1 Uvod
Epoksidni kompozit ojačan ugljičnim vlaknima (CFRP) ima mnoge prednosti kao što su niska gustoća, visoka specifična čvrstoća, visoka specifična krutost, otpornost na umor, otpornost na koroziju i dobra mehanička svojstva. Široko se koristi u zrakoplovstvu i drugim ekološki zahtjevnim konstrukcijama, vlažnoj toplini i udarcima. Utjecaj okolišnih čimbenika na materijale sve je očitiji. Posljednjih godina domaći i strani znanstvenici proveli su velik broj studija o učincima vrućeg i vlažnog okoliša na CFRP kompozite [1] i utjecaju udara na CFRP kompozite. Studija je otkrila da utjecaj vrućeg i vlažnog okoliša na CFRP kompozite uključuje plastifikaciju matrice [2, pucanje [31] i oslabljena svojstva međupovršine vlakna-matrica [2'3'5], savijanje CFRP kompozita s povećanjem vremena mokre toplinske obrade. Mehanička svojstva performansi [2, olovna i interlaminarna svojstva smicanja [2, 1] te statička vlačna svojstva [3'6'7] pokazala su silazni trend. Woldesenbet i sur. [8,9] proučavali su mehanička svojstva kompozita pri visokim brzinama deformacije nakon vlažne toplinske obrade i utvrdili da vruće i vlažno okruženje poboljšava udarnu čvrstoću kompozita. Otkriveno je da apsorpcija vlage kompozitnih materijala može poboljšati mehanička svojstva materijala pri udaru pod određenim uvjetima, što se prilično razlikuje od eksperimentalnih rezultata u kvazi-statičkim uvjetima. Trenutni glavni istraživački rad je utjecaj vlažne topline (uključujući uranjanje u vodu) na svojstva pri udaru pri maloj brzini kompozita od smole ojačane vlaknima. Pan Wenge i sur. [10] proučavali su svojstva kompresije dvodimenzionalnih tkanih laminata od stakloplastike/epoksida nakon udara pri maloj brzini na sobnoj temperaturi i u vrućim i vlažnim uvjetima (uranjanje u vodu na 65 °C). 4. Laminat u vrućem i vlažnom okruženju dobiva se nakon udara pri maloj brzini. Performanse kompresije su značajno smanjene. Karasek i sur. [1] proučavali su utjecaj vlage i temperature na udar grafitno/epoksidnih kompozita i dobili su ih u okruženjima niske temperature i sobne temperature. Vlažnost ima mali utjecaj na početnu energiju i apsorpciju energije oštećenja. Yucheng zhong i sur. [12,13] proveli su ispitivanje udara pri maloj brzini na kompozitnim laminatima nakon vlažne toplinske obrade. Zaključeno je da vruće i vlažno okruženje značajno smanjuje oštećenja laminata od udara. Poboljšajte otpornost laminata na udar. Krystyna i sur. [14] proučavali su udar kompozita aramid-staklena vlakna/epoksid pri maloj brzini nakon vlažne toplinske obrade (uranjanje u vodu na 70 °C) i dobili manje područje oštećenja od udara nakon vlažne toplinske obrade. To uzrokuje oštećenja od delaminacije unutar uzorka, koji apsorbira više energije tijekom udara i sprječava stvaranje delaminacije. Iz navedenog se može vidjeti da utjecaj vlažne toplinske okoline na oštećenja od udara kompozitnih materijala ima poticajni i slabeći učinak. Stoga su potrebna daljnja istraživanja i provjere. Što se tiče udara, Mei Zhiyuan i sur. [15] predložili su i uspostavili dvostupanjski (penetracija smicanjem i kontinuirana penetracija) model analize dinamike penetracije kompozitnih laminata ojačanih vlaknima pod udarom velikom brzinom. Guiping Zhao i sur. [16] provedena su istraživanja tri vrste različitih brzina (manja, jednaka i veća od balističke granične brzine) o performansama udara i oštećenjima uzorka nakon tri vrste laminata, ali nisu uključivali utjecaj vlažne toplinske okoline na oštećenja od udara. Na temelju gore navedene literature, srodna istraživanja o utjecaju vlažne i vruće okoline na kompozitne laminate ojačane vlaknima tek trebaju biti dalje istražena. U ovom radu proučavane su karakteristike oštećenja od udara mokrim toplinskim zasićenjem kompozitnih laminata od ugljičnih vlakana/epoksida u uvjetima vodene kupelji od 70 °C. Utjecaji vruće i vlažne okoline na karakteristike udarnog loma kompozita analizirani su usporedbom sa suhim uzorcima na sobnoj temperaturi. U eksperimentu su CFRP laminati udarani o CFRP laminate pri 45 m/s, 68 m/s i 86 m/s. Mjerena je brzina prije i poslije udara. Analiziran je utjecaj vruće i vlažne okoline na performanse apsorpcije energije laminata. Ultrazvučno c-skeniranje korišteno je za otkrivanje unutarnjih oštećenja laminata, a analiziran je utjecaj brzine udara na područje loma. Skenirajući elektronski mikroskop i ultra-dubinski trodimenzionalni mikroskopski sustav korišteni su za promatranje mezoskopskih karakteristika oštećenja uzorka, a oštećenje uzorka analizirano je vlažnim toplinskim okruženjem. Utjecaj značajki.
2 Eksperimentalni materijali i metode
2.1 Materijal i priprema
Kompozitni materijal od karbonskih vlakana epoksidne smole (T300/EMl 12), prethodno uranjanje osigurava Jiangsu Hengshen Co., Ltd., jednoslojna debljina prethodnog uranjanja od 0,137 mm s volumskim udjelom vlakana od 66%. Laminatna ploča postavljena je na pod sloja, dimenzija 115 mm x 115 mln. Koristi se postupak oblikovanja spremnika za vruće prešanje. Dijagram postupka stvrdnjavanja pripremljen postupkom prikazan je na slici 1. Prvo povisiti temperaturu stana sa sobne na 80 °C brzinom zagrijavanja od 1 do 3 °C/min, zatim držati toplim 30 minuta, zagrijati na 130 °C brzinom zagrijavanja od 13 °C/min, držati toplim 120 minuta, smanjiti na 60...0C konstantnom brzinom hlađenja, a zatim uklonite tlak i otpustite, i otpustite.
2. 2 Mokra toplinska obrada
Nakon pripreme uzorka, uzorak je toplinski obrađen mokrom metodom u skladu sa specifikacijom HB 7401-96.171 "Eksperimentalna metoda apsorpcije vlage u mokrom i vrućem okruženju kompozitnog sloja na bazi smole". Prvo se uzorak stavlja u termostatsku komoru za sušenje na 70 stupnjeva C. Redovito se važe vagom dok gubitak kvalitete uzorka ne bude stabilan na najviše 0,02%, a zabilježena vrijednost u tom trenutku je inženjerska suha masa G. Nakon sušenja, uzorak se stavlja u vodu na 70 stupnjeva C za toplinsku obradu mokrom metodom. Prema specifikaciji HB 7401, metoda navedena u točki 96 "mjerenje kvalitete uzorka svaki dan, zabilježena kao Gi, i bilježenje promjene apsorpcije vlage Mi. Izraz apsorpcije vlage uzorka CFRP laminata je:
Formula je detaljno opisana: Mi je apsorpcija vlage uzorka, Gi je kvaliteta nakon što uzorak apsorbira vlagu, g, go je kvaliteta uzorka u suhom stanju.
2. 3 Eksperimenti s udarom
Eksperiment udara velikom brzinom na CFRP laminatu proveden je na brzom zračnom topu promjera 15 mm. Uređaj za ispitivanje udarom velikom brzinom (vidi sliku 2) uključuje brzo zračno oružje, laserski uređaj za mjerenje brzine prije i poslije udara, tijelo metka, pričvršćivač za ugradnju uzorka (gornji desni kut slike 2) i sigurnosni uređaj za vraćanje tijela metka u prvobitno stanje. Tijelo metka je cilindrično metak s konusnom glavom (slika 2), a volumen metka je 24,32 g s promjerom 14,32 mm; brzina udara je 45 m/s (energija udara 46 J), 68 m/s (energija udara 70 J), 86 m/s (energija udara 90 J) pri udaru.
2. 4 Otkrivanje oštećenja uzoraka
Nakon što je izložena udaru, rubna ploča od karbonskih vlakana s epoksidnim kompozitnim laminatnim slojem koristi se za otkrivanje unutarnjeg oštećenja CFRP laminatne ploče uslijed udara, a područje projekcije područja oštećenja uslijed udara mjeri se softverom za analizu slike UTwim, a detaljne značajke poprečnog presjeka uništenja promatraju se skenirajućim elektronskim mikroskopom i 3D mikroskopskim sustavom s ultra-dubinskim poljem.
3 Rezultati i rasprave
3.1 Karakteristike apsorpcije vlage uzoraka
Ukupno 37,7 d, prosjek zasićene apsorpcije vlage iznosi 1,780%, s brzinom difuzije od 6,183 x 10,7 l/l²/s. Krivulja apsorpcije vlage uzorka CFRP laminata prikazana je na slici 3. Kao što se može vidjeti na slici 3, početna stopa rasta apsorpcije vlage uzorka je linearna, nakon linearne faze, stopa rasta apsorpcije vlage počinje opadati, dostižući stabilnu razinu nakon otprilike 23 d, a zasićenje apsorpcijom vlage postiže se nakon određenog vremena. Stoga, apsorpcija vlage uzorka odgovara dvofaznom načinu apsorpcije vlage: prva faza apsorpcije vlage posljedica je zajedničkog djelovanja temperature i vlage, vlaga kroz sam materijal sadrži pore, rupe, pukotine i druge nedostatke koji se šire unutar materijala; difuzija vode je spora i postupno doseže zasićenje u ovoj fazi.
3. Karakteristike prividnog uništavanja dvoslojne laminatne ploče
Brzina udara od 86 m/s kada se prednja i stražnja strana uzorka vide kao profil uništenja, na suhom uzorku na sobnoj temperaturi, oblik uništenja prednjeg dijela uzorka na mokroj i vrućoj bazi je sličniji. Dva uzorka pri udaru, zbog pukotina u osnovi, njihovo uništenje duž prvog sloja vlakana ima određeno klizanje. To uzrokuje da prednja strana poprimi eliptični ili pravokutni oblik, a osim što se može vidjeti pukotina u podlozi, mogu se vidjeti i lomovi vlakana. Na suhom uzorku na sobnoj temperaturi, na mokroj i vrućoj bazi, na stražnjoj strani uništenja može se vidjeti da stražnja strana duž smjera udara ima određeno ispupčenje i predstavlja pukotinu u obliku križa. Očito je da su lom vlakana, pucanje baze i lom međusloja (slojavanje) tri oblika uništenja, posljednji dio vlakana se podiže, ali se ne lomi, već samo slojevito i pucanje vlakana/baze. Lom vlakana je također različit, što se može vidjeti usporedbom prednjeg i stražnjeg oštećenja. Prednji dio uzrokuje lom vlakana i podloge zbog kompresije i smicanja. Stražnji dio uzrokuje lom vlakana zbog istezanja, što uzrokuje lom vlakana i slojevito nanošenje podloge. Slika 4 prikazuje brzinu udara od 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s kada uzorak skenira unutarnje oštećenje C. Područje označeno približnom okruglom sivom linijom u središtu slike je projicirano područje oštećenja. Crna linija iznad i ispod svakog malog grafikona označava područje za područje stražnjeg ljuštenja uzorka. Područje označeno bijelom linijom na slici (b) (d) (f) je unutarnje oštećenje uzorka duž granice. Grafikon pokazuje da se energija udara povećava s povećanjem brzine udara. Laminirana ploča može apsorbirati više energije tijekom udara (vidi sliku 6 za specifične vrijednosti), što rezultira povećanim područjem projekcije oštećenja laminata: usporedbom uzorka na suhoj sobnoj temperaturi sa slikom uzorka mokrog vrućeg zasićenja, može se vidjeti da postoji unutarnje oštećenje (bijela linija) uzorka nastalo duž granice u stanju mokrog-vrućeg zasićenja uzorka, uglavnom zbog procesa apsorpcije. Plastifikacija podloge u laminatnoj ploči i slabljenje spoja vlakna-baza uzrokuju da granica ima određeni učinak na laminatnu ploču tijekom procesa udara. Prema slici, područje stražnjeg ljuštenja (crna linija) uzorka u suhom stanju ne razlikuje se puno od stanja vlažnog vrućeg zasićenja.
3. Detaljne destruktivne značajke troslojne ploče
Karta značajki oštećenja presjeka spojne ploče CFRP sloja, snimljena ultra-dubinskim 3D mikrosustavom i skenirajućim elektronskim zrcalom, s brzinom udara od 45 m/s, suhim i mokrim i vrućim, pokazuje da oštećenje uzorka u oba stanja uključuje tri oblika uništenja: lom vlakana, pucanje baze i lom međusloja. Međutim, baza dvaju uzoraka puca različito. Pucanje podloge u suhom stanju pukne na spoju između vlakana i podloge. Međutim, pucanje podloge nakon vlažne toplinske obrade popraćeno je ispadanjem fragmenata podloge. Wold-esenbet i drugi materijali u vlažnom i vrućem okruženju udarne performanse strukture strukture i degradacije sučelja vlaknaste podloge zajednički su određeni. U vlažnom i vrućem okruženju, ploča CFRP sloja u bazi smole upija određenu količinu vode, a procjeđivanje vode uzrokovat će otapanje supstrata smole. Karbonska vlakna nisu upijajuća, stoga mora doći do vlažnog širenja između njih, što slabi sučelje između podloge i vlakana, smanjujući čvrstoću podloge. Prilikom udarnog opterećenja, fragmenti podloge lako ispadaju, što rezultira razlikom u odnosu na površinu oštećenja suhog uzorka na sobnoj temperaturi. Iz detaljne strukture skeniranog električnog zrcala može se vidjeti da je pucanje mokrog i vrućeg tijela postolja uglavnom labavo pucanje uzrokovano prešanjem, dok je pucanje prije mokre topline uglavnom krhko, a horizontalna pukotina smicanja između slojeva je očitija. Iz optičkog mikroskopa na slici može se vidjeti da su oblici uništenja različiti u dva slučaja, a suho stanje je uništenje po rezanju. Za uništavanje rezanjem uglavnom, nakon mokre topline za oblik uništenja popraćen značajnim slojevitim uništenjem, udio slojevitog uništenja se proširio. To se može vidjeti iz kuta mehanizma uništenja i karakteristika apsorpcije energije. Mei Zhiyuan je predložio dvije faze prodora projektila: fazu rezanja i fazu kontinuiranog prodora. Područje A u mokrom vrućem uzorku je faza uništenja u fazi prodora smicanjem, uglavnom zato što se u procesu udara ploča slojeva komprimira i smiče stvarajući deformaciju uništenja, područje b je faza uništenja u fazi kontinuiranog prodora. Ova faza je uglavnom posljedica smanjenja brzine prodiranja tijela zrna pod djelovanjem komponente naprezanja istezanja vlaknastog sloja, a energija se uglavnom pretvara u energiju istezanja vlakana i energiju loma međusloja (l 51), tako da prekid vlakana el i prethodni prekid vlakana nisu u ravnoj liniji. U suhom uzorku ovaj fenomen nije očit, a oštećenje ploče je ozbiljnije, ploča sloja ima stanje pucanja. 3. 4 Analiza energije apsorpcije i površine projekcije oštećene rupe Slika 5 prikazuje odnos između temperature suhe prostorije i vlažnog vrućeg zasićenja brzine lansiranja i gubitka energije tijela, pri brzini upada od oko 45 m/s, temperatura suhe prostorije zrna se odbija, pa nije prikazano na slici. Kao što se može vidjeti na slici 7, kada se ispitivanje provodi pod vlažnim toplinskim zasićenjem, gubitak energije zrna je značajan, a usisni kapacitet uzorka nakon vlažne toplinske obrade se povećava.
Slika 6 je grafički prikaz područja projekcije brzine upada tijela projektila i oštećene rupe CFRP sloja (siva linija označava dio slike 4), a detaljne slike (4), (5), (6) mogu se vidjeti: (1) s povećanjem brzine udara, područje projekcije oštećene rupe sloja CFRP se povećava; (2) Područje projekcije oštećene rupe u uzorku na suhoj sobnoj temperaturi veće je od područja mokrog vrućeg zasićenja; (3) kada je brzina udara oko 45 m/s, područje projekcije oštećene rupe laminirane ploče nakon mokre toplinske obrade mnogo je veće od područja projekcije oštećene rupe laminirane ploče u stanju suhe sobne temperature. Područje projekcije oštećenja l-rupe uzorka pri mokrom toplinskom zasićenju povećalo se za 85,1%, a pri brzini udara od oko 68 m/s, laminirana ploča u stanju mokrog i toplinskog zasićenja povećala se za 18,10%, a vrijednost apsorpcije (slika 5) povećala se za 15,65%; Pri brzini udara od oko 88 m/s, laminirana ploča u mokrom i termičkom stanju zasićenja smanjena je za 9,25%, a vrijednost apsorpcije i dalje se povećala za 12,45%.
Na temelju rezultata istraživanja tvrtke Yucheng Zhong i drugih proizvoda, apsorpcija vlage kompozitnih materijala ojačanih ugljičnim vlaknima poboljšava granicu elastičnosti i otpornost laminatne ploče na udar, te u ovom radu kombinira projiciranu površinu rupe s oštećenjem suhog uzorka na sobnoj temperaturi i uzorka u vlažnom vrućem zasićenju (slika 4 u sivoj liniji). Dijagram odnosa brzine upada metka u tijelo metka i površine projekcije rupe s oštećenjem CFRP sloja te slojevitog oštećenja spojne ploče CFRP sloja može se usporediti kada je brzina udara ista i niska. Površina oštećenja rupe u vlažnom vrućem zasićenju uzorka je relativno velika. To je zbog toga što vlažna toplinska obrada uzrokuje plastifikaciju podloge CFRP sloja, slabeći međupovršinu vlakana i podloge te performanse međusloja. Pri udaru, stanje vlažnog toplinskog zasićenja uzorka slojevito oštećenje se širi, a udio oštećenja se povećava. Na temelju Wu Yixuanovih i drugih eksperimenata poznato je da energiju udara u vertikalnom smjeru popločavanja uglavnom apsorbira smolna podloga, a plastifikacija podloge uzrokuje da mokri i vrući uzorak apsorbira više energije tijekom procesa udara, poboljšava otpornost na udar i povećava područje projekcije oštećene rupe; oštećenje CFRP laminata nije u potpunosti prošireno, udar je završen, pa kada je brzina udara veća, mokra toplinska obrada na području projekcije oštećenja CFRP laminata više nije ozbiljna, ali zbog plastifikacije smolne podloge, kapacitet apsorpcije je i dalje povećan.
4 Zaključci
(1) S povećanjem brzine udara, projicirana površina oštećenog otvora kompozita od epoksidne smole ojačane ugljičnim vlaknima (CFRP) se povećava, a brzina rasta oštećenog otvora 孑L u uzorku na suhoj sobnoj temperaturi je veća nego pri zasićenju vlažnom toplinom. Velika: (2) Kada je brzina udara 45 m/s, područje projekcije oštećenja CFRP laminata u stanju zasićenja vlažnom toplinom povećava se za 85,11%, kada je brzina udara 68 m/s, područje projekcije oštećenja CFRP laminata u stanju zasićenja vlažnom toplinom povećava se za 18% u usporedbi s CFRP laminatom u stanju zasićenja vlažnom toplinom, za 10%, brzina udara je 86 m/s. Područje projekcije oštećenja vlažno-zasićenog cFRP laminata smanjuje se za 9,9% u usporedbi s cFRP laminatom na suhoj sobnoj temperaturi, za 25%; (3) Nakon što je cFRP laminat izložen vrućem i vlažnom okruženju, međuslojne performanse laminata se smanjuju, što rezultira širenjem područja delaminacije.
Vrijeme objave: 24. lipnja 2019.