1 Sissejuhatus
Süsinikkiuga tugevdatud epoksükomposiidil (CFRP) on palju eeliseid, näiteks madal tihedus, suur eritugevus, suur erijäikus, väsimuskindlus, korrosioonikindlus ja head mehaanilised omadused. Seda kasutatakse laialdaselt lennunduses ja muudes keskkonnasõbralikes konstruktsioonides, niiskes kuumuses ja löökides. Keskkonnategurite mõju materjalidele on üha ilmsemaks muutunud. Viimastel aastatel on nii kodumaised kui ka välismaised teadlased läbi viinud suure hulga uuringuid kuuma ja niiske keskkonna mõju kohta CFRP-komposiitidele [1] ja löökide mõju kohta CFRP-komposiitidele. Uuring näitas, et kuuma ja niiske keskkonna mõju CFRP-komposiitidele hõlmab maatriksi plastiseerumist [2, pragunemist [31] ja kiud-maatriksi liidese omaduste nõrgenemist [2'3'5], CFRP-komposiidi painutamist märgtöötlusaja pikenemisega. Toimivuse mehaanilised omadused [2, plii- ja kihtidevahelised nihkeomadused [2, 1] ning staatilised tõmbeomadused [3'6'7] näitasid langustrendi. Woldesenbet jt [8,9] uurisid komposiitide löögimehaanilisi omadusi suure deformatsioonikiiruse juures pärast märgtöötlust ja leidsid, et kuum ja niiske keskkond parandas komposiitide löögitugevust. On selgunud, et komposiitmaterjalide niiskuseimavus võib teatud tingimustes parandada materjalide löögimehaanilisi omadusi, mis erineb üsna palju kvaasistaatilistes tingimustes saadud eksperimentaalsetest tulemustest. Praegune peamine uurimistöö on niiske kuumuse (sh vees kastmise) mõju kiudtugevdatud vaigupõhimaterjalide komposiitide madala kiirusega löögiomadustele. Pan Wenge jt [10] uurisid kahemõõtmeliste kootud klaaskiud/epoksükomposiitlaminaatide surveomadusi pärast madala kiirusega lööki toatemperatuuril ning kuumades ja niisketes tingimustes (65 °C vees kastmine). 4. Kuumas ja niiskes keskkonnas saadud laminaat saadakse pärast madala kiirusega lööki. Surveomadused on oluliselt vähenenud. Karasek jt [1] uurisid niiskuse ja temperatuuri mõju grafiit/epoksükomposiitide löögile ning said need madala temperatuuri ja toatemperatuuril. Niiskusel on kahjustuse algsele energiale ja energia neeldumisele vähe mõju. Yucheng zhong jt [12,13] viisid komposiitlaminaatidele pärast märgkuumutamist läbi madala kiirusega löögikatse. Järeldati, et kuum ja niiske keskkond vähendab oluliselt laminaadi löögikahjustusi. See parandab laminaatide löögikindlust. Krystyna jt [14] uurisid aramiid-klaaskiud/epoksüüdkomposiidi madala kiirusega lööke pärast märgkuumtöötlust (70 °C vees kastmine) ja said pärast märgkuumtöötlust väiksema löögikahjustuse ala. See põhjustab proovi sees delaminatsioonikahjustusi, mis neelab löögi ajal rohkem energiat ja pärsib delaminatsiooni teket. Eelnevast nähtub, et niiske kuumuskeskkonna mõju komposiitmaterjalide löögikahjustusele on nii soodustava kui ka nõrgendava toimega. Seetõttu on vaja täiendavaid uuringuid ja kinnitusi. Löögi osas pakkusid Mei Zhiyuan jt [15] välja ja kehtestasid kaheastmelise (nihkepenetratsioon ja pidev penetratsioon) penetratsioonidünaamika analüüsimudeli kiudtugevdatud komposiitlaminaatidele kiire löögi all. Guiping Zhao jt [16] viisid läbi kolme tüüpi laminaatidega kolme erinevat kiirust (väiksem, võrdne ja suurem kui ballistiline piirkiirus), et hinnata proovi löögiomadusi ja kahjustusi, kuid ei kaasanud niiske kuumuskeskkonna mõju löögikahjustusele. Eeltoodud kirjanduse põhjal tuleb täiendavaid uuringuid märja ja kuuma keskkonna mõju kohta kiudtugevdatud komposiitlaminaatidele. Selles artiklis uuriti märgade kuumusega küllastunud süsinikkiud/epoksüüdkomposiitlaminaatide löögikahjustuste omadusi 70 °C veevanni tingimustes. Kuuma ja niiske keskkonna mõju komposiitide löögipurunemise omadustele analüüsiti, võrreldes neid kuivade toatemperatuuril olevate proovidega. Eksperimendis löödi CFRP-laminaate CFRP-laminaatidele kiirustega 45 m/s, 68 m/s ja 86 m/s. Mõõdeti kiirust enne ja pärast lööki. Analüüsiti kuuma ja niiske keskkonna mõju laminaatide energia neeldumisvõimele. Laminaadi sisemiste kahjustuste tuvastamiseks kasutati ultraheli c-skaneerimist ja analüüsiti löögikiiruse mõju purunenud alale. Proovi kahjustuste mesoskoopiliste omaduste jälgimiseks kasutati skaneerivat elektronmikroskoopi ja ülisügavsügavusega kolmemõõtmelist mikroskoopilist süsteemi ning niiske kuumuskeskkonna poolt tekitatud proovi kahjustusi analüüsiti. Tunnuste mõju.
2 Eksperimentaalsed materjalid ja meetodid
2.1 Materjal ja ettevalmistus
Süsinikkiust epoksüvaigust (T300/EMl 12) komposiitmaterjal, eelvannutatud materjali tarnib Jiangsu Hengshen Co., Ltd., ühekihiline eelvannutatud materjali paksus 0,137 mm, kiudude mahufraktsioon 66%. Laminaatpaneel asetatakse kihi peale, mõõtmetega 115 mm x 115 ml. Kasutatakse kuumpressitud paagi vormimisprotsessi. Protsessi abil koostatud kõvenemisprotsessi diagramm on näidatud joonisel 1. Esmalt tõstke ruumi temperatuur toatemperatuurist 80 °C-ni kuumutamiskiirusega 1–3 °C/min, seejärel hoidke soojas 30 minutit, kuumutage temperatuurini 130 °C kuumutamiskiirusega 113 °C/min, hoidke soojas 120 minutit, alandage temperatuurini 60 °C.0C konstantse jahutuskiirusega ja seejärel eemaldage rõhk ja vabastage ning vabastage.
2. 2 Märgkuumutus
Pärast proovi ettevalmistamist märgkuumtöödeldi proovi vastavalt spetsifikatsioonile HB 7401-96.171 "Vaigupõhise komposiitkomposiitkihi märg-kuuma keskkonna niiskuse imendumise katsemeetod". Esmalt asetati proov kuivama termostaatilisse kuivatuskambrisse temperatuuril 70 °C. Kaaluti regulaarselt kaaludega, kuni proovi kvaliteedikaotus stabiliseerus mitte üle 0,02%, sel ajal registreeritud väärtus on tehniline kuivmass G. Pärast kuivatamist asetati proov märgkuumtöötluseks temperatuuril 70 °C vette. Vastavalt spetsifikatsioonile HB 7401. 96-s täpsustatud meetod "mõõdab proovi kvaliteeti iga päev, registreeritakse Gi-na, ja registreerib niiskuse imendumise muutuse Mi. CFRP-laminaadist proovi niiskuse imendumise avaldis on:
Valem on detailne: Mi on proovi niiskuseimavus, Gi on proovi niiskuseimavuse järgne kvaliteet, g ja go on proovi kuiva oleku kvaliteet.
2. 3 Mõjukatsed
CFRP-laminaadi kiire löögikatse viidi läbi 15 mm läbimõõduga kiirel õhukahuril. Kiire löögikatse seade (vt joonis 2) sisaldab kiiret õhupüstolit, laserkiiruse mõõtmise seadet enne ja pärast lööki, kuuli korpust, proovi paigaldusrakist (joonis 2 paremas ülanurgas) ja kuuli korpuse ohutuse taastamise seadet. Kuuli korpus on koonusekujulise peaga silindriline kuul (joonis 2) ja kuuli maht on 24,32 g, läbimõõt 14,32 mm; löögikiirus on 45 m/s (löögienergia 46 J), 68 m/s (löögienergia 70 J) ja 86 m/s (löögienergia 90 J) löök.
2.4 Proovide kahjustuste tuvastamine
Pärast lööki mõjutatud süsinikkiust värvilist epoksükomposiitkomposiitlaminaatkihi servaplaati kasutatakse CFRP-laminaatplaadi sisemiste löögikahjustuste tuvastamiseks ja löögikahjustuse ala projektsioonipinda mõõdetakse pildianalüüsi tarkvara UTwim abil ning ristlõike kahjustuste üksikasjalikke omadusi vaadeldakse skaneeriva elektronmikroskoobi ja ülisügavusväljaga 3D-mikroskoopilise süsteemi abil.
3 Tulemused ja arutelud
3. 1 Proovide niiskuseimavuse omadused
Kokku 37,7 päeva jooksul on küllastunud niiskuse imendumise keskmine väärtus 1,780% ja difusioonikiirus 6,183x10,7^-1/s. CFRP-laminaadist proovi niiskuse imendumise kõver on näidatud joonisel 3. Nagu jooniselt 3 näha, on proovi niiskuse imendumise algne kasvukiirus lineaarne. Pärast lineaarset etappi hakkab niiskuse imendumise kasvukiirus langema, saavutades umbes 23 päeva pärast püsiva taseme ja teatud aja möödudes niiskuse imendumise küllastuse. Seega vastab proovi niiskuse imendumine kaheastmelisele niiskuse imendumise režiimile: niiskuse imendumise esimene etapp toimub temperatuuri ja niiskuse ühise toime tõttu, niiskus levib materjali enda kaudu pooridesse, aukudesse, pragudesse ja muudesse defektidesse, mis levivad materjali sisemusse. Vee difusioon on aeglane ja selles etapis saavutatakse järk-järgult küllastus.
3. Kahekihilise laminaatplaadi näilised hävimisomadused
Löögikiirus 86 m/s, kui proovi esiosa ja tagaosa näiva hävimisprofiili kaardil on, kuiva toatemperatuuril proovi puhul on märja ja kuuma küllastusega proovi esiosa hävimiskuju sarnane. Löögis olevad kaks proovi on vundamendi pragude tõttu hävinud mööda esimest kiukihti. See põhjustab esiosa elliptilise või ristkülikukujulise kuju ning lisaks aluspinna praole on näha ka kiudude purunemist. Kuiva toatemperatuuril proovi puhul on märja ja kuuma küllastusega proovi tagaküljel näha löögisuunas teatud kumerust ja ristikujulist pragu. On ilmne, et kiudude purunemine, aluspinna pragunemine ja vahekihi purunemine (kihistumine) on kolm hävimisvormi. Kiu viimane osa on üles tõstetud, kuid mitte purunenud, ainult kihistumine ja kiu/aluse pragunemine. Ka kiudude purunemine on erinev, nagu on näha esi- ja tagakahjustuse võrdlusest. Esiosa põhjustab kiudude ja aluspinna purunemise kokkusurumise ja nihke tõttu. Tagumine osa on tingitud venitusest, mis põhjustab kiudude purunemise ja aluspinna kihistumise. Joonisel 4 on kujutatud löögikiirust 45 m/s, 68 m/s ja 86 m/s proovi sisemise kahjustuse C-skaneerimisel. Joonise keskel asuva ligikaudse ümmarguse halli joonega tähistatud ala on kahjustuse augu projektsioon. Must joon iga väikese diagrammi kohal ja all näitab proovi tagumise koorumise ala. Joonisel (b) (d) (f) valge joonega tähistatud ala on proovi sisemine kahjustus piki piiri. Graafik näitab, et löögienergia suureneb löögikiiruse suurenedes. Lamineeritud plaat suudab löögi ajal rohkem energiat neelata (vt konkreetseid väärtusi jooniselt 6), mille tulemuseks on laminaadi kahjustuse projektsiooniala suurenemine: kuiva toatemperatuuril proovi võrdlemisel märja-kuuma küllastusolekus on näha, et proovil on märg-kuuma küllastusolekus piiril sisemine kahjustus (valge joon), peamiselt neeldumisprotsessi tõttu. Laminaatplaadi aluspinna plastifitseerimine ja kiud-aluspinna liidese nõrgenemine avaldavad löögiprotsessi ajal laminaatplaadile teatud mõju. Joonise kohaselt ei erine kuiva proovi tagumise koorumise ala (must joon) kuigi palju märjast kuumast küllastusolekust.
3. Kolmekihilise paneeli detailsed hävitavad omadused
Süsinikkiust tugevdatud terasplaadi (CFRP) kihi ühendusplaadi ristlõikekahjustuste kaart, mis on tehtud ülisügava 3D-mikrosüsteemi ja skaneeriva elektronpeegli abil löögikiirusel 45 m/s, kuival, märjal ja kuumal olekus, näitab, et proovi kahjustused mõlemas olekus hõlmavad kolme tüüpi hävimisprotsesse: kiudude purunemist, aluse pragunemist ja vahekihi pragunemist. Kuid kahe proovi alus on pragunenud erinevalt. Kuivas olekus on aluspinna pragunemine pragunenud kiudude ja aluspinna vahelises ühenduskohas. Märgkuumtöötluse järgselt kaasneb aluspinna pragunemisega aga aluspinna fragmentide väljalangemine. Wold-esenbet ja muud materjalid niiskes ja kuumas keskkonnas määravad struktuuri löögikindluse ja kiudaluspinna liidese halvenemise ühiselt. Märjas ja kuumas keskkonnas imab vaigusubstraadis olev CFRP-kihiplaat teatud koguse vett, imbuv vesi põhjustab vaigusubstraadi lahustumist. Süsinikkiud ei ole imav, seega peab nende kahe vahel toimuma märgpaisumine, see erinevus nõrgestab aluspinna ja kiudude vahelist liidest, vähendades aluspinna tugevust. Löögikoormusele allutamisel kukuvad aluspinna fragmendid kergesti välja, mille tulemuseks on erinevus kuiva toatemperatuuril proovi kahjustuste piirjoonest. Skaneeritud elektrilise peegli detailsest struktuurist on näha, et märja ja kuuma posti aluskeha pragunemine on peamiselt pressi purunemise lahtine pragunemine, samas kui märgkuumusele eelnenud pragunemine on peamiselt habras ja kihtide vaheline horisontaalne nihkepragu on ilmsemalt nähtav. Joonisel olevalt optiliselt mikroskoobilt on näha, et hävimisvormid on kahel juhul erinevad ja kuiv olekus on tegemist lõikejärgse hävinguga. Lõike korral on hävingu vormi puhul pärast märgkuumusele järgneva märkimisväärse kihilise hävinguga kihilise hävingu osakaal suurenenud. Seda on näha hävimismehhanismi nurgast ja energia neeldumise omadustest. Mei Zhiyuan tõi välja kaks mürsu sissetungi etappi: lõikamise etapp ja pideva sissetungi etapp. A-ala märjal kuumal proovil on nihke sissetungi etapi häving, peamiselt seetõttu, et löögiprotsessis kihistusplaat surutakse kokku ja nihutatakse, moodustades hävitusdeformatsiooni, b-ala on pideva sissetungi etapi häving. See etapp on peamiselt tingitud kuuli keha sissetungimise kiiruse vähenemisest kiudkihi venituspingekomponendi toimel ning energia muundub peamiselt kiudude venitusdeformatsioonienergiaks ja vahekihi purunemisenergiaks (l 51), mistõttu kiudude purunemine el ja eelmine kiudude purunemine ei ole sirgjoonelised. Kuivas proovis see nähtus ei ole ilmne ja plaadi kahjustus on tõsisem, kihiplaadil on pragunenud olek. 3.4 Neeldumisenergia ja kahjustatud augu projektsiooniala analüüs Joonisel 5 on näidatud kuiva toatemperatuuri ja märja kuumküllastuse vaheline seos stardikiiruse ning kuuli keha energiakao vahel. Langeva kiiruse juures umbes 45 m/s põrkab kuul kuiva toatemperatuuri juures täielikult tagasi, mida joonisel pole näidatud. Nagu jooniselt 7 näha, on märja termilise küllastumise korral kuuli energiakadu märkimisväärne ja proovi imemisvõime pärast märgkuumtöötlust suureneb.
Joonis 6 on graafiline diagramm, mis kujutab kuuli langemiskiiruse ja CFRP-kihi kahjustuse augu projektsioonipinda (hall joon tähistab joonise 4 osa). Joonistelt (4), (5) ja (6) on näha: (1) löögikiiruse suurenemisega suureneb CFRP-kihi kahjustuse augu projektsioonipind; (2) Kuivas toatemperatuuril on proovis kahjustatud augu projektsioonipind suurem kui märja ja kuumenenud küllastuse korral; (3) umbes 45 m/s löögikiirusel on laminaatplaadi kahjustuse augu projektsioonipind pärast märgkuumutamist palju suurem kui kuivas toatemperatuuril oleva laminaatplaadi kahjustuse augu projektsioonipind. Märja termilise küllastuse korral suurenes proovi kahjustuse L-augu projektsioonipind 85,1% ja umbes 68 m/s löögikiirusel suurenes laminaatplaadi märjas ja termilise küllastuse olekus 18,10%, neeldumisväärtus (joonis 5) suurenes 15,65%; Löögikiirusel umbes 88 m/s vähenes lamineeritud plaat niiskes ja termiliselt küllastunud olekus 9,25%, neeldumisväärtus suurenes siiski 12,45%.
Yucheng Zhongi ja teiste toodete uurimistulemuste põhjal parandab süsinikkiuga tugevdatud komposiitmaterjalide niiskuseimavus laminaatplaadi elastsuspiiri ja löögikindlust ning ühendab käesolevas töös kuiva toatemperatuuril proovi ja märja kuuma küllastusproovi kahjustusaugu projektsiooniala (joonis 4 hallil joonel). Seosediagrammi kuuli ja kere langemiskiiruse ning CFRP-kihi kahjustusaugu projektsiooniala ja CFRP-kihi ühendusplaadi kihilise kahjustuse vahel saab võrrelda sama ja väikese löögikiiruse korral. Märja kuuma küllastusproovi kahjustusaugu pindala on suhteliselt suur. See on tingitud sellest, et märgkuumtöötlus muudab CFRP-kihi aluspinna plastifitseerituks, nõrgestades kiudude ja aluspinna liidest ning vahekihi jõudlust, löögi ajal laieneb proovi märja kuumusega küllastusolekus kihiline kahjustus ja suureneb kahjustuse osakaal. Wu Yixuani ja teiste katsete põhjal on teada, et vertikaalses suunas löögienergia neeldub peamiselt vaigusubstraadis, seejärel paneb aluspinna plastifitseerimine märja ja kuuma küllastusproovi löögiprotsessi ajal rohkem energiat neelama, parandab löögikindlust ja suurendab kahjustuseaugu projektsiooniala; CFRP-laminaadi kahjustus ei ole täielikult laienenud ja löök on lõppenud, seega kui löögikiirus on suurem, ei ole CFRP-laminaadi kahjustuse projektsioonipiirkonna märgkuumtöötlus enam tõsine, kuid aluspinna vaigu plastifitseerimise tõttu on neeldumisvõime siiski suurenenud.
4 Järeldused
(1) Löögikiiruse suurenemisega suureneb süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigukomposiidist (CFRP) laminaadi kahjustusaugu projektsioonipind ja kahjustuse augu kasvukiirus proovis kuivas toatemperatuuril on suurem kui märja kuumusega küllastunud olekus. Suur: (2) Kui löögikiirus on 45 m/s, suureneb CFRP-laminaadi kahjustuse projektsioonipind märjas kuumusega küllastunud olekus 85,11%; kui löögikiirus on 68 m/s, suureneb CFRP-laminaadi kahjustuse projektsioonipind märjas kuumusega küllastunud olekus 18% võrreldes kuiva toatemperatuuril oleva CFRP-laminaadiga. 10%, on löögikiirus 86 m/s. Niisutatud küllastunud cFRP-laminaadi kahjustuse projektsioonipind väheneb 9,9% võrreldes kuiva toatemperatuuril oleva cFRP-laminaadiga. 25%; (3) Pärast cFRP-laminaadi mõjutamist kuumas ja niiskes keskkonnas väheneb laminaadi vahekihi jõudlus, mille tulemuseks on delaminatsiooniala laienemine.
Postituse aeg: 24. juuni 2019