1 Innledning
Karbonfiberforsterket epoksykompositt (CFRP) har mange fordeler som lav tetthet, høy spesifikk styrke, høy spesifikk stivhet, utmattingsmotstand, korrosjonsmotstand og gode mekaniske egenskaper. Den er mye brukt i luftfart og andre miljømessig tøffe konstruksjoner, fuktig varme og støt. Innflytelsen av miljøfaktorer på materialer blir stadig tydeligere. I de senere år har innenlandske og utenlandske forskere utført et stort antall studier på effekten av varmt og fuktig miljø på CFRP-kompositter [1] og virkningen av støt på CFRP-kompositter. Studien fant at innflytelsen av varmt og fuktig miljø på CFRP-kompositter inkluderer mykgjøring av matrisen [2, sprekker [31 og svekkede fiber-matrise-grensesnittegenskaper [2'3'5], bøying av CFRP-kompositt med økende våtvarmebehandlingstid]. De mekaniske egenskapene til ytelsen [2, bly- og interlaminære skjæregenskaper [2, 1 og statiske strekkegenskaper [3'6'7] viste en nedadgående trend. Woldesenbet et al. [8,9] studerte de mekaniske slagfastheten til kompositter ved høye tøyningshastigheter etter våtvarmebehandling, og fant ut at det varme og fuktige miljøet forbedret slagfastheten til komposittene. Det er avslørt at fuktighetsabsorpsjonen av komposittmaterialer kan forbedre materialenes mekaniske slagegenskaper under visse forhold, noe som er ganske forskjellig fra de eksperimentelle resultatene under kvasistatiske forhold. Det nåværende hovedforskningsarbeidet er effekten av fuktig varme (inkludert vannnedsenking) på lavhastighetsslagegenskapene til fiberforsterkede harpiksmatrisekompositter. Pan Wenge et al. [10] studerte kompresjonsegenskapene til todimensjonale vevde glassfiber/epoksy-komposittlaminater etter lavhastighetsslag ved romtemperatur og under varme og fuktige forhold (65 °C vannnedsenking). 4. Laminatet oppnås under et varmt og fuktig miljø etter lavhastighetssjokk. Kompresjonsytelsen er betydelig redusert. Karasek et al. [1] studerte effekten av fuktighet og temperatur på slagkraften til grafitt/epoksy-kompositter, og oppnådde dem i miljøer med lav temperatur og romtemperatur. Fuktighet har liten effekt på den innledende energien og energiabsorpsjonen av skaden. Yucheng zhong et al. [12,13] utførte en lavhastighetsslagtest på komposittlaminater etter våt varmebehandling. Det konkluderes med at det varme og fuktige miljøet reduserer laminatets slagskade betydelig. Forbedre slagfastheten til laminater. Krystyna et al. [14] studerte lavhastighetspåvirkningen av aramid-glassfiber/epoksy-kompositt etter våt varmebehandling (70 °C vannnedsenking), og oppnådde et mindre slagskadeområde etter våt varmebehandling. Dette forårsaker delamineringsskader inne i prøven, som absorberer mer energi under støtet og hemmer dannelsen av delaminering. Det kan sees fra ovenstående at påvirkningen av fuktig varmemiljø på slagskaden til komposittmaterialer har en fremmende effekt og en svekkende effekt. Derfor er det behov for ytterligere forskning og verifisering. Når det gjelder slag, foreslo og etablerte Mei Zhiyuan et al. [15] en to-trinns (skjærpenetrasjon og kontinuerlig penetrasjon) penetrasjonsdynamikkanalysemodell for fiberforsterkede komposittlaminater under høyhastighetsstøt. Guiping Zhao et al. [16] utførte tre typer forskjellige hastigheter (mindre enn, lik og større enn den ballistiske grensehastigheten) på slagytelsen og skaden til prøven etter tre typer laminater, men involverte ikke påvirkningen av fuktig varmemiljø på slagskaden. Basert på litteraturen ovenfor har den relaterte forskningen på påvirkningen av det våte og varme miljøet på fiberforsterkede komposittlaminater ennå ikke blitt utforsket ytterligere. I denne artikkelen ble støtskadeegenskapene til våte, varmemettede karbonfiber/epoksy-komposittlaminater under 70 °C vannbadforhold studert. Effektene av varmt og fuktig miljø på støtbruddegenskapene til kompositter ble analysert ved sammenligning med tørre prøver ved romtemperatur. I eksperimentet ble CFRP-laminatene slått på CFRP-laminatene med 45 m/s, 68 m/s og 86 m/s. Hastigheten før og etter støtet ble målt. Påvirkningen av det varme og fuktige miljøet på laminatenes energiabsorpsjonsytelse ble analysert. Ultralyd-c-skanning ble brukt til å oppdage den indre skaden på laminatet, og påvirkningen av støthastigheten på det oppsprukne området ble analysert. Skanningselektronmikroskopet og det ultra-dybde-dybde tredimensjonale mikroskopiske systemet ble brukt til å observere de mesoskopiske egenskapene til prøveskaden, og skaden på prøven ble analysert ved hjelp av det fuktige varmemiljøet. Påvirkningen av funksjoner.
2 Eksperimentelle materialer og metoder
2. 1 Materiale og forberedelse
Karbonfiber-epoksyharpiks (T300/EMl 12) komposittmateriale, fordypning levert av Jiangsu Hengshen Co., Ltd., enkeltlags fordypning med tykkelse på 0,137 mm og en fibervolumfraksjon på 66 %. Laminatpanelet legges på bunnen av laget, størrelse 115 mm x 115 ml. Formingsprosessen til varmpressetanken brukes. Herdeprosessdiagrammet utarbeidet av prosessen er vist i figur 1. Hev først boenheten fra romtemperatur til 80 °C med en oppvarmingshastighet på 1 til 3 °C/min, hold deretter varm i 30 minutter, varm opp til 130 °C med en oppvarmingshastighet på 113 °C/min, hold varm i 120 minutter, reduser til 600C med konstant avkjølingshastighet, og fjern deretter trykket og slipp, og slipp.
2. 2 Våt varmebehandling
Etter preparering av prøven ble den våtvarmebehandlet i samsvar med spesifikasjonen HB 7401-96.171 "Resinbasert komposittlag vått, varmt miljø fuktighetsabsorpsjonseksperimentell metode". Først plasseres prøven i et termostatisk tørkekammer ved 70 grader C for å tørke. Regelmessig veiing med vekter inntil kvalitetstapet på prøven er stabilt på ikke mer enn 0,02 %. Den registrerte verdien på dette tidspunktet er teknisk tørrmasse G. Etter tørking plasseres prøven i 70 grader C vann for våtvarmebehandling. I henhold til spesifikasjonen HB 7401. Metoden spesifisert i 96 "måler prøvens kvalitet hver dag, registrert som Gi, og registrerer endringen i fuktighetsabsorpsjon Mi". Fuktighetsabsorpsjonsuttrykket for CFRP-laminatprøven er:
Formelen er detaljert: Mi er prøvens fuktighetsabsorpsjon, Gi er kvaliteten etter at prøven har absorbert fuktighet, g, go er prøvens tørrtilstandskvalitet.
2. 3 Påvirkningseksperimenter
Høyhastighetsslagforsøket på CFRP-laminatet ble utført på en høyhastighetsluftkanon med en diameter på 15 mm. Høyhastighetsslagtestenheten (se figur 2) inkluderer en høyhastighetsluftkanon, en laserhastighetsmåler før og etter treff, kulekropp, monteringsfeste for prøven (øverst til høyre i figur 2) og en sikkerhetsgjenvinningsenhet for kulekroppen. Kulekroppen er en kjeglehodet sylindrisk kule (figur 2), og kulens volum er 24,32 g med en diameter på 14,32 mm. Anslagshastigheten er 45 m/s (slagenergi 46 J), 68 m/s (slagenergi 70 J), 86 m/s (slagenergi 90 J) ved anslag.
2. 4 Skadedeteksjon av prøver
Etter å ha blitt påvirket av støtet, brukes kantutkastplaten av karbonfiberfarget epoxykompositt-komposittlaminatlag til å detektere den interne støtskaden på CFRP-laminatplaten, og projeksjonsområdet for støtskadeområdet måles av bildeanalyseprogramvaren UTwim, og de detaljerte trekkene ved tverrsnittsødeleggelsen observeres ved hjelp av skanningselektronmikroskop og et 3D-ultradybdefeltmikroskopisystem.
3 Resultater og diskusjoner
3. 1 Prøvenes fuktighetsabsorpsjonsegenskaper
Etter totalt 37,7 dager er gjennomsnittet for mettet fuktighetsabsorpsjon 1,780 %, med en diffusjonshastighet på 6,183 x 10,7 lllnl2/s. Fuktighetsabsorpsjonskurven for CFRP-laminatprøven er vist i figur 3. Som det fremgår av figur 3, er den innledende vekstraten for fuktighetsabsorpsjonen til prøven lineær. Etter det lineære stadiet begynner vekstraten for fuktighetsabsorpsjonen å avta, og når et stabilt nivå etter omtrent 23 dager, og når fuktighetsabsorpsjonsmetning etter en viss tid. Derfor samsvarer fuktighetsabsorpsjonen til prøven med en totrinns fuktighetsabsorpsjonsmodus: det første stadiet av fuktighetsabsorpsjon skyldes den kombinerte virkningen av temperatur og fuktighet. Fuktighet gjennom selve materialet inneholder porer, hull, sprekker og andre defekter som sprer seg til innsiden av materialet. Vanndiffusjonen er langsom og når gradvis metning på dette stadiet.
3. De tilsynelatende ødeleggelsesegenskapene til 2-lags laminatplaten
Slaghastigheten på 86 m/s når prøvens front og bakside er kartlagt med den tilsynelatende ødeleggelsesprofilen. Ved å bruke den tørre, romtemperatur våte, varme mettede prøven som prøver med en tørr, varm mettet prøve, ser ødeleggelsen av fronten mer ut som de to prøvene i støtet. På grunn av sprekker i fundamentet har ødeleggelsen langs det første fiberlaget en viss glidning. Dette fører til at fronten får en elliptisk eller rektangulær form, og i tillegg til å se sprekker i underlaget, kan man se at fibrene har brudd. Ved å bruke den tørre, romtemperatur våte, varme mettede prøven som prøver med en tørr, varm mettet prøve, kan man se at baksiden av formen har en viss bule langs treffretningen og viser en kryssformet sprekk. Det er tydelig at fiberbrudd, basesprekker og mellomlagsbrudd (lagdeling) er tre former for ødeleggelse. Den siste delen av fiberen løftes, men ikke brytes, kun lagdeling og fiber/basesprekker. Fiberbruddet er også forskjellig, som man kan se ved å sammenligne front- og bakskader. Fronten forårsaker brudd i fiberen og underlaget på grunn av kompresjon og skjæring. Baksiden forårsaker strekking, noe som fører til at fiberen bryter og lagdeler underlaget. Figur 4 viser en sjokkhastighet på 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s når prøven er skannet med indre skade C. Området angitt med den omtrentlige runde grå linjen l i midten av figuren er det projiserte området av skadehullet. Den svarte linjen over og under hvert lille diagram indikerer området for bakre avskallingsområdet på prøven. Området markert med den hvite linjen i figur (b) (d) (f) er den indre skaden på prøven langs grensen. Grafen viser at støtenergien øker etter hvert som støthastigheten øker. Den laminerte platen er i stand til å absorbere mer energi under støt (se figur 6 for spesifikke verdier), noe som resulterer i et økende område av laminatskadeprojeksjonen: ved å sammenligne den tørre romtemperaturprøven med bildet av den våte, varme metningsprøven, kan man se at det er indre skader (hvit linje) på prøven produsert langs grensen i den våte, varme metningstilstanden til prøven, hovedsakelig på grunn av absorpsjonsprosessen. Plastifiseringen av substratet i laminatplaten og svekkelsen av fiber-base-grensesnittet fører til at grensen har en viss effekt på laminatplaten under støtprosessen. I følge figuren er ikke bakre avskallingsområdet (svart linje) av prøven i tørr tilstand mye forskjellig fra den våte, varme metningstilstanden.
3. De detaljerte destruktive trekkene til 3-lagspanelet
Tverrsnittskartet over skadeegenskaper i CFRP-lagskjøteplaten, tatt av et ultradybde 3D-mikrosystem og et skanningselektronspeil, med en anslagshastighet på 45 m/s, tørr, våt og varm, viser at skaden på prøven i begge tilstander inkluderer tre former for ødeleggelse: fiberbrudd, basebrudd og mellomlagsbrudd. Men basen til de to prøvene er sprukket forskjellig. Sprekken i substratet i tørr tilstand er sprukket i forbindelsen mellom fiberen og substratet. Sprekken i substratet etter våt varmebehandling er imidlertid ledsaget av at fragmenter av substratet faller ut. Wold-esenbet og andre materialer i våte og varme omgivelser bestemmes i fellesskap av slagytelsen til strukturen, strukturen og fibersubstratgrensesnittdegraderingen. I våte og varme omgivelser absorberer CFRP-lagplaten i harpiksbasen en viss mengde vann, og siver vann vil føre til at harpikssubstratet løses opp. Karbonfiber er ikke absorberende, og det må være våt ekspansjon mellom de to. Denne forskjellen svekker grensesnittet mellom substratet og fiberen og reduserer substratets styrke. Når substratfragmentene utsettes for støtbelastning, faller de lett ut, noe som resulterer i en forskjell fra den tørre prøven ved romtemperatur, noe som resulterer i en forskjell fra skadegrensesnittet til prøven. Fra den detaljerte strukturen til det skannede elektriske speilet kan man se at sprekken i den våte og varme postbasen hovedsakelig er løse sprekker i pressbruddet, mens sprekken før våt varme hovedsakelig er sprø, og den horisontale skjærsprekken mellom lagene er mer tydelig. Fra det optiske mikroskopet i figuren kan man se at ødeleggelsesformene er forskjellige i de to tilfellene, og den tørre tilstanden er ødeleggelse mellom skjær. For å kutte ødeleggelsen hovedsakelig, etter våt varme for formen for ødeleggelse ledsaget av betydelig lagdelt ødeleggelse, utvides andelen av lagdelt ødeleggelse. Dette kan sees fra ødeleggelsesmekanismens vinkel og energiabsorpsjonsegenskapene. Mei Zhiyuan fremhever to stadier av prosjektilindvasjonen: skjæretrinnet og kontinuerlig invasjonstrinn. A-området i den våte varme prøven er skjærinntrengningstrinnødeleggelsen, hovedsakelig fordi lagdelingsplaten komprimeres og skjæres i støtprosessen for å danne ødeleggelsesdeformasjon, b-området er kontinuerlig invasjonstrinnødeleggelse. Denne fasen skyldes hovedsakelig reduksjonen av kulelegemets inntrengningshastighet under påvirkning av strekkspenningskomponenten i fiberlaget, og energien omdannes hovedsakelig til fiberens strekkbelastningsenergi og mellomlagsbruddenergi (l 51), slik at fiberbruddet el og det foregående fiberbruddet ikke er i en rett linje. I den tørre prøven er ikke dette fenomenet åpenbart, og skaden på platen er mer alvorlig, lagplaten har en sprekkdannelsestilstand. 3.4 Analyse av absorpsjonsenergi og skadehullprojeksjonsareal Figur 5 viser forholdet mellom tørr romtemperatur og våt-varmmetning av utskytningshastigheten og energitap i legemet. Ved en innfallshastighet på omtrent 45 m/s rebound-kulen i tørr romtemperatur, så dette er ikke vist i figuren. Som det fremgår av figur 7, når testen testes under våt termisk metning, er kulens energitap betydelig, og prøvens sugekapasitet etter våt varmebehandling øker.
Figur 6 er et grafdiagram som viser projeksjonsområdet til kulelegemets innfallshastighet og skadehullet i CFRP-laget (den grå linjen markerer en del av figur 4). De utførlige figurene (4), (5), (6) kan sees: (1) med økningen av anslagshastigheten øker projeksjonsområdet til CFRP-lagets skadehull; (2) Projeksjonsområdet til skadehullet i prøven i tørr romtemperatur er større enn ved våt varmmetning; (3) når anslagshastigheten er omtrent 45 m/s, er projeksjonsområdet til skadehullet i den laminerte platen etter våt varmebehandling mye større enn projeksjonsområdet til skadehullet i den laminerte platen i tørr romtemperatur. Projeksjonsområdet til L-hullet i den våte termiske metningsprøven økte med 85,1 %, og ved en sjokkhastighet på omtrent 68 m/s økte den laminerte platen i våt og termisk metningstilstand med 18,10 %, og absorpsjonsverdien (figur 5) økte med 15,65 %; Ved en anslagshastighet på omtrent 88 m/s ble den laminerte platen i våt og termisk metningstilstand redusert med 9,25 %, mens absorpsjonsverdien fortsatt økte med 12,45 %.
Basert på forskningsresultatene til Yucheng Zhong og andre produkter, forbedrer fuktighetsabsorpsjonen av karbonfiberforsterkede komposittmaterialer elastisitetsgrensen og slagmotstanden til laminatplaten, og kombinerer det projiserte arealet av skadehullet i den tørre romtemperaturprøven og den våte, varme metningsprøven i denne artikkelen (figur 4 i den grå linjen). Forholdsdiagrammet for kule-kroppens innfallshastighet og projeksjonsarealet av CFRP-lagets skadehull, og den lagdelte skaden på CFRP-lagets sammenføyningsplate kan sammenlignes når anslagshastigheten er den samme og lav. Skadehullarealet i den våte, varme metningsprøven er relativt stort. Dette skyldes at våtvarmebehandlingen gjør CFRP-lagets substrat mykner, noe som svekker fiber- og substratgrensesnittet og mellomlagets ytelse. Under anslaget utvides den våte varmemetningstilstanden til prøven og øker andelen skade. Basert på Wu Yixuan og andre eksperimenter vet man at støtenergien i den vertikale belegningsretningen hovedsakelig absorberes av harpikssubstratet. Mykgjøringen av substratet gjør at den våte og varme metningsprøven absorberer mer energi under støtprosessen, forbedrer slagmotstanden og øker projeksjonsområdet til skadehullet. Skaden på CFRP-laminatet er ikke helt utvidet, støtet er over, så når støthastigheten er høyere, er ikke våtvarmebehandlingen av CFRP-laminatets skadeprojeksjonsområde lenger alvorlig, men på grunn av mykgjøringen av substratharpiksen økes absorpsjonskapasiteten fortsatt.
4 Konklusjoner
(1) Med økende slaghastighet øker det projiserte arealet av skadehullet i karbonfiberforsterket epoksyharpikskompositt (CFRP)-laminat, og vekstraten for det skadede 孑L-hullet i prøven ved tørr romtemperatur er høyere enn ved våt varmemetning. Stor: (2) Når slaghastigheten er 45 m/s, økes skadeprojeksjonsarealet til CFRP-laminatet i våt varmemetningstilstand med 85,11 %, når slaghastigheten er 68 m/s, økes skadeprojeksjonsarealet til CFRP-laminatet i våt varmemetningstilstand med 18 % sammenlignet med CFRP-laminatet i tørr romtemperaturtilstand. Ved 10 % er slaghastigheten 86 m/s. Det fuktige mettede cFRP-laminatets skadeprojeksjonsareal reduseres med 9,9 % sammenlignet med cFRP-laminatet i tørr romtemperatur. Ved 25 % er slaghastigheten 86 m/s. Det fuktige mettede cFRP-laminatets skadeprojeksjonsareal reduseres med 25 %; (3) Etter at cFRP-laminatet påvirkes av det varme og fuktige miljøet, reduseres laminatets mellomlagsytelse, noe som resulterer i utvidelse av delamineringsområdet.
Publisert: 24. juni 2019