1 はじめに
炭素繊維強化エポキシ複合材（CFRP）は、低密度、高比強度、高比剛性、耐疲労性、耐腐食性、優れた機械的特性など、多くの利点があります。航空宇宙やその他の環境が厳しい構造、湿熱、衝撃に広く使用されています。環境要因が材料に与える影響はますます明らかになっています。近年、国内外の学者は、CFRP複合材に及ぼす高温多湿環境の影響[1]と衝撃がCFRP複合材に与える影響について、多数の研究を行っています。この研究では、高温多湿環境がCFRP複合材に及ぼす影響には、マトリックスの可塑化[2]、亀裂[31]と繊維 - マトリックス界面特性の弱化[2'3'5]、湿熱処理時間の増加に伴うCFRP複合材の曲げなどが含まれることがわかりました。性能の機械的特性[2、リードおよび層間せん断特性[2、1]、静的引張特性[3'6'7]は低下傾向を示しました。Woldesenbetら[2]。 [8,9]は、湿熱処理後の高ひずみ速度での複合材料の衝撃機械的特性を研究し、高温多湿環境が複合材料の衝撃強度を向上させることを明らかにしました。複合材料の吸湿により、特定の条件下では材料の衝撃機械的特性が向上することが明らかになりましたが、これは準静的条件下での実験結果とはまったく異なります。現在の主要な研究作業は、繊維強化樹脂マトリックス複合材料の低速衝撃特性に対する湿熱（水浸漬を含む）の影響です。 Pan Wengeら[10]は、室温および高温多湿条件（65℃水浸漬）での低速衝撃後の2次元織りグラスファイバー/エポキシ複合積層板の圧縮特性を研究しました。 4.高温多湿環境下の積層板は、低速衝撃後に得られます。圧縮性能は大幅に低下します。 Karasekら[1]は、湿度と温度がグラファイト/エポキシ複合材料の衝撃に及ぼす影響を研究し、低温および室温環境でそれらを得ました。湿度は、損傷の初期エネルギーおよびエネルギー吸収にほとんど影響を与えません。 Yucheng zhongら[12,13]は、湿熱処理後の複合積層板に対して低速衝撃試験を実施しました。高温多湿の環境は積層板の衝撃損傷を大幅に低減すると結論付けられています。積層板の耐衝撃性を向上させます。 Krystynaら[14]は、湿熱処理（70℃の水浸漬）後のアラミドガラス繊維/エポキシ複合材料の低速衝撃を研究し、湿熱処理後に衝撃損傷領域が小さくなることを得ました。これにより、サンプル内部に層間剥離損傷が発生し、衝突時により多くのエネルギーを吸収し、層間剥離の形成を抑制します。以上から、湿熱環境が複合材料の衝撃損傷に及ぼす影響には、促進効果と弱化効果があることがわかります。したがって、さらなる研究と検証が必要です。衝撃に関しては、Mei Zhiyuan ら [15] は高速衝撃を受ける繊維強化複合積層板の2段階（せん断貫入と連続貫入）貫入動力学解析モデルを提案し、確立しました。 Guiping Zhao ら [16] は、3種類の積層板の衝撃性能と試験片の損傷について、3種類の異なる速度（弾道限界速度未満、同等、および超）を実施しましたが、衝撃損傷に対する湿熱環境の影響は考慮していませんでした。 。 上記の文献に基づいて、繊維強化複合積層板に対する湿潤および高温環境の影響に関する関連研究はまださらに調査されていません。 本稿では、70℃の湯浴条件下での湿熱飽和炭素繊維/エポキシ複合積層板の衝撃損傷特性について研究しました。 高温多湿環境が複合材料の衝撃破壊特性に及ぼす影響を、乾燥した室温のサンプルと比較して分析しました。実験では、CFRP積層板に45 m/s、68 m/s、86 m/sの速度で衝突させ、衝突前後の速度を測定し、高温多湿環境が積層板のエネルギー吸収性能に及ぼす影響を分析した。超音波Cスキャンを用いて積層板の内部損傷を検出し、衝突速度が破壊領域に及ぼす影響を分析した。走査型電子顕微鏡と超深度3次元顕微鏡システムを用いてサンプル損傷のメソスコピック特性を観察し、サンプルの損傷を湿潤熱環境によって分析した。特徴の影響。
2 実験材料と方法
2. 1 材料と準備
炭素繊維エポキシ樹脂（T300/EM112）複合材料、江蘇省恒神有限公司提供、単層浸漬厚さ0.137mm、繊維体積率66%。ラミネートパネルを層の底に敷き詰めた。サイズは115mm×115mm。ホットプレスタンク成形プロセスを採用。図1に、このプロセスで作成した硬化プロセス図を示す。まず、室温から80℃まで1～3℃/分の加熱速度で昇温し、30分間保温した後、113℃/分の加熱速度で130℃まで昇温し、120分間保温した後、60℃まで冷却する。0一定の冷却速度で 100 C まで冷却し、その後圧力を除去して解放し、解放します。
2. 2 湿熱処理
試験片作製後、HB 7401-96.171規格「樹脂系複合材複合層の湿潤高温環境における吸湿試験方法」に従って湿熱処理を行った。まず、試験片を70℃の恒温乾燥室に入れて乾燥させる。試験片の品質低下が0.02%以下に安定するまで、定期的に天秤を用いて計量し、この時の記録値をエンジニアリング乾燥質量Gとする。乾燥後、試験片を70℃の水に浸して湿熱処理を行った。HB 7401規格96.171に規定されている方法は、「試験片の品質を毎日測定し、Giとして記録し、吸湿量Miの変化を記録する」というものである。CFRP積層試験片の吸湿量式は以下のとおりである。
式の詳細は次のとおりです：Mi は試験片の吸湿量、Gi は試験片が水分を吸収した後の品質、g、go は試験片工学の乾燥状態の品質です。
2. 3 衝突実験
直径15mmの高速空気砲を用いてCFRP積層板への高速衝撃実験を実施した。高速衝撃試験装置（図2参照）は、高速空気銃、衝突前後のレーザー速度測定装置、弾丸本体、試験片設置治具（図2右上）、および弾丸本体安全回収装置を含む。弾丸本体は円錐頭円筒形の弾丸（図2）であり、弾丸の体積は24.32g、直径は14.32mmである。衝突速度は45m/s（衝突エネルギー46J）、68m/s（衝突エネルギー70J）、86m/s（衝突エネルギー90J）の衝突である。
2.4 試験片の損傷検出
衝撃を受けた後、炭素繊維カラーエポキシ複合複合積層板エッジアウトプレートを使用してCFRP積層板の内部の衝撃損傷を検出し、画像解析ソフトウェアUTwimで衝撃損傷領域の投影面積を測定し、走査型電子顕微鏡と超被写界深度3D顕微鏡システムで断面破壊の詳細な特徴を観察します。
3 結果と考察
3. 1 試験片の吸湿特性
合計37.7日間で、飽和吸湿率の平均は1.780%、拡散速度は6.183x10.7lllnl2/sでした。図3にCFRP積層板試験片の吸湿曲線を示します。図3からわかるように、試験片の吸湿量の初期増加率は直線で、直線段階の後、吸湿量の増加率は低下し始め、約23日後に定常状態に達し、しばらく経つと吸湿飽和に達します。したがって、試験片の吸湿は2段階の吸湿モードに適合しています。吸湿の第1段階は、温度と湿度の共同作用によるもので、材料自体に含まれる気孔、穴、亀裂などの欠陥を通して水分が材料内部に広がります。この段階では、水の拡散は遅く、徐々に飽和に達します。
3. 2層ラミネートボードの見かけの破壊特性
衝突速度86m/sの試験片前面、背面の破壊プロファイル図を見ると、乾燥常温試験片では、湿潤熱飽和試験片の前面の破壊形状はより類似しており、衝突時の2つの試験片は、基礎の亀裂により、第一層の繊維に沿って破壊が一定の滑りを生じています。これにより、前面は楕円形または長方形になり、下地の亀裂が見られるほか、繊維が破断しているのが確認できます。乾燥常温試験片では、湿潤熱飽和試験片の背面の破壊形状から、衝撃方向に沿って背面が一定の膨らみを持ち、十字形の亀裂を呈していることがわかります。繊維の破断、基盤の亀裂、層間（層間）の破断（積層）の3つの破壊形態が明らかであり、最後の部分の繊維は持ち上がっていますが破断しておらず、層間と繊維/基礎の亀裂のみが見られます。前面と背面の損傷の比較から、繊維の破断にも違いが見られます。前面では、圧縮とせん断により繊維と基板が破損します。背面では、伸張により繊維が破断し、基板が層状になります。図4は、衝撃速度45 m/s、68 m/s、86 m/sのときに試験片の内部損傷Cをスキャンしたものです。図の中央のおおよその丸いl字型の灰色の線で示される領域は、損傷穴の投影領域です。各小さなチャートの上下の黒い線は、試験片の背面剥離領域の領域を示しています。図(b)(d)(f)の白い線でマークされた領域は、境界に沿った試験片の内部損傷です。グラフは、衝撃速度が増加するにつれて、衝撃エネルギーが増加することを示しています。積層板は衝撃時により多くのエネルギーを吸収することができ（具体的な数値は図6を参照）、その結果、積層板の損傷投影面積が増加します。乾燥した室温のサンプルと湿熱飽和試験片の写真を比較すると、試験片の湿熱飽和状態の境界に沿って試験片の内部損傷（白線）が発生していることがわかります。これは主に吸収プロセスによるものです。積層板内の基材の可塑化と繊維ベース界面の脆弱化により、衝撃プロセス中に境界が積層板に一定の影響を与えます。図によると、乾燥状態の試験片の背面剥離面積（黒線）は、湿熱飽和状態とそれほど変わりません。
3. 3層パネルの詳細な破壊特性
超深度3Dマイクロシステムと走査型電子ミラーを用いて、衝撃速度45m/s、乾湿熱の条件下で撮影したCFRP層接合板の断面損傷特徴図は、両状態における試験片の損傷が、繊維破断、基材の亀裂、層間破壊の3つの破壊形式を含んでいることを示している。しかし、2つの試験片の基材の亀裂の形態は異なっている。乾いた状態での基材の亀裂は、繊維と基材の接続部で亀裂が生じる。しかし、湿熱処理後の基材の亀裂は、基材の破片の脱落を伴っている。Wold-Esenbetなどの材料が湿潤高温環境で衝撃性能を構造と繊維基材の界面劣化と共同で判定したところ、湿潤高温環境では、CFRP層接合板が樹脂基材内で一定量の水分を吸収し、浸透した水が樹脂基材を溶解させる。炭素繊維は吸水性がないため、両者の間に湿潤膨張が生じます。この差によって基材と繊維の界面が弱まり、基材の強度が低下します。衝撃荷重を受けると、基材の破片が容易に脱落し、乾燥した室温のサンプルの損傷界面との差が生じます。走査型電子顕微鏡で観察された詳細な構造から、湿潤加熱後の基材の割れは主にプレス破壊による緩い割れであるのに対し、湿熱前の割れは主に脆性であり、層間の水平せん断割れがより顕著であることがわかります。図の光学顕微鏡から、2つのケースの破壊形態が異なり、乾燥状態はパーインターカッティング破壊であることがわかります。主にカッティング破壊であり、湿熱後の破壊形態は顕著な層状破壊を伴い、層状破壊の割合が増加します。これは、破壊機構とエネルギー吸収特性の角度から見て取れます。梅志遠は、弾丸の侵入をカッティング段階と連続侵入段階の2段階に分けました。湿熱サンプルのA領域はせん断侵入段階の破壊で、主に衝突過程で層板が圧縮されせん断されて破壊変形が形成されるためです。b領域は連続侵入段階の破壊です。この段階は主に繊維層の伸張応力成分の作用下で弾丸の侵入速度が低下し、エネルギーが主に繊維伸張ひずみエネルギーと層間破壊エネルギー（l 51）に変換されるため、繊維破断elと以前の繊維破断は直線になりません。乾燥サンプルでは、この現象は明らかではなく、プレートの損傷はより深刻で、層板は亀裂状態になります。 3. 4吸収エネルギーと損傷穴投影面積分析図5は、乾燥室温と湿熱飽和度の発射速度と体のエネルギー損失の関係を示しています。入射速度が約45 m / sの場合、乾燥室温の弾丸はすべて跳ね返るため、図には示されていません。図7からわかるように、湿熱飽和状態で試験すると弾丸のエネルギー損失が深刻になり、湿熱処理後のサンプルの吸引能力が増加します。
図6は、弾丸の入射速度とCFRP層の損傷穴の投影面積のグラフ図です（灰色の線は図4の一部を示しています）。図の（4）、（5）、（6）を総合すると、（1）衝撃速度が増加するにつれて、CFRP層の損傷穴の投影面積が増加します。（2）乾燥室温のサンプルの損傷穴の投影面積は、湿熱飽和の投影面積よりも大きいです。（3）衝撃速度が約45m / sのとき、湿熱処理後の積層板の損傷穴の投影面積は、乾燥室温状態の積層板の損傷穴の投影面積よりもはるかに大きくなります。湿熱飽和サンプルの損傷l穴投影面積は85.1％増加し、衝撃速度が約68m / sのとき、湿熱飽和状態の積層板は18.10％増加し、吸収値（図5）は15.65％増加しました。衝撃速度が約 88 m/s の場合、湿潤および熱飽和状態の積層板は 9.25% 減少しましたが、吸収値は依然として 12.45% 増加しました。
宇成鍾らの研究成果に基づき、炭素繊維強化複合材料の吸湿により積層板の弾性限界と耐衝撃性が向上し、本論文では乾燥常温試験片と湿熱飽和試験片のダメージホールの投影面積（図4の灰色の線）と弾丸入射速度とCFRP層ダメージホールの投影面積の関係図を示し、衝撃速度が同じで低い場合のCFRP層接合板の層状ダメージを比較することができる。湿熱飽和試験片のダメージホール面積は比較的大きい。これは、湿熱処理によってCFRP層基材が可塑化され、繊維と基材の界面および層間性能が弱まり、衝突時に試験片の湿熱飽和状態で層状ダメージが拡大し、ダメージの割合が増加するためである。呉易軒らの実験によれば、垂直方向の衝撃エネルギーは主に樹脂基材に吸収され、基材の可塑化により、湿熱飽和試験片は衝撃過程でより多くのエネルギーを吸収し、耐衝撃性が向上し、損傷穴の投影面積が増加する。CFRP積層板の損傷はまだ十分に拡大しておらず、衝撃は終了しているため、衝撃速度が速い場合、CFRP積層板の損傷投影面積に対する湿熱処理はもはや深刻ではないが、基材樹脂の可塑化により、吸収能力は依然として増加する。
4 結論
（1）衝撃速度の増加に伴い、炭素繊維強化エポキシ樹脂複合材（CFRP）積層板の損傷穴の投影面積が増加し、乾燥室温でのサンプルの損傷穴の成長率は湿熱飽和時のそれよりも高い。大きい：（2）衝撃速度が45m / sの場合、湿熱飽和状態のCFRP積層板の損傷投影面積は85.11％増加し、衝撃速度が68m / sの場合、湿熱飽和状態のCFRP積層板の損傷投影面積は、乾燥室温状態のCFRP積層板と比較して18％増加しました。 10％、衝突速度は86m / sです。湿潤飽和cFRP積層板の損傷投影面積は、乾燥室温cFRP積層板と比較して9.9％減少しました。 25％； （３）cFRP積層板が高温多湿環境の影響を受けると、積層板の層間性能が低下し、剥離面積が拡大する。
投稿日時: 2019年6月24日