1 Inleiding
Koolstofvezelversterkt epoxycomposiet (CFRP) heeft vele voordelen, zoals een lage dichtheid, hoge specifieke sterkte, hoge specifieke stijfheid, vermoeiingsweerstand, corrosieweerstand en goede mechanische eigenschappen. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en andere milieubelastende constructies, vochtige hitte en impact. De invloed van omgevingsfactoren op materialen wordt steeds duidelijker. In de afgelopen jaren hebben binnen- en buitenlandse wetenschappers een groot aantal studies uitgevoerd naar de effecten van een warme en vochtige omgeving op CFRP-composieten [1] en de impact van impact op CFRP-composieten. De studie vond dat de invloed van een warme en vochtige omgeving op CFRP-composieten onder meer plastificering van de matrix omvat [2, scheuren [31 en verzwakte vezel-matrix-interface-eigenschappen [2'3'5], buiging van CFRP-composieten met toenemende natte warmtebehandelingstijd) De mechanische eigenschappen van de prestaties [2, lood- en interlaminaire schuifeigenschappen [2, 1 en statische treksterkte-eigenschappen [3'6'7] vertoonden een neerwaartse trend. Woldesenbet et al. [8,9] bestudeerden de impactmechanische eigenschappen van composieten bij hoge reksnelheden na natte warmtebehandeling en ontdekten dat de hete en vochtige omgeving de impactsterkte van de composieten verbeterde. Het is gebleken dat de vochtabsorptie van composietmaterialen de impactmechanische eigenschappen van materialen onder bepaalde omstandigheden kan verbeteren, wat behoorlijk verschilt van de experimentele resultaten onder quasi-statische omstandigheden. Het huidige belangrijkste onderzoekswerk betreft het effect van vochtige warmte (inclusief onderdompeling in water) op de impacteigenschappen bij lage snelheid van vezelversterkte harsmatrixcomposieten. Pan Wenge et al. [10] bestudeerden de compressie-eigenschappen van tweedimensionaal geweven glasvezel/epoxy composiet laminaten na impact met lage snelheid bij kamertemperatuur en onder hete en vochtige omstandigheden (onderdompeling in water van 65 °C). 4. Het laminaat in de hete en vochtige omgeving wordt verkregen na een schok met lage snelheid. De compressieprestaties zijn aanzienlijk verminderd. Karasek et al. [1] bestudeerden de effecten van vochtigheid en temperatuur op de impact van grafiet/epoxy composieten en verkregen deze in omgevingen met lage temperaturen en kamertemperatuur. Vochtigheid heeft weinig effect op de initiële energie en energie-absorptie van de schade. Yucheng zhong et al [12,13] voerden een impacttest bij lage snelheid uit op composietlaminaten na natte warmtebehandeling. Er wordt geconcludeerd dat de hete en vochtige omgeving de impactschade van het laminaat aanzienlijk vermindert. Verbeter de impactbestendigheid van laminaten. Krystyna et al. [14] bestudeerden de impact bij lage snelheid van aramide-glasvezel/epoxycomposiet na natte warmtebehandeling (onderdompeling in water van 70 °C) en verkreeg een kleiner impactschadegebied na natte warmtebehandeling. Dit veroorzaakt delaminatieschade in het monster, dat meer energie absorbeert tijdens de impact en de vorming van delaminatie remt. Uit het bovenstaande blijkt dat de invloed van een vochtige warmteomgeving op de impactschade van composietmaterialen een bevorderend en een verzwakkend effect heeft. Daarom zijn verder onderzoek en verificatie nodig. In termen van impact hebben Mei Zhiyuan et al [15] een tweestaps (schuifpenetratie en continue penetratie) penetratiedynamiekanalysemodel van vezelversterkte composietlaminaten onder impact met hoge snelheid voorgesteld en vastgesteld. Guiping Zhao et al. [16] voerde drie soorten verschillende snelheden uit (kleiner dan, gelijk aan en groter dan de ballistische limietsnelheid) op de impactprestaties en schade van het specimen na drie soorten laminaten, maar nam de impact van de vochtige hitteomgeving op de impactschade niet mee. . Gebaseerd op de bovenstaande literatuur moet het gerelateerde onderzoek naar de impact van de natte en hete omgeving op de vezelversterkte composietlaminaten nog verder worden onderzocht. In dit artikel werden de impactschadekarakteristieken van natte hitte verzadigde koolstofvezel/epoxy composiet laminaten onder 70 °C waterbadomstandigheden bestudeerd. De effecten van een hete en vochtige omgeving op de impactfalingskarakteristieken van composieten werden geanalyseerd door vergelijking met droge monsters bij kamertemperatuur. In het experiment werden de CFRP-laminaten op de CFRP-laminaten geïmpacteerd met 45 m/s, 68 m/s en 86 m/s. De snelheid voor en na de impact werd gemeten. De invloed van de hete en vochtige omgeving op de energieabsorptieprestaties van de laminaten werd geanalyseerd. Ultrasone c-scan werd gebruikt om de interne schade aan het laminaat te detecteren en de invloed van de impactsnelheid op het gebroken gebied werd geanalyseerd. De scanning elektronenmicroscoop en het ultra-diepte-diepte driedimensionale microscoopsysteem werden gebruikt om de mesoscopische kenmerken van de monsterschade te observeren, en de schade aan het monster werd geanalyseerd in de vochtige, warme omgeving. De impact van kenmerken.
2 Experimentele materialen en methoden
2.1 Materiaal en voorbereiding
Composietmateriaal van koolstofvezel-epoxyhars (T300/EM1 12), vooronderdompeling geleverd door Jiangsu Hengshen Co., Ltd., dikte van de enkelvoudige vooronderdompeling van 0,137 mm met een vezelvolumepercentage van 66%. Het laminaatpaneel wordt op de vloer van de laag gelegd, afmeting 115 mm x 115 ml. Het vormproces van de warmperstank wordt gebruikt. Het diagram van het uithardingsproces dat met dit proces is voorbereid, wordt weergegeven in figuur 1. Breng eerst de temperatuur van de woning omhoog van kamertemperatuur naar 80 °C met een verwarmingssnelheid van 1 tot 3 °C/min. Houd de temperatuur vervolgens 30 minuten warm, verwarm tot 130 °C met een verwarmingssnelheid van 113 °C/min. Houd de temperatuur 120 minuten warm en verlaag de temperatuur tot 60 °C.0C met een constante koelsnelheid, verwijder dan de druk en laat los, en laat los.
2. 2 Natte warmtebehandeling
Na de voorbereiding van het monster werd het nat behandeld volgens specificatie HB 7401-96.171 "Experimentele methode voor vochtabsorptie in een op hars gebaseerde composietlaag in een natte, hete omgeving". Eerst werd het monster in een thermostatische droogkamer bij 70 °C geplaatst om te drogen. Regelmatig wegen met weegschalen tot het kwaliteitsverlies van het monster stabiel is op maximaal 0,02%; de geregistreerde waarde op dat moment is de technische droge massa G. Na het drogen werd het monster in water bij 70 °C geplaatst voor een natte warmtebehandeling. Volgens specificatie HB 7401. De methode, zoals beschreven in 96, "meet dagelijks de kwaliteit van het monster, geregistreerd als Gi, en registreert de verandering in vochtabsorptie Mi". De vochtabsorptie-expressie van het CFRP-laminaatmonster is:
De formule is gedetailleerd: Mi is de vochtopname van het monster, Gi is de kwaliteit nadat het monster vocht heeft opgenomen, g, go is de kwaliteit van het droge monster.
2. 3 Impactexperimenten
Het hogesnelheidsimpactexperiment op het CFRP-laminaat werd uitgevoerd met een hogesnelheidsluchtkanon met een diameter van 15 mm. Het testapparaat voor de hogesnelheidsimpact (zie afbeelding 2) omvat een hogesnelheidsluchtkanon, een laser voor het meten van de snelheid vóór en na de impact, een kogelhuls, een bevestigingspunt voor het plaatsen van het monster (rechterbovenhoek van afbeelding 2) en een veiligheidsvoorziening voor het bergen van de kogelhuls. De kogelhuls is een kegelvormige cilindrische kogel (afbeelding 2) met een volume van 24,32 g en een diameter van 14,32 mm; de impactsnelheid bedraagt 45 m/s (impactenergie 46 J), 68 m/s (impactenergie 70 J) en 86 m/s (impactenergie 90 J).
2.4 Schadedetectie van monsters
Nadat de koolstofvezelkleurige epoxycomposiet laminaatlaag randplaat is aangetast door de impact, wordt deze gebruikt om de interne impactschade van de CFRP laminaatplaat te detecteren. Het projectiegebied van de impactschade wordt gemeten door de beeldanalysesoftware UTwim. De gedetailleerde kenmerken van de dwarsdoorsnedevernietiging worden waargenomen door een rasterelektronenmicroscoop en een ultra-diepteveld 3D-microscoopsysteem.
3 Resultaten en discussies
3.1 Vochtopnamekarakteristieken van monsters
In totaal 37,7 dagen bedraagt de gemiddelde verzadigde vochtopname 1,780%, met een diffusiesnelheid van 6,183 x 10,7 lll n²/s. De vochtopnamecurve van het CFRP-laminaatmonster is weergegeven in figuur 3. Zoals te zien is in figuur 3, is de initiële groeisnelheid van de vochtopname van het monster lineair. Na de lineaire fase begint de groeisnelheid van de vochtopname af te nemen en bereikt na ongeveer 23 dagen een stabiel niveau, waarna na verloop van tijd verzadiging van de vochtopname wordt bereikt. De vochtopname van het monster verloopt dus volgens de tweefasenvochtopnamemodus: de eerste fase van vochtopname is te wijten aan de gezamenlijke werking van temperatuur en vochtigheid. Vocht door het materiaal zelf bevat poriën, gaten, scheuren en andere defecten die zich naar de binnenkant van het materiaal verspreiden. De waterdiffusie is traag en bereikt in deze fase geleidelijk verzadiging.
3. De schijnbare vernietigingseigenschappen van het 2-laags laminaatbord
De impactsnelheid bedraagt 86 m/s bij de voorkant van het specimen, de achterkant van de schijnbare vernietigingsprofielkaart. Bij het monster op droge kamertemperatuur en het natte, hete, verzadigde monster, is de vorm van de voorkant van het specimen meer vergelijkbaar. De twee specimens vertonen bij de impact, door de scheuren in de fundering, een zekere slip. Dit zorgt ervoor dat de voorkant een elliptische of rechthoekige vorm krijgt, en naast het zichtbaar zijn van de scheur in het substraat, kunnen de vezels ook breken. Bij het monster op droge kamertemperatuur en het natte, hete, verzadigde monster, is aan de achterkant van de vernietigingsvorm te zien dat de achterkant langs de impactrichting een zekere uitstulping heeft en een kruisvormige scheur vertoont. Het is duidelijk dat vezelbreuk, basisscheuring en tussenlaagbreuk (gelaagdheid) drie vormen van vernietiging zijn. Het laatste deel van de vezel is opgetild maar niet gebroken, alleen gelaagdheid en vezel/basisscheuring. De vezelbreuk is ook verschillend, zoals blijkt uit de vergelijking van de voor- en achterkant. De voorkant veroorzaakt breuk van de vezel en het substraat door compressie en schuifspanning. De achterkant ontstaat door rek, waardoor de vezel breekt en het substraat bedekt. Figuur 4 toont een schoksnelheid van 45 m/s, 68 m/s en 86 m/s tijdens de scan van de interne schade van het specimen (C). Het gebied dat wordt aangegeven door de ronde, grijze lijn (l) in het midden van de afbeelding, is het geprojecteerde gebied van het beschadigde gat. De zwarte lijn boven en onder elk klein diagram geeft het gebied aan waar de achterkant van het specimen loslaat. Het gebied gemarkeerd met de witte lijn in figuur (b), (d) en (f) is de interne schade aan het specimen langs de rand. De grafiek laat zien dat de impactenergie toeneemt naarmate de impactsnelheid toeneemt. De gelamineerde plaat kan meer energie absorberen tijdens een impact (zie figuur 6 voor specifieke waarden), wat resulteert in een groter oppervlak van de projectie van laminaatschade: door het monster bij droge kamertemperatuur te vergelijken met de afbeelding van het natte, hete, verzadigde monster, is te zien dat er interne schade (witte lijn) van het monster is ontstaan langs de grens in de natte, hete, verzadigde toestand van het monster, voornamelijk als gevolg van het absorptieproces. De plasticisering van het substraat in de laminaatplaat en de verzwakking van de vezel-basisinterface zorgen ervoor dat de grens een bepaald effect heeft op de laminaatplaat tijdens het impactproces. Volgens de figuur verschilt het achterste afpelgebied (zwarte lijn) van het monster in droge toestand niet veel van de natte, hete, verzadigde toestand.
3. De gedetailleerde destructieve kenmerken van het 3-laags paneel
De dwarsdoorsnede van de schadekenmerken van de CFRP-laagverbindingsplaat, gemaakt met het ultra-diepte 3D-microsysteem en de scanning elektronenspiegel, met een impactsnelheid van 45 m/s, zowel droog als nat als heet, laat zien dat de schade aan het specimen in beide toestanden drie vormen van vernietiging omvat: vezelbreuk, basisscheuring en tussenlaagbreuk. De basis van de twee specimens is echter verschillend gebarsten. De scheurvorming van het substraat in droge toestand is bij de verbinding tussen de vezel en het substraat. De scheurvorming van het substraat na natte warmtebehandeling gaat echter gepaard met het uitvallen van fragmenten van het substraat. Wold-esenbet en andere materialen in de natte en hete omgeving van de impactprestaties van de structuur van de structuur en de degradatie van de vezel-substraatinterface, gezamenlijk bepaald, ondervinden in de natte en hete omgeving de CFRP-laagplaat in de harsbasis een bepaalde hoeveelheid waterabsorptie; doorsijpelend water zal ervoor zorgen dat het harssubstraat oplost. Koolstofvezel absorbeert niet, dus er moet natte expansie tussen de twee plaatsvinden. Dit verschil verzwakt de interface tussen het substraat en de vezel en vermindert de sterkte van het substraat. Bij blootstelling aan een impactbelasting vallen de substraatfragmenten gemakkelijk uit, wat resulteert in een verschil met de interface van het monster bij droge kamertemperatuur. Uit de gedetailleerde structuur van de gescande elektrische spiegel is te zien dat de scheurvorming in het natte en hete post-base lichaam voornamelijk bestaat uit losse scheurvorming door de persbreuk, terwijl de scheurvorming vóór de natte hitte voornamelijk bros is en de horizontale schuifscheur tussen de lagen duidelijker is. Vanuit de optische microscoop in de afbeelding is te zien dat de vernietigingsvormen in de twee gevallen verschillen, en dat de droge toestand een per-inter-snijdende vernietiging is. Om de vernietiging voornamelijk te snijden, na natte hitte voor de vernietigingsvorm vergezeld door significante gelaagde vernietiging, nam het aandeel gelaagde vernietiging toe. Dit is te zien aan de hoek van het vernietigingsmechanisme en de energie-absorptiekarakteristieken. Mei Zhiyuan presenteerde twee fasen van de projectielinvasie: de snijfase en de continue invasiefase. Gebied A in het natte, hete monster is de fase van de vernietiging door schuifintrusie, voornamelijk omdat tijdens het impactproces de gelaagde plaat wordt samengedrukt en afgeschoven, wat leidt tot de vorming van de vernietigende vervorming. Gebied B is de fase van de continue invasie. Deze fase is voornamelijk te danken aan de afname van de intrusiesnelheid van de kogelromp onder invloed van de rekspanningscomponent van de vezellaag, en de energie wordt voornamelijk omgezet in vezelrekenergie en breukenergie tussen de lagen (l 51), waardoor de vezelbreuk (el) en de eerdere vezelbreuk niet in een rechte lijn liggen. In het droge monster is dit fenomeen niet duidelijk en is de schade aan de plaat ernstiger; de gelaagde plaat vertoont een scheurtoestand. 3.4 Analyse van absorptie-energie en projectiegebied van het schadegat. Figuur 5 toont de relatie tussen de droge kamertemperatuur en de natte, hete verzadiging van de lanceersnelheid en het energieverlies van de romp. Bij een invalssnelheid van ongeveer 45 m/s stuitert de droge kamertemperatuur van de kogel volledig terug, dus deze wordt niet in de figuur weergegeven. Zoals u in figuur 7 kunt zien, is het energieverlies van de kogel aanzienlijk wanneer de test wordt uitgevoerd onder natte thermische verzadiging. Bovendien neemt het zuigvermogen van het monster na de natte warmtebehandeling toe.
Figuur 6 is een grafiekdiagram van het projectiegebied van de invalssnelheid van de kogelromp en het beschadigde gat in de CFRP-laag (de grijze lijn markeert een deel van Figuur 4), uitgebreide figuren (4), (5), (6) zijn te zien: (1) met de toename van de impactsnelheid neemt het projectiegebied van het beschadigde gat in de CFRP-laag toe; (2) Het projectiegebied van het beschadigde gat in het monster bij droge kamertemperatuur is groter dan dat van natte hete verzadiging; (3) wanneer de impactsnelheid ongeveer 45 m/s is, is het projectiegebied van het beschadigde gat van de gelamineerde plaat na natte warmtebehandeling veel groter dan het projectiegebied van het beschadigde gat in de gelamineerde plaat in de toestand van droge kamertemperatuur. Het projectiegebied van het beschadigde gat in het monster met natte thermische verzadiging nam toe met 85,1% en bij een schoksnelheid van ongeveer 68 m/s nam de gelamineerde plaat in een natte en thermisch verzadigingstoestand toe met 18,10%, de absorptiewaarde (Figuur 5) nam toe met 15,65%; Bij een impactsnelheid van ongeveer 88 m/s werd de gelamineerde plaat in de natte en thermisch verzadigde toestand met 9,25% gereduceerd, de absorptiewaarde nam nog toe met 12,45%.
Gebaseerd op de onderzoeksresultaten van Yucheng Zhong en andere producten, verbetert de vochtabsorptie van koolstofvezelversterkte composietmaterialen de elasticiteitsgrens en slagvastheid van de laminaatplaat, en combineert het het geprojecteerde oppervlak van het beschadigde gat van het droge kamertemperatuurmonster en het natte, hete verzadigingsmonster in dit artikel (Figuur 4 in de grijze lijn) Het relatiediagram met de invalssnelheid van de kogel op het lichaam en het projectieoppervlak van het beschadigde gat van de CFRP-laag, en de gelaagde schade van de CFRP-laagverbindingsplaat kunnen worden vergeleken wanneer de impactsnelheid hetzelfde en laag is. Het beschadigde gatoppervlak van het natte, hete verzadigingsmonster is relatief groot. Dit komt doordat de natte warmtebehandeling de substraatplastificatie van de CFRP-laag veroorzaakt, de vezel- en substraatinterface en de prestaties tussen de lagen verzwakt, bij impact, de natte warmteverzadigingstoestand van het monster gelaagde schade-expansie, het aandeel schade toegenomen. Op basis van Wu Yixuan en andere experimenten weten we dat de impactenergie in de verticale bestratingsrichting voornamelijk wordt geabsorbeerd door het harssubstraat, waarna de plastificering van het substraat ervoor zorgt dat het natte en hete verzadigingsmonster meer energie absorbeert tijdens het impactproces, de impactbestendigheid verbetert en het projectiegebied van het beschadigde gat vergroot; de schade aan het CFRP-laminaat is nog niet volledig uitgebreid, de impact is voorbij, dus wanneer de impactsnelheid hoger is, is de natte warmtebehandeling op het CFRP-laminaatschadeprojectiegebied niet langer ernstig, maar door de plastificering van de substraathars wordt het absorptievermogen nog steeds verhoogd.
4 Conclusies
(1) Met de toename van de impactsnelheid neemt het geprojecteerde oppervlak van het beschadigde gat van koolstofvezelversterkt epoxyharscomposiet (CFRP) laminaat toe en is de groeisnelheid van het beschadigde 孑L gat in het monster bij droge kamertemperatuur hoger dan die onder natte hitteverzadiging. Groot: (2) Wanneer de impactsnelheid 45 m/s is, wordt het schadeprojectieoppervlak van het CFRP laminaat in de natte hitteverzadigingstoestand met 85,11% vergroot, wanneer de impactsnelheid 68 m/s is, wordt het schadeprojectieoppervlak van het CFRP laminaat in de natte hitteverzadigingstoestand met 18% vergroot in vergelijking met het CFRP laminaat in de droge kamertemperatuur. 10%, de impactsnelheid is 86 m/s. Het bevochtigde verzadigde cFRP laminaat schadeprojectieoppervlak wordt met 9,9% verminderd in vergelijking met het cFRP laminaat bij droge kamertemperatuur. 25%; (3) Nadat het cFRP-laminaat is aangetast door de warme en vochtige omgeving, wordt de tussenlaagprestatie van het laminaat verminderd, wat resulteert in de uitbreiding van het delaminatiegebied.
Plaatsingstijd: 24 juni 2019