1 Introdución
O composto epoxi reforzado con fibra de carbono (CFRP) ten moitas vantaxes, como baixa densidade, alta resistencia específica, alta rixidez específica, resistencia á fatiga, resistencia á corrosión e boas propiedades mecánicas. Úsase amplamente na industria aeroespacial e outras estruturas con ambientes agresivos, calor húmido e impactos. A influencia dos factores ambientais nos materiais é cada vez máis evidente. Nos últimos anos, estudosos nacionais e estranxeiros realizaron un gran número de estudos sobre os efectos do ambiente cálido e húmido nos compostos CFRP [1] e o impacto do impacto nos compostos CFRP. O estudo descubriu que a influencia do ambiente cálido e húmido nos compostos CFRP inclúe a plastificación da matriz [2, rachaduras [31] e propiedades debilitadas da interface fibra-matriz [2'3'5], flexión do composto CFRP co aumento do tempo de tratamento térmico húmido). As propiedades mecánicas do rendemento [2, propiedades de cizallamento interlaminar e de chumbo [2, 1] e propiedades de tracción estática [3'6'7] mostraron unha tendencia á baixa. Woldesenbet et al. [8,9] estudaron as propiedades mecánicas de impacto dos compostos a altas taxas de deformación despois do tratamento térmico húmido e obtiveron que o ambiente cálido e húmido melloraba a resistencia ao impacto dos compostos. Revélase que a absorción de humidade dos materiais compostos pode mellorar as propiedades mecánicas de impacto dos materiais en certas condicións, o que é bastante diferente dos resultados experimentais en condicións cuasiestáticas. O principal traballo de investigación actual é o efecto da calor húmida (incluída a inmersión en auga) nas propiedades de impacto a baixa velocidade dos compostos de matriz de resina reforzada con fibra. Pan Wenge et al. [10] estudaron as propiedades de compresión de laminados compostos de fibra de vidro/epoxi tecidos bidimensionais despois dun impacto a baixa velocidade a temperatura ambiente e en condicións cálidas e húmidas (inmersión en auga a 65 °C). 4. O laminado en ambiente cálido e húmido obtense despois dun choque a baixa velocidade. O rendemento de compresión redúcese significativamente. Karasek et al. [1] estudaron os efectos da humidade e a temperatura no impacto dos compostos de grafito/epoxi e obtívoos en ambientes de baixa temperatura e temperatura ambiente. A humidade ten pouco efecto na enerxía inicial e na absorción de enerxía do dano. Yucheng zhong et al. [12,13] realizaron unha proba de impacto a baixa velocidade en laminados compostos despois do tratamento térmico húmido. Conclúese que o ambiente cálido e húmido reduce significativamente o dano por impacto do laminado. Mellora a resistencia ao impacto dos laminados. Krystyna et al. [14] estudaron o impacto a baixa velocidade dun composto de aramida-fibra de vidro/epoxi despois do tratamento térmico húmido (inmersión en auga a 70 °C) e obtiveron unha área de dano por impacto máis pequena despois do tratamento térmico húmido. Isto provoca danos por delaminación dentro da mostra, que absorbe máis enerxía durante o impacto e inhibe a formación de delaminación. Do anterior pódese ver que a influencia do ambiente térmico húmido no dano por impacto dos materiais compostos ten un efecto promotor e un efecto debilitador. Polo tanto, necesítase máis investigación e verificación. En termos de impacto, Mei Zhiyuan et al. [15] propuxeron e estableceron un modelo de análise da dinámica de penetración en dúas etapas (penetración por cizallamento e penetración continua) de laminados compostos reforzados con fibra baixo impacto a alta velocidade. Guiping Zhao et al. [16] realizaron tres tipos de velocidades diferentes (menor, igual e maior que a velocidade límite balística) no rendemento do impacto e no dano da mostra despois de tres tipos de laminados, pero non incluíron o impacto do ambiente térmico húmido no dano por impacto. Baseándose na literatura anterior, a investigación relacionada sobre o impacto do ambiente húmido e quente nos laminados compostos reforzados con fibra aínda non se explorou máis. Neste artigo, estudáronse as características de dano por impacto de laminados compostos de fibra de carbono/epoxi saturados en calor húmido en condicións de baño de auga a 70 °C. Os efectos do ambiente quente e húmido nas características de falla por impacto dos compostos analizáronse en comparación con mostras secas a temperatura ambiente. No experimento, os laminados CFRP impactaron nos laminados CFRP a 45 m/s, 68 m/s e 86 m/s. Medíase a velocidade antes e despois do impacto. Analizouse a influencia do ambiente quente e húmido no rendemento de absorción de enerxía dos laminados. Utilizouse un C-scan ultrasónico para detectar o dano interno do laminado e analizouse a influencia da velocidade de impacto na área fracturada. Utilizáronse o microscopio electrónico de varrido e o sistema microscópico tridimensional de ultraprofundidade para observar as características mesoscópicas do dano da mostra e analizouse o dano da mostra mediante o ambiente de calor húmido. O impacto das características.
2 Materiais e métodos experimentais
2. 1 Material e preparación
Material composto de resina epoxi de fibra de carbono (T300/EMl 12), preinmersión subministrada por Jiangsu Hengshen Co., Ltd., cun grosor de preinmersión dunha soa capa de 0,137 mm cunha fracción volumétrica de fibra do 66 %. O panel laminado colócase sobre o chan da capa, tamaño 115 mm x 115 ml. Utilízase o proceso de conformado dun tanque de prensado en quente. O diagrama do proceso de curado preparado polo proceso móstrase na Figura 1. Primeiro, elevar a temperatura da vivenda desde a temperatura ambiente ata 80 °C a unha velocidade de quecemento de 1 a 3 °C/min, despois manter quente durante 30 minutos, quentar a 130 °C a unha velocidade de quecemento de 13 °C/min, manter quente a 120 minutos e reducir a 600C a unha velocidade de arrefriamento constante, e despois retirar a presión e liberar, e liberar.
2. 2 Tratamento térmico húmido
Despois da preparación da mostra, esta foi tratada térmicamente en húmido de acordo coa especificación HB 7401-96.171 "Método experimental de absorción de humidade en ambiente húmido e quente con capa composta a base de resina". En primeiro lugar, a mostra colócase nunha cámara de secado termostática a 70 graos C para secar. Pésase regularmente con balanzas ata que a perda de calidade da mostra sexa estable en non máis do 0,02 %, o valor rexistrado neste momento é a masa seca de enxeñaría G. Despois do secado, a mostra colócase en auga a 70 graos C para o tratamento térmico en húmido. Segundo a especificación HB 7401. O método especificado no 96 "mide a calidade da mostra todos os días, rexistrada como Gi, e rexistra o cambio de absorción de humidade Mi". A expresión de absorción de humidade da mostra laminada de CFRP é:
A fórmula está detallada: Mi é a absorción de humidade da mostra, Gi é a calidade despois de que a mostra absorba humidade, g, go é a calidade do estado seco da enxeñaría da mostra.
2. 3 Experimentos de impacto
O experimento de impacto de alta velocidade no laminado CFRP realizouse nun canón de aire de alta velocidade cun diámetro de 15 mm. O dispositivo de proba de impacto de alta velocidade (véxase a Figura 2) inclúe unha pistola de aire de alta velocidade, un dispositivo de medición da velocidade do láser antes e despois do impacto, un corpo da bala, un dispositivo de instalación da mostra (esquina superior dereita da Figura 2) e un dispositivo de recuperación de seguridade do corpo da bala. O corpo da bala é unha bala cilíndrica con cabeza cónica (Figura 2) e o volume da bala é de 24,32 g cun diámetro de 14,32 mm; a velocidade de impacto é de 45 m/s (enerxía de impacto 46 J), 68 m/s (enerxía de impacto 70 J) e 86 m/s (enerxía de impacto 90 J).
2. 4 Detección de danos nas mostras
Despois de ser afectada polo impacto, a placa de bordo da capa laminada de composto epoxi de cor de fibra de carbono úsase para detectar o dano por impacto interno da placa laminada CFRP, e a área de proxección da área de dano por impacto mídese co software de análise de imaxes UTwim, e as características detalladas da destrución da sección transversal obsérvanse mediante microscopio electrónico de varrido e sistema microscópico 3D de ultraprofundidade de campo.
3 Resultados e debates
3. 1 Características de absorción de humidade das mostras
Cun total de 37,7 días, a media de absorción de humidade saturada é de 1,780 %, cunha taxa de difusión de 6,183 x 10,7 lllnl2/s. A curva de absorción de humidade da mostra laminada de CFRP móstrase na Figura 3. Como se pode ver na Figura 3, a taxa de crecemento inicial da absorción de humidade da mostra é lineal; despois da etapa lineal, a taxa de crecemento da absorción de humidade comeza a diminuír, alcanzando un nivel de estado estacionario despois duns 23 días e alcanzando a saturación de absorción de humidade despois dun período de tempo. Polo tanto, a absorción de humidade da mostra axústase ao modo de absorción de humidade en dúas etapas: a primeira etapa de absorción de humidade débese á acción conxunta da temperatura e a humidade; a humidade a través do propio material contén poros, buratos, gretas e outros defectos que se espallan ao interior do material; a difusión da auga é lenta e alcanza gradualmente a saturación nesta etapa.
3. As características de destrución aparente do taboleiro laminado de dúas capas
Unha velocidade de impacto de 86 m/s cando a parte dianteira e traseira da mostra representan o mapa de perfil de destrución aparente. Mediante a mostra seca a temperatura ambiente e a saturación en húmido e quente, a forma da destrución frontal da mostra é máis semellante. As dúas mostras no impacto, debido ás fendas da cimentación, a súa destrución ao longo da primeira capa de fibra ten un certo deslizamento. Isto fai que a parte dianteira adopte unha forma elíptica ou rectangular e, ademais de poder ver a fenda no substrato, pódese ver a rotura das fibras. Mediante a mostra seca a temperatura ambiente e a saturación en húmido e quente na parte traseira da mostra, pódese ver que a forma destrutiva da parte traseira ao longo da dirección do impacto ten un certo abultamento e presenta unha fenda en forma de cruz. É obvio que a fractura da fibra, a fenda da base e a fractura intercapa (estratificación) son tres formas de destrución. A última parte da fibra levántase pero non se rompe, só se produce estratificación e fenda fibra/base. A fractura da fibra tamén é diferente, como se pode ver na comparación dos danos frontais e traseiros. A parte dianteira causa a fractura da fibra e do substrato debido á compresión e ao cizallamento. A parte traseira débese ao estiramento que fai que a fibra se rompa e se formen capas no substrato. A figura 4 mostra unha velocidade de choque de 45 m/s, 68 m/s e 86 m/s cando se escanea o dano interno da mostra en C. A área indicada pola liña gris redonda aproximada no centro da figura é a área proxectada do orificio dano. A liña negra enriba e debaixo de cada gráfico pequeno indica a área da área de desprendimento posterior da mostra. A área marcada na liña branca na figura (b) (d) (f) é o dano interno da mostra ao longo do límite. O gráfico mostra que a enerxía de impacto aumenta a medida que aumenta a velocidade do impacto. A placa laminada é capaz de absorber máis enerxía durante o impacto (véxase a figura 6 para os valores específicos), o que resulta nunha área crecente de proxección de dano laminado: ao comparar a mostra seca a temperatura ambiente coa imaxe da mostra de saturación húmida e quente, pódese ver que hai danos internos (liña branca) da mostra producidos ao longo do límite no estado de saturación húmida-quente da mostra, principalmente debido ao proceso de absorción. A plastificación do substrato na placa laminada e o debilitamento da interface fibra-base provocan que o límite teña un certo efecto na placa laminada durante o proceso de impacto. Segundo a figura, a área de desprendimento posterior (liña negra) da mostra en estado seco non é moi diferente do estado de saturación húmido e quente.
3. As características destrutivas detalladas do panel de 3 capas
O mapa de características de danos en sección transversal da placa de unión da capa de CFRP, tomado polo microsistema 3D de ultraprofundidade e o espello electrónico de varrido, cunha velocidade de impacto de 45 m/s, seco, húmido e quente, mostra que o dano da mostra en ambos estados inclúe tres formas de destrución: fractura da fibra, fisura da base e fractura entre capas. Pero a base das dúas mostras está rachada de xeito diferente. A fisura do substrato en estado seco está rachada na conexión entre a fibra e o substrato. Non obstante, a fisura do substrato despois do tratamento térmico húmido vai acompañada da caída de fragmentos do substrato. O rendemento de impacto da estrutura e a degradación da interface do substrato de fibra en ambientes húmidos e quentes determinan conxuntamente o rendemento da estrutura e outros materiais en ambientes húmidos e quentes. No ambiente húmido e quente, a placa de capa de CFRP na base de resina experimenta a absorción dunha certa cantidade de auga, o que fai que a auga se filtre e disolva o substrato de resina. A fibra de carbono non é absorbente, polo que debe haber expansión húmida entre as dúas, o que debilita a interface entre o substrato e a fibra, o que reduce a resistencia do substrato. Cando se someten á carga de impacto, os fragmentos do substrato caen facilmente, o que resulta nunha diferenza na interface de danos da mostra a temperatura ambiente seca. A partir da estrutura detallada do espello eléctrico escaneado, pódese ver que a fenda do corpo da base do poste húmido e quente é principalmente a fenda solta da rotura da prensa, mentres que a fenda antes da calor húmido é principalmente fráxil, e a fenda de cizallamento horizontal entre as capas é máis obvia. A partir do microscopio óptico da figura, pódese ver que as formas de destrución son diferentes nos dous casos, e o estado seco é destrución por corte intermedio. Para cortar a destrución principalmente, despois da calor húmido para a forma de destrución acompañada dunha destrución significativa en capas, a proporción de destrución en capas expandiuse. Pódese ver desde o ángulo do mecanismo de destrución e as características de absorción de enerxía. Mei Zhiyuan propuxo dúas etapas da invasión do proxectil: a etapa de corte e a etapa de invasión continua. A área A na mostra húmido e quente é a destrución da etapa de intrusión de cizallamento, principalmente porque no proceso de impacto, a placa de capas é comprimida e cizallada a formación da deformación de destrución, a área b é a destrución da etapa de invasión continua. Esta etapa débese principalmente á redución da velocidade de intrusión do corpo da bala baixo a acción do compoñente de tensión de estiramento da capa fibrosa, e a enerxía convértese principalmente na enerxía de deformación de estiramento da fibra e na enerxía de fractura da intercapa (l 51), de xeito que a rotura da fibra el e a rotura da fibra anterior non están en liña recta. Na mostra seca, este fenómeno non é obvio e o dano da placa é máis grave, a placa da capa ten un estado de rachadura. 3. 4 Enerxía de absorción e análise da área de proxección do burato de dano A figura 5 mostra a relación entre a temperatura ambiente seca e a saturación en quente húmido da velocidade de lanzamento e a perda de enerxía do corpo, a unha velocidade de incidencia duns 45 m/s, a temperatura ambiente seca da bala rebota todo, polo que non se mostra na figura. Como se pode ver na figura 7, cando a proba se realiza baixo saturación térmica húmida, a perda de enerxía da bala é importante e a capacidade de succión da mostra despois do tratamento térmico húmido aumenta.
A figura 6 é un diagrama gráfico da área de proxección da velocidade de incidencia do corpo da bala e o burato de dano da capa de CFRP (a liña gris marca parte da figura 4), pódense ver as figuras completas (4), (5) e (6): (1) co aumento da velocidade de impacto, a área de proxección do burato de dano da capa de CFRP aumenta; (2) a área de proxección do burato de dano na mostra a temperatura ambiente seca é maior que a da saturación en quente e húmido; (3) cando a velocidade de impacto é duns 45 m/s, a área de proxección do burato de dano da placa laminada despois do tratamento térmico húmido é moito maior que a área de proxección do burato de dano da placa laminada no estado de temperatura ambiente seca. A área de proxección do burato en L de dano da mostra de saturación térmica húmida aumentou nun 85,1 % e a unha velocidade de choque duns 68 m/s, a placa laminada nun estado de saturación húmida e térmica aumentou nun 18,10 %, o valor de absorción (figura 5) aumentou nun 15,65 %; A unha velocidade de impacto duns 88 m/s, a placa laminada no estado de saturación húmida e térmica reduciuse nun 9,25 %, mentres que o valor de absorción aínda aumentou nun 12,45 %.
Baseándose nos resultados da investigación de Yucheng Zhong e outros produtos, a absorción de humidade dos materiais compostos reforzados con fibra de carbono mellora o límite elástico e a resistencia ao impacto da placa laminada e combina a área proxectada do orificio de dano da mostra a temperatura ambiente seca e a mostra de saturación en quente e húmido neste artigo (Figura 4 na liña gris). O diagrama de relación coa velocidade de incidencia do corpo da bala e a área de proxección do orificio de dano da capa CFRP, e o dano en capas da placa de unión da capa CFRP pódense comparar cando a velocidade de impacto é a mesma e baixa. A área do orificio de dano da mostra de saturación en quente e húmido é relativamente grande. Isto débese a que o tratamento térmico húmido fai que o substrato da capa CFRP se plastifice, debilitando a interface da fibra e o substrato e o rendemento da capa intermedia, no impacto, o estado de saturación en calor húmido da expansión do dano en capas da mostra, a proporción de dano aumenta. Segundo os experimentos de Wu Yixuan e outros, sabemos que a enerxía de impacto na dirección da pavimentación vertical é absorbida principalmente polo substrato de resina. A plastificación do substrato fai que a mostra de saturación húmida e quente absorba máis enerxía durante o proceso de impacto, o que mellora a resistencia ao impacto e aumenta a área de proxección do orificio de dano. O dano do laminado CFRP non se estendeu completamente e o impacto rematou, polo que cando a velocidade de impacto é maior, o tratamento térmico húmido na área de proxección do dano do laminado CFRP xa non é grave, pero debido á plastificación da resina do substrato, a capacidade de absorción aínda aumenta.
4 Conclusións
(1) Co aumento da velocidade de impacto, a área proxectada do orificio de dano do laminado composto de resina epoxi reforzada con fibra de carbono (CFRP) aumenta, e a taxa de crecemento do orificio de dano 孑L na mostra a temperatura ambiente seca é maior que a saturación de calor húmido. Grande: (2) Cando a velocidade de impacto é de 45 m/s, a área de proxección de dano do laminado CFRP no estado de saturación de calor húmido aumenta nun 85,11 %, cando a velocidade de impacto é de 68 m/s, a área de proxección de dano do laminado CFRP no estado de saturación de calor húmido aumenta nun 18 % en comparación co laminado CFRP no estado de temperatura ambiente seca. 10 %, a velocidade de impacto é de 86 m/s. A área de proxección de dano do laminado cFRP húmido-saturado redúcese nun 9,9 % en comparación co laminado cFRP a temperatura ambiente seca. 25 %; (3) Despois de que o laminado cFRP se vexa afectado polo ambiente cálido e húmido, o rendemento da capa intermedia do laminado redúcese, o que resulta na expansión da área de delaminación.
Data de publicación: 24 de xuño de 2019