, revner [31 og svækkede fiber-matrix-grænsefladeegenskaber [2'3'5], CFRP-kompositbøjning med stigende vådvarmebehandlingstid]. De mekaniske egenskaber ved ydeevnen [2, bly- og interlaminære forskydningsegenskaber [2, 1] og statiske trækstyrkeegenskaber [3'6'7] viste en nedadgående tendens. Woldesenbet et al. [8,9] undersøgte de mekaniske slagfasthedsegenskaber af kompositter ved høje tøjningshastigheder efter vådvarmebehandling og fandt ud af, at det varme og fugtige miljø forbedrede kompositternes slagfasthed. Det er blevet afsløret, at fugtabsorptionen af kompositmaterialer kan forbedre materialernes mekaniske slagegenskaber under visse forhold, hvilket er ret forskelligt fra de eksperimentelle resultater under kvasistatiske forhold. Det nuværende hovedforskningsarbejde er effekten af fugtig varme (inklusive vandnedsænkning) på lavhastighedsslagegenskaberne af fiberforstærkede harpiksmatrixkompositter. Pan Wenge et al. [10] undersøgte kompressionsegenskaberne af todimensionelle vævede glasfiber/epoxy-kompositlaminater efter lavhastighedsslag ved stuetemperatur og under varme og fugtige forhold (65 °C vandnedsænkning). 4. Laminatet opnås under et varmt og fugtigt miljø efter lavhastighedsslag. Kompressionsydelsen reduceres betydeligt. Karasek et al. [1] undersøgte virkningerne af fugtighed og temperatur på slaggen af grafit/epoxy-kompositter og opnåede dem i miljøer med lav temperatur og stuetemperatur. Fugtighed har ringe effekt på den indledende energi og energiabsorption af skaden. Yucheng zhong et al. [12,13] udførte en lavhastighedsslagtest på kompositlaminater efter våd varmebehandling. Det konkluderes, at det varme og fugtige miljø reducerer laminatets slagskader betydeligt. Forbedre laminaters slagfasthed. Krystyna et al. [14] undersøgte lavhastighedspåvirkningen af aramid-glasfiber/epoxy-komposit efter våd varmebehandling (70 °C vandnedsænkning) og opnåede et mindre slagskadeområde efter våd varmebehandling. Dette forårsager delamineringsskader inde i prøven, som absorberer mere energi under stødet og hæmmer dannelsen af delaminering. Det kan ses ud fra ovenstående, at indflydelsen fra det fugtige varmemiljø på slagskaden af kompositmaterialer har en fremmende effekt og en svækkende effekt. Derfor er yderligere forskning og verifikation nødvendig. Med hensyn til slag foreslog og etablerede Mei Zhiyuan et al. [15] en to-trins (forskydningspenetration og kontinuerlig penetration) penetrationsdynamikanalysemodel af fiberforstærkede kompositlaminater under højhastighedsstød. Guiping Zhao et al. [16] udførte tre slags forskellige hastigheder (mindre end, lig med og større end den ballistiske grænsehastighed) på prøvens slagevne og beskadigelse efter tre typer laminater, men involverede ikke påvirkningen fra det fugtige varmemiljø på slagskaden. Baseret på ovenstående litteratur er den relaterede forskning i påvirkningen af det våde og varme miljø på fiberforstærkede kompositlaminater endnu ikke blevet udforsket yderligere. I denne artikel blev slagskadeegenskaberne for våde, varmemættede kulfiber/epoxy-kompositlaminater under 70 °C vandbadsforhold undersøgt. Virkningerne af varmt og fugtigt miljø på kompositternes slagskadeegenskaber blev analyseret ved sammenligning med tørre prøver ved stuetemperatur. I eksperimentet blev CFRP-laminaterne stødt på CFRP-laminaterne med 45 m/s, 68 m/s og 86 m/s. Hastigheden før og efter stødet blev målt. Indflydelsen af det varme og fugtige miljø på laminaternes energiabsorptionsevne blev analyseret. Ultralyds-c-scanning blev brugt til at detektere laminatets indre skader, og indflydelsen af slaghastigheden på det brækkede område blev analyseret. Scanningselektronmikroskopet og det ultra-dybde-dybde tredimensionelle mikroskopiske system blev brugt til at observere de mesoskopiske egenskaber ved prøveskaden, og skaden på prøven blev analyseret ud fra det fugtige, varme miljø. Påvirkningen af egenskaber.
2 Eksperimentelle materialer og metoder
2. 1 Materiale og forberedelse
Kulfiber-epoxyharpiks (T300/EMl 12) kompositmateriale, for-nedsænkning leveret af Jiangsu Hengshen Co., Ltd., enkeltlags for-nedsænkningstykkelse på 0,137 mm med en fibervolumenfraktion på 66%. Laminatpanelet lægges på bunden af laget, størrelse 115 mm x 115 ml. Der anvendes en varmpressetanks formningsprocessen. Hærdningsprocesdiagrammet, der er udarbejdet ved processen, er vist i figur 1. Først hæves temperaturen fra stuetemperatur til 80 °C ved en opvarmningshastighed på 1 til 3 °C/min, derefter holdes varmen i 30 minutter, opvarmes til 130 °C ved en opvarmningshastighed på 113 °C/min, holdes varmen i 120 minutter, reduceres til 600C ved en konstant afkølingshastighed, og fjern derefter trykket og slip, og slip.
2. 2 Våd varmebehandling
Efter præparatet blev prøven vådvarmebehandlet i overensstemmelse med specifikationen HB 7401-96.171 "Resin-based composite composite layer wet hot environment moisture absorption experimental method". Først placeres prøven i et termostatisk tørrekammer ved 70 grader C for at tørre. Der vejes regelmæssigt med vægte, indtil prøvens kvalitetstab er stabilt på højst 0,02%. Den registrerede værdi på dette tidspunkt er Engineering Dry Mass G. Efter tørring placeres prøven i 70 grader C vand til vådvarmebehandling. I henhold til specifikationen HB 7401. Metoden specificeret i 96 "måler prøvens kvalitet hver dag, registreret som Gi, og registrerer ændringen i fugtabsorption Mi". Fugtabsorptionsudtrykket for CFRP-laminatprøven er:
Formlen er detaljeret: Mi er prøvens fugtabsorption, Gi er kvaliteten efter prøven har absorberet fugt, g, go er prøvens tørtilstandskvalitet.
2. 3 Impact Experiments
Højhastighedsslagforsøget på CFRP-laminatet blev udført på en højhastighedsluftkanon med en diameter på 15 mm. Højhastighedsslagtestanordningen (se figur 2) inkluderer en højhastighedsluftpistol, en laserhastighedsmåler før og efter anslaget, kuglelegeme, prøvemonteringsbeslag (øverste højre hjørne af figur 2) og en sikkerhedsanordning til bjærgning af kuglelegemet. Kuglelegemet er en kegleformet cylindrisk kugle (figur 2), og kuglens volumen er 24,32 g med en diameter på 14,32 mm; anslagshastigheden er 45 m/s (anslagsenergi 46 J), 68 m/s (anslagsenergi 70 J), 86 m/s (anslagsenergi 90 J) anslag.
2. 4 Skadesdetektion af prøver
Efter at være blevet påvirket af stødet, bruges kantudskæringspladen af kulfiberfarvet epoxykompositkompositlaminatlaget til at detektere den interne stødskade på CFRP-laminatpladen, og projektionsområdet for stødskadeområdet måles af billedanalysesoftwaren UTwim, og de detaljerede træk ved tværsnitsødelæggelsen observeres ved hjælp af et scanningselektronmikroskop og et 3D-ultradybdeskarphedsmikroskopisystem.
3 Resultater og diskussioner
3. 1 Prøvernes fugtabsorptionsegenskaber
Efter i alt 37,7 dage er den gennemsnitlige mættede fugtabsorption 1,780 % med en diffusionshastighed på 6,183 x 10,7 lllnl2/s. Fugtabsorptionskurven for CFRP-laminatprøven er vist i figur 3. Som det kan ses i figur 3, er den indledende vækstrate for fugtabsorptionen af prøven lineær. Efter den lineære fase begynder vækstraten for fugtabsorptionen at falde og når et stabilt niveau efter ca. 23 dage og fugtabsorptionsmætning efter et stykke tid. Derfor er prøvens fugtabsorption i overensstemmelse med den to-trins fugtabsorptionstilstand: den første fase af fugtabsorption skyldes den fælles virkning af temperatur og fugtighed, hvor fugt gennem selve materialet indeholder porer, huller, revner og andre defekter, der spreder sig til materialets inderside. Vanddiffusionen er langsom og når gradvist mætning på dette stadie.
3. De tilsyneladende ødelæggelsesegenskaber ved 2-lags laminatpladen
Anslagshastigheden på 86 m/s, når prøvens forside og bagside er synligt ødelagt, er formen på den tørre prøve ved stuetemperatur og den våde, varme mætningsprøve mere som om, at de to prøvers anslag på grund af revner i fundamentet har en vis glidning langs det første fiberlag. Dette får forsiden til at have en elliptisk eller rektangulær form, og udover at kunne se revner i substratet kan man se fibrene knække. Ved den tørre prøve ved stuetemperatur og den våde, varme mætningsprøve kan man se, at bagsiden af den ødelagte form langs anslagsretningen har en vis bule og en krydsformet revne. Det er tydeligt, at fiberbrud, revner i basen og brud i mellemlaget (lagdeling) er tre former for ødelæggelse. Den sidste del af fiberen løftes, men er ikke brudt, kun lagdeling og revner i fiber/base. Fiberbruddet er også forskelligt, som det kan ses ved at sammenligne front- og bagsideskader. Forsiden forårsager brud på fiberen og substratet på grund af kompression og forskydning. Bagsiden forårsager strækning, hvilket forårsager brud på fiberen og substratet. Figur 4 viser en stødhastighed på 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s, når prøven scannes med intern skade C. Området angivet med den omtrentlige runde grå linje i midten af figuren er det projicerede område af skadeshullet. Den sorte linje over og under hvert lille diagram angiver området for prøvens bagsideafskalningsområde. Området markeret med den hvide linje i figur (b) (d) (f) er den interne skade på prøven langs grænsen. Grafen viser, at anslagsenergien stiger, når anslagshastigheden stiger. Den laminerede plade er i stand til at absorbere mere energi under anslaget (se figur 6 for specifikke værdier), hvilket resulterer i et stigende område af laminatbeskadigelsesprojektion: ved at sammenligne den tørre prøve ved stuetemperatur med billedet af den våde, varme mætningsprøve, kan det ses, at der er intern skade (hvid linje) på prøven produceret langs grænsen i prøvens våd-varme mætningstilstand, primært på grund af absorptionsprocessen. Plastificeringen af substratet i laminatpladen og svækkelsen af fiber-base-grænsefladen får grænsefladen til at have en vis effekt på laminatpladen under anslagsprocessen. Ifølge figuren er prøvens bagafskalningsområde (sort linje) i tør tilstand ikke meget forskelligt fra den våde, varme mætningstilstand.
3. De detaljerede destruktive træk ved 3-lagspanelet
Tværsnitsskadekortet af CFRP-lagsamlingspladen, taget af det ultradybdelige 3D-mikrosystem og scanningselektronspejlet, med en anslagshastighed på 45 m/s, tør, våd og varm, viser, at skaden på prøven i begge tilstande omfatter tre former for ødelæggelse: fiberbrud, baserevner og mellemlagsbrud. Men basen af de to prøver er revnet forskelligt. Revnen i substratet i tør tilstand er revnet ved forbindelsen mellem fiberen og substratet. Imidlertid ledsages revnen i substratet efter våd varmebehandling af, at fragmenter af substratet falder ud. Wold-esenbet og andre materialer i et vådt og varmt miljø bestemmes i fællesskab af slagfastheden af strukturen, strukturen, strukturen og nedbrydningen af fibersubstratgrænsefladen. I et vådt og varmt miljø oplever CFRP-lagpladen i harpiksbasen absorption af en vis mængde vand, hvorved sivende vand vil forårsage opløsning af harpikssubstratet. Kulfiber er ikke absorberende, så der skal være våd ekspansion mellem de to, denne forskel svækker grænsefladen mellem substratet og fiberen, hvilket reducerer substratets styrke. Når substratfragmenterne udsættes for stødbelastning, falder de let ud, hvilket resulterer i en forskel fra den tørre prøves beskadigelsesgrænseflade ved stuetemperatur. Ud fra den detaljerede struktur af det scannede elektriske spejl kan det ses, at revnen i det våde og varme post-baselegeme primært skyldes løse revner i pressebruddet, mens revnen før våd varme primært er sprød, og den vandrette forskydningsrevne mellem lagene er mere tydelig. Ud fra det optiske mikroskop i figuren kan det ses, at destruktionsformerne er forskellige i de to tilfælde, og den tørre tilstand er ødelæggelse mellem skæringer. For at skære primært ødelæggelsesformen efter våd varme for destruktion ledsaget af betydelig lagdelt destruktion, udvides andelen af lagdelt destruktion. Dette kan ses ud fra destruktionsvinklen og energiabsorptionsegenskaberne. Mei Zhiyuan fremsætter to faser af projektilindtrængningen: skærefasen og den kontinuerlige invasionsfase. A-området i den våde varme prøve er ødelæggelsen i forskydningsindtrængningsfasen, primært fordi lagdelingspladen i stødprocessen komprimeres og forskydes, hvilket danner en deformation, mens b-området er ødelæggelsen i den kontinuerlige invasionsfase. Denne fase skyldes hovedsageligt reduktionen af kuglelegemets indtrængningshastighed under påvirkning af strækspændingskomponenten i det fiberagtige lag, og energien omdannes hovedsageligt til fiberens stræk- og tøjningsenergi og mellemlagets brudenergi (l 51), således at fiberbruddet el og det foregående fiberbrud ikke er i en lige linje. I den tørre prøve er dette fænomen ikke tydeligt, og beskadigelsen af pladen er mere alvorlig, og lagpladen har en revnetilstand. 3.4 Analyse af absorptionsenergi og skadeshulprojektionsareal Figur 5 viser forholdet mellem tør stuetemperatur og våd-varm mætning af affyringshastigheden og legemets energitab. Ved en indfaldshastighed på ca. 45 m/s rebound-effekten af kuglen ved den tørre stuetemperatur, så det er ikke vist i figuren. Som det kan ses i figur 7, er kugleenergitabet betydeligt, når testen testes under våd termisk mætning, og prøvens sugeevne øges efter våd varmebehandling.
Figur 6 er et grafdiagram over projektionsarealet af kuglelegemets indfaldshastighed og CFRP-lagets skadeshul (den grå linje markerer en del af figur 4). De udførlige figurer (4), (5), (6) kan ses: (1) med stigende anslagshastighed øges projektionsarealet af CFRP-lagets skadeshul; (2) Projektionsarealet af skadeshullet i prøven ved tør stuetemperatur er større end ved våd varm mætning; (3) når anslagshastigheden er omkring 45 m/s, er projektionsarealet af skadeshullet i den laminerede plade efter våd varmebehandling meget større end projektionsarealet af det laminerede pladens skadeshul i tør stuetemperatur. Projektionsarealet af det L-formede skadeshul i den våde termiske mætningsprøve steg med 85,1%, og ved en stødhastighed på omkring 68 m/s steg den laminerede plade i en våd og termisk mætningstilstand med 18,10%, absorptionsværdien (figur 5) steg med 15,65%; Ved en anslagshastighed på omkring 88 m/s blev den laminerede plade i våd og termisk mætningstilstand reduceret med 9,25%, mens absorptionsværdien stadig steg med 12,45%.
Baseret på forskningsresultaterne fra Yucheng Zhong og andre produkter forbedrer fugtabsorptionen af kulfiberforstærkede kompositmaterialer laminatpladens elasticitetsgrænse og slagfasthed og kombinerer det projicerede areal af skadeshullet i den tørre stuetemperaturprøve og den våde, varme mætningsprøve i denne artikel (figur 4 i den grå linje). Forholdsdiagrammet med kugle-legemets indfaldshastighed og projektionsarealet af CFRP-lagets skadeshul, og den lagdelte skade på CFRP-lagets samlingspap kan sammenlignes, når anslagshastigheden er den samme og lav. Skadeshullets areal i den våde, varme mætningsprøve er relativt stort. Dette skyldes, at den våde varmebehandling gør CFRP-lagets substrat blødgjort, hvilket svækker fiber-substratgrænsefladen og mellemlagets ydeevne. Under anslaget udvides prøvens våde varmemætningstilstand og andelen af skader øges. Baseret på Wu Yixuan og andre eksperimenter ved man, at anslagsenergien i den vertikale belægningsretning primært absorberes af harpikssubstratet. Plastificeringen af substratet får derefter den våde og varme mætningsprøve til at absorbere mere energi under anslagsprocessen, hvilket forbedrer slagmodstanden og øger projektionsområdet af det beskadigede hul. Skaden på CFRP-laminatet er ikke fuldt ud forlænget, og anslaget er afsluttet, så når anslagshastigheden er højere, er den våde varmebehandling af CFRP-laminatets skadesprojektionsområde ikke længere alvorlig, men på grund af plastificeringen af substratharpiksen øges absorptionskapaciteten stadig.
4 Konklusioner
(1) Med stigende anslagshastighed øges det projicerede område af skadeshullet i kulfiberforstærket epoxyharpikskomposit (CFRP) laminat, og væksthastigheden for skadeshullet i prøven ved tør stuetemperatur er højere end ved våd varmemætning. Stor: (2) Når anslagshastigheden er 45 m/s, øges skadesprojektionsområdet for CFRP laminatet i våd varmemætningstilstand med 85,11%. Når anslagshastigheden er 68 m/s, øges skadesprojektionsområdet for CFRP laminatet i våd varmemætningstilstand med 18% sammenlignet med CFRP laminatet i tør stuetemperaturtilstand. Ved 10% er anslagshastigheden 86 m/s. Det fugtmættede cFRP laminats skadesprojektionsområde reduceres med 9,9% sammenlignet med det tørre cFRP laminat ved stuetemperatur. Ved 25% reduceres anslagshastigheden for mellemlagene, hvilket resulterer i en udvidelse af delamineringsområdet.
Opslagstidspunkt: 24. juni 2019