1 서론
탄소 섬유 강화 에폭시 복합재(CFRP)는 낮은 밀도, 높은 비강도, 높은 비강성, 피로 저항성, 내식성 및 우수한 기계적 특성과 같은 많은 장점을 가지고 있습니다. 그것은 항공우주 및 기타 환경적으로 가혹한 구조물, 습기, 열 및 충격에 널리 사용됩니다. 재료에 대한 환경 요인의 영향은 점점 더 분명해지고 있습니다. 최근 몇 년 동안 국내외 학자들은 CFRP 복합재에 대한 고온 다습한 환경의 영향[1]과 CFRP 복합재에 대한 충격의 영향에 대한 많은 연구를 수행했습니다. 이 연구는 고온 다습한 환경이 CFRP 복합재에 미치는 영향에는 매트릭스의 가소화[2], 균열[31] 및 약화된 섬유-매트릭스 계면 특성[2'3'5], 습열 처리 시간 증가에 따른 CFRP 복합재 굽힘이 포함됨을 발견했습니다. 성능[2], 납 및 층간 전단 특성[2, 1] 및 정적 인장 특성[3'6'7]의 기계적 특성은 감소 추세를 보였습니다. Woldesenbet et al. [8,9]는 습열 처리 후 높은 변형률 속도에서 복합재의 충격 기계적 성질을 연구했으며, 고온 다습한 환경이 복합재의 충격 강도를 향상시킨다는 것을 얻었습니다. 복합재의 수분 흡수는 특정 조건에서 재료의 충격 기계적 성질을 향상시킬 수 있으며, 이는 준정적 조건에서의 실험 결과와는 상당히 다릅니다. 현재 주요 연구 작업은 섬유 강화 수지 매트릭스 복합재의 저속 충격 성질에 대한 습열(물 침지 포함)의 영향입니다. Pan Wenge et al.[10]은 실온 및 고온 다습 조건(65°C 물 침지)에서 저속 충격 후 2차원 직조 유리 섬유/에폭시 복합재 적층판의 압축 성질을 연구했습니다. 4. 고온 다습한 환경에서 적층판은 저속 충격 후 얻어집니다. 압축 성능이 크게 감소합니다. Karasek et al.[1]은 습도와 온도가 흑연/에폭시 복합재의 충격에 미치는 영향을 연구했으며, 저온 및 실온 환경에서 이를 얻었습니다. 습도는 손상의 초기 에너지와 에너지 흡수에 거의 영향을 미치지 않습니다. 영어: Yucheng zhong et al [12,13]은 습식 열처리 후 복합 적층판에 대한 저속 충격 시험을 수행했습니다. 뜨겁고 습한 환경이 적층판의 충격 손상을 크게 줄이는 것으로 결론지었습니다. 적층판의 충격 저항성을 개선합니다. Krystyna et al. [14]은 습식 열처리(70°C 물 침지) 후 아라미드-유리 섬유/에폭시 복합판의 저속 충격을 연구했으며 습식 열처리 후 더 작은 충격 손상 영역을 얻었습니다. 이로 인해 샘플 내부에 박리 손상이 발생하여 충격 중 더 많은 에너지를 흡수하고 박리 형성을 억제합니다. 위에서 알 수 있듯이 복합 재료의 충격 손상에 대한 습열 환경의 영향은 촉진 효과와 약화 효과가 있습니다. 따라서 추가 연구와 검증이 필요합니다. 충격 측면에서 Mei Zhiyuan et al [15]은 고속 충격을 받는 섬유 강화 복합 적층판의 2단계(전단 관통 및 연속 관통) 관통 동역학 해석 모델을 제안하고 확립했습니다. Guiping Zhao et al. [16]은 세 종류의 적층 후 시편의 충격 성능 및 손상에 대해 세 가지 종류의 다른 속도(탄도 한계 속도 미만, 동일, 초과)를 수행했지만 충격 손상에 대한 습열 환경의 영향을 포함하지 않았습니다. 위의 문헌을 바탕으로 섬유 강화 복합 적층판에 대한 습열 및 고온 환경의 영향에 대한 관련 연구는 아직 더 탐구되지 않았습니다. 이 논문에서는 70°C 수조 조건에서 습열 포화 탄소 섬유/에폭시 복합 적층판의 충격 손상 특성을 연구했습니다. 고온 및 습한 환경이 복합재의 충격 파괴 특성에 미치는 영향은 건조한 실온 샘플과 비교하여 분석했습니다. 실험에서 CFRP 적층판은 45m/s, 68m/s 및 86m/s로 CFRP 적층판에 충격을 가했습니다. 충격 전후의 속도를 측정했습니다. 적층판의 에너지 흡수 성능에 대한 고온 및 습한 환경의 영향을 분석했습니다. 초음파 C-스캔을 이용하여 적층판의 내부 손상을 검출하고, 충격 속도가 파단 부위에 미치는 영향을 분석했습니다. 주사전자현미경과 초심도-심도 3차원 현미경 시스템을 이용하여 샘플 손상의 메조스코픽 특성을 관찰하고, 습열 환경에 따른 샘플 손상을 분석했습니다. 특징의 영향.
2 실험재료 및 방법
2. 1 재료 및 준비
탄소 섬유 에폭시 수지(T300/EM112) 복합 재료는 Jiangsu Hengshen Co., Ltd.에서 제공하는 사전 침지 방식으로, 두께 0.137mm의 단일 층으로 섬유 부피율이 66%입니다. 적층 패널은 층 바닥에 놓입니다. 크기는 115mm x 115ml입니다. 성형 공정은 핫프레스 탱크를 사용합니다. 이 공정으로 작성된 경화 공정도는 그림 1에 나와 있습니다. 먼저 1~3°C/분의 가열 속도로 실온에서 80°C까지 가열한 후 30분간 보온합니다. 113°C/분의 가열 속도로 130°C까지 가열하고, 120분간 보온한 후 60°C로 낮춥니다.0C에서 일정한 냉각 속도로 가열한 후 압력을 제거하고 방출한 후 방출합니다.
2. 2 습열처리
시편 준비 후, HB 7401-96.171 "수지 기반 복합재층 습열 환경 수분 흡수 실험 방법" 규격에 따라 습열 처리를 실시했습니다. 먼저, 시편을 70°C의 항온 건조실에 넣어 건조합니다. 저울을 사용하여 시편의 품질 손실이 0.02% 이하로 안정될 때까지 정기적으로 무게를 측정합니다. 이때의 측정값을 공학 건조 질량(Engineering Dry Mass, G)이라고 합니다. 건조 후, 시편을 70°C의 물에 넣어 습열 처리를 실시합니다. HB 7401 규격에 따라, 96에 명시된 방법은 "매일 시편의 품질을 측정하여 Gi로 기록하고, 수분 흡수량(Mi)의 변화를 기록합니다."입니다. CFRP 라미네이트 시편의 수분 흡수율은 다음과 같습니다.
공식은 다음과 같습니다. Mi는 시편의 수분 흡수율, Gi는 샘플이 수분을 흡수한 후의 품질, g, go는 시편 엔지니어링의 건조 상태 품질입니다.
2. 3 충격 실험
CFRP 적층판에 대한 고속 충격 실험은 직경 15mm의 고속 에어캐논을 이용하여 수행되었다. 고속 충격 시험 장치(그림 2 참조)는 고속 에어건, 충격 전후 레이저 속도 측정 장치, 탄자체, 시편 장착 고정 장치(그림 2 오른쪽 상단), 그리고 탄자체 안전 회수 장치로 구성된다. 탄자체는 원뿔형 원통형 탄자(그림 2)이며, 탄자의 부피는 24.32g이고 직경은 14.32mm이다. 충격 속도는 45m/s(충격 에너지 46J), 68m/s(충격 에너지 70J), 86m/s(충격 에너지 90J)이다.
2. 4 시편 손상 검출
탄소섬유 컬러 에폭시 복합 적층판 에지아웃 플레이트는 충격이 가해진 후, CFRP 적층판의 내부 충격 손상을 검출하는데 사용되며, 충격 손상 영역의 투영 면적은 이미지 분석 소프트웨어 UTwim으로 측정되고, 단면 파괴의 세부적인 특징은 주사 전자 현미경과 초심도 시야 3D 현미경 시스템으로 관찰됩니다.
3 결과 및 논의
3. 1 시편의 수분흡수 특성
총 37.7일, 포화 수분 흡수율의 평균은 1.780%이고 확산 속도는 6.183x10.7lllnl2/s입니다.CFRP 적층 시편의 수분 흡수 곡선은 그림 3에 나와 있습니다.그림 3에서 볼 수 있듯이 시편의 수분 흡수의 초기 성장률은 선형이며 선형 단계 이후 수분 흡수 성장률이 감소하기 시작하여 약 23일 후 정상 상태 수준에 도달하고 일정 기간 후 수분 흡수 포화에 도달합니다.따라서 시편의 수분 흡수는 2단계 수분 흡수 모드를 따릅니다.수분 흡수의 첫 번째 단계는 온도와 습도의 공동 작용으로 인한 것이며, 재료 자체를 통한 수분에는 기공, 구멍, 균열 및 기타 결함이 재료 내부로 퍼집니다.물 확산은 느리고 이 단계에서 점차 포화에 도달합니다.
3. 2층 적층판의 외관 파괴 특성
충격 속도가 86m/s일 때, 시편 앞면과 뒷면의 외관 파괴 단면을 보면, 건조 실온 시편과 습열 포화 시편의 앞면 파괴 형태가 더 유사합니다. 두 시편 모두 충격 시 기초 균열로 인해 섬유의 첫 번째 층을 따라 파괴가 발생하여 미끄러짐 현상이 나타납니다. 이로 인해 앞면이 타원형 또는 직사각형 모양을 띠게 되며, 모재의 균열뿐만 아니라 섬유의 파단도 관찰됩니다. 건조 실온 시편과 습열 포화 시편의 뒷면 파괴 형태를 보면, 충격 방향을 따라 뒷면이 일정한 돌출부와 십자형 균열을 보입니다. 섬유 파단, 기저부 균열, 층상 균열(층상)의 세 가지 파괴 형태가 분명하게 나타납니다. 섬유의 마지막 부분은 들뜨지만 파단되지 않고 층상 균열과 섬유/기저부 균열만 나타납니다. 섬유 파단 또한 앞면과 뒷면 손상을 비교해보면 차이가 있습니다. 앞면은 압축과 전단으로 인해 섬유와 기질의 파단을 유발합니다. 뒷면은 늘어짐으로 인해 섬유가 끊어지고 기질을 겹치게 합니다. 그림 4는 시편 내부 손상 C를 스캔할 때 충격 속도가 45m/s, 68m/s, 86m/s입니다. 그림 중앙의 대략적인 둥근 회색 선 l로 표시된 영역은 손상 구멍의 투영 면적입니다. 각 작은 차트 위아래의 검은색 선은 시편의 뒷면 벗겨짐 영역에 대한 영역을 나타냅니다. 그림 (b) (d) (f)에서 흰색 선으로 표시된 영역은 경계를 따라 시편의 내부 손상입니다. 그래프는 충격 속도가 증가함에 따라 충격 에너지가 증가함을 보여줍니다. 적층판은 충격 동안 더 많은 에너지를 흡수할 수 있습니다(구체적인 값은 그림 6 참조).그 결과 적층판 손상 투영 영역이 증가합니다.건조 실온 샘플과 습열 포화 시편의 사진을 비교하면 시편의 습열 포화 상태에서 경계를 따라 생성된 시편의 내부 손상(흰색 선)이 있음을 알 수 있으며, 이는 주로 흡수 과정 때문입니다.적층판에서 기판의 가소화와 섬유-베이스 계면의 약화로 인해 경계가 충격 과정 동안 적층판에 일정한 영향을 미칩니다.그림에 따르면 건조 상태에서 시편의 뒷면 벗겨짐 영역(검은색 선)은 습열 포화 상태와 크게 다르지 않습니다.
3. 3층 패널의 세부적인 파괴 특성
초고층 3D 마이크로시스템과 주사전자거울을 이용하여 45m/s의 충격 속도로 건식, 습식, 고온 조건에서 촬영한 CFRP 층 접합판의 단면 손상 특징 지도는 두 상태 모두에서 시편의 손상이 섬유 파단, 기저부 균열, 층간 파단의 세 가지 파괴 형태를 포함함을 보여줍니다. 그러나 두 시편의 기저부 균열은 서로 다릅니다. 건조 상태에서 기판의 균열은 섬유와 기판 사이의 연결 부분에서 발생합니다. 그러나 습열처리 후 기판의 균열은 기판 파편의 낙하를 동반합니다. 습식 및 고온 환경에서의 Wold-esenbet 및 기타 재료의 구조적 충격 성능과 섬유 기판 계면 열화는 습식 및 고온 환경에서 수지 기판의 CFRP 층 판이 일정량의 물을 흡수하고, 스며든 물은 수지 기판을 용해시킵니다. 탄소 섬유는 흡수성이 없으므로 두 재료 사이에 습식 팽창이 발생해야 하며, 이러한 차이는 기판과 섬유 사이의 계면을 약화시켜 기판의 강도를 감소시킵니다. 충격 하중을 받으면 기판 파편이 쉽게 떨어져 나가 건조 실온 샘플 손상 계면과 차이가 발생합니다. 스캔된 전기 거울의 상세 구조에서 습윤 및 고온 포스트 베이스 본체의 균열은 주로 프레스 브레이크의 느슨한 균열인 반면, 습열 이전의 균열은 주로 취성 균열이며 층 사이의 수평 전단 균열이 더 뚜렷함을 알 수 있습니다. 그림의 광학 현미경에서 두 경우의 파괴 형태가 다르며 건조 상태는 절단 단위의 파괴임을 알 수 있습니다. 파괴가 주로 절단되는 경우, 습열 후 상당한 층상 파괴를 동반한 파괴 형태로 층상 파괴의 비중이 확대되었습니다. 이는 파괴 메커니즘의 각도와 에너지 흡수 특성에서 확인할 수 있습니다. Mei Zhiyuan은 투사체 침입을 절단 단계와 연속 침입 단계의 두 단계로 제시했습니다. 습열 샘플의 A 영역은 전단 관입 단계 파괴이며, 이는 주로 충격 과정에서 적층판이 압축되고 전단되어 파괴 변형이 형성되기 때문입니다. b 영역은 연속 관입 단계 파괴입니다. 이 단계는 주로 섬유층의 신축 응력 성분의 작용으로 탄자체 관입 속도가 감소하여 발생하며, 에너지는 주로 섬유 신축 변형 에너지와 층간 파괴 에너지(λ₁₁)로 변환되어 섬유 파단(λ₁)과 이전 섬유 파단이 직선상에 있지 않습니다. 건조 샘플에서는 이러한 현상이 뚜렷하지 않으며, 판의 손상이 더 심각하여 적층판이 균열 상태를 보입니다. 3. 4 흡수 에너지 및 손상공 투영 면적 분석 그림 5는 발사 속도 및 탄자체의 에너지 손실에 대한 건조 실온과 습열 포화 사이의 관계를 보여줍니다. 입사 속도가 약 45m/s일 때, 건조 실온의 탄자는 모두 반발하므로 그림에는 나타내지 않았습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 습열포화 상태에서 시험을 실시하면 총알의 에너지 손실이 심각하고, 습열처리 후의 시료의 흡입용량이 증가한다.
그림 6은 탄두체 입사 속도와 CFRP 층 손상 구멍의 투영 면적(회색 선은 그림 4의 일부를 표시)에 대한 그래프 다이어그램으로, 포괄적인 그림 (4), (5), (6)에서 알 수 있듯이: (1) 충격 속도가 증가함에 따라 CFRP 층 손상 구멍 투영 면적이 증가합니다.(2) 건조 실온의 샘플에서 손상 구멍의 투영 면적은 습윤 열포화의 투영 면적보다 큽니다.(3) 충격 속도가 약 45m/s일 때, 습열 처리 후 적층판의 손상 구멍의 투영 면적은 건조 실온 상태에서 적층판 손상 구멍의 투영 면적보다 훨씬 큽니다. 습윤 열포화 샘플 손상 구멍 투영 면적은 85.1% 증가하고, 충격 속도가 약 68m/s일 때 습윤 및 열포화 상태의 적층판은 18.10% 증가하고, 흡수값(그림 5)은 15.65% 증가했습니다. 약 88m/s의 충격 속도에서 습윤 및 열 포화 상태의 적층판은 9.25% 감소했지만 흡수 값은 여전히 12.45% 증가했습니다.
영어: Yucheng Zhong 등의 연구 결과를 바탕으로 탄소 섬유 강화 복합 재료의 흡습은 적층판의 탄성 한계와 충격 저항성을 개선하고, 본 논문에서 건조 실온 시편의 손상 구멍의 투영 면적과 습열 포화 시편을 결합합니다(회색 선의 그림 4).탄환-차체 입사 속도와 CFRP 층 손상 구멍의 투영 면적과의 관계도, 충격 속도가 같고 낮을 때 CFRP 층 접합 보드의 층 손상을 비교할 수 있습니다.습열 포화 시편의 손상 구멍 면적은 비교적 큽니다.이는 습열 처리로 인해 CFRP 층 기판이 가소화되어 섬유와 기판 계면 및 층간 성능이 약화되고 충격에서 시편의 습열 포화 상태가 층 손상이 확장되고 손상 비율이 증가하기 때문입니다. 오이쉬안 등의 실험에 따르면 수직 포장 방향의 충격 에너지는 주로 수지 기판에 의해 흡수되고 기판의 가소화로 인해 충격 과정에서 습열 포화 시편이 더 많은 에너지를 흡수하여 충격 저항성이 향상되고 손상 구멍의 투영 면적이 증가합니다. CFRP 적층판의 손상이 완전히 확장되지 않아 충격이 종료되었으므로 충격 속도가 높아지면 CFRP 적층판의 손상 투영 면적에 대한 습열처리가 더 이상 심각하지 않지만 기판 수지의 가소화로 인해 흡수 용량이 여전히 증가합니다.
4 결론
(1) 충격 속도가 증가함에 따라 탄소 섬유 강화 에폭시 수지 복합재(CFRP) 적층판의 손상 구멍의 투영 면적이 증가하고, 건조 실온의 샘플에서 손상 孑L 구멍의 성장률이 습열 포화 상태보다 높습니다.대형: (2) 충격 속도가 45m/s일 때, 습열 포화 상태에서 CFRP 적층판의 손상 투영 면적은 85.11% 증가하고, 충격 속도가 68m/s일 때, 습열 포화 상태에서 CFRP 적층판의 손상 투영 면적은 건조 실온 상태의 CFRP 적층판에 비해 18% 증가합니다.10%, 충격 속도는 86m/s입니다. 습윤 포화된 cFRP 적층판의 손상 투영 면적은 건조 실온 cFRP 적층판에 비해 9.9% 감소합니다.25%; (3) cFRP 적층판은 고온 다습한 환경의 영향을 받으면 적층판의 층간 성능이 저하되어 박리 면적이 확대된다.
게시 시간: 2019년 6월 24일