Wpływ wilgotnego i termicznego środowiska na charakterystykę niszczenia uderzeniowego kompozytów z włókna węglowego/epoksydu

1 Wprowadzenie

Kompozyt epoksydowy wzmocniony włóknem węglowym (CFRP) ma wiele zalet, takich jak niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa, wysoka sztywność właściwa, odporność na zmęczenie, odporność na korozję i dobre właściwości mechaniczne. Jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i innych konstrukcjach o trudnych warunkach środowiskowych, wilgotnym cieple i uderzeniach. Wpływ czynników środowiskowych na materiały jest coraz bardziej widoczny. W ostatnich latach krajowi i zagraniczni naukowcy przeprowadzili wiele badań nad wpływem gorącego i wilgotnego środowiska na kompozyty CFRP [1] i wpływem uderzenia na kompozyty CFRP. Badanie wykazało, że wpływ gorącego i wilgotnego środowiska na kompozyty CFRP obejmuje uplastycznienie matrycy [2, pękanie [31 i osłabione właściwości interfejsu włókno-matryca [2'3'5], zginanie kompozytu CFRP wraz ze wzrostem czasu obróbki cieplnej na mokro) Właściwości mechaniczne wydajności [2, właściwości ścinania ołowiu i międzywarstwowego [2, 1 i właściwości rozciągania statycznego [3'6'7] wykazały tendencję spadkową. Woldesenbet i in. [8,9] badali właściwości mechaniczne kompozytów przy dużych szybkościach odkształcania po obróbce cieplnej na mokro i stwierdzili, że gorące i wilgotne środowisko poprawia wytrzymałość kompozytów na uderzenia. Odkryto, że absorpcja wilgoci przez materiały kompozytowe może poprawić właściwości mechaniczne materiałów przy uderzeniach w określonych warunkach, co znacznie różni się od wyników eksperymentalnych w warunkach quasi-statycznych. Obecnie głównym tematem prac badawczych jest wpływ wilgotnego ciepła (w tym zanurzenie w wodzie) na właściwości udarności przy niskiej prędkości kompozytów z żywicy wzmacnianej włóknami. Pan Wenge i in. [10] badali właściwości ściskania dwuwymiarowych laminatów kompozytowych z włókna szklanego/epoksydu po uderzeniu przy niskiej prędkości w temperaturze pokojowej i w warunkach gorących i wilgotnych (zanurzenie w wodzie w temperaturze 65 °C). 4. Laminat w gorącym i wilgotnym środowisku uzyskano po uderzeniu przy niskiej prędkości. Wydajność ściskania jest znacznie zmniejszona. Karasek i in. [1] badali wpływ wilgotności i temperatury na uderzenie kompozytów grafitowych/epoksydowych i uzyskali je w środowiskach o niskiej temperaturze i temperaturze pokojowej. Wilgotność ma niewielki wpływ na początkową energię i pochłanianie energii uszkodzenia. Yucheng zhong i in. [12,13] przeprowadzili test uderzeniowy przy niskiej prędkości na laminatach kompozytowych po obróbce cieplnej na mokro. Stwierdzono, że gorące i wilgotne środowisko znacznie zmniejsza uszkodzenia laminatu spowodowane uderzeniem. Poprawa odporności laminatów na uderzenia. Krystyna i in. [14] badali uderzenia przy niskiej prędkości kompozytu aramidowo-szklanego z włóknem epoksydowym po obróbce cieplnej na mokro (zanurzenie w wodzie w temperaturze 70 °C) i uzyskali mniejszy obszar uszkodzeń spowodowanych uderzeniem po obróbce cieplnej na mokro. Powoduje to uszkodzenie delaminacji wewnątrz próbki, która pochłania więcej energii podczas uderzenia i hamuje powstawanie delaminacji. Z powyższego wynika, że ​​wpływ wilgotnego środowiska cieplnego na uszkodzenia materiałów kompozytowych spowodowane uderzeniem ma efekt promujący i efekt osłabiający. Dlatego potrzebne są dalsze badania i weryfikacja. Jeśli chodzi o uderzenie, Mei Zhiyuan i in. [15] zaproponowali i ustanowili dwuetapowy (penetracja ścinająca i ciągła) model analizy dynamiki penetracji laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknami pod wpływem uderzenia z dużą prędkością. Guiping Zhao i in. [16] przeprowadził trzy rodzaje różnych prędkości (mniejsze, równe i większe od prędkości granicznej balistycznej) na odporność na uderzenia i uszkodzenia próbki po trzech rodzajach laminatów, ale nie uwzględnił wpływu wilgotnego środowiska cieplnego na uszkodzenia spowodowane uderzeniem. . Na podstawie powyższej literatury, powiązane badania nad wpływem wilgotnego i gorącego środowiska na laminaty kompozytowe wzmacniane włóknami muszą zostać jeszcze zbadane. W tym artykule zbadano charakterystyki uszkodzeń spowodowanych uderzeniem laminatów kompozytowych z włókna węglowego/epoksydu nasyconych ciepłem w warunkach kąpieli wodnej o temperaturze 70 °C. Wpływ gorącego i wilgotnego środowiska na charakterystyki uszkodzeń spowodowanych uderzeniem kompozytów został przeanalizowany poprzez porównanie z próbkami w temperaturze pokojowej. W eksperymencie laminaty CFRP były uderzane w laminaty CFRP z prędkością 45 m/s, 68 m/s i 86 m/s. Zmierzono prędkość przed i po uderzeniu. Przeanalizowano wpływ gorącego i wilgotnego środowiska na wydajność pochłaniania energii przez laminaty. Do wykrycia wewnętrznych uszkodzeń laminatu użyto ultradźwiękowego c-scan, a wpływ prędkości uderzenia na obszar pęknięcia został przeanalizowany. Do obserwacji mezoskopowych cech uszkodzenia próbki użyto skaningowego mikroskopu elektronowego i trójwymiarowego systemu mikroskopowego ultra-głębokość-głębokość, a uszkodzenie próbki zostało przeanalizowane przez wilgotne środowisko cieplne. Wpływ cech.

2 Materiały i metody eksperymentalne

2.1 Materiał i przygotowanie

Materiał kompozytowy z żywicy epoksydowej z włókna węglowego (T300/EMl 12), wstępnie zanurzony dostarczony przez Jiangsu Hengshen Co., Ltd., jednowarstwowa grubość wstępnego zanurzenia 0,137 mm z objętościową frakcją włókien 66%. Panel laminatu jest położony na podłodze warstwy., rozmiar 115 mm x 115 ml. Wykorzystano proces formowania zbiornika prasy na gorąco. Schemat procesu utwardzania przygotowany w procesie pokazano na rysunku 1. Najpierw podnieś mieszkanie od temperatury pokojowej do 80 oC z szybkością nagrzewania 1 do 3 oC/min, następnie utrzymuj ciepło przez 30 min, podgrzej do 130 oC z szybkością nagrzewania 113 oC/min, utrzymuj ciepło przez 120 min, zmniejsz do 60⁰C przy stałej szybkości chłodzenia, a następnie usunąć ciśnienie i uwolnić, i uwolnić.

2.2 Obróbka cieplna na mokro

Po przygotowaniu próbki, próbka została poddana obróbce cieplnej na mokro zgodnie ze specyfikacją HB 7401-96.171 „Metoda eksperymentalna absorpcji wilgoci w mokrym gorącym środowisku z warstwą kompozytową na bazie żywicy”. Najpierw próbka została umieszczona w termostatycznej komorze suszenia w temperaturze 70 stopni C w celu wyschnięcia. Regularne ważenie za pomocą wag, aż utrata jakości próbki ustabilizuje się na poziomie nie większym niż 0,02%, zarejestrowana wartość w tym momencie to Inżynieryjna sucha masa G. Po wysuszeniu próbka została umieszczona w wodzie o temperaturze 70 stopni C w celu obróbki cieplnej na mokro. Zgodnie ze specyfikacją HB 7401. Metoda określona w 96 „mierzy jakość próbki każdego dnia, rejestrując ją jako Gi, i rejestruje zmianę absorpcji wilgoci Mi. Wyrażenie absorpcji wilgoci próbki laminatu CFRP wynosi:

Wzór jest szczegółowy: Mi to absorpcja wilgoci przez próbkę, Gi to jakość po wchłonięciu wilgoci przez próbkę, g, go to jakość stanu suchego próbki inżynieryjnej.

2.3 Eksperymenty uderzeniowe

Eksperyment z uderzeniem o dużej prędkości na laminacie CFRP przeprowadzono na szybkostrzelnej armacie powietrznej o średnicy 15 mm. Urządzenie do testu uderzenia o dużej prędkości (patrz rysunek 2) obejmuje szybkostrzelną armatę pneumatyczną, laserowe urządzenie do pomiaru prędkości przed i po uderzeniu, korpus pocisku, przyrząd do montażu próbki (prawy górny róg rysunku 2) oraz urządzenie do odzyskiwania bezpieczeństwa korpusu pocisku. Korpus pocisku jest stożkowym cylindrycznym pociskiem (rysunek 2), a objętość pocisku wynosi 24,32 g przy średnicy 14,32 mm; prędkość uderzenia wynosi 45 m/s (energia uderzenia 46 J), 68 m/s (energia uderzenia 70 J), 86 m/s (energia uderzenia 90 J).

2.4 Wykrywanie uszkodzeń próbek

Po uderzeniu, warstwa laminatu z kompozytu epoksydowego w kolorze włókna węglowego jest używana do wykrywania wewnętrznych uszkodzeń laminatu CFRP spowodowanych uderzeniem, a powierzchnia projekcji obszaru uszkodzenia spowodowanego uderzeniem jest mierzona za pomocą oprogramowania do analizy obrazu UTwim, a szczegółowe cechy zniszczenia przekroju poprzecznego są obserwowane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego i mikroskopowego systemu 3D o ultragłębokiej ostrości.

3 Wyniki i dyskusje

3.1 Charakterystyka absorpcji wilgoci przez próbki

Łącznie 37,7 d, średnia absorpcji wilgoci nasyconej wynosi 1,780%, przy szybkości dyfuzji 6,183x10,7llnl2/s. Krzywa absorpcji wilgoci próbki laminatu CFRP jest pokazana na rysunku 3. Jak widać na rysunku 3, początkowa szybkość wzrostu absorpcji wilgoci próbki jest liniowa, po etapie liniowym szybkość wzrostu absorpcji wilgoci zaczyna spadać, osiągając poziom stanu ustalonego po około 23 dniach i osiągając nasycenie absorpcji wilgoci po pewnym czasie. Dlatego absorpcja wilgoci próbki jest zgodna z dwuetapowym trybem absorpcji wilgoci: pierwszy etap absorpcji wilgoci jest spowodowany wspólnym działaniem temperatury i wilgotności, wilgoć przez sam materiał zawiera pory, otwory, pęknięcia i inne wady rozprzestrzeniające się do wnętrza materiału; Dyfuzja wody jest powolna i stopniowo osiąga nasycenie na tym etapie.

3. Widoczne cechy zniszczenia płyty laminowanej dwuwarstwowej

Prędkość uderzenia 86 m/s, gdy przód próbki, tył widocznej mapy profilu zniszczenia, przez próbkę w temperaturze pokojowej, kształt zniszczenia przodu próbki nasyconej w stanie mokrym jest bardziej podobny, dwie próbki w uderzeniu, z powodu pęknięć fundamentu, jej zniszczenie wzdłuż pierwszej warstwy włókna ma pewien poślizg. Powoduje to, że przód nadaje kształt eliptyczny lub prostokątny, a oprócz możliwości zobaczenia pęknięcia w podłożu, włókna można zobaczyć, jak pękają. Przez próbkę w temperaturze pokojowej, próbkę nasyconą w stanie mokrym na odwrocie zniszczenia kształtu można zobaczyć, że tył wzdłuż kierunku uderzenia ma pewien wybrzuszenie i prezentuje pęknięcie w kształcie krzyża. Oczywiste jest, że pęknięcie włókna, pęknięcie podstawy i pęknięcie międzywarstwowe (warstwowanie) to trzy formy zniszczenia, ostatnia część włókna jest uniesiona, ale nie złamana, tylko warstwowanie i pękanie włókna/podstawy. Pęknięcie włókna jest również inne, jak można zobaczyć z porównania uszkodzenia czołowego i tylnego. Przód powoduje pęknięcie włókna i podłoża z powodu ściskania i ścinania. Tył jest spowodowany rozciąganiem, które spowodowało pęknięcie włókna i warstwowanie podłoża. Rysunek 4 przedstawia prędkość uderzenia 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s podczas skanowania wewnętrznego uszkodzenia próbki C. Obszar oznaczony przybliżoną okrągłą szarą linią w środku rysunku jest rzutowanym obszarem otworu uszkodzenia. Czarna linia powyżej i poniżej każdego małego wykresu wskazuje obszar tylnego obszaru łuszczenia próbki. Obszar oznaczony białą linią na rysunku (b) (d) (f) jest wewnętrznym uszkodzeniem próbki wzdłuż granicy. Wykres pokazuje, że energia uderzenia wzrasta wraz ze wzrostem prędkości uderzenia. Laminowana płyta jest w stanie pochłonąć więcej energii podczas uderzenia (patrz rysunek 6, aby uzyskać konkretne wartości), co skutkuje zwiększeniem obszaru projekcji uszkodzenia laminatu: porównując próbkę w temperaturze pokojowej z obrazem próbki nasyconej na mokro i gorąco, można zauważyć, że występują wewnętrzne uszkodzenia (biała linia) próbki wytworzone wzdłuż granicy w stanie nasycenia na mokro i gorąco próbki, głównie z powodu procesu absorpcji. Uplastycznienie podłoża w płycie laminowanej i osłabienie interfejsu włókno-podstawa powodują, że granica ma pewien wpływ na płytę laminowaną podczas procesu uderzenia. Zgodnie z rysunkiem, obszar odklejania się z tyłu (czarna linia) próbki w stanie suchym nie różni się zbytnio od stanu nasycenia na mokro i gorąco.

3. Szczegółowe cechy niszczące panelu 3-warstwowego

Mapa uszkodzeń przekroju poprzecznego płyty łączącej warstwy CFRP, wykonana przez ultragłęboki mikrosystem 3D i skanujące lustro elektronowe, z prędkością uderzenia 45 m/s, na sucho, mokro i gorąco, pokazuje, że uszkodzenie próbki w obu stanach obejmuje trzy formy zniszczenia: pęknięcie włókna, pęknięcie podstawy i pęknięcie międzywarstwowe. Ale podstawa obu próbek jest pęknięta inaczej. Pękanie podłoża w stanie suchym jest pęknięte na połączeniu między włóknem a podłożem. Jednak pękaniu podłoża po obróbce cieplnej na mokro towarzyszy wypadanie fragmentów podłoża. Wold-esenbet i inne materiały w mokrym i gorącym środowisku odporności na uderzenia struktury degradacji interfejsu podłoża i włókna wspólnie określone, w mokrym gorącym środowisku, płyta warstwy CFRP w bazie żywicy doświadcza absorpcji pewnej ilości wody, przesiąkająca woda spowoduje rozpuszczenie podłoża żywicy. Włókno węglowe nie jest absorbujące, więc musi występować mokra ekspansja między nimi, ta różnica osłabia interfejs między podłożem a włóknem, zmniejsza wytrzymałość podłoża. Poddane obciążeniu udarowemu fragmenty podłoża łatwo odpadają, co powoduje różnicę w stosunku do interfejsu uszkodzenia próbki w temperaturze pokojowej. Ze szczegółowej struktury zeskanowanego lustra elektrycznego można zauważyć, że pękanie mokrego i gorącego korpusu podstawy słupka to głównie luźne pękanie prasy, podczas gdy pękanie przed mokrym ciepłem jest głównie kruche, a poziome pęknięcie ścinające między warstwami jest bardziej widoczne. Z mikroskopu optycznego na rysunku można zauważyć, że formy zniszczenia są różne w obu przypadkach, a stan suchy to zniszczenie na przecinanie. Aby głównie wyciąć zniszczenie, po mokrym cieple dla formy zniszczenia, której towarzyszy znaczne warstwowe zniszczenie, proporcja warstwowego zniszczenia się rozszerzyła. Można to zobaczyć pod kątem mechanizmu zniszczenia i charakterystyki pochłaniania energii. Mei Zhiyuan przedstawił dwa etapy inwazji pocisku: etap cięcia i etap ciągłej inwazji. Obszar A w mokrej gorącej próbce to zniszczenie w fazie ścinania, głównie dlatego, że w procesie uderzenia płyta warstwowa jest ściskana i ścinana, tworząc deformację zniszczenia, obszar b to zniszczenie w fazie ciągłej inwazji. Ten etap jest głównie spowodowany zmniejszeniem prędkości wtargnięcia korpusu pocisku pod działaniem składowej naprężenia rozciągającego warstwy włóknistej, a energia jest głównie przekształcana w energię odkształcenia rozciągającego włókna i energię pękania międzywarstwowego (l 51), tak że pęknięcie włókna el i poprzednie pęknięcie włókna nie są w linii prostej. W suchej próbce to zjawisko nie jest oczywiste, a uszkodzenie płyty jest poważniejsze, płyta warstwowa ma stan pęknięcia. 3. 4 Analiza energii absorpcji i obszaru projekcji otworu uszkodzeń Rysunek 5 przedstawia związek między suchą temperaturą pokojową a mokrym gorącym nasyceniem prędkości startu i utratą energii przez korpus, przy prędkości padającej około 45 m/s, sucha temperatura pokojowa pocisku odbija się, więc nie pokazano na rysunku. Jak widać na rysunku 7, gdy test przeprowadza się w warunkach nasycenia termicznego na mokro, utrata energii pocisku jest poważna, a zdolność ssania próbki po obróbce cieplnej na mokro wzrasta.

Rysunek 6 to diagram graficzny powierzchni projekcji prędkości uderzenia w korpus pocisku i otworu uszkodzenia warstwy CFRP (szara linia oznacza część rysunku 4), można zobaczyć całościowe rysunki (4), (5), (6): (1) wraz ze wzrostem prędkości uderzenia zwiększa się powierzchnia projekcji otworu uszkodzenia warstwy CFRP; (2) powierzchnia projekcji otworu uszkodzenia w próbce w suchej temperaturze pokojowej jest większa niż powierzchnia projekcji w mokrym nasyceniu gorącym; (3) gdy prędkość uderzenia wynosi około 45 m/s, powierzchnia projekcji otworu uszkodzenia płyty laminowanej po obróbce cieplnej na mokro jest znacznie większa niż powierzchnia projekcji otworu uszkodzenia płyty laminowanej w stanie suchej temperatury pokojowej. Powierzchnia projekcji uszkodzenia otworu w postaci l-otworu w wyniku nasycenia termicznego na mokro wzrosła o 85,1%, a przy prędkości uderzenia wynoszącej około 68 m/s laminowana płyta w stanie mokrym i nasycenia termicznego wzrosła o 18,10%, a wartość absorpcji (rysunek 5) wzrosła o 15,65%; przy prędkości uderzenia wynoszącej około 88 m/s laminowana płyta w stanie mokrym i nasycenia termicznego zmniejszyła się o 9,25%, a wartość absorpcji wzrosła o 12,45%.

Na podstawie wyników badań Yucheng Zhong i innych produktów, absorpcja wilgoci przez materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym poprawia granicę sprężystości i odporność na uderzenia płyty laminowanej oraz łączy rzutowany obszar otworu uszkodzenia próbki w temperaturze pokojowej i próbki nasyconej na mokro w tym artykule (rysunek 4 na szarej linii). Diagram zależności z prędkością uderzenia pocisku w korpus i obszarem projekcji otworu uszkodzenia warstwy CFRP oraz warstwowe uszkodzenie płyty łączącej warstwy CFRP można porównać, gdy prędkość uderzenia jest taka sama i niska. Obszar otworu uszkodzenia próbki nasyconej na mokro jest stosunkowo duży. Wynika to z faktu, że obróbka cieplna na mokro powoduje uplastycznienie podłoża warstwy CFRP, osłabiając interfejs włókien i podłoża oraz wydajność międzywarstwową, w uderzeniu, stan nasycenia ciepłem wilgotnym próbki rozszerza uszkodzenia warstwowe, proporcja uszkodzeń wzrosła. Na podstawie eksperymentów Wu Yixuana i innych wiadomo, że energia uderzenia w kierunku pionowym jest absorbowana głównie przez podłoże żywiczne, a następnie uplastycznienie podłoża sprawia, że ​​próbka nasycona na mokro i gorąco pochłania więcej energii podczas procesu uderzenia, poprawia odporność na uderzenia i zwiększa powierzchnię projekcji otworu uszkodzenia; uszkodzenie laminatu CFRP nie zostało w pełni rozszerzone, uderzenie się zakończyło, więc gdy prędkość uderzenia jest wyższa, obróbka cieplna na mokro na powierzchni projekcji uszkodzenia laminatu CFRP nie jest już poważna, ale ze względu na uplastycznienie żywicy podłoża, zdolność absorpcji nadal wzrasta.

4 Wnioski

(1) Wraz ze wzrostem prędkości uderzenia, prognozowany obszar otworu uszkodzenia laminatu z kompozytu żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem węglowym (CFRP) wzrasta, a szybkość wzrostu otworu uszkodzenia 孑L w próbce w suchej temperaturze pokojowej jest wyższa niż w przypadku nasycenia ciepłem na mokro. Duży: (2) Gdy prędkość uderzenia wynosi 45 m/s, obszar projekcji uszkodzenia laminatu CFRP w stanie nasycenia ciepłem na mokro zwiększa się o 85,11%, gdy prędkość uderzenia wynosi 68 m/s, obszar projekcji uszkodzenia laminatu CFRP w stanie nasycenia ciepłem na mokro zwiększa się o 18% w porównaniu z laminatem CFRP w stanie suchej temperatury pokojowej. 10%, prędkość uderzenia wynosi 86 m/s. Obszar projekcji uszkodzenia laminatu cFRP nasyconego wilgocią zmniejsza się o 9,9% w porównaniu z laminatem cFRP w suchej temperaturze pokojowej. 25%; (3) Po wystawieniu laminatu cFRP na działanie gorącego i wilgotnego środowiska, wydajność międzywarstwowa laminatu ulega pogorszeniu, co powoduje rozszerzenie się obszaru rozwarstwienia.