1 Ievads
Ar oglekļa šķiedru pastiprinātam epoksīda kompozītmateriālam (CFRP) ir daudz priekšrocību, piemēram, zems blīvums, augsta īpatnējā izturība, augsta īpatnējā stingrība, noguruma izturība, izturība pret koroziju un labas mehāniskās īpašības. To plaši izmanto kosmosa un citās videi skarbās konstrukcijās, mitrā karstumā un triecienos. Vides faktoru ietekme uz materiāliem kļūst arvien acīmredzamāka. Pēdējos gados vietējie un ārvalstu zinātnieki ir veikuši lielu skaitu pētījumu par karstas un mitras vides ietekmi uz CFRP kompozītmateriāliem [1] un trieciena ietekmi uz CFRP kompozītmateriāliem. Pētījumā tika atklāts, ka karstas un mitras vides ietekme uz CFRP kompozītmateriāliem ietver matricas plastifikāciju [2, plaisāšanu [31] un šķiedru-matricas saskarnes īpašību pavājināšanos [2'3'5], CFRP kompozītmateriāla lieci, palielinoties mitrās termiskās apstrādes laikam. Mehāniskās īpašības [2, svina un starpslāņu bīdes īpašības [2, 1] un statiskās stiepes īpašības [3'6'7] uzrādīja lejupejošu tendenci. Woldesenbet et al. [8,9] pētīja kompozītmateriālu triecienmehāniskās īpašības pie lieliem deformācijas ātrumiem pēc mitrās termiskās apstrādes un secināja, ka karstā un mitrā vide uzlaboja kompozītmateriālu triecienizturību. Atklāts, ka kompozītmateriālu mitruma absorbcija noteiktos apstākļos var uzlabot materiālu triecienmehāniskās īpašības, kas ievērojami atšķiras no eksperimentālajiem rezultātiem kvazistatiskos apstākļos. Pašreizējais galvenais pētniecības darbs ir mitra karstuma (tostarp iegremdēšanas ūdenī) ietekme uz šķiedru armētu sveķu matricas kompozītu zema ātruma trieciena īpašībām. Pan Wenge et al. [10] pētīja divdimensiju austu stikla šķiedras/epoksīda kompozītmateriālu laminātu spiedes īpašības pēc zema ātruma trieciena istabas temperatūrā un karstos un mitros apstākļos (iegremdēšana ūdenī 65 °C). 4. Lamināts karstā un mitrā vidē tiek iegūts pēc zema ātruma trieciena. Spiedes veiktspēja ir ievērojami samazināta. Karasek et al. [1] pētīja mitruma un temperatūras ietekmi uz grafīta/epoksīda kompozītu triecienu un ieguva tos zemas temperatūras un istabas temperatūras vidē. Mitrumam ir maza ietekme uz sākotnējo bojājuma enerģiju un enerģijas absorbciju. Yucheng Zhong et al. [12,13] veica zema ātruma trieciena testu ar kompozītmateriālu laminātiem pēc mitras termiskās apstrādes. Secināts, ka karstā un mitrā vide ievērojami samazina lamināta trieciena bojājumus. Uzlabo laminātu triecienizturību. Krystyna et al. [14] pētīja aramīda-stikla šķiedras/epoksīdsveķu kompozītmateriāla zema ātruma triecienu pēc mitras termiskās apstrādes (70 °C iegremdēšana ūdenī) un ieguva mazāku trieciena bojājuma laukumu pēc mitras termiskās apstrādes. Tas izraisa delaminācijas bojājumus parauga iekšpusē, kas trieciena laikā absorbē vairāk enerģijas un kavē delaminācijas veidošanos. No iepriekš minētā var redzēt, ka mitras siltuma vides ietekmei uz kompozītmateriālu trieciena bojājumiem ir gan veicinoša, gan vājinoša iedarbība. Tāpēc ir nepieciešami turpmāki pētījumi un verifikācija. Trieciena ziņā Mei Zhiyuan et al. [15] ierosināja un izveidoja divpakāpju (bīdes iespiešanās un nepārtrauktas iespiešanās) iespiešanās dinamikas analīzes modeli šķiedru armētiem kompozītmateriālu laminātiem ātrgaitas trieciena apstākļos. Guiping Zhao et al. [16] veica trīs dažādu ātrumu (mazāku, vienādu un lielāku par ballistisko robežātrumu) testus uz parauga trieciena veiktspēju un bojājumiem pēc trīs veidu laminātiem, bet neiekļāva mitras siltuma vides ietekmi uz trieciena bojājumiem. Pamatojoties uz iepriekš minēto literatūru, vēl ir jāturpina pētīt saistītie pētījumi par mitras un karstas vides ietekmi uz šķiedru armētiem kompozītmateriālu laminātiem. Šajā rakstā tika pētītas mitru, karstumā piesātinātu oglekļa šķiedras/epoksīda kompozītmateriālu laminātu trieciena bojājumu raksturlielumi 70 °C ūdens vannas apstākļos. Karstas un mitras vides ietekme uz kompozītu trieciena bojājumu raksturlielumiem tika analizēta, salīdzinot ar sausiem istabas temperatūras paraugiem. Eksperimentā CFRP lamināti tika trieciena ietekmē uz CFRP laminātiem ar ātrumu 45 m/s, 68 m/s un 86 m/s. Tika mērīts ātrums pirms un pēc trieciena. Tika analizēta karstās un mitrās vides ietekme uz laminātu enerģijas absorbcijas veiktspēju. Ultraskaņas c-skenēšana tika izmantota, lai noteiktu lamināta iekšējos bojājumus, un tika analizēta trieciena ātruma ietekme uz lūzuma zonu. Skenējošais elektronmikroskops un īpaši dziļuma trīsdimensiju mikroskopijas sistēma tika izmantota, lai novērotu parauga bojājumu mezoskopiskās īpašības, un parauga bojājumi tika analizēti mitrā karstuma vidē. Īpašību ietekme.
2 Eksperimentālie materiāli un metodes
2.1 Materiāls un sagatavošana
Oglekļa šķiedras epoksīdsveķu (T300/EMl 12) kompozītmateriāls, iepriekšēju iegremdēšanu nodrošina Jiangsu Hengshen Co., Ltd., viena slāņa iepriekšējas iegremdēšanas biezums 0,137 mm ar šķiedru tilpuma daļu 66%. Lamināta panelis tiek uzklāts uz slāņa pamatnes., izmērs 115 mm x 115 ml. Tiek izmantots karstās presēšanas tvertnes formēšanas process. Ar šo procesu sagatavotā sacietēšanas procesa diagramma ir parādīta 1. attēlā. Vispirms paaugstiniet telpas temperatūru no istabas temperatūras līdz 80 °C ar sildīšanas ātrumu 1 līdz 3 °C/min, pēc tam turiet siltumā 30 minūtes, uzsildiet līdz 130 °C ar sildīšanas ātrumu 113 °C/min, turiet siltumā 120 minūtes, samaziniet līdz 60.0C ar nemainīgu dzesēšanas ātrumu, pēc tam noņemiet spiedienu un atlaidiet, un atlaidiet.
2. 2 Mitrā termiskā apstrāde
Pēc parauga sagatavošanas paraugs tika termiski apstrādāts mitrā veidā saskaņā ar specifikāciju HB 7401-96.171 "Uz sveķiem balstīta kompozītmateriāla kompozītmateriāla slāņa mitrās karstās vides mitruma absorbcijas eksperimentālā metode". Vispirms paraugs tiek ievietots termostatiskā žāvēšanas kamerā 70 grādu temperatūrā žāvēšanai. Regulāri sverot, izmantojot svarus, līdz parauga kvalitātes zudums ir stabilizējies ne vairāk kā 0,02%, šajā laikā reģistrētā vērtība ir inženiertehniskā sausā masa G. Pēc žāvēšanas paraugs tiek ievietots 70 grādu temperatūrā ūdenī mitrai termiskai apstrādei. Saskaņā ar specifikāciju HB 7401. 96. punktā norādītā metode "katru dienu mēra parauga kvalitāti, reģistrē kā Gi, un reģistrē mitruma absorbcijas izmaiņas Mi". CFRP lamināta parauga mitruma absorbcijas izteiksme ir:
Formula ir detalizēta: Mi ir parauga mitruma absorbcija, Gi ir kvalitāte pēc parauga mitruma absorbcijas, g, go ir parauga sausā stāvokļa kvalitāte.
2. 3 Ietekmes eksperimenti
CFRP lamināta ātrgaitas trieciena eksperiments tika veikts ar ātrgaitas gaisa lielgabalu ar 15 mm diametru. Ātrgaitas trieciena testa ierīce (sk. 2. attēlu) ietver ātrgaitas gaisa lielgabalu, lāzera ātruma mērīšanas ierīci pirms un pēc trieciena, lodes korpusu, parauga uzstādīšanas armatūru (2. attēla augšējā labajā stūrī) un lodes korpusa drošības atgūšanas ierīci. Lodes korpuss ir konusveida cilindriska lode (2. attēls), un lodes tilpums ir 24,32 g ar diametru 14,32 mm; trieciena ātrums ir 45 m/s (trieciena enerģija 46 J), 68 m/s (trieciena enerģija 70 J), 86 m/s (trieciena enerģija 90 J) trieciena gadījumā.
2.4 Paraugu bojājumu noteikšana
Pēc trieciena iedarbības oglekļa šķiedras krāsu epoksīda kompozītmateriāla lamināta slāņa malas plāksne tiek izmantota, lai noteiktu CFRP lamināta plāksnes iekšējos trieciena bojājumus, un trieciena bojājuma zonas projekcijas laukumu mēra ar attēlu analīzes programmatūru UTwim, un šķērsgriezuma bojājumu detalizētās iezīmes tiek novērotas ar skenējošo elektronu mikroskopu un īpaši dziļuma lauka 3D mikroskopijas sistēmu.
3 Rezultāti un diskusijas
3. 1 Paraugu mitruma absorbcijas raksturlielumi
Kopā 37,7 dienas piesātinātā mitruma absorbcijas vidējā vērtība ir 1,780%, difūzijas ātrums ir 6,183x10,71112/s. CFRP lamināta parauga mitruma absorbcijas līkne ir parādīta 3. attēlā. Kā redzams 3. attēlā, parauga sākotnējais mitruma absorbcijas pieauguma ātrums ir lineārs; pēc lineārās stadijas mitruma absorbcijas pieauguma ātrums sāk samazināties, sasniedzot stabilu līmeni pēc aptuveni 23 dienām un pēc noteikta laika sasniedzot mitruma absorbcijas piesātinājumu. Tāpēc parauga mitruma absorbcija atbilst divpakāpju mitruma absorbcijas režīmam: pirmajā mitruma absorbcijas posmā temperatūra un mitrums iedarbojas kopīgi, mitrums caur pašu materiālu satur poras, caurumus, plaisas un citus defektus, kas izplatās materiāla iekšpusē; ūdens difūzija ir lēna un šajā posmā pakāpeniski sasniedz piesātinājumu.
3. Divslāņu lamināta plātnes šķietamās destrukcijas īpašības
Trieciena ātrums 86 m/s, kad paraugs atrodas priekšpusē un aizmugurē redzamā bojājuma profila kartē. Sausā istabas temperatūras paraugā mitrā, karstā piesātinājuma parauga priekšējās bojājuma forma ir līdzīga. Abi paraugi trieciena rezultātā pamatnes plaisu dēļ bojājumam gar pirmo šķiedras slāni ir zināma slīdēšana. Tas izraisa priekšpuses elipses vai taisnstūra formas veidošanos, un papildus tam, ka var redzēt plaisu substrātā, var redzēt arī šķiedru lūzumu. Sausā istabas temperatūras paraugā mitrā, karstā piesātinājuma paraugā aizmugurē var redzēt, ka aizmugurē trieciena virzienā ir zināms izliekums un krustveida plaisa. Ir acīmredzams, ka šķiedras lūzums, pamatnes plaisāšana un starpslāņa lūzums (slāņošanās) ir trīs bojājuma veidi. Pēdējā šķiedras daļa ir pacelta, bet ne salauzta, ir tikai slāņošanās un šķiedras/pamatnes plaisāšana. Arī šķiedras lūzums ir atšķirīgs, kā redzams, salīdzinot frontālos un aizmugurējos bojājumus. Priekšējais bojājums izraisa šķiedras un substrāta lūzumu saspiešanas un bīdes dēļ. Aizmugure rodas stiepšanās dēļ, kas izraisa šķiedras lūzumu un substrāta slāņošanos. 4. attēlā redzams trieciena ātrums 45 m/s, 68 m/s un 86 m/s parauga iekšējo bojājumu C skenēšanas laikā. Apgabals, ko norāda aptuvenā apaļā pelēkā līnija attēla centrā, ir bojājuma cauruma projicētā platība. Melnā līnija virs un zem katras mazās diagrammas norāda parauga atlobīšanās laukuma laukumu. Laukums, kas atzīmēts ar balto līniju attēlā (b), (d) (f), ir parauga iekšējie bojājumi gar robežu. Grafikā parādīts, ka trieciena enerģija palielinās, palielinoties trieciena ātrumam. Laminētā plāksne trieciena laikā spēj absorbēt vairāk enerģijas (konkrētas vērtības skatīt 6. attēlā), kā rezultātā palielinās lamināta bojājumu projekcijas laukums: salīdzinot sausā istabas temperatūras paraugu ar mitrā, karstā piesātinājuma parauga attēlu, var redzēt, ka paraugam mitrā, karstā piesātinājuma stāvoklī gar robežu ir radušies iekšēji bojājumi (baltā līnija), galvenokārt absorbcijas procesa dēļ. Lamināta plāksnes substrāta plastifikācija un šķiedru-bāzes saskarnes pavājināšanās izraisa robežas zināmu ietekmi uz lamināta plāksni trieciena procesa laikā. Saskaņā ar attēlu, parauga atlobīšanās zona (melnā līnija) sausā stāvoklī daudz neatšķiras no mitrā, karstā piesātinājuma stāvokļa.
3. Trīsslāņu paneļa detalizētās destruktīvās īpašības
CFRP slāņa savienojuma plāksnes šķērsgriezuma bojājumu pazīmju karte, kas uzņemta ar īpaši dziļu 3D mikrosistēmu un skenējošo elektronu spoguli, ar trieciena ātrumu 45 m/s sausā, mitrā un karstā stāvoklī, parāda, ka parauga bojājumi abos stāvokļos ietver trīs veidu bojājumus: šķiedras lūzumu, pamatnes plaisāšanu un starpslāņa lūzumu. Taču abu paraugu pamatne ir saplaisājusi atšķirīgi. Sausā stāvoklī substrāta plaisāšana notiek savienojumā starp šķiedru un substrātu. Tomēr substrāta plaisāšana pēc mitras termiskās apstrādes notiek ar substrāta fragmentu izkrišanu. Wold-esenbet un citi materiāli mitrā un karstā vidē, struktūras trieciena raksturlielumu un šķiedras substrāta saskarnes degradāciju nosaka kopīgi, mitrā karstā vidē CFRP slāņa plāksne sveķu pamatnē absorbē noteiktu ūdens daudzumu, iesūcoties ūdenim, sveķu substrāts izšķīdinās. Oglekļa šķiedra nav absorbējoša, tāpēc starp abām ir jānotiek mitrai izplešanai, šī atšķirība vājina substrāta un šķiedras saskarni, samazinot substrāta izturību. Pakļaujot trieciena slodzei, substrāta fragmenti viegli izkrīt, kā rezultātā rodas atšķirība no sausā istabas temperatūras parauga bojājumu saskarnes. No skenētā elektriskā spoguļa detalizētās struktūras var redzēt, ka mitrā un karstā pamatnes korpusa plaisāšana galvenokārt ir presēšanas pārtraukuma vaļīgā plaisāšana, savukārt plaisāšana pirms mitrā karstuma galvenokārt ir trausla, un horizontālā bīdes plaisa starp slāņiem ir acīmredzamāka. No attēlā redzamā optiskā mikroskopa var redzēt, ka abos gadījumos bojājumu formas atšķiras, un sausajā stāvoklī ir starpgriešanas bojājumi. Lai galvenokārt sagrieztu bojājumus, pēc mitrā karstuma bojājumu formai, ko pavada ievērojama slāņveida iznīcināšana, slāņveida iznīcināšanas īpatsvars palielinās. To var redzēt no iznīcināšanas mehānisma leņķa un enerģijas absorbcijas raksturlielumiem. Mei Džijuaņa izvirzīja divus šāviņa iebrukuma posmus: griešanas posmu un nepārtrauktas iebrukuma posmu. A zona mitrā karstajā paraugā ir bīdes ielaušanās posma iznīcināšana, galvenokārt tāpēc, ka trieciena procesā slāņošanas plāksne tiek saspiesta un bīdīta, veidojot iznīcināšanas deformāciju, b zona ir nepārtrauktas iebrukuma posma iznīcināšana. Šis posms galvenokārt ir saistīts ar lodes korpusa iekļūšanas ātruma samazināšanos šķiedru slāņa stiepes sprieguma komponentes ietekmē, un enerģija galvenokārt tiek pārveidota šķiedras stiepes deformācijas enerģijā un starpslāņa lūzuma enerģijā (l 51), kā rezultātā šķiedras lūzums el un iepriekšējais šķiedras lūzums neatrodas taisnā līnijā. Sausā paraugā šī parādība nav acīmredzama, un plāksnes bojājumi ir nopietnāki, slāņa plaisāšanas stāvoklī. 3.4 Absorbcijas enerģijas un bojātā cauruma projekcijas laukuma analīze 5. attēlā parādīta saistība starp sausās telpas temperatūru un mitrā karstuma piesātinājumu palaišanas ātrumā un ķermeņa enerģijas zudumiem, pie krišanas ātruma aptuveni 45 m/s, sausās telpas temperatūrā lode pilnībā atsitas, tāpēc attēlā tas nav parādīts. Kā redzams 7. attēlā, veicot testu mitrā termiskā piesātinājuma apstākļos, lodes enerģijas zudumi ir ievērojami, un parauga sūkšanas spēja pēc mitrās termiskās apstrādes palielinās.
6. attēlā redzama lodes korpusa krišanas ātruma un CFRP slāņa bojājuma cauruma projekcijas laukuma grafiskā diagramma (pelēkā līnija iezīmē daļu no 4. attēla), kurā redzams visaptverošs (4), (5) un (6) attēls: (1) palielinoties trieciena ātrumam, CFRP slāņa bojājuma cauruma projekcijas laukums palielinās; (2) bojātā cauruma projekcijas laukums paraugā sausā istabas temperatūrā ir lielāks nekā mitrā, karstās piesātinājuma stāvoklī; (3) ja trieciena ātrums ir aptuveni 45 m/s, laminētās plāksnes bojājuma cauruma projekcijas laukums pēc mitrās termiskās apstrādes ir daudz lielāks nekā laminētās plāksnes bojājuma cauruma projekcijas laukums sausā istabas temperatūrā. Mitrā termiskās piesātinājuma parauga bojājuma L veida cauruma projekcijas laukums palielinājās par 85,1 %, un pie trieciena ātruma aptuveni 68 m/s laminētās plāksnes projekcijas laukums mitrā un termiskās piesātinājuma stāvoklī palielinājās par 18,10 %, absorbcijas vērtība (5. attēls) palielinājās par 15,65 %; Pie trieciena ātruma aptuveni 88 m/s laminētā plāksne mitrā un termiski piesātinātā stāvoklī samazinājās par 9,25%, absorbcijas vērtība joprojām palielinājās par 12,45%.
Balstoties uz Yucheng Zhong un citu produktu pētījumu rezultātiem, oglekļa šķiedru pastiprinātu kompozītmateriālu mitruma absorbcija uzlabo lamināta plāksnes elastības robežu un triecienizturību, un šajā rakstā ir apvienota sausa istabas temperatūras parauga un mitra, karsta piesātinājuma parauga bojājuma cauruma projicēšanas platība (4. attēls pelēkajā līnijā). Lodes un korpusa krišanas ātruma un CFRP slāņa bojājuma cauruma projekcijas laukuma, kā arī CFRP slāņa savienojuma plāksnes slāņainā bojājuma projekcijas laukuma sakarību diagramma, kad trieciena ātrums ir vienāds un mazs, var salīdzināt. Mitra, karsta piesātinājuma parauga bojājuma cauruma laukums ir relatīvi liels. Tas ir saistīts ar to, ka mitrā termiskā apstrāde plastificē CFRP slāņa substrātu, vājina šķiedru un substrāta saskarni un starpslāņa veiktspēju, trieciena laikā mitrā termiskā piesātinājuma stāvoklī parauga slāņainā bojājuma paplašināšanās palielina bojājumu īpatsvaru. Balstoties uz Vu Yixuan un citiem eksperimentiem, ir zināms, ka trieciena enerģiju vertikālā virzienā galvenokārt absorbē sveķu substrāts, pēc tam substrāta plastifikācija liek mitram un karstam piesātinājuma paraugam trieciena procesā absorbēt vairāk enerģijas, uzlabo triecienizturību un palielina bojājuma cauruma projekcijas laukumu; CFRP lamināta bojājums nav pilnībā izstiepts, trieciens ir beidzies, tāpēc, kad trieciena ātrums ir lielāks, mitrā termiskā apstrāde uz CFRP lamināta bojājuma projekcijas laukuma vairs nav nopietna, taču substrāta sveķu plastifikācijas dēļ absorbcijas spēja joprojām ir palielināta.
4 Secinājumi
(1) Palielinoties trieciena ātrumam, palielinās ar oglekļa šķiedru pastiprināta epoksīdsveķu kompozītmateriāla (CFRP) lamināta bojājuma cauruma projicētā platība, un bojājuma cauruma augšanas ātrums paraugā sausā istabas temperatūrā ir lielāks nekā mitrā piesātinājuma karstumā. Liels: (2) Ja trieciena ātrums ir 45 m/s, CFRP lamināta bojājuma projekcijas laukums mitrā piesātinājuma karstumā palielinās par 85,11%, ja trieciena ātrums ir 68 m/s, CFRP lamināta bojājuma projekcijas laukums mitrā piesātinājuma karstumā palielinās par 18% salīdzinājumā ar CFRP laminātu sausā istabas temperatūrā. Par 10% trieciena ātrums ir 86 m/s. Samitrinātā, piesātinātā cFRP lamināta bojājuma projekcijas laukums samazinās par 9,9% salīdzinājumā ar cFRP laminātu sausā istabas temperatūrā. (3) Pēc tam, kad cFRP lamināts ir pakļauts karstai un mitrai videi, lamināta starpslāņa veiktspēja samazinās, kā rezultātā palielinās delaminācijas laukums.
Publicēšanas laiks: 2019. gada 24. jūnijs