1 Inngangur
Koltrefjastyrkt epoxy-samsett efni (CFRP) hefur marga kosti eins og lágan eðlisþyngd, mikinn sértækan styrk, mikla sértæka stífleika, þreytuþol, tæringarþol og góða vélræna eiginleika. Það er mikið notað í geimferðum og öðrum umhverfisvænum mannvirkjum, rakahita og höggþol. Áhrif umhverfisþátta á efni eru sífellt augljósari. Á undanförnum árum hafa innlendir og erlendir fræðimenn framkvæmt fjölda rannsókna á áhrifum heits og raks umhverfis á CFRP samsett efni [1] og áhrifum höggs á CFRP samsett efni. Rannsóknin leiddi í ljós að áhrif heits og raks umhverfis á CFRP samsett efni fela í sér mýkingu grunnefnisins [2, sprungur [31 og veikingu á tengifleti trefja og grunnefnis [2'3'5], beygju CFRP samsetts efnis með auknum blauthitameðferðartíma]. Vélrænir eiginleikar frammistöðu [2, blý- og millilagsklippueiginleikar [2, 1 og stöðug togþol [3'6'7] sýndu lækkandi þróun. Woldesenbet o.fl. [8,9] rannsökuðu höggvélræna eiginleika samsettra efna við mikla álagshraða eftir blauthitameðferð og komust að því að heitt og rakt umhverfi bætti höggþol samsettra efna. Það hefur komið í ljós að rakaupptaka samsettra efna getur bætt höggmekaníska eiginleika efnanna við ákveðnar aðstæður, sem er nokkuð frábrugðið tilraunaniðurstöðum við kvasístöðuaðstæður. Núverandi helsta rannsóknarvinna snýst um áhrif raks hita (þar með talið vatnsdýfingar) á lághraða höggeiginleika trefjastyrktra plastefnissamsetninga. Pan Wenge o.fl. [10] rannsökuðu þjöppunareiginleika tvívíðra ofinna trefjaplasts/epoxý samsetninga eftir lághraða högg við stofuhita og við heitar og rakar aðstæður (65°C vatnsdýfing). 4. Lagskiptingin fæst við heitt og rakt umhverfi eftir lághraða högg. Þjöppunargetan minnkar verulega. Karasek o.fl. [1] rannsökuðu áhrif raka og hitastigs á högg grafít/epoxý samsetninga og fengu þau við lágan hita og stofuhita. Rakastig hefur lítil áhrif á upphafsorku og orkuupptöku skemmda. Yucheng zhong o.fl. [12,13] framkvæmdu lághraða höggpróf á samsettum lagskiptum eftir blauta hitameðferð. Niðurstaðan er sú að heitt og rakt umhverfi dregur verulega úr höggskemmdum lagskiptingarinnar. Bæta höggþol lagskiptra efna. Krystyna o.fl. [14] rannsökuðu lághraða högg aramíð-glerþráða/epoxý samsettra efna eftir blauta hitameðferð (70°C vatnsdýfingu) og fengu minna höggskemmdasvæði eftir blauta hitameðferð. Þetta veldur skemmdum á skemmdum innan sýnisins, sem gleypir meiri orku við högg og hindrar myndun skemmda. Af ofangreindu má sjá að áhrif raks hitaumhverfis á höggskemmdir samsettra efna hafa bæði örvandi og veikjandi áhrif. Því er þörf á frekari rannsóknum og staðfestingum. Hvað varðar högg, lögðu Mei Zhiyuan o.fl. [15] til og komu á fót tveggja þrepa (klippigegndræpi og samfelld gegndræpi) greiningarlíkani fyrir gegndræpisgreiningu trefjastyrktra samsettra efna við háhraða högg. Guiping Zhao o.fl. [16] framkvæmdu þrjár gerðir af mismunandi hraða (minni en, jafnt og meiri en skothraði) á höggþoli og skemmdum sýnisins eftir þrjár gerðir af lagskiptum, en tóku ekki tillit til áhrifa raks hitaumhverfis á höggskemmdir. Byggt á ofangreindum heimildum hefur enn ekki verið fjallað nánar um tengdar rannsóknir á áhrifum raks og heits umhverfis á trefjastyrkt samsett lagskipti. Í þessari grein voru höggskemmdaeiginleikar rakra, hitamettaðra kolefnis-/epoxý samsettra lagskipta við 70°C vatnsbaðsaðstæður rannsakaðir. Áhrif heits og raks umhverfis á höggbrotaeiginleika samsettra efna voru greind með samanburði við þurr sýni við stofuhita. Í tilrauninni voru CFRP lagskipti tekin á CFRP lagskipti við 45 m/s, 68 m/s og 86 m/s. Hraðinn fyrir og eftir höggið var mældur. Áhrif heits og raks umhverfis á orkugleypni lagskiptanna voru greind. Ómskoðun með c-skönnun var notuð til að greina innri skemmdir á lagskiptinu og áhrif högghraðans á sprungna svæðið voru greind. Skannandi rafeindasmásjá og þrívítt smásjárkerfi með ofurdýptar-dýptar-dýpt voru notuð til að fylgjast með mesóskópískum eiginleikum skemmda sýnisins og skemmdir sýnisins voru greindar með raka, hita umhverfinu. Áhrif eiginleika.
2 Tilraunaefni og aðferðir
2. 1 Efni og undirbúningur
Kolefnis epoxy plastefni (T300/EMl 12) samsett efni, fordýfing frá Jiangsu Hengshen Co., Ltd., einlags fordýfing þykkt 0,137 mm með trefjarúmmálshlutfalli 66%. Lagskipt spjald er lagt á botn lagsins, stærð 115 mm x 115 ml. Mótunarferlið er notað í heitpressutanki. Skýringarmynd af herðingarferlinu sem útbúið er með ferlinu er sýnd á mynd 1. Fyrst er hitinn hækkaður úr stofuhita í 80°C við upphitunarhraða 1 til 3°C/mín., síðan haldið heitu í 30 mínútur, hitað í 130°C við upphitunarhraða 113°C/mín., haldið heitu í 120 mínútur, lækkað í 600C við stöðugan kælingarhraða, og síðan fjarlægja þrýstinginn og losa, og losa.
2. 2 Hitameðferð með blautum hita
Eftir undirbúning sýnisins var það blauthitað í samræmi við forskrift HB 7401-96.171 "Tilraunaaðferð til rakaupptöku úr plastefnisbundnu samsettu lagi í blautu og heitu umhverfi". Fyrst er sýnið sett í hitastilltan þurrkhólf við 70°C til þerris. Reglulega er vegið með vog þar til gæðatap sýnisins er stöðugt við ekki meira en 0,02%. Skráð gildi á þessum tímapunkti er verkfræðilegur þurrmassi G. Eftir þurrkun er sýnið sett í 70°C vatn til blauthitaðrar meðferðar. Samkvæmt forskrift HB 7401. Aðferðin sem tilgreind er í 96 "mælir gæði sýnisins á hverjum degi, skráð sem Gi, og skráir breytinguna á rakaupptöku Mi. Rakaupptökutjáning CFRP lagskipts sýnisins er:
Formúlan er ítarleg: Mi er rakagleypni sýnisins, Gi er gæðin eftir að sýnið hefur tekið í sig raka, g, go er þurrgæði sýnisins.
2. 3 Árekstrartilraunir
Tilraunin með háhraðaárekstri á CFRP plastfilmu var framkvæmd á háhraða loftbyssu með 15 mm þvermál. Háhraðaárekstrarprófunarbúnaðurinn (sjá mynd 2) inniheldur háhraða loftbyssu, leysigeislahraðamælingartæki fyrir og eftir árekstur, kúluhylki, uppsetningarbúnað fyrir sýnið (efst í hægra horninu á mynd 2) og öryggisbúnað til að endurheimta kúluhylkið. Kúluhylkið er keilulaga sívalningslaga kúla (mynd 2) og rúmmál kúlunnar er 24,32 g með 14,32 mm þvermál; árekstrarhraðinn er 45 m/s (árekstursorka 46 J), 68 m/s (árekstursorka 70 J), 86 m/s (árekstursorka 90 J) árekstrar.
2. 4 Skemmdargreining á sýnum
Eftir að hafa orðið fyrir áhrifum af höggi er brúnplata úr koltrefjalituðu epoxy samsettu lagskiptu lagi notuð til að greina innri höggskemmdir á CFRP lagskiptu plötunni, og vörpun svæðisins á höggskemmdasvæðinu er mælt með myndgreiningarhugbúnaðinum UTwim, og nákvæmar eiginleikar þversniðsskemmdarinnar eru skoðaðar með skannandi rafeindasmásjá og þrívíddarsmásjárkerfi með öfgafullri dýptarskerpu.
3 Niðurstöður og umræður
3. 1 Rakaupptökueiginleikar sýnanna
Eftir 37,7 daga er meðaltal mettaðrar rakaupptöku 1,780%, með dreifingarhraða upp á 6,183x10,7lllnl2/s. Rakaupptökukúrvan fyrir CFRP lagskipt sýnið er sýnd á mynd 3. Eins og sjá má á mynd 3 er upphaflegur vaxtarhraði rakaupptöku sýnisins línulegur. Eftir línulega stigið byrjar vaxtarhraði rakaupptökunnar að minnka, nær stöðugu ástandi eftir um það bil 23 daga og nær rakamettun eftir ákveðinn tíma. Þess vegna er rakaupptöku sýnisins í samræmi við tveggja þrepa rakaupptökuaðferð: fyrsta stig rakaupptökunnar er vegna sameiginlegrar áhrifa hitastigs og raka, raki í gegnum efnið sjálft inniheldur svitaholur, holur, sprungur og aðra galla sem dreifast inn í efnið. Vatnsdreifingin er hæg og nær smám saman mettun á þessu stigi.
3. Einkenni tveggja laga lagskiptrar plötunnar til að skemma útlit hennar
Árekstrarhraðinn er 86 m/s þegar framhlið og aftan á sýninu eru sýnið sýnilega skemmd. Miðað við þurrt sýni við stofuhita og blautt, heitt mettunarprófíl er lögun framhliðarinnar líkari því að eyðileggingin á framhliðinni á milli sýnanna sést frekar vegna sprungna í grunninum og eyðileggingarinnar á fyrsta lagi trefjanna. Þetta veldur því að framhliðin myndar sporöskjulaga eða rétthyrnda lögun og auk þess að sprungur í undirlaginu sjást trefjarnar brotna. Miðað við þurrt sýni við stofuhita og blautt, heitt mettunarpróf sést að bakhliðin er skemmd með ákveðinni bungu og krosslaga sprungu. Það er augljóst að trefjabrot, botnbrot og millilagabrot (lagskipti) eru þrjár tegundir eyðileggingar. Síðasti hluti trefjanna lyftist en brotnar ekki, aðeins lagskipti og sprungur í trefjum/grunni. Brot á trefjum eru einnig mismunandi, eins og sjá má við samanburð á fram- og aftanskemmdum. Framhliðin veldur brotum á trefjum og undirlagi vegna þjöppunar og skeringar. Bakhliðin veldur teygingu og brotum á trefjum og undirlagi. Mynd 4 sýnir högghraða upp á 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s þegar innri skemmdir á sýninu eru skannaðar. Svæðið sem er merkt með gráu línunni í miðju myndarinnar er varpað svæði skemmdaholunnar. Svarta línan fyrir ofan og neðan hvert lítið línurit gefur til kynna svæðið þar sem afturflettingarsvæðið á sýninu er að finna. Svæðið sem er merkt með hvítu línunni á mynd (b) (d) (f) er innri skemmdir á sýninu meðfram jaðrinum. Grafið sýnir að höggorkan eykst eftir því sem hraði höggsins eykst. Lagskipt plata getur tekið í sig meiri orku við högg (sjá mynd 6 fyrir nákvæm gildi), sem leiðir til aukins svæðis skemmda á lagskiptu efni: með því að bera saman þurrt sýni við stofuhita við myndina af blautu, heitu, mettuðu sýninu, má sjá að innri skemmdir (hvít lína) eru á sýninu meðfram jaðrinum í blautu, heitu mettuðu ástandi sýnisins, aðallega vegna frásogsferlisins. Mýking undirlagsins í lagskiptu plötunni og veiking á tengifleti trefja og grunns veldur því að mörkin hafa ákveðin áhrif á lagskiptu plötuna við höggið. Samkvæmt myndinni er bakflettingarsvæðið (svarta línan) á sýninu í þurru ástandi ekki mikið frábrugðið blautu heitu mettunarástandi.
3. Nákvæmar eyðileggingareiginleikar þriggja laga spjaldsins
Þversniðskort af skemmdum á CFRP laginu, tekið með ultra-dýpt 3D örkerfi og skönnunar rafeindaspegli, með árekstrarhraða 45 m/s, þurrt, blautt og heitt, sýnir að skemmdir á sýninu í báðum tilfellum fela í sér þrjár gerðir af skemmdum: trefjabrot, botnsprungur og millilagabrot. En botninn á þessum tveimur sýnum er sprunginn á mismunandi hátt. Sprungur í undirlaginu í þurru ástandi eru sprungnar við tenginguna milli trefjarinnar og undirlagsins. Hins vegar fylgja sprungur í undirlaginu eftir blauta hitameðferð því að brot úr undirlaginu detti út. Áhrifaeiginleikar Wold-esenbet og annarra efna í blautu og heitu umhverfi eru ákvörðuð sameiginlega, bæði hvað varðar árekstrargetu uppbyggingarinnar og niðurbrot á tengifleti trefjaundirlagsins. Í blautu og heitu umhverfi frásogast CFRP lagplatan í plastefnisgrunninum ákveðið magn af vatni, sem seytlar og veldur því að plastefnisundirlagið leysist upp. Kolefnistrefjar eru ekki gleypnar og því verður blaut útþensla á milli þeirra tveggja. Þessi munur veikir tengifletið milli undirlagsins og trefjarinnar og dregur úr styrk undirlagsins. Þegar undirlagsbrot verða fyrir höggi falla þau auðveldlega af, sem leiðir til mismunar á skemmdum á yfirborði sýnisins við þurrt stofuhita. Af nákvæmri uppbyggingu skannaðs rafspegils má sjá að sprungurnar í blautum og heitum grunnhluta eru aðallega lausar sprungur í pressunni, en sprungurnar fyrir blautan hita eru aðallega brothættar og lárétt klippisprunga milli laganna er augljósari. Af ljósasmásjánni á myndinni má sjá að eyðingarformin eru mismunandi í báðum tilvikum og í þurru ástandi er eyðilegging milli skurða. Til að skera aðallega eyðilegginguna, eftir blautan hita fyrir form eyðileggingar ásamt verulegri lagskiptu eyðileggingu, stækkar hlutfall lagskiptra eyðilegginga. Þetta má sjá út frá eyðingarhorninu og orkuupptökueiginleikum. Mei Zhiyuan setti fram tvö stig skotárásar: skurðstig og samfellda innrásarstig. A svæðið í blauta heita sýninu er eyðilegging klippiárásarstigsins, aðallega vegna þess að í höggferlinu er lagskiptingin þjappað og klippt og myndar eyðileggingaraflögun, b svæðið er eyðilegging samfelldra innrásarstigsins. Þetta stig er aðallega vegna þess að innrásarhraði kúlunnar minnkar undir áhrifum teygjuspennuþáttar trefjalagsins, og orkan breytist aðallega í teygjuorku trefjanna og brotorku milli laga (l 51), þannig að trefjabrotið el og fyrra trefjabrotið eru ekki í beinni línu. Í þurru sýninu er þetta fyrirbæri ekki augljóst og skemmdirnar á plötunni eru alvarlegri, lagplatan er með sprunguástand. 3. 4 Greining á frásogsorku og skemmdarholsvörpun Mynd 5 sýnir sambandið milli þurrs stofuhita og blauts heits mettunar á skothraða og orkutaps búksins. Við innfallshraða upp á um 45 m/s endurkastast öll kúluna við þurrt stofuhita, þannig að það er ekki sýnt á myndinni. Eins og sjá má á mynd 7, þegar prófið er prófað undir blautri hitamettun, er orkutap kúlunnar verulegt og soggeta sýnisins eykst eftir blauta hitameðferð.
Mynd 6 er grafísk skýringarmynd af vörpun flatarmáli áfallshraða kúlunnar og skemmdagatinu í CFRP laginu (gráa línan markar hluta af mynd 4). Á heildarmynd (4), (5), (6) má sjá: (1) með aukinni árekstrarhraða eykst vörpun flatarmál skemmdagatsins í CFRP laginu; (2) Vörpun flatarmál skemmdagatsins í sýninu við þurrt stofuhitastig er stærra en við blauta heita mettun; (3) þegar árekstrarhraðinn er um 45 m/s er vörpun flatarmál skemmdagatsins í lagskiptu plötunni eftir blauta hitameðferð mun stærra en vörpun flatarmál skemmdagatsins í lagskiptu plötunni við þurrt stofuhitastig. Vörpun flatarmál skemmdagatsins í blauta hitamettunarsýninu í L-laga plötunni jókst um 85,1% og við högghraða um 68 m/s jókst lagskiptu plötunni í blautu og hitamettuðu ástandi um 18,10%, frásogsgildið (mynd 5) jókst um 15,65%; Við árekstrarhraða upp á um 88 m/s minnkaði lagskipt plata í blautu og hitamettuðu ástandi um 9,25%, en frásogsgildið jókst samt sem áður um 12,45%.
Samkvæmt rannsóknarniðurstöðum Yucheng Zhong og annarra vara bætir rakaupptaka kolefnisþráðastyrktra samsettra efna teygjanleikamörk og höggþol lagskiptsplötunnar og sameinar varpað flatarmál skemmdagats í þurru sýninu við stofuhita og blautu heitmettunarsýninu í þessari grein (Mynd 4 í gráu línunni). Tengslin milli áfallshraða kúlunnar og vörpunarinnar á skemmdagatsinu í CFRP laginu og lagskipta skemmdirnar á CFRP laginu er hægt að bera saman þegar högghraðinn er sá sami og lágur. Flatarmál skemmdagats í blautu heitmettunarsýninu er tiltölulega stórt. Þetta er vegna þess að blauthitameðferðin mýkir undirlag CFRP lagsins, sem veikir tengiflöt trefjanna og undirlagsins og frammistöðu milli laga. Í höggi stækkar blauthitamettunarástand sýnisins og eykur hlutfall skemmdanna. Wu Yixuan og aðrar tilraunir vita að höggorkan í lóðréttri átt malbikunar er aðallega frásoguð af plastefninu undirlaginu. Mýking undirlagsins veldur því að blaut og heit mettunarsýnið gleypir meiri orku við höggið, bætir höggþol og eykur vörpunina á skemmdasvæðinu. Skemmdir á CFRP lagskiptingunni hafa ekki náð fullum tökum og höggið er lokið, þannig að þegar högghraðinn er meiri er blauthitameðferðin á skemmdasvæðinu á CFRP lagskiptingunni ekki lengur alvarleg, en vegna mýkingar plastefnisins undirlagsins eykst frásogsgetan enn.
4 Niðurstöður
(1) Með aukinni högghraða eykst útvarpað svæði skemmda gatsins í kolefnistrefjastyrktum epoxy plastefni samsettum (CFRP) lagskiptum og vaxtarhraði skemmda 孑L gatsins í sýninu við þurrt stofuhita er hærri en við raka hitamettun. Stórt: (2) Þegar högghraðinn er 45 m/s eykst útvarpssvæði skemmda CFRP lagskiptsins í raka hitamettunarástandi um 85,11%, þegar högghraðinn er 68 m/s eykst útvarpssvæði skemmda CFRP lagskiptsins í raka hitamettunarástandi um 18% samanborið við CFRP lagskiptið í þurru stofuhitaástandi. Við 10% er högghraðinn 86 m/s. Útvarpssvæði skemmda í blautu og mettuðu cFRP lagskipti minnkar um 9,9% samanborið við þurrt cFRP lagskipt við stofuhita. 25%; (3) Eftir að cFRP lagskiptið verður fyrir áhrifum af heitu og raka umhverfi minnkar millilagsvirkni lagskiptsins, sem leiðir til stækkunar á aflagningarsvæðinu.
Birtingartími: 24. júní 2019