1 Введение
Эпоксидный композит, армированный углеродным волокном (CFRP), имеет много преимуществ, таких как низкая плотность, высокая удельная прочность, высокая удельная жесткость, усталостная стойкость, коррозионная стойкость и хорошие механические свойства. Он широко используется в аэрокосмической промышленности и других экологически суровых конструкциях, влажном тепле и ударах. Влияние факторов окружающей среды на материалы становится все более очевидным. В последние годы отечественные и зарубежные ученые провели большое количество исследований по влиянию горячей и влажной среды на композиты CFRP [1] и влиянию удара на композиты CFRP. Исследование показало, что влияние горячей и влажной среды на композиты CFRP включает пластификацию матрицы [2, растрескивание [31 и ослабленные свойства интерфейса волокно-матрица [2'3'5], изгиб композита CFRP с увеличением времени влажной тепловой обработки). Механические свойства производительности [2, свинцовые и межслойные сдвиговые свойства [2, 1 и статические свойства растяжения [3'6'7] показали тенденцию к снижению. Woldesenbet et al. [8,9] изучали ударные механические свойства композитов при высоких скоростях деформации после влажной тепловой обработки и получили, что горячая и влажная среда улучшает ударную прочность композитов. Выявлено, что поглощение влаги композитными материалами может улучшить ударные механические свойства материалов при определенных условиях, что существенно отличается от экспериментальных результатов в квазистатических условиях. Текущая основная исследовательская работа посвящена влиянию влажного тепла (включая погружение в воду) на ударные свойства при низкой скорости композитов на основе армированной волокном смолы. Пан Венге и др. [10] изучали компрессионные свойства двухмерных тканых стекловолоконных/эпоксидных композитных ламинатов после удара с низкой скоростью при комнатной температуре и в горячих и влажных условиях (погружение в воду при 65 °C). 4. Ламинат в горячей и влажной среде получается после удара с низкой скоростью. Характеристики сжатия значительно снижаются. Карасек и др. [1] изучали влияние влажности и температуры на удар графитовых/эпоксидных композитов и получили их в условиях низкой температуры и комнатной температуры. Влажность мало влияет на начальную энергию и поглощение энергии повреждения. Юйчэн Чжун и др. [12,13] провели испытание на удар при низкой скорости на композитных ламинатах после влажной тепловой обработки. Сделан вывод, что горячая и влажная среда значительно снижает ударное повреждение ламината. Улучшить ударопрочность ламинатов. Кристина и др. [14] изучили удар при низкой скорости композита из арамидного стекловолокна/эпоксидной смолы после влажной тепловой обработки (погружение в воду при температуре 70 °C) и получили меньшую площадь ударного повреждения после влажной тепловой обработки. Это вызывает расслоение внутри образца, который поглощает больше энергии во время удара и препятствует образованию расслоения. Из вышеизложенного видно, что влияние влажной тепловой среды на ударное повреждение композитных материалов оказывает стимулирующий и ослабляющий эффект. Поэтому необходимы дальнейшие исследования и проверки. Что касается удара, Мэй Чжиюань и др. [15] предложили и установили двухэтапную (проникновение при сдвиге и непрерывное проникновение) модель анализа динамики проникновения армированных волокном композитных ламинатов при высокоскоростном ударе. Гуйпин Чжао и др. [16] провели три вида различных скоростей (меньше, равно и больше предельной баллистической скорости) на ударных характеристиках и повреждении образца после трех видов ламинатов, но не включали влияние влажной тепловой среды на ударное повреждение. . На основании вышеуказанной литературы, соответствующие исследования воздействия влажной и горячей среды на армированные волокном композитные ламинаты еще предстоит изучить более подробно. В этой статье были изучены характеристики ударного повреждения ламинатов из углеродного волокна/эпоксидного композита, насыщенных влажным теплом, в условиях водяной бани с температурой 70 °C. Влияние горячей и влажной среды на характеристики разрушения композитов при ударе было проанализировано путем сравнения с образцами при сухой комнатной температуре. В эксперименте ламинаты CFRP подвергались удару по ламинатам CFRP со скоростью 45 м/с, 68 м/с и 86 м/с. Измерялась скорость до и после удара. Было проанализировано влияние горячей и влажной среды на характеристики поглощения энергии ламинатами. Ультразвуковое c-сканирование использовалось для обнаружения внутренних повреждений ламината, и было проанализировано влияние скорости удара на область разрушения. Сканирующий электронный микроскоп и сверхглубокая трехмерная микроскопическая система использовались для наблюдения мезоскопических характеристик повреждения образца, а повреждение образца анализировалось влажной тепловой средой. Влияние особенностей.
2 Экспериментальные материалы и методы
2. 1 Материал и подготовка
Композитный материал из углеродного волокна и эпоксидной смолы (T300/EMl 12), предварительное погружение предоставлено компанией Jiangsu Hengshen Co., Ltd., толщина однослойного предварительного погружения 0,137 мм с объемной долей волокон 66%. Панель ламината укладывается на пол слоя., размер 115 мм x 115 млн. Используется процесс формования в ванне горячего прессования. Схема процесса отверждения, подготовленная в ходе процесса, показана на рисунке 1. Сначала поднимите температуру жилища от комнатной до 80 °C со скоростью нагрева от 1 до 3 °C/мин, затем поддерживайте температуру в течение 30 мин, нагрейте до 130 °C со скоростью нагрева 113 °C/мин, поддерживайте температуру в течение 120 мин, уменьшите до 600С при постоянной скорости охлаждения, а затем снимите давление и отпустите, и отпустите.
2. 2 Влажная тепловая обработка
После подготовки образца образец был подвергнут влажной тепловой обработке в соответствии со спецификацией HB 7401-96.171 «Экспериментальный метод поглощения влаги в условиях влажной и горячей среды композитного слоя на основе смолы». Сначала образец помещают в термостатическую сушильную камеру при температуре 70 градусов C для сушки. Регулярно взвешивают с помощью весов до тех пор, пока потеря качества образца не станет стабильной и не составит более 0,02%, зарегистрированное значение в это время — это инженерная сухая масса G. После сушки образец помещают в воду при температуре 70 градусов C для влажной тепловой обработки. Согласно спецификации HB 7401. Метод, указанный в 96, «измеряет качество образца каждый день, регистрируется как Gi, и регистрирует изменение поглощения влаги Mi. Выражение поглощения влаги образцом ламината CFRP:
Формула детализирована: Mi — влагопоглощение образца, Gi — качество после поглощения образцом влаги, g, go — качество сухого состояния образца.
2. 3 эксперимента по удару
Эксперимент по высокоскоростному удару по ламинату CFRP проводился на высокоскоростной воздушной пушке диаметром 15 мм. Устройство для испытания на высокоскоростной удар (см. Рисунок 2) включает высокоскоростную воздушную пушку, лазерное устройство измерения скорости до и после удара, корпус пули, приспособление для установки образца (верхний правый угол рисунка 2) и устройство для безопасного извлечения корпуса пули. Корпус пули представляет собой цилиндрическую пулю с конической головкой (рисунок 2), а объем пули составляет 24,32 г при диаметре 14,32 мм; скорость удара составляет 45 м/с (энергия удара 46 Дж), 68 м/с (энергия удара 70 Дж), 86 м/с (энергия удара 90 Дж) удар.
2. 4 Обнаружение повреждений образцов
После удара пластина кромки композитного слоя ламината из цветного углеродного волокна и эпоксидного композита используется для обнаружения внутренних повреждений от удара пластины ламината из углепластика, а площадь проекции области повреждения от удара измеряется с помощью программного обеспечения для анализа изображений UTwim, а подробные характеристики разрушения поперечного сечения наблюдаются с помощью сканирующего электронного микроскопа и 3D-микроскопической системы со сверхглубоким полем зрения.
3 Результаты и обсуждения
3. 1 Характеристики влагопоглощения образцов
Всего 37,7 дня, среднее значение насыщенного влагопоглощения составляет 1,780%, при скорости диффузии 6,183x10,7lllnl2/с. Кривая влагопоглощения образца ламината CFRP показана на рисунке 3. Как видно из рисунка 3, начальная скорость роста влагопоглощения образца линейна, после линейной стадии скорость роста влагопоглощения начинает снижаться, достигая уровня устойчивого состояния примерно через 23 дня и достигая насыщения влагопоглощения через определенный период времени. Таким образом, влагопоглощение образца соответствует двухэтапному режиму влагопоглощения: первая стадия влагопоглощения обусловлена совместным действием температуры и влажности, влага через сам материал содержит поры, отверстия, трещины и другие дефекты, распространяясь внутрь материала; диффузия воды происходит медленно и постепенно достигает насыщения на этом этапе.
3. Видимые характеристики разрушения двухслойной ламинированной плиты
Скорость удара 86 м/с, когда образец спереди, задняя часть видимой карты профиля разрушения, по образцу с сухой комнатной температурой, образец с влажной горячей насыщенностью фронтальная форма разрушения больше похожа, два образца при ударе, из-за трещин основания, его разрушение вдоль первого слоя волокна имеет определенное скольжение. Это заставляет фронт делать эллиптическую или прямоугольную форму, и в дополнение к возможности видеть трещину в подложке, волокна можно увидеть, как они ломаются. По образцу с сухой комнатной температурой, образец с влажной горячей насыщенностью на задней части разрушения формы можно увидеть, что задняя часть вдоль направления удара имеет определенную выпуклость и представляет собой крестообразную трещину. Очевидно, что разрушение волокна, растрескивание основания и межслоевой разрыв (расслоение) три формы разрушения, последняя часть волокна поднимается, но не ломается, только расслаивание и растрескивание волокна/основания. Разрыв волокна также отличается, как можно увидеть из сравнения фронтального и заднего повреждения. Фронт вызывает разрушение волокна и подложки из-за сжатия и сдвига. Обратная сторона из-за растяжения заставила волокно разорваться и расслоить подложку. На рисунке 4 показана скорость удара 45 м/с, 68 м/с, 86 м/с при сканировании внутреннего повреждения образца C. Площадь, обозначенная приблизительно круглой серой линией l в центре рисунка, является проецируемой площадью отверстия повреждения. Черная линия выше и ниже каждой маленькой диаграммы указывает область для области отслоения обратной стороны образца. Область, обозначенная белой линией на рисунке (b) (d) (f), является внутренним повреждением образца вдоль границы. График показывает, что энергия удара увеличивается по мере увеличения скорости удара. Ламинированная пластина способна поглощать больше энергии во время удара (конкретные значения см. на рисунке 6), что приводит к увеличению площади проекции повреждения ламината: сравнивая образец сухой комнатной температуры с изображением образца влажного горячего насыщения, можно увидеть, что есть внутреннее повреждение (белая линия) образца, полученное вдоль границы в состоянии влажного горячего насыщения образца, в основном из-за процесса поглощения. Пластификация подложки в ламинированной пластине и ослабление интерфейса волокна-основы приводят к тому, что граница оказывает определенное воздействие на ламинированную пластину в процессе удара. Согласно рисунку, область отслаивания задней части (черная линия) образца в сухом состоянии не сильно отличается от состояния влажного горячего насыщения.
3. Подробные характеристики разрушения трехслойной панели
Карта характеристик повреждения поперечного сечения соединительной пластины слоя CFRP, полученная с помощью сверхглубокой 3D-микросистемы и сканирующего электронного зеркала при скорости удара 45 м/с, сухой, влажной и горячей, показывает, что повреждение образца в обоих состояниях включает три формы разрушения: разрыв волокна, растрескивание основания и межслойное разрушение. Но основание двух образцов трескается по-разному. Трещина подложки в сухом состоянии трескается в месте соединения волокна и подложки. Однако растрескивание подложки после влажной тепловой обработки сопровождается выпадением фрагментов подложки. Wold-esenbet и другие материалы во влажной и горячей среде ударопрочности структуры структуры и деградации интерфейса подложки волокна совместно определены, во влажной и горячей среде пластина слоя CFRP в смоляной основе испытывает поглощение определенного количества воды, просачивающаяся вода приведет к растворению смоляной подложки. Углеродное волокно не абсорбирует, тогда должно быть влажное расширение между ними, эта разница ослабляет интерфейс между подложкой и волокном, снижает прочность подложки. При воздействии ударной нагрузки фрагменты подложки легко выпадают, что приводит к разнице с интерфейсом повреждения образца при сухой комнатной температуре. Из подробной структуры сканированного электрического зеркала видно, что растрескивание влажного и горячего пост-базового корпуса в основном является свободным растрескиванием разрыва пресса, в то время как растрескивание до влажного тепла в основном хрупкое, а горизонтальная сдвиговая трещина между слоями более очевидна. Из оптического микроскопа на рисунке видно, что формы разрушения в двух случаях различны, и сухое состояние является разрушением между резками. Чтобы разрезать разрушение в основном, после влажного тепла для формы разрушения, сопровождающейся значительным слоистым разрушением, доля слоистого разрушения расширяется. Это можно увидеть из угла механизма разрушения и характеристик поглощения энергии. Мэй Чжиюань выдвинул две стадии вторжения снаряда: стадию резки и стадию непрерывного вторжения. Область A во влажном горячем образце - это разрушение на стадии сдвига вторжения, в основном потому, что в процессе удара слоистая пластина сжимается и сдвигается, образуя деформацию разрушения, область b - это разрушение на стадии непрерывного вторжения. Эта стадия в основном обусловлена снижением скорости вторжения тела пули под действием компонента напряжения растяжения волокнистого слоя, и энергия в основном преобразуется в энергию деформации растяжения волокна и энергию разрушения межслоевого слоя (l 51), так что разрыв волокна el и предыдущий разрыв волокна не находятся на прямой линии. В сухом образце это явление не очевидно, и повреждение пластины более серьезно, слоистая пластина имеет состояние трещины. 3.4 Анализ энергии поглощения и площади проекции отверстия повреждения На рисунке 5 показана связь между сухой комнатной температурой и влажной горячей насыщенностью скорости запуска и потери энергии тела, при скорости падения около 45 м/с, при сухой комнатной температуре пуля полностью отскакивает, поэтому на рисунке не показано. Как видно из рисунка 7, при проведении испытания в условиях влажного теплового насыщения потеря энергии пули значительна, а всасывающая способность образца после влажной тепловой обработки увеличивается.
Рисунок 6 представляет собой графическую диаграмму площади проекции скорости падения тела пули и отверстия повреждения слоя CFRP (серая линия отмечает часть рисунка 4), можно увидеть комплексные рисунки (4), (5), (6): (1) с увеличением скорости удара площадь проекции отверстия повреждения слоя CFRP увеличивается; (2) площадь проекции отверстия повреждения в образце при сухой комнатной температуре больше, чем при влажном горячем насыщении; (3) когда скорость удара составляет около 45 м/с, площадь проекции отверстия повреждения ламинированной пластины после влажной тепловой обработки намного больше, чем площадь проекции отверстия повреждения ламинированной пластины в состоянии сухой комнатной температуры. Площадь проекции l-отверстия повреждения образца при влажном термическом насыщении увеличилась на 85,1%, а при скорости удара около 68 м/с ламинированная пластина во влажном и термическом состоянии насыщения увеличилась на 18,10%, значение поглощения (рисунок 5) увеличилось на 15,65%; При скорости удара около 88 м/с ламинированная пластина во влажном и термически насыщенном состоянии уменьшилась на 9,25%, значение поглощения все еще увеличилось на 12,45%.
На основе результатов исследований Юйчэна Чжуна и других продуктов, поглощение влаги композитными материалами, армированными углеродным волокном, улучшает предел упругости и ударопрочность ламинированной пластины и объединяет проекционную площадь отверстия повреждения сухого образца комнатной температуры и влажного образца горячего насыщения в этой статье (рисунок 4 серой линией). Диаграмму взаимосвязи со скоростью падения пули и проекционной площадью отверстия повреждения слоя CFRP, а также слоистым повреждением соединительной доски слоя CFRP можно сравнить, когда скорость удара одинакова и низкая. Площадь отверстия повреждения влажного образца горячего насыщения относительно велика. Это связано с тем, что влажная тепловая обработка делает подложку слоя CFRP пластичной, ослабляя интерфейс волокна и подложки и межслойные характеристики, при ударе состояние влажного насыщения тепла образца слоистого повреждения расширяется, доля повреждения увеличивается. На основе экспериментов У Исюаня и других известно, что энергия удара в вертикальном направлении укладки в основном поглощается смоляной подложкой, затем пластификация подложки заставляет образец влажного и горячего насыщения поглощать больше энергии во время процесса удара, улучшает ударопрочность и увеличивает площадь проекции отверстия повреждения; повреждение ламината CFRP не было полностью расширено, удар закончился, поэтому, когда скорость удара выше, влажная тепловая обработка на области проекции повреждения ламината CFRP больше не является серьезной, но из-за пластификации смолы подложки поглощающая способность все еще увеличивается.
4 Вывода
(1) С увеличением скорости удара площадь проекции отверстия повреждения ламината из эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном (CFRP), увеличивается, а скорость роста отверстия повреждения 孑L в образце при сухой комнатной температуре выше, чем при насыщении влажным теплом. Большой: (2) Когда скорость удара составляет 45 м/с, площадь проекции повреждения ламината CFRP в состоянии насыщения влажным теплом увеличивается на 85,11%, когда скорость удара составляет 68 м/с, площадь проекции повреждения ламината CFRP в состоянии насыщения влажным теплом увеличивается на 18% по сравнению с ламинатом CFRP в состоянии сухой комнатной температуры. 10%, скорость удара составляет 86 м/с. Площадь проекции повреждения ламината cFRP во влажном насыщенном состоянии уменьшается на 9,9% по сравнению с ламинатом cFRP при сухой комнатной температуре. 25%; (3) После того, как ламинат cFRP подвергается воздействию горячей и влажной среды, межслоевые характеристики ламината ухудшаются, что приводит к расширению области расслоения.
Время публикации: 24 июня 2019 г.