1 Įvadas
Anglies pluoštu sustiprintas epoksidinis kompozitas (CFRP) turi daug privalumų, tokių kaip mažas tankis, didelis savitasis stiprumas, didelis savitasis standumas, atsparumas nuovargiui, atsparumas korozijai ir geros mechaninės savybės. Jis plačiai naudojamas aviacijos ir kosmoso bei kitose aplinkai atšiauriose konstrukcijose, drėgnoje šilumoje ir smūgiuose. Aplinkos veiksnių įtaka medžiagoms tampa vis akivaizdesnė. Pastaraisiais metais šalies ir užsienio mokslininkai atliko daugybę tyrimų apie karštos ir drėgnos aplinkos poveikį CFRP kompozitams [1] ir smūgio įtaką CFRP kompozitams. Tyrime nustatyta, kad karštos ir drėgnos aplinkos įtaka CFRP kompozitams apima matricos plastifikaciją [2, įtrūkimus [31] ir susilpnėjusias pluošto ir matricos sąsajos savybes [2'3'5], CFRP kompozito lenkimą (ilgėjant šlapio terminio apdorojimo laikui). Mechaninės savybės [2, švino ir tarpsluoksninės šlyties savybės [2, 1] bei statinės tempimo savybės [3'6'7] mažėjo. Woldesenbet ir kt. [8,9] tyrė kompozitų smūgines mechanines savybes esant dideliam deformacijos greičiui po šlapio terminio apdorojimo ir nustatė, kad karšta ir drėgna aplinka pagerino kompozitų smūginį stiprumą. Nustatyta, kad kompozicinių medžiagų drėgmės absorbcija tam tikromis sąlygomis gali pagerinti medžiagų smūgines mechanines savybes, o tai gerokai skiriasi nuo eksperimentinių rezultatų kvazistatinėmis sąlygomis. Dabartinis pagrindinis tyrimų darbas yra drėgno karščio (įskaitant panardinimą į vandenį) poveikis pluoštu armuotų dervos matricos kompozitų mažo greičio smūgio savybėms. Pan Wenge ir kt. [10] tyrė dvimatės austinės stiklo pluošto / epoksidinės dervos kompozitinių laminatų gniuždymo savybes po mažo greičio smūgio kambario temperatūroje ir karštomis bei drėgnomis sąlygomis (panardinimas į vandenį 65 °C). 4. Laminatas, veikiamas karštos ir drėgnos aplinkos, gaunamas po mažo greičio smūgio. Gniuždymo charakteristikos žymiai sumažėja. Karasek ir kt. [1] tyrė drėgmės ir temperatūros poveikį grafito / epoksidinių kompozitų smūgiams ir gavo juos žemos temperatūros ir kambario temperatūros aplinkoje. Drėgmė mažai veikia pradinę pažeidimo energiją ir energijos absorbciją. Yucheng Zhong ir kt. [12,13] atliko mažo greičio smūgio bandymą su kompoziciniais laminatais po šlapio terminio apdorojimo. Išvada: karšta ir drėgna aplinka žymiai sumažina laminato smūgio pažeidimus. Pagerina laminatų atsparumą smūgiams. Krystyna ir kt. [14] tyrė aramidinio stiklo pluošto / epoksidinės dervos kompozito mažo greičio smūginį poveikį po šlapio terminio apdorojimo (70 °C panardinimas į vandenį) ir gavo mažesnį smūgio pažeidimo plotą po šlapio terminio apdorojimo. Dėl to mėginio viduje atsiranda delaminacijos pažeidimas, kuris smūgio metu sugeria daugiau energijos ir slopina delaminacijos susidarymą. Iš to, kas išdėstyta pirmiau, matyti, kad drėgnos šilumos aplinkos įtaka kompozicinių medžiagų smūgio pažeidimui turi skatinamąjį ir silpninamąjį poveikį. Todėl reikalingi tolesni tyrimai ir patvirtinimai. Kalbant apie poveikį, Mei Zhiyuan ir kt. [15] pasiūlė ir sukūrė dviejų pakopų (šlyties prasiskverbimo ir nuolatinio prasiskverbimo) prasiskverbimo dinamikos analizės modelį pluoštu armuotiems kompoziciniams laminatams, veikiamiems didelio greičio smūgio metu. Guiping Zhao ir kt. [16] atliko trijų rūšių skirtingų greičių (mažesnio, lygaus ir didesnio už balistinį ribinį greitį) tyrimus, skirtus bandinio smūgio charakteristikoms ir pažeidimams po trijų rūšių laminatų apdorojimo, tačiau neįtraukė drėgnos šilumos aplinkos poveikio smūgio pažeidimui. Remiantis aukščiau pateikta literatūra, reikia toliau tyrinėti susijusius tyrimus apie drėgnos ir karštos aplinkos poveikį pluoštu armuotiems kompoziciniams laminatams. Šiame straipsnyje buvo tiriamos drėgno karščio prisotintų anglies pluošto / epoksidinės dervos kompozitinių laminatų smūgio pažeidimo charakteristikos 70 °C vandens vonios sąlygomis. Karštos ir drėgnos aplinkos poveikis kompozitų smūgio gedimo charakteristikoms buvo analizuojamas lyginant su sausais kambario temperatūros mėginiais. Eksperimento metu CFRP laminatai buvo smūgiuojami į CFRP laminatus 45 m/s, 68 m/s ir 86 m/s greičiu. Buvo matuojamas greitis prieš ir po smūgio. Buvo analizuojama karštos ir drėgnos aplinkos įtaka laminatų energijos sugerties savybėms. Ultragarsinis c-skenavimas buvo naudojamas laminato vidiniams pažeidimams nustatyti ir smūgio greičio įtaka lūžio vietai. Skenuojantis elektroninis mikroskopas ir itin gilus trimatis mikroskopinis mikroskopas buvo naudojami mėginio pažeidimo mezoskopinėms charakteristikoms stebėti, o mėginio pažeidimas buvo analizuojamas drėgnos ir karščio aplinkos. Savybių poveikis.
2 Eksperimentinės medžiagos ir metodai
2. 1 Medžiaga ir paruošimas
Anglies pluošto epoksidinės dervos (T300/EMl 12) kompozicinė medžiaga, išankstinio panardinimo medžiaga, kurią tiekia „Jiangsu Hengshen Co., Ltd.“, vieno sluoksnio išankstinio panardinimo storis yra 0,137 mm, o pluošto tūrio dalis yra 66 %. Laminuota plokštė klojama ant sluoksnio pagrindo, dydis 115 mm x 115 ml. Naudojamas karšto presavimo bako formavimo procesas. Proceso metu parengta kietėjimo proceso schema parodyta 1 paveiksle. Pirmiausia patalpos temperatūra pakelkite nuo kambario temperatūros iki 80 °C, kaitinant 1–3 °C/min. greičiu, tada palaikykite šiltą 30 min., kaitinkite iki 130 °C, kaitinant 113 °C/min. greičiu, palaikykite šiltą 120 min., sumažinkite iki 60.0C pastoviu aušinimo greičiu, tada pašalinkite slėgį ir atleiskite, ir atleiskite.
2. 2 Šlapias terminis apdorojimas
Paruošus bandinį, jis buvo termiškai apdorotas drėgnuoju būdu pagal specifikaciją HB 7401-96.171 „Dervos pagrindo kompozicinio kompozitinio sluoksnio drėgmės sugerties eksperimentinis metodas šlapioje ir karštoje aplinkoje“. Pirmiausia bandinys dedamas į termostatinę džiovinimo kamerą 70 °C temperatūroje. Reguliariai sveriamas svarstyklėmis, kol bandinio kokybės praradimas tampa stabilus ir ne didesnis kaip 0,02 %. Šiuo metu užfiksuota vertė yra inžinerinė sausoji masė G. Po džiovinimo bandinys dedamas į 70 °C temperatūros vandenį drėgnajam terminiam apdorojimui. Pagal specifikaciją HB 7401. 96 nurodytas metodas „kasdien matuoja bandinio kokybę, registruojamą kaip Gi, ir registruoja drėgmės sugerties Mi pokytį“. CFRP laminato bandinio drėgmės sugerties išraiška yra:
Formulė yra išsami: Mi yra bandinio drėgmės sugėrimas, Gi yra kokybė po to, kai bandinys sugeria drėgmę, g, go yra bandinio inžinerijos sausosios būsenos kokybė.
2. 3 Poveikio eksperimentai
Didelio greičio smūgio eksperimentas su CFRP laminatu buvo atliktas naudojant 15 mm skersmens didelio greičio oro patranką. Didelio greičio smūgio bandymo įrenginį (žr. 2 pav.) sudaro didelio greičio oro patranka, lazerinis greičio matavimo įrenginys prieš ir po smūgio, kulkos korpusas, bandinio tvirtinimo įtaisas (2 pav. viršutinis dešinysis kampas) ir kulkos korpuso saugos atkūrimo įtaisas. Kulka yra kūginės galvutės cilindrinė kulka (2 pav.), kurios tūris yra 24,32 g, o skersmuo – 14,32 mm; smūgio greitis yra 45 m/s (smūgio energija 46 J), 68 m/s (smūgio energija 70 J), 86 m/s (smūgio energija 90 J).
2.4 Mėginių pažeidimų aptikimas
Po smūgio anglies pluošto spalvoto epoksidinio kompozicinio kompozitinio laminato sluoksnio briaunos plokštė naudojama CFRP laminato plokštės vidiniam smūgio pažeidimui aptikti, o smūgio pažeidimo srities projekcijos plotas matuojamas vaizdo analizės programine įranga UTwim, o išsamūs skerspjūvio pažeidimo ypatumai stebimi skenuojančiu elektroniniu mikroskopu ir itin giliu lauko 3D mikroskopijos sistema.
3 Rezultatai ir diskusijos
3. 1 Bandinių drėgmės sugerties charakteristikos
Iš viso per 37,7 d. vidutinis prisotinto drėgmės sugėrimo lygis yra 1,780 %, o difuzijos greitis – 6,183 x 10,7 l/1²/s. CFRP laminato bandinio drėgmės sugėrimo kreivė parodyta 3 paveiksle. Kaip matyti iš 3 paveikslo, pradinis bandinio drėgmės sugėrimo augimo greitis yra tiesinis. Po tiesinės stadijos drėgmės sugėrimo augimo greitis pradeda mažėti, maždaug po 23 d pasiekdamas pastovų lygį ir po tam tikro laiko pasiekdamas drėgmės sugėrimo prisotinimą. Todėl bandinio drėgmės sugėrimas atitinka dviejų pakopų drėgmės sugėrimo režimą: pirmasis drėgmės sugėrimo etapas vyksta dėl bendro temperatūros ir drėgmės poveikio, drėgmė per pačią medžiagą sudaro poras, skyles, įtrūkimus ir kitus defektus, kurie plinta į medžiagos vidų; vandens difuzija yra lėta ir šiame etape palaipsniui pasiekia prisotinimą.
3. Dviejų sluoksnių laminato plokštės akivaizdžios destrukcijos charakteristikos
Smūgio greitis, kai bandinio priekis ir galas matomi kaip matomo pažeidimo profilio žemėlapis, sauso kambario temperatūros bandinyje šlapio karšto prisotinimo bandinio priekinio pažeidimo forma yra panašesnė į du smūgio bandinius dėl pamato įtrūkimų, jų pažeidimas išilgai pirmojo pluošto sluoksnio turi tam tikrą slydimą. Dėl to priekinė dalis įgauna elipsės arba stačiakampio formą, be to, galima matyti įtrūkimą substrate, ir pluoštus. Sauso kambario temperatūros bandinyje šlapio karšto prisotinimo bandinio gale matyti, kad užpakalinė dalis smūgio kryptimi turi tam tikrą iškilimą ir kryžiaus formos įtrūkimą. Akivaizdu, kad pluošto lūžis, pagrindo įtrūkimas ir tarpsluoksnio lūžis (sluoksniavimasis) yra trys pažeidimo formos, paskutinė pluošto dalis yra pakilusi, bet nelūžta, tik sluoksniavimasis ir pluošto/pagrindo įtrūkimas. Pluošto lūžis taip pat skiriasi, kaip matyti iš priekinio ir galinio pažeidimo palyginimo. Priekinė dalis sukelia pluošto ir pagrindo lūžimą dėl suspaudimo ir šlyties. Galinė dalis atsiranda dėl tempimo, dėl kurio pluoštas lūžta ir sluoksnis padengia pagrindą. 4 paveiksle pavaizduotas 45 m/s, 68 m/s ir 86 m/s smūgio greitis bandinio vidinio pažeidimo C skenavimo metu. Plotas, pažymėtas apytiksle apvalia pilka linija paveikslo centre, yra projektuojamas pažeidimo angos plotas. Juoda linija virš ir po kiekviena maža diagrama rodo bandinio atšokimo srities plotą. Balta linija pažymėtas plotas (b), (d) ir (f) paveiksluose yra bandinio vidinis pažeidimas išilgai ribos. Grafike parodyta, kad smūgio energija didėja didėjant smūgio greičiui. Laminuota plokštė smūgio metu gali sugerti daugiau energijos (konkrečias vertes žr. 6 paveiksle), todėl didėja laminato pažeidimo projekcijos plotas: palyginus sauso kambario temperatūros bandinį su šlapio ir karšto prisotinimo bandinio paveikslėliu, matyti, kad šlapio ir karšto prisotinimo būsenoje bandinyje išilgai ribos yra vidinių pažeidimų (balta linija), daugiausia dėl absorbcijos proceso. Laminuotos plokštės pagrindo plastifikacija ir pluošto bei pagrindo sąsajos susilpnėjimas lemia, kad riba smūgio metu daro tam tikrą poveikį laminuotai plokštei. Remiantis paveikslu, sauso bandinio atvirkštinio lupimosi sritis (juoda linija) mažai kuo skiriasi nuo šlapio karšto prisotinimo būsenos.
3. Detalios 3 sluoksnių plokštės destruktyvios savybės
CFRP sluoksnio jungties plokštės skerspjūvio pažeidimų ypatybių žemėlapis, nufotografuotas naudojant itin giliąją 3D mikrosistemą ir skenuojantį elektroninį veidrodį, esant 45 m/s smūgio greičiui sausoje, šlapioje ir karštoje būsenose, rodo, kad bandinio pažeidimai abiejose būsenose apima tris pažeidimo formas: pluošto lūžimą, pagrindo įtrūkimą ir tarpsluoksnio įtrūkimą. Tačiau dviejų bandinių pagrindas yra įtrūkęs skirtingai. Sausoje būsenoje substrato įtrūkimas atsiranda ties pluošto ir substrato jungtimi. Tačiau po šlapio terminio apdorojimo substrato įtrūkimas lydimas substrato fragmentų iškritimo. Wold-esenbet ir kitos medžiagos drėgnoje ir karštoje aplinkoje, konstrukcijos konstrukcijos smūgio charakteristikos ir pluošto substrato sąsajos degradacija kartu lemia, kad drėgnoje ir karštoje aplinkoje CFRP sluoksnio plokštė dervos pagrinde sugeria tam tikrą kiekį vandens, o prasisunkęs vanduo ištirpins dervos substratą. Anglies pluoštas nėra sugeriantis, todėl tarp jų turi būti drėgnas išsiplėtimas, o šis skirtumas silpnina substrato ir pluošto sąsają, sumažina substrato stiprumą. Smūgio metu substrato fragmentai lengvai iškrenta, todėl susidaro skirtumas tarp sauso kambario temperatūros bandinio pažeidimo sąsajos. Iš nuskaityto elektrinio veidrodžio detalios struktūros matyti, kad šlapio ir karšto pagrindo korpuso įtrūkimai daugiausia yra dėl laisvo presavimo lūžio, o įtrūkimai prieš drėgną kaitinimą daugiausia yra trapūs, o horizontalus šlyties įtrūkimas tarp sluoksnių yra labiau akivaizdus. Iš paveiksle pateikto optinio mikroskopo matyti, kad abiem atvejais pažeidimo formos skiriasi, o sausoje būsenoje yra tarppjūvio pažeidimas. Pjaunant daugiausia, po drėgno kaitinimo, pažeidimo formai lydimam dideliam sluoksniuotam pažeidimui, sluoksniuoto pažeidimo dalis padidėja. Tai matyti iš pažeidimo kampo mechanizmo ir energijos sugerties charakteristikų. Mei Zhiyuan išskyrė du sviedinio įsiskverbimo etapus: pjovimo etapą ir nuolatinio įsiskverbimo etapą. A sritis šlapiame karštame bandinyje yra šlyties įsiskverbimo etapo pažeidimas, daugiausia dėl to, kad smūgio metu sluoksniavimo plokštė yra suspaudžiama ir kerpama, susidarant pažeidimo deformacijai, b sritis yra nuolatinio įsiskverbimo etapo pažeidimas. Šis etapas daugiausia susijęs su kulkos korpuso įsiskverbimo greičio sumažėjimu dėl pluoštinio sluoksnio tempimo įtempio komponento, o energija daugiausia paverčiama pluošto tempimo deformacijos energija ir tarpsluoksnio lūžio energija (l 51), todėl pluošto trūkis el ir ankstesnis pluošto trūkis nėra tiesioje linijoje. Sausame bandinyje šis reiškinys nėra akivaizdus, o plokštės pažeidimas yra rimtesnis, sluoksnio plokštė įtrūksta. 3.4 Absorbcijos energijos ir pažeistos angos projekcijos ploto analizė. 5 paveiksle parodytas sausos patalpos temperatūros ir šlapio karšto prisotinimo paleidimo greičio bei kulkos kūno energijos nuostolių ryšys, kai kritimo greitis yra apie 45 m/s, sausos patalpos temperatūroje kulka visiškai atšoka, todėl paveiksle tai neparodyta. Kaip matyti iš 7 paveikslo, kai bandymas atliekamas esant šlapiam terminiam prisotinimui, kulkos energijos nuostoliai yra dideli, o bandinio siurbimo galia po šlapio terminio apdorojimo padidėja.
6 paveiksle pateikta kulkos korpuso kritimo greičio ir CFRP sluoksnio pažeidimo angos projekcijos ploto diagrama (pilka linija žymi 4 paveikslo dalį). Išsamūs (4), (5) ir (6) paveikslai rodo: (1) didėjant smūgio greičiui, CFRP sluoksnio pažeidimo angos projekcijos plotas didėja; (2) bandinio pažeistos angos projekcijos plotas sausos kambario temperatūros būsenoje yra didesnis nei drėgno ir karšto prisotinimo būsenoje; (3) kai smūgio greitis yra apie 45 m/s, laminuotos plokštės pažeistos angos projekcijos plotas po šlapio terminio apdorojimo yra daug didesnis nei laminuotos plokštės pažeidimo angos projekcijos plotas sausos kambario temperatūros būsenoje. Šlapio terminio prisotinimo bandinio pažeidimo L formos angos projekcijos plotas padidėjo 85,1 %, o esant maždaug 68 m/s smūgio greičiui, laminuotos plokštės drėgnoje ir terminio prisotinimo būsenoje padidėjo 18,10 %, sugerties vertė (5 paveikslas) padidėjo 15,65 %; Esant maždaug 88 m/s smūgio greičiui, laminuotos plokštės drėgna ir termiškai prisotinta būsena sumažėjo 9,25 %, o sugerties vertė vis tiek padidėjo 12,45 %.
Remiantis „Yucheng Zhong“ ir kitų gaminių tyrimų rezultatais, anglies pluoštu armuotų kompozicinių medžiagų drėgmės absorbcija pagerina laminuotos plokštės tamprumo ribą ir atsparumą smūgiams, o šiame straipsnyje sujungiamas sauso kambario temperatūros bandinio ir šlapio karšto prisotinimo bandinio pažeidimo angos projekcijos plotas (4 paveikslas pilka linija). Ryšio diagrama su kulkos ir korpuso kritimo greičiu bei CFRP sluoksnio pažeidimo angos projekcijos plotu ir CFRP sluoksnio jungiamosios plokštės sluoksniuotu pažeidimu gali būti lyginama, kai smūgio greitis yra vienodas ir mažas. Šlapio karšto prisotinimo bandinio pažeidimo angos plotas yra santykinai didelis. Taip yra dėl to, kad šlapias terminis apdorojimas plastifikuoja CFRP sluoksnio pagrindą, susilpnina pluošto ir pagrindo sąsają bei tarpsluoksnio charakteristikas, smūgio metu drėgno terminio prisotinimo būsenoje bandinio sluoksniuotas pažeidimas išsiplečia, o pažeidimo dalis padidėja. Remiantis Wu Yixuan ir kitais eksperimentais, žinoma, kad smūgio energiją vertikalia kryptimi daugiausia sugeria dervos pagrindas, o pagrindo plastifikacija priverčia šlapią ir karštą prisotinimo bandinį smūgio proceso metu sugerti daugiau energijos, pagerina atsparumą smūgiams ir padidina pažeidimo angos projekcijos plotą; CFRP laminato pažeidimas nebuvo visiškai išplėstas, smūgis baigėsi, todėl, kai smūgio greitis didesnis, drėgnasis terminis apdorojimas CFRP laminato pažeidimo projekcijos srityje nebėra rimtas, tačiau dėl pagrindo dervos plastifikacijos sugerties geba vis tiek padidėja.
4 Išvados
(1) Didėjant smūgio greičiui, anglies pluoštu armuoto epoksidinės dervos kompozito (CFRP) laminato pažeidimo angos projekcijos plotas didėja, o pažeidimo angos augimo greitis bandinyje sausos kambario temperatūros sąlygomis yra didesnis nei drėgnos šilumos prisotinimo sąlygomis. Didelis: (2) Kai smūgio greitis yra 45 m/s, CFRP laminato pažeidimo projekcijos plotas drėgnos šilumos prisotinimo būsenoje padidėja 85,11 %, o kai smūgio greitis yra 68 m/s, CFRP laminato pažeidimo projekcijos plotas drėgnos šilumos prisotinimo būsenoje padidėja 18 %, palyginti su CFRP laminatu sausos kambario temperatūros sąlygomis. Kai smūgio greitis yra 68 m/s, smūgio greitis yra 86 m/s. Sudrėkinto ir prisotinto cFRP laminato pažeidimo projekcijos plotas sumažėja 9,9 %, palyginti su sausos kambario temperatūros cFRP laminatu. (3) Kai cFRP laminatas yra veikiamas karštos ir drėgnos aplinkos, sumažėja laminato tarpsluoksnio charakteristikos, todėl padidėja delaminacijos plotas.
Įrašo laikas: 2019 m. birželio 24 d.