1 Sarrera
Karbono-zuntzez indartutako epoxi konpositeak (CFRP) abantaila asko ditu, hala nola dentsitate baxua, erresistentzia espezifiko handia, zurruntasun espezifiko handia, nekearekiko erresistentzia, korrosioarekiko erresistentzia eta propietate mekaniko onak. Oso erabilia da aeroespazialean eta beste egitura gogor batzuetan, bero hezean eta inpaktuan. Ingurumen-faktoreek materialetan duten eragina gero eta agerikoagoa da. Azken urteotan, bertako eta atzerriko ikertzaileek ikerketa ugari egin dituzte ingurune bero eta hezeak CFRP konpositeetan dituen eraginei buruz [1] eta inpaktuak CFRP konpositeetan duen eraginari buruz. Ikerketak aurkitu zuen ingurune bero eta hezeak CFRP konpositeetan duen eraginaren artean daudela matrizearen plastifikazioa [2, pitzadurak [31] eta zuntz-matrize interfazearen propietateak ahultzea [2'3'5], CFRP konpositearen tolestura tratamendu termiko hezearen denbora handituz). Errendimenduaren propietate mekanikoek [2, berunaren eta geruza arteko zizailadura propietateak [2, 1] eta trakzio estatiko propietateak [3'6'7] beheranzko joera erakutsi zuten. Woldesenbet et al. [8,9] konpositeen inpaktu-propietate mekanikoak aztertu zituzten deformazio-tasa altuetan tratamendu termiko hezearen ondoren, eta lortu zuten ingurune bero eta hezeak konpositeen inpaktu-erresistentzia hobetzen zuela. Agerian geratu da material konposatuen hezetasun xurgapenak materialen inpaktu-propietate mekanikoak hobetu ditzakeela baldintza jakin batzuetan, eta hori oso desberdina da baldintza kuasi-estatikoetan lortutako emaitza esperimentaletatik. Gaur egungo ikerketa-lan nagusia bero hezeak (uretan murgiltzea barne) zuntz-indartutako erretxina matrize konposatuen abiadura baxuko inpaktu-propietateetan duen eragina da. Pan Wenge et al. [10] bi dimentsioko beira-zuntzezko/epoxi konposatu laminatuen konpresio-propietateak aztertu zituzten giro-tenperaturan eta baldintza bero eta hezeetan (65 °C-ko uretan murgiltzea) abiadura baxuko inpaktuaren ondoren. 4. Ingurune bero eta hezean lortutako laminatua abiadura baxuko talkaren ondoren lortzen da. Konpresio-errendimendua nabarmen murrizten da. Karasek et al. [1] hezetasunak eta tenperaturak grafito/epoxi konposatuen inpaktuan duten eragina aztertu zuten, eta tenperatura baxuko eta giro-tenperaturako inguruneetan lortu zituzten. Hezetasunak eragin txikia du hasierako energian eta kaltearen energia-xurgapenean. Yucheng zhong et al. [12,13] abiadura baxuko inpaktu-proba bat egin zuten laminatu konposatuetan tratamendu termiko hezearen ondoren. Ondorioztatu da ingurune bero eta hezeak laminatuaren inpaktu-kaltea nabarmen murrizten duela. Hobetu laminatuen inpaktu-erresistentzia. Krystyna et al. [14]-ek aramida-beira-zuntz/epoxi konpositearen abiadura txikiko inpaktua aztertu zuten bero-tratamendu hezearen ondoren (70 °C-ko uretan murgiltzea), eta inpaktu-kalteen eremu txikiagoa lortu zuten bero-tratamendu hezearen ondoren. Horrek delaminazio-kaltea eragiten du laginaren barruan, eta horrek energia gehiago xurgatzen du inpaktuan zehar eta delaminazioaren eraketa inhibitzen du. Goikotik ikus daiteke bero-ingurune hezeak material konposatuen inpaktu-kaltean duen eraginak sustapen-efektua eta ahultze-efektua duela. Beraz, ikerketa eta egiaztapen gehiago behar dira. Inpaktuari dagokionez, Mei Zhiyuan et al. [15]-ek bi faseko (zizailadura-sartzea eta sartze jarraitua) sartze-dinamikaren analisi-eredu bat proposatu eta ezarri zuten abiadura handiko inpaktuaren pean dauden zuntz-indartutako konposite-laminatuen artean. Guiping Zhao et al. [16]-ek hiru abiadura mota desberdin (balistika-mugako abiadura baino txikiagoa, berdina eta handiagoa) aztertu zituzten laginaren inpaktu-errendimenduan eta kaltean hiru laminatu mota erabili ondoren, baina ez zuten bero-ingurune hezeak inpaktu-kaltean duen eragina kontuan hartu. Goiko literaturan oinarrituta, ingurune heze eta beroak zuntz indartuko konposite laminatuetan duen eraginari buruzko ikerketa erlazionatua oraindik ez da gehiago aztertu. Artikulu honetan, bero hezez asetutako karbono zuntz/epoxi konposite laminatuen inpaktu-kalteen ezaugarriak aztertu dira 70 °C-ko ur-bainu baldintzetan. Ingurune bero eta hezeak konpositeen inpaktu-hausturaren ezaugarrietan dituen efektuak aztertu dira giro-tenperaturako lagin lehorrekin alderatuz. Esperimentuan, CFRP laminatuak CFRP laminatuen gainean inpaktu ziren 45 m/s, 68 m/s eta 86 m/s-tan. Inpaktuaren aurreko eta ondorengo abiadura neurtu zen. Ingurune bero eta hezeak laminatuen energia xurgatzeko errendimenduan duen eragina aztertu zen. C-eskanear ultrasoinua erabili zen laminatuaren barne-kaltea detektatzeko, eta inpaktu-abiadurak hautsitako eremuan duen eragina aztertu zen. Eskaneatze-mikroskopio elektronikoa eta ultra-sakonera-sakonera hiru dimentsioko mikroskopio-sistema erabili ziren laginaren kalteen ezaugarri mesoskoskopikoak behatzeko, eta laginaren kaltea ingurune bero hezearen arabera aztertu zen. Ezaugarrien eragina.
2 Material eta metodo esperimentalak
2. 1 Materiala eta prestaketa
Karbono zuntz epoxi erretxina (T300/EMl 12) material konposatua, Jiangsu Hengshen Co., Ltd.-ek hornitutako aurre-murgiltzea, 0,137 mm-ko geruza bakarreko aurre-murgiltze lodiera eta % 66ko zuntz-bolumen frakzioa dituena. Laminatu-panelak geruzaren zoruan jartzen da, 115 mm x 115 ml-ko tamaina duena. Prentsa beroko deposituaren eraketa-prozesua erabiltzen da. Prozesuaren bidez prestatutako sendatze-prozesuaren diagrama 1. irudian ageri da. Lehenik eta behin, igo etxebizitzen tenperatura giro-tenperaturatik 80 °C-ra 1 eta 3 °C/min-ko berotze-abiaduran, ondoren mantendu bero 30 minutuz, berotu 130 °C-ra 113 °C/min-ko berotze-abiaduran, mantendu bero 120 minutuz, jaitsi 60 °C-ra.0C hozte-abiadura konstantean, eta gero presioa kendu eta askatu, eta askatu.
2. 2 Tratamendu termiko hezea
Lagina prestatu ondoren, lagina bero-tratamendu hezea jaso zuen HB 7401-96.171 "Erretxin-oinarritutako konposite konposite geruza ingurune bero hezeko hezetasun xurgapen esperimentalaren metodoa" zehaztapenaren arabera. Lehenik, lagina 70 gradu C-tan lehortzeko ganbera termostatiko batean sartzen da lehortzeko. Balantzak erabiliz pisatzen da aldizka, laginaren kalitate-galera % 0,02 baino gehiago egonkortu arte, une horretan erregistratutako balioa G Masa Lehor Ingeniaria da. Lehortu ondoren, lagina 70 gradu C-tan sartzen da bero-tratamendu hezea jasotzeko. HB 7401 zehaztapenaren arabera, 96an zehaztutako metodoak "laginaren kalitatea egunero neurtzen du, Gi gisa erregistratuta, eta hezetasun xurgapenaren Mi aldaketa erregistratzen du". CFRP laminatuzko laginaren hezetasun xurgapenaren adierazpena hau da:
Formula zehatza da: Mi laginaren hezetasun-xurgapena da, Gi laginak hezetasuna xurgatu ondoren duen kalitatea, g, go laginaren ingeniaritza-egoera lehorreko kalitatea da.
2. 3 Inpaktu-esperimentuak
CFRP laminatuan abiadura handiko inpaktu-esperimentua 15 mm-ko diametroa zuen abiadura handiko aire-kanoi batean egin zen. Abiadura handiko inpaktu-proba gailuak (ikus 2. irudia) abiadura handiko aire-pistola, inpaktuaren aurretik eta ondoren laser abiadura neurtzeko gailua, bala-gorputza, lagina instalatzeko euskarria (2. irudiaren goiko eskuineko izkina) eta bala-gorputzaren segurtasun-berreskuratzeko gailua ditu. Bala-gorputza kono-buru zilindrikoko bala bat da (2. irudia), eta balaren bolumena 24,32 g-koa da, 14,32 mm-ko diametroarekin; inpaktu-abiadura 45 m/s (inpaktu-energia 46 J), 68 m/s (inpaktu-energia 70 J) eta 86 m/s (inpaktu-energia 90 J) da.
2. 4 Laginen kalteen detekzioa
Talkak eragin ondoren, karbono-zuntzezko koloreko epoxi konpositezko laminatu geruzaren ertz-plaka erabiltzen da CFRP laminatu plakaren barne-talparen kaltea detektatzeko, eta talkaren kaltearen proiekzio-eremua UTwim irudi-analisi softwareak neurtzen du, eta zeharkako suntsipenaren ezaugarri zehatzak eskaneatze-mikroskopio elektronikoaren eta ultra-eremu-sakonerako 3D mikroskopio-sistemaren bidez behatzen dira.
3 Emaitzak eta eztabaidak
3. 1 Laginen hezetasun xurgapen ezaugarriak
Guztira 37,7 egunez, hezetasun saturatuaren xurgapenaren batez bestekoa % 1,780koa da, eta 6,183x10,7 lllnl2/s-ko difusio-tasa. CFRP laminatuzko laginaren hezetasun-xurgapenaren kurba 3. irudian ageri da. 3. irudian ikus daitekeenez, laginaren hezetasun-xurgapenaren hasierako hazkunde-tasa lineala da; fase linealaren ondoren, hezetasun-xurgapenaren hazkunde-tasa jaisten hasten da, 23 egun inguru igaro ondoren egoera egonkor batera iritsiz, eta denbora-tarte baten ondoren hezetasun-xurgapenaren saturaziora iritsiz. Beraz, laginaren hezetasun-xurgapena bi faseko hezetasun-xurgapen moduari egokitzen zaio: hezetasun-xurgapenaren lehen fasea tenperaturaren eta hezetasunaren ekintza bateratuaren ondoriozkoa da; materialaren bidezko hezetasunak poroak, zuloak, pitzadurak eta bestelako akatsak ditu materialaren barrualdera hedatzen direnak; uraren difusioa motela da eta pixkanaka saturaziora iristen da fase honetan.
3. 2 geruzako laminatuzko taularen suntsipen-ezaugarri agerikoak
86 m/s-ko inpaktu-abiadura duen laginaren aurrealdeak eta atzealdeak itxurazko suntsipen-profilaren mapa erakusten dute. Giro-tenperaturako lagin lehorraren eta bero-saturazioko laginaren aurrealdearen suntsipen-forma antzekoagoa da. Bi laginen inpaktuan, oinarri-pitzaduren ondorioz, zuntz-lehenengo geruzaren zeharreko suntsipena irristatze jakin bat du. Horrek aurrealdeak forma eliptikoa edo angeluzuzena hartzea eragiten du, eta substratuan pitzadura ikusteaz gain, zuntzak hausten direla ikus daiteke. Giro-tenperaturako lagin lehorraren eta bero-saturazioko laginaren atzealdeko suntsipen-forma ikus daiteke, inpaktu-norabidean zeharreko atzealdeak irtengune jakin bat duela eta gurutze-formako pitzadura bat duela. Argi dago zuntz-hausturak, oinarri-pitzadurak eta geruza arteko hausturak (geruzatzea) hiru suntsipen mota dituztela. Zuntz-hausturak, oinarri-pitzadurak eta geruza arteko hausturak (geruzatzea) hiru suntsipen mota dituztela. Zuntz-azken zatia altxatzen da, baina ez da hausten, geruzatzea eta zuntz/oinarri-pitzadurak baino ez dira gertatzen. Zuntz-hausturak ere desberdina da, aurrealdeko eta atzeko kalteen konparazioan ikus daitekeen bezala. Aurrealdeak zuntzaren eta substratuaren haustura eragiten du konpresioaren eta zizailaduraren ondorioz. Atzealdekoa luzapenaren ondorioz gertatzen da, zuntzak haustea eta substratua geruzatzea eraginez. 4. irudia 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s-ko talka-abiadura da, laginaren barne-kaltearen C eskaneatzen denean. Irudiaren erdian dagoen gutxi gorabeherako l lerro gris biribilak adierazten duen eremua kalte-zuloaren proiekzio-eremua da. Grafiko txiki bakoitzaren gaineko eta azpiko lerro beltzak laginaren atzealdeko zuritze-eremuaren eremua adierazten du. (b) (d) (f) irudian lerro zuriak markatutako eremua laginaren barne-kaltea da mugan zehar. Grafikoak erakusten du inpaktu-energia handitzen dela inpaktuaren abiadura handitzen den heinean. Laminatutako plakak energia gehiago xurgatzeko gai da inpaktuan zehar (ikus 6. irudia balio zehatzak ikusteko), eta horrek laminatuaren kaltearen proiekzio-eremua handitzen du: giro-tenperaturako lagin lehorra saturazio-lagin heze-beroaren irudiarekin alderatuz, ikus daiteke laginaren barne-kaltea (lerro zuria) dagoela mugan zehar laginaren saturazio-egoera heze-beroan, batez ere xurgapen-prozesuaren ondorioz. Laminatu-plakan substratuaren plastifikazioak eta zuntz-oinarri interfazearen ahultzeak mugak eragin jakin bat izatea eragiten dute laminatu-plakan inpaktu-prozesuan. Irudiaren arabera, laginaren atzealdeko zuritze-eremua (lerro beltza) egoera lehorrean ez da oso desberdina saturazio-egoera heze eta beroarekin alderatuta.
3. 3 geruzako panelaren ezaugarri suntsitzaile zehatzak
CFRP geruza-juntura-plakaren zeharkako kalte-ezaugarrien mapak, ultra-sakonerazko 3D mikrosistemak eta eskaneatze-ispilu elektronikoak hartuta, 45 m/s-ko inpaktu-abiadurarekin, lehorrean, hezean eta beroan, erakusten du laginaren kalteak bi egoeretan hiru suntsipen mota barne hartzen dituela: zuntz-haustura, oinarri-haustura eta geruza arteko haustura. Baina bi laginen oinarria modu ezberdinean pitzatzen da. Substratuaren pitzadura egoera lehorrean zuntzaren eta substratuaren arteko konexioan pitzatzen da. Hala ere, substratua bero-tratamendu hezearen ondoren pitzatzen denean, substratuaren zatiak erortzen dira. Wold-esenbet eta beste material batzuek ingurune heze eta beroan egituraren eta zuntz-substratuaren interfazearen degradazioaren inpaktu-errendimendua batera zehazten dute. Ingurune heze eta beroan, erretxina-oinarrian dagoen CFRP geruza-plakak ur kantitate jakin bat xurgatzen du, eta iragazten den ura erretxina-substratua disolbatzea eragingo du. Karbono-zuntza ez da xurgatzailea, beraz, bien artean hedapen hezea egon behar da, eta alde horrek substratuaren eta zuntzaren arteko interfazea ahultzen du, substratuaren erresistentzia murrizten du. Talka-karga jasaten dutenean, substratu-zatiak erraz erortzen dira, eta horrek aldea sortzen du giro-tenperaturako laginaren kalte-interfaze lehorretik. Eskaneatutako ispilu elektrikoaren egitura zehatzetik, ikus daiteke oinarri-oinarri hezearen eta beroaren pitzadurak prentsa-hausturaren pitzadura solteak direla batez ere, bero hezearen aurreko pitzadurak, berriz, hauskorragoak direla batez ere, eta geruzen arteko zizailadura horizontalaren pitzadura nabarmenagoa dela. Irudiko mikroskopio optikotik ikus daiteke suntsipen-formak desberdinak direla bi kasuetan, eta egoera lehorra ebaketa-suntsipen bakoitzeko dela. Mozketa-suntsipena batez ere, bero hezearen ondoren suntsipen-forma geruzatuarekin batera gertatzen bada, geruzatu-suntsipenaren proportzioa zabaldu egin da. Suntsipen-mekanismoaren angelutik eta energia-xurgapenaren ezaugarrietatik ikus daiteke. Mei Zhiyuanek jaurtigaien inbasioaren bi etapa proposatu zituen: ebaketa-etapa eta inbasio jarraituaren etapa. Lagin heze eta beroaren A eremua zizailadura-intrusioaren suntsipen-etapa da, batez ere talka-prozesuan geruza-plaka konprimitu eta zizailatuz suntsipen-deformazioaren eraketa gertatzen delako, b eremua inbasio jarraituaren suntsipen-etapa da. Etapa hau batez ere zuntz-geruzaren luzapen-tentsio osagaiaren eraginpean bala-gorputzaren intrusio-abiadura murrizteari zor zaio, eta energia batez ere zuntz-luzapen-tentsio energia eta geruza arteko haustura-energia bihurtzen da (l 51), beraz, zuntz-haustura el eta aurreko zuntz-haustura ez daude lerro zuzenean. Lagin lehorrean, fenomeno hau ez da agerikoa, eta plakaren kaltea larriagoa da, geruza-plakak pitzadura-egoera du. 3. 4 Xurgapen-energia eta kalte-zuloen proiekzio-eremuaren analisia 5. irudiak giro-tenperatura lehorraren eta jaurtiketa-abiaduraren saturazio bero hezearen eta gorputzaren energia-galeraren arteko erlazioa erakusten du, 45 m/s inguruko intzidente-abiaduran, bala-giro-tenperatura lehorrak errebote osoa egiten du, beraz, ez da irudian erakusten. 7. irudian ikus daitekeen bezala, proba saturazio termiko hezearen pean probatzen denean, bala-energia-galera handia da, eta laginaren xurgapen-ahalmena handitzen da tratamendu termiko hezearen ondoren.
6. irudia bala-gorputzaren intzidentzia-abiaduraren eta CFRP geruzaren kalte-zuloaren proiekzio-eremuaren grafiko-diagrama bat da (lerro grisak 4. irudiaren zati bat markatzen du), (4), (5) eta (6) irudi osoak ikus daitezke: (1) inpaktu-abiadura handitzen den heinean, CFRP geruzaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua handitzen da; (2) Laginaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua giro-tenperatura lehorrean saturazio bero hezean baino handiagoa da; (3) inpaktu-abiadura 45 m/s ingurukoa denean, laminatutako plakaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua tratamendu termiko hezearen ondoren askoz handiagoa da laminatutako plakaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua giro-tenperatura lehorrean. Saturazio termiko hezearen laginaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua % 85,1 handitu zen eta 68 m/s inguruko talka-abiaduran, laminatutako plaka saturazio heze eta termiko egoeran % 18,10 handitu zen, xurgapen-balioa (5. irudia) % 15,65 handitu zen; 88 m/s inguruko inpaktu-abiaduran, egoera heze eta termikoko saturazio-egoeran zegoen xafla laminatua % 9,25 murriztu zen, xurgapen-balioa oraindik % 12,45 handituz.
Yucheng Zhong-en eta beste produktu batzuen ikerketa-emaitzetan oinarrituta, karbono-zuntzez indartutako material konposatuen hezetasun-xurgapenak laminatu-plakaren elastikotasun-muga eta inpaktu-erresistentzia hobetzen ditu, eta lan honetako giro-tenperaturako lagin lehorraren kalte-zuloaren proiekzio-eremua eta saturazio-lagin heze eta beroa konbinatzen ditu (4. irudia, lerro grisean). Balaren gorputzaren intzidentzia-abiadurarekin eta CFRP geruzaren kalte-zuloaren proiekzio-eremuarekin duen erlazio-diagrama, eta CFRP geruzaren lotura-taularen geruza-kaltea alderatu daitezke inpaktu-abiadura berdina eta baxua denean. Saturazio-lagin heze eta beroaren kalte-zuloaren eremua nahiko handia da. Hori gertatzen da tratamendu termiko hezeak CFRP geruzaren substratuaren plastifikazioa eragiten duelako, zuntzaren eta substratuaren interfazea eta geruzen arteko errendimendua ahulduz; inpaktuan, laginaren geruza-kalteen hedapenaren ondorioz, kaltearen proportzioa handitzen da. Wu Yixuan eta beste esperimentu batzuetan oinarrituta, badakigu zoladura bertikalaren norabideko inpaktu-energia erretxinazko substratuak xurgatzen duela batez ere, eta substratuaren plastifikazioak saturazio-lagin heze eta beroak energia gehiago xurgatzea eragiten du inpaktu-prozesuan zehar, inpaktu-erresistentzia hobetzen du eta kalte-zuloaren proiekzio-eremua handitzen du; CFRP laminatuzko kaltea ez da guztiz luzatu, inpaktua amaitu da, beraz, inpaktu-abiadura handiagoa denean, CFRP laminatuzko kalte-proiekzio-eremuan egindako tratamendu termiko hezea ez da larria izaten, baina substratuaren erretxina plastifikatu delako, xurgapen-ahalmena handitzen jarraitzen du.
4 Ondorioak
(1) Talkaren abiadura handitzen den heinean, karbono-zuntzez indartutako epoxi erretxina konposatuaren (CFRP) laminatuaren kalte-zuloaren proiekzio-eremua handitzen da, eta laginaren kalte-zuloaren hazkunde-tasa giro-tenperatura lehorrean handiagoa da bero hezearen saturazio-egoeran baino. Handia: (2) Talkaren abiadura 45 m/s denean, CFRP laminatuaren kalte-proiekzio-eremua bero hezearen saturazio-egoeran % 85,11 handitzen da; talkaren abiadura 68 m/s denean, CFRP laminatuaren kalte-proiekzio-eremua bero hezearen saturazio-egoeran % 18 handitzen da giro-tenperatura lehorrean dagoen CFRP laminatuarekin alderatuta. % 10 handitzen bada, talkaren abiadura 86 m/s da. Busti-asetutako cFRP laminatuaren kalte-proiekzio-eremua % 9,9 murrizten da giro-tenperatura lehorrean dagoen cFRP laminatuarekin alderatuta. % 25; (3) cFRP laminatua ingurune bero eta hezeak eragin ondoren, laminatuaren geruza arteko errendimendua murrizten da, eta ondorioz, delaminazio-eremuaren hedapena gertatzen da.
Argitaratze data: 2019ko ekainaren 24a