1 Introduction
Français Le composite époxy renforcé de fibres de carbone (PRFC) présente de nombreux avantages tels qu'une faible densité, une résistance spécifique élevée, une rigidité spécifique élevée, une résistance à la fatigue, une résistance à la corrosion et de bonnes propriétés mécaniques. Il est largement utilisé dans l'aérospatiale et d'autres structures environnementales difficiles, la chaleur humide et les chocs. L'influence des facteurs environnementaux sur les matériaux est de plus en plus évidente. Ces dernières années, des chercheurs nationaux et étrangers ont mené un grand nombre d'études sur les effets d'un environnement chaud et humide sur les composites PRFC [1] et l'impact de l'impact sur les composites PRFC. L'étude a révélé que l'influence d'un environnement chaud et humide sur les composites PRFC comprend la plastification de la matrice [2, la fissuration [31 et les propriétés d'interface fibre-matrice affaiblies [2'3'5], la flexion du composite PRFC avec l'augmentation du temps de traitement thermique humide). Les propriétés mécaniques de performance [2, les propriétés de cisaillement au plomb et interlaminaire [2, 1 et les propriétés de traction statique [3'6'7] ont montré une tendance à la baisse. Woldesenbet et al. [8,9] ont étudié les propriétés mécaniques d'impact des composites à des taux de déformation élevés après un traitement thermique humide et ont obtenu que l'environnement chaud et humide améliorait la résistance aux chocs des composites. Il est révélé que l'absorption d'humidité des matériaux composites peut améliorer les propriétés mécaniques d'impact des matériaux dans certaines conditions, ce qui est assez différent des résultats expérimentaux dans des conditions quasi statiques. Le principal travail de recherche actuel porte sur l'effet de la chaleur humide (y compris l'immersion dans l'eau) sur les propriétés d'impact à faible vitesse des composites à matrice de résine renforcée de fibres. Pan Wenge et al. [10] ont étudié les propriétés de compression de stratifiés composites tissés bidimensionnels en fibre de verre/époxy après un impact à faible vitesse à température ambiante et dans des conditions chaudes et humides (immersion dans l'eau à 65 °C). 4. Le stratifié dans l'environnement chaud et humide est obtenu après un choc à faible vitesse. Les performances de compression sont considérablement réduites. Karasek et al. [1] ont étudié les effets de l'humidité et de la température sur l'impact des composites graphite/époxy et les ont obtenus dans des environnements à basse température et à température ambiante. L'humidité a peu d'effet sur l'énergie initiale et l'absorption d'énergie des dommages. Français Yucheng zhong et al [12,13] ont effectué un essai d'impact à basse vitesse sur des stratifiés composites après un traitement thermique humide. Il est conclu que l'environnement chaud et humide réduit considérablement les dommages dus aux impacts du stratifié. Améliorer la résistance aux impacts des stratifiés. Krystyna et al. [14] ont étudié l'impact à basse vitesse d'un composite aramide-fibre de verre/époxy après un traitement thermique humide (immersion dans l'eau à 70 °C) et ont obtenu une zone de dommages par impact plus petite après un traitement thermique humide. Cela provoque des dommages de délaminage à l'intérieur de l'échantillon, qui absorbe plus d'énergie pendant l'impact et inhibe la formation de délaminage. Il ressort de ce qui précède que l'influence d'un environnement thermique humide sur les dommages des matériaux composites par impact a un effet promoteur et un effet affaiblissant. Par conséquent, des recherches et des vérifications supplémentaires sont nécessaires. En termes d'impact, Mei Zhiyuan et al [15] ont proposé et établi un modèle d'analyse de la dynamique de pénétration en deux étapes (pénétration par cisaillement et pénétration continue) des stratifiés composites renforcés de fibres sous impact à grande vitesse. Guiping Zhao et al. [16] ont mené trois types de vitesses différentes (inférieure, égale et supérieure à la vitesse limite balistique) sur la performance d'impact et l'endommagement de l'échantillon après trois types de stratifiés, mais n'ont pas impliqué l'impact de l'environnement de chaleur humide sur les dommages d'impact. . Sur la base de la littérature ci-dessus, la recherche connexe sur l'impact de l'environnement humide et chaud sur les stratifiés composites renforcés de fibres doit encore être explorée plus en profondeur. Dans cet article, les caractéristiques de dommage d'impact des stratifiés composites en fibre de carbone/époxy saturés de chaleur humide dans des conditions de bain-marie à 70 °C ont été étudiées. Les effets de l'environnement chaud et humide sur les caractéristiques de rupture d'impact des composites ont été analysés par comparaison avec des échantillons à température ambiante sèche. Dans l'expérience, les stratifiés CFRP ont été impactés sur les stratifiés CFRP à 45 m/s, 68 m/s et 86 m/s. La vitesse avant et après l'impact a été mesurée. L'influence de l'environnement chaud et humide sur la performance d'absorption d'énergie des stratifiés a été analysée. Un c-scan ultrasonique a été utilisé pour détecter les dommages internes du stratifié et l'influence de la vitesse d'impact sur la zone fracturée a été analysée. Le microscope électronique à balayage et le système de microscopie tridimensionnelle ultra-profondeur ont été utilisés pour observer les caractéristiques mésoscopiques des dommages de l'échantillon, et les dommages de l'échantillon ont été analysés en milieu chaud et humide. L'impact des caractéristiques.
2 Matériels et méthodes expérimentaux
2. 1 Matériel et préparation
Matériau composite en résine époxy à base de fibres de carbone (T300/EMl 12), pré-immersion, fourni par Jiangsu Hengshen Co., Ltd., monocouche d'une épaisseur de 0,137 mm, avec une fraction volumique de fibres de 66 %. Le panneau stratifié est posé sur le fond de la couche. Dimensions : 115 mm x 115 ml. Le procédé de formage par pressage à chaud est utilisé. Le schéma de durcissement obtenu est illustré à la figure 1. La température de l'enceinte est d'abord portée de la température ambiante à 80 °C à une vitesse de chauffage de 1 à 3 °C/min, puis maintenue à température pendant 30 min, puis portée à 130 °C à une vitesse de chauffage de 113 °C/min, puis maintenue à température pendant 120 min, puis réduite à 60 °C.0C à une vitesse de refroidissement constante, puis retirez la pression et relâchez, puis relâchez.
2. 2 Traitement thermique humide
Après préparation de l'échantillon, celui-ci a été traité thermiquement par voie humide conformément à la spécification HB 7401-96.171 « Méthode expérimentale d'absorption d'humidité en milieu humide et chaud pour couches composites à base de résine ». L'échantillon est d'abord placé dans une étuve thermostatée à 70 °C pour séchage. Pesé régulièrement à l'aide de balances jusqu'à ce que la perte de qualité de l'échantillon soit stable à 0,02 % maximum ; la valeur enregistrée est alors la masse sèche technique G. Après séchage, l'échantillon est placé dans de l'eau à 70 °C pour un traitement thermique par voie humide. Conformément à la spécification HB 7401, la méthode spécifiée dans la spécification 96 mesure quotidiennement la qualité de l'échantillon, notée Gi, et enregistre l'évolution de l'absorption d'humidité Mi. L'expression de l'absorption d'humidité de l'échantillon de stratifié CFRP est :
La formule est détaillée : Mi est l'absorption d'humidité de l'échantillon, Gi est la qualité après que l'échantillon ait absorbé l'humidité, g, go est la qualité de l'état sec de l'ingénierie de l'échantillon.
2. 3 Expériences d'impact
L'expérience d'impact à grande vitesse sur le stratifié CFRP a été réalisée sur un canon à air comprimé à grande vitesse d'un diamètre de 15 mm. Le dispositif d'essai d'impact à grande vitesse (voir figure 2) comprend un canon à air comprimé à grande vitesse, un dispositif de mesure de la vitesse laser avant et après l'impact, le corps de la balle, un dispositif d'installation de l'échantillon (coin supérieur droit de la figure 2) et un dispositif de récupération de sécurité du corps de la balle. Le corps de la balle est une balle cylindrique à tête conique (figure 2), et le volume de la balle est de 24,32 g pour un diamètre de 14,32 mm ; la vitesse d'impact est de 45 m/s (énergie d'impact 46 J), 68 m/s (énergie d'impact 70 J) et 86 m/s (énergie d'impact 90 J).
2. 4 Détection des dommages des spécimens
Après avoir été affectée par l'impact, la plaque de bord de la couche stratifiée composite époxy couleur fibre de carbone est utilisée pour détecter les dommages d'impact internes de la plaque stratifiée CFRP, et la zone de projection de la zone de dommages d'impact est mesurée par le logiciel d'analyse d'image UTwim, et les caractéristiques détaillées de la destruction transversale sont observées par microscope électronique à balayage et système microscopique 3D à ultra-profondeur de champ.
3 Résultats et discussions
3. 1 Caractéristiques d'absorption d'humidité des échantillons
Au total, sur 37,7 jours, l'absorption moyenne d'humidité à saturation est de 1,780 %, avec un taux de diffusion de 6,183 x 10,7 lllnl²/s. La courbe d'absorption d'humidité de l'échantillon de stratifié CFRP est illustrée à la figure 3. Comme le montre la figure 3, le taux de croissance initial de l'absorption d'humidité de l'échantillon est linéaire. Après cette phase, le taux de croissance de l'absorption d'humidité commence à diminuer, atteignant un niveau stable après environ 23 jours, et atteignant la saturation d'absorption d'humidité après un certain temps. Par conséquent, l'absorption d'humidité de l'échantillon est conforme au mode d'absorption d'humidité en deux étapes : la première étape de l'absorption d'humidité est due à l'action conjointe de la température et de l'humidité, l'humidité à travers le matériau lui-même contient des pores, des trous, des fissures et d'autres défauts se propageant à l'intérieur du matériau ; la diffusion de l'eau est lente et atteint progressivement la saturation à ce stade.
3. Les caractéristiques de destruction apparentes du panneau stratifié à 2 couches
À une vitesse d'impact de 86 m/s, la carte du profil de destruction apparente de l'échantillon, à l'avant et à l'arrière, est similaire à celle de l'échantillon sec à température ambiante et de l'échantillon humide à saturation chaude. Les deux échantillons impactés présentent un glissement dû aux fissures de fondation. La destruction le long de la première couche de fibres présente alors un certain glissement. L'avant prend alors une forme elliptique ou rectangulaire, et, outre la fissure du substrat, la rupture des fibres est visible. L'échantillon sec à température ambiante et l'échantillon humide à saturation chaude, à l'arrière, montre un renflement et une fissure cruciforme le long de la direction d'impact. Il est évident que la fracture des fibres, la fissuration de la base et la fracture inter-couches (stratification) sont trois formes de destruction. La dernière partie de la fibre est soulevée sans être rompue, seules les fissures de la base et de la fibre sont présentes. La fracture des fibres est également différente, comme le montre la comparaison des dommages frontaux et arrière. L'avant provoque la fracture des fibres et du substrat par compression et cisaillement. Le dos est dû à l'étirement qui a provoqué la rupture de la fibre et la stratification du substrat. La figure 4 illustre une vitesse de choc de 45 m/s, 68 m/s et 86 m/s lors du balayage C de l'échantillon pour les dommages internes. La zone indiquée par la ligne grise ronde approximative au centre de la figure correspond à la surface projetée du trou endommagé. La ligne noire au-dessus et en dessous de chaque petit graphique indique la zone de décollement du dos de l'échantillon. La zone marquée par la ligne blanche sur les figures (b), (d) et (f) correspond aux dommages internes de l'échantillon le long de la limite. Le graphique montre que l'énergie d'impact augmente avec la vitesse d'impact. La plaque laminée est capable d'absorber davantage d'énergie lors de l'impact (voir la figure 6 pour les valeurs spécifiques), ce qui entraîne une augmentation de la zone de projection des dommages du stratifié : en comparant l'échantillon sec à température ambiante avec l'image de l'échantillon saturé à chaud et humide, on constate qu'un dommage interne (ligne blanche) de l'échantillon se produit le long de la limite dans l'état de saturation à chaud et humide, principalement dû au processus d'absorption. La plastification du substrat de la plaque stratifiée et l'affaiblissement de l'interface fibre-base entraînent un effet de la limite sur la plaque stratifiée lors du processus d'impact. D'après la figure, la zone de pelage arrière (ligne noire) de l'échantillon à l'état sec ne diffère pas beaucoup de celle à l'état de saturation à chaud et humide.
3. Les caractéristiques destructives détaillées du panneau à 3 couches
La carte des caractéristiques de l'endommagement transversal de la plaque de jonction en PRFC, réalisée par microsystème 3D ultra-profond et miroir électronique à balayage, à une vitesse d'impact de 45 m/s, à sec, humide et chaud, montre que l'endommagement de l'échantillon dans les deux états comprend trois formes de destruction : rupture de fibre, fissuration de la base et rupture intercouche. Cependant, la base des deux échantillons est fissurée différemment. La fissuration du substrat à l'état sec se produit à la jonction entre la fibre et le substrat. Cependant, la fissuration du substrat après traitement thermique humide s'accompagne de la chute de fragments de substrat. La performance d'impact de la structure en PRFC et d'autres matériaux en environnement humide et chaud, ainsi que la dégradation de l'interface fibre-substrat, ont été déterminées conjointement. En environnement humide et chaud, la plaque de PRFC dans la base en résine absorbe une certaine quantité d'eau, ce qui entraîne la dissolution du substrat en résine. La fibre de carbone n'étant pas absorbante, une dilatation à l'état humide est nécessaire entre les deux. Cette différence fragilise l'interface entre le substrat et la fibre, réduisant ainsi la résistance du substrat. Sous l'effet de la charge d'impact, les fragments du substrat se détachent facilement, ce qui entraîne une différence par rapport à l'interface d'endommagement de l'échantillon à température ambiante sèche. La structure détaillée du miroir électrique scanné montre que la fissuration du corps de la tige-base humide et chaud est principalement due à une fissuration lâche due à la rupture par compression, tandis que la fissuration avant la chaleur humide est principalement fragile, et la fissure de cisaillement horizontale entre les couches est plus évidente. Le microscope optique de la figure montre que les formes de destruction diffèrent dans les deux cas, l'état sec étant une destruction par inter-coupe. Pour la destruction par coupe principalement, après la chaleur humide, pour la forme de destruction accompagnée d'une destruction stratifiée significative, la proportion de destruction stratifiée a augmenté. Ceci est illustré par le mécanisme de destruction et les caractéristiques d'absorption d'énergie. Mei Zhiyuan a proposé deux étapes d'invasion du projectile : l'étape de coupe et l'étape d'invasion continue. Français La zone A dans l'échantillon chaud et humide correspond à la destruction de l'étape d'intrusion par cisaillement, principalement parce que dans le processus d'impact, la plaque de stratification est comprimée et cisaillée, formant la déformation de destruction, la zone b correspond à la destruction de l'étape d'invasion continue. Cette étape est principalement due à la réduction de la vitesse d'intrusion du corps de la balle sous l'action de la composante de contrainte d'étirement de la couche fibreuse, et l'énergie est principalement convertie en énergie de déformation d'étirement de la fibre et en énergie de rupture intercouche (l 51), de sorte que la rupture de fibre el et la rupture de fibre précédente ne sont pas une ligne droite. Dans l'échantillon sec, ce phénomène n'est pas évident, et l'endommagement de la plaque est plus grave, la plaque de couche présentant un état de fissuration. 3. 4 Analyse de l'énergie d'absorption et de la zone de projection des trous endommagés La figure 5 montre la relation entre la température ambiante sèche et la saturation chaude et humide de la vitesse de lancement et la perte d'énergie du corps. À une vitesse incidente d'environ 45 m/s, la température ambiante sèche de la balle rebondit entièrement, donc non représentée sur la figure. Comme le montre la figure 7, lorsque le test est effectué sous saturation thermique humide, la perte d'énergie de la balle est importante et la capacité d'aspiration de l'échantillon après le traitement thermique humide augmente.
La figure 6 est un graphique de la zone de projection de la vitesse d'incidence du corps de balle et du trou endommagé de la couche CFRP (la ligne grise marque une partie de la figure 4), les figures complètes (4), (5), (6) peuvent être vues: (1) avec l'augmentation de la vitesse d'impact, la zone de projection du trou endommagé de la couche CFRP augmente; (2) la zone de projection du trou endommagé dans l'échantillon à température ambiante sèche est plus grande que celle de saturation chaude humide; (3) lorsque la vitesse d'impact est d'environ 45 m/s, la zone de projection du trou endommagé de la plaque laminée après traitement thermique humide est beaucoup plus grande que la zone de projection du trou endommagé de la plaque laminée à température ambiante sèche. La zone de projection du trou endommagé de l'échantillon de saturation thermique humide a augmenté de 85,1% et à une vitesse de choc d'environ 68 m/s, la plaque laminée dans un état de saturation humide et thermique a augmenté de 18,10%, la valeur d'absorption (figure 5) a augmenté de 15,65%; À une vitesse d'impact d'environ 88 m/s, la plaque laminée à l'état humide et de saturation thermique a été réduite de 9,25 %, la valeur d'absorption a encore augmenté de 12,45 %.
D'après les résultats de recherche de Yucheng Zhong et d'autres produits, l'absorption d'humidité des matériaux composites renforcés de fibres de carbone améliore la limite d'élasticité et la résistance aux chocs des plaques stratifiées. Cet article combine la surface projetée du trou endommagé de l'échantillon sec à température ambiante et de l'échantillon humide saturé à chaud (Figure 4, ligne grise). Le diagramme de relation entre la vitesse d'incidence du corps de balle et la surface projetée du trou endommagé de la couche CFRP, ainsi que l'endommagement stratifié de la plaque de jonction de la couche CFRP, peut être comparé lorsque la vitesse d'impact est identique et faible. La surface du trou endommagé de l'échantillon humide saturé à chaud est relativement importante. Cela est dû au fait que le traitement thermique humide provoque la plastification du substrat de la couche CFRP, affaiblissant l'interface fibre-substrat et les performances intercouches. Lors de l'impact, l'état de saturation thermique humide de l'échantillon se dilate et la proportion d'endommagement augmente. Français D'après Wu Yixuan et d'autres expériences, on sait que l'énergie d'impact dans la direction verticale du pavage est principalement absorbée par le substrat en résine, puis la plastification du substrat fait que l'échantillon de saturation humide et chaude absorbe plus d'énergie pendant le processus d'impact, améliore la résistance aux chocs et augmente la zone de projection du trou endommagé ; les dommages du stratifié CFRP n'ont pas été complètement étendus, l'impact est terminé, donc lorsque la vitesse d'impact est plus élevée, le traitement thermique humide sur la zone de projection des dommages du stratifié CFRP n'est plus grave, mais en raison de la plastification de la résine du substrat, la capacité d'absorption est encore augmentée.
4 Conclusions
(1) Avec l'augmentation de la vitesse d'impact, la surface projetée du trou endommagé du stratifié composite de résine époxy renforcée de fibres de carbone (PRFC) augmente, et le taux de croissance du trou endommagé 孑L dans l'échantillon à température ambiante sèche est plus élevé que celui sous saturation thermique humide. Grand: (2) Lorsque la vitesse d'impact est de 45 m/s, la surface de projection des dommages du stratifié PRFC dans l'état de saturation thermique humide est augmentée de 85,11%, lorsque la vitesse d'impact est de 68 m/s, la surface de projection des dommages du stratifié PRFC dans l'état de saturation thermique humide est augmentée de 18% par rapport au stratifié PRFC dans l'état de température ambiante sèche. 10%, la vitesse d'impact est de 86 m/s. La surface de projection des dommages du stratifié PRFC saturé en milieu humide est réduite de 9,9% par rapport au stratifié PRFC à température ambiante sèche. 25%; (3) Une fois que le stratifié cFRP est affecté par l'environnement chaud et humide, les performances intercouches du stratifié sont réduites, ce qui entraîne l'expansion de la zone de délaminage.
Date de publication : 24 juin 2019