1 Úvod
Epoxidový kompozit vystužený uhlíkovými vláknami (CFRP) má mnoho výhod, ako je nízka hustota, vysoká špecifická pevnosť, vysoká špecifická tuhosť, odolnosť proti únave, odolnosť proti korózii a dobré mechanické vlastnosti. Je široko používaný v leteckom priemysle a iných environmentálne náročných konštrukciách, odolnosť voči vlhkému teplu a nárazom. Vplyv environmentálnych faktorov na materiály je čoraz zreteľnejší. V posledných rokoch domáci aj zahraniční vedci vykonali veľké množstvo štúdií o vplyve horúceho a vlhkého prostredia na CFRP kompozity [1] a vplyve nárazov na CFRP kompozity. Štúdia zistila, že vplyv horúceho a vlhkého prostredia na CFRP kompozity zahŕňa plastifikáciu matrice [2, praskanie [31] a oslabenie vlastností rozhrania vlákno-matrica [2'3'5], ohýbanie CFRP kompozitu so zvyšujúcim sa časom tepelného spracovania za mokra. Mechanické vlastnosti [2, vlastnosti olova a medzivrstvového šmyku [2, 1] a statické vlastnosti v ťahu [3'6'7] vykazovali klesajúci trend. Woldesenbet a kol. [8,9] skúmali rázovo mechanické vlastnosti kompozitov pri vysokých rýchlostiach deformácie po mokrom tepelnom spracovaní a zistili, že horúce a vlhké prostredie zlepšuje rázovú húževnatosť kompozitov. Ukázalo sa, že absorpcia vlhkosti kompozitných materiálov môže za určitých podmienok zlepšiť rázovo mechanické vlastnosti materiálov, čo sa značne líši od experimentálnych výsledkov za kvázistatických podmienok. Súčasnou hlavnou výskumnou prácou je vplyv vlhkého tepla (vrátane ponorenia do vody) na rázovo mechanické vlastnosti kompozitov s vláknami vystuženou živicou pri nízkej rýchlosti. Pan Wenge a kol. [10] skúmali kompresné vlastnosti dvojrozmerných tkaných kompozitných laminátov zo sklenených vlákien/epoxidu po rázovom náraze pri nízkej rýchlosti pri izbovej teplote a za horúcich a vlhkých podmienok (ponorenie do vody s teplotou 65 °C). 4. Laminát v horúcom a vlhkom prostredí sa získa po rázovom náraze pri nízkej rýchlosti. Kompresný výkon sa výrazne znižuje. Karasek a kol. [1] skúmali vplyv vlhkosti a teploty na ráz grafitových/epoxidových kompozitov a získali ich v prostredí s nízkou teplotou a izbovou teplotou. Vlhkosť má malý vplyv na počiatočnú energiu a absorpciu energie poškodenia. Yucheng Zhong a kol. [12,13] vykonali test nárazu pri nízkej rýchlosti na kompozitných laminátoch po tepelnom spracovaní za mokra. Dospeli k záveru, že horúce a vlhké prostredie výrazne znižuje poškodenie laminátu nárazom. Zlepšuje odolnosť laminátov voči nárazu. Krystyna a kol. [14] študovali náraz kompozitu z aramidu, sklenených vlákien a epoxidu pri nízkej rýchlosti po tepelnom spracovaní za mokra (ponorenie do vody s teplotou 70 °C) a po tepelnom spracovaní za mokra dosiahli menšiu plochu poškodenia nárazom. To spôsobuje poškodenie delamináciou vo vnútri vzorky, ktorá absorbuje viac energie počas nárazu a bráni tvorbe delaminácie. Z vyššie uvedeného vyplýva, že vplyv vlhkého tepelného prostredia na poškodenie kompozitných materiálov nárazom má podporný aj oslabujúci účinok. Preto je potrebný ďalší výskum a overenie. Pokiaľ ide o náraz, Mei Zhiyuan a kol. [15] navrhli a vytvorili dvojstupňový (šmykové prenikanie a kontinuálne prenikanie) model analýzy dynamiky prenikania vláknami vystužených kompozitných laminátov pri vysokorýchlostnom náraze. Guiping Zhao a kol. V [16] boli vykonané tri druhy rôznych rýchlostí (menšie, rovné a väčšie ako balistická medzná rýchlosť) na nárazové správanie a poškodenie vzorky po troch druhoch laminátov, ale nezahŕňali vplyv vlhkého tepelného prostredia na poškodenie nárazom. Na základe vyššie uvedenej literatúry sa súvisiaci výskum vplyvu mokrého a horúceho prostredia na kompozitné lamináty vystužené vláknami ešte len bližšie preskúmal. V tejto práci sa skúmali charakteristiky poškodenia nárazom kompozitných laminátov z uhlíkových vlákien/epoxidov nasýtených mokrým teplom za podmienok vodného kúpeľa s teplotou 70 °C. Vplyv horúceho a vlhkého prostredia na charakteristiky porušenia nárazom kompozitov sa analyzoval porovnaním so suchými vzorkami pri izbovej teplote. V experimente boli lamináty z uhlíkových vlákien (CFRP) nárazom vystavené CFRP laminátom pri rýchlosti 45 m/s, 68 m/s a 86 m/s. Merala sa rýchlosť pred a po náraze. Analyzoval sa vplyv horúceho a vlhkého prostredia na absorpciu energie laminátmi. Na detekciu vnútorného poškodenia laminátu sa použil ultrazvukový c-sken a analyzoval sa vplyv rýchlosti nárazu na poškodenú oblasť. Na pozorovanie mezoskopických charakteristík poškodenia vzorky sa použil skenovací elektrónový mikroskop a ultra-hĺbkový trojrozmerný mikroskopický systém a poškodenie vzorky sa analyzovalo vlhkým tepelným prostredím. Vplyv prvkov.
2 Experimentálne materiály a metódy
2. 1 Materiál a príprava
Kompozitný materiál z uhlíkových vlákien, epoxidová živica (T300/EMl 12), predbežné ponorenie zabezpečuje spoločnosť Jiangsu Hengshen Co., Ltd., hrúbka jednovrstvového predbežného ponorenia 0,137 mm s objemovým podielom vlákien 66 %. Laminovaný panel sa položí na podlahu vrstvy, rozmer 115 mm x 115 mln. Používa sa proces tvarovania v lisovacej nádrži za tepla. Schéma procesu vytvrdzovania pripravená týmto procesom je znázornená na obrázku 1. Najprv sa teplota obytného priestoru zvýši z izbovej teploty na 80 °C rýchlosťou ohrevu 1 až 3 °C/min, potom sa udržiava v teple 30 minút, zahrieva sa na 130 °C rýchlosťou ohrevu 113 °C/min, udržiava sa v teple 120 minút, potom sa teplota zníži na 60.0C pri konštantnej rýchlosti ochladzovania a potom odstráňte tlak a uvoľnite a uvoľnite.
2. 2 Mokré tepelné spracovanie
Po príprave vzorky bola vzorka tepelne upravená za mokra v súlade so špecifikáciou HB 7401-96.171 „Experimentálna metóda absorpcie vlhkosti kompozitnej vrstvy na báze živice v mokrom a horúcom prostredí“. Najprv sa vzorka umiestni do termostatickej sušiacej komory pri teplote 70 °C, aby sa vysušila. Pravidelne sa váži pomocou váh, kým sa strata kvality vzorky neustáli na maximálne 0,02 %. Zaznamenaná hodnota v tomto čase je technická suchá hmotnosť G. Po vysušení sa vzorka umiestni do vody s teplotou 70 °C na tepelné spracovanie za mokra. Podľa špecifikácie HB 7401 sa metódou špecifikovanou v bode 96 „meria kvalita vzorky každý deň, zaznamenáva sa ako Gi, a zaznamenáva sa zmena absorpcie vlhkosti Mi. Vyjadrenie absorpcie vlhkosti vzorky laminátu CFRP je:
Vzorec je podrobne uvedený: Mi je absorpcia vlhkosti vzorky, Gi je kvalita po absorpcii vlhkosti vzorky, g, go je kvalita vzorky v suchom stave.
2. 3 Experimenty s nárazom
Experiment s vysokorýchlostným nárazom na CFRP lamináte sa uskutočnil na vysokorýchlostnom vzduchovom dela s priemerom 15 mm. Zariadenie na vysokorýchlostný náraz (pozri obrázok 2) obsahuje vysokorýchlostnú vzduchovú pištoľ, laserové meracie zariadenie rýchlosti pred a po náraze, telo strely, upevňovací prípravok na vzorku (pravý horný roh obrázku 2) a bezpečnostné zariadenie na obnovenie tela strely. Telo strely je valcová strela s kužeľovou hlavou (obrázok 2) a jej objem je 24,32 g s priemerom 14,32 mm; rýchlosť nárazu je 45 m/s (energia nárazu 46 J), 68 m/s (energia nárazu 70 J) a 86 m/s (energia nárazu 90 J).
2. 4 Detekcia poškodenia vzoriek
Po náraze sa na detekciu vnútorného poškodenia nárazom CFRP laminátovej dosky použije epoxidový kompozitný laminát s uhlíkovými vláknami s okrajovou vrstvou. Projekčná plocha poškodenia nárazom sa meria pomocou softvéru na analýzu obrazu UTwim a detailné charakteristiky prierezovej deštrukcie sa pozorujú pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu a 3D mikroskopického systému s ultra-hĺbkovým ostrím.
3 Výsledky a diskusie
3. 1 Charakteristiky absorpcie vlhkosti vzoriek
Celkovo za 37,7 dní je priemerná nasýtená absorpcia vlhkosti 1,780 % s rýchlosťou difúzie 6,183 x 10,7 l/l²/s. Krivka absorpcie vlhkosti vzorky CFRP laminátu je znázornená na obrázku 3. Ako je vidieť na obrázku 3, počiatočná rýchlosť rastu absorpcie vlhkosti vzorky je lineárna, po lineárnej fáze rýchlosť rastu absorpcie vlhkosti začína klesať, pričom po približne 23 dňoch dosahuje ustálený stav a po určitom čase dosahuje nasýtenie absorpcie vlhkosti. Preto absorpcia vlhkosti vzorky zodpovedá dvojstupňovému režimu absorpcie vlhkosti: prvá fáza absorpcie vlhkosti je spôsobená spoločným pôsobením teploty a vlhkosti, pričom vlhkosť cez samotný materiál obsahuje póry, diery, praskliny a iné defekty, ktoré sa šíria dovnútra materiálu; difúzia vody je pomalá a v tejto fáze postupne dosahuje nasýtenie.
3. Zjavné charakteristiky deštrukcie dvojvrstvovej laminátovej dosky
Pri náraze je rýchlosť 86 m/s zjavný profil deštrukcie na prednej a zadnej strane vzorky. Vzorka pri suchej izbovej teplote a vlhkej, horúcej a nasýtenej vzorke má pri náraze podobný tvar deštrukcie prednej strany vzorky. Obe vzorky pri náraze majú v dôsledku prasklín v základe určité šmyknutie pri deštrukcii prvej vrstvy vlákien. To spôsobuje, že predná strana nadobudne eliptický alebo obdĺžnikový tvar a okrem viditeľnej trhliny v substráte je možné vidieť aj lámanie vlákien. Pri suchej izbovej teplote a vlhkej, horúcej a nasýtenej vzorke je možné vidieť, že zadná strana má v smere nárazu určité vydutie a má krížovú trhlinu. Je zrejmé, že lámanie vlákien, praskanie základne a lámanie medzivrstvy (vrstvenie) sú tri formy deštrukcie, pričom posledná časť vlákna je zdvihnutá, ale nie zlomená, iba vrstvenie a praskanie medzi vláknami a základňou. Lomenie vlákien je tiež odlišné, ako je zrejmé z porovnania poškodenia spredu a zozadu. Predná strana spôsobuje lámanie vlákien a substrátu v dôsledku stlačenia a šmyku. Zadná strana spôsobuje lámanie vlákien a substrátu v dôsledku natiahnutia. Obrázok 4 znázorňuje rýchlosť nárazu 45 m/s, 68 m/s a 86 m/s pri skenovaní vnútorného poškodenia vzorky C. Plocha označená približnou okrúhlou sivou čiarou l v strede obrázku je premietaná plocha poškodeného otvoru. Čierna čiara nad a pod každým malým grafom označuje plochu pre oblasť spätného odlupovania vzorky. Plocha označená bielou čiarou na obrázku (b) (d) (f) predstavuje vnútorné poškodenie vzorky pozdĺž hranice. Graf ukazuje, že energia nárazu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa rýchlosťou nárazu. Laminovaná doska je schopná absorbovať viac energie počas nárazu (konkrétne hodnoty nájdete na obrázku 6), čo vedie k zväčšujúcej sa ploche premietaného poškodenia laminátu: porovnaním vzorky pri suchej izbovej teplote s obrázkom vzorky s vlhkou a horúcou saturáciou je možné vidieť, že pozdĺž hranice dochádza k vnútornému poškodeniu (biela čiara) vzorky v stave mokrej a horúcej saturácie vzorky, najmä v dôsledku procesu absorpcie. Plastifikácia substrátu v laminátovej doske a oslabenie rozhrania medzi vláknami a podkladom spôsobuje, že hranica má počas procesu nárazu určitý vplyv na laminátovú dosku. Podľa obrázku sa oblasť odlupovania (čierna čiara) vzorky v suchom stave veľmi nelíši od stavu vlhkého a horúceho nasýtenia.
3. Podrobné deštruktívne vlastnosti trojvrstvového panelu
Mapa prierezových poškodení spojovacej dosky z CFRP vrstvy, zhotovená ultrahĺbkovým 3D mikrosystémom a skenovacím elektrónovým zrkadlom pri nárazovej rýchlosti 45 m/s, za sucha, mokra a tepla, ukazuje, že poškodenie vzorky v oboch stavoch zahŕňa tri formy deštrukcie: praskanie vlákien, praskanie základne a praskanie medzivrstvy. Spodná časť oboch vzoriek je však prasknutá odlišne. Praskanie substrátu v suchom stave sa praská v mieste spojenia medzi vláknom a substrátom. Praskanie substrátu po tepelnom spracovaní za mokra je však sprevádzané vypadávaním úlomkov substrátu. Wold-esenbet a iné materiály vo vlhkom a horúcom prostredí spoločne určujú nárazové správanie štruktúry štruktúry a degradáciu rozhrania vláknitého substrátu. Vo vlhkom a horúcom prostredí doska z CFRP vrstvy v živicovej základni absorbuje určité množstvo vody, presakujúca voda spôsobí rozpustenie živicového substrátu. Uhlíkové vlákno nie je savé, preto musí medzi nimi dochádzať k mokrej expanzii, tento rozdiel oslabuje rozhranie medzi substrátom a vláknom a znižuje pevnosť substrátu. Pri nárazovom zaťažení fragmenty substrátu ľahko vypadávajú, čo vedie k rozdielu medzi povrchom poškodenia a suchou vzorkou pri izbovej teplote. Z detailnej štruktúry skenovaného elektrického zrkadla je zrejmé, že praskanie mokrého a horúceho telesa podkladu je prevažne spôsobené voľným praskaním pri lisovaní, zatiaľ čo praskanie pred mokrým teplom je prevažne krehké a horizontálna šmyková trhlina medzi vrstvami je zreteľnejšia. Z optického mikroskopu na obrázku je vidieť, že formy deštrukcie sú v oboch prípadoch odlišné a suchý stav je spôsobený deštrukciou medzi rezmi. Pri deštrukcii rezaním sa po mokrom teplom, ktorá je sprevádzaná najmä značnou vrstvenou deštrukciou, podiel vrstvenej deštrukcie zväčšuje. Je to zrejmé z mechanizmu uhla deštrukcie a charakteristík absorpcie energie. Mei Zhiyuan navrhol dve fázy invázie projektilu: fázu rezania a fázu kontinuálnej invázie. Oblasť A vo vlhkej horúcej vzorke je fáza deštrukcie v dôsledku šmykovej intrúzie, pretože počas procesu nárazu je vrstvená doska stlačená a strihaná, čím vzniká deformácia deštrukcie, oblasť b je fáza deštrukcie v dôsledku kontinuálnej intrúzie. Táto fáza je spôsobená hlavne znížením rýchlosti vniknutia tela strely pôsobením zložky napínacieho napätia vláknitej vrstvy a energia sa premieňa hlavne na energiu natiahnutia vlákna a energiu lomu medzivrstvy (l 51), takže pretrhnutie vlákna el a predchádzajúce pretrhnutie vlákna nie sú v priamke. V suchej vzorke tento jav nie je zrejmý a poškodenie dosky je vážnejšie, doska vrstvy má praskavý stav. 3. 4 Analýza absorpčnej energie a plochy projekcie poškodeného otvoru Obrázok 5 znázorňuje vzťah medzi teplotou suchej miestnosti a vlhkým horúcim nasýtením, rýchlosťou výstrelu a stratou energie tela. Pri rýchlosti dopadu približne 45 m/s sa strela pri teplote suchej miestnosti úplne odrazí, takže na obrázku to nie je znázornené. Ako je vidieť na obrázku 7, pri teste za vlhkého tepelného nasýtenia je strata energie strely značná a sacia kapacita vzorky sa po mokrom tepelnom spracovaní zvyšuje.
Obrázok 6 je grafický diagram projekčnej plochy rýchlosti dopadu tela strely a poškodeného otvoru vo vrstve CFRP (sivá čiara označuje časť obrázku 4), z čoho je zrejmé, že na obrázkoch (4), (5), (6) je zrejmé: (1) so zvyšujúcou sa rýchlosťou nárazu sa projekčná plocha poškodeného otvoru vo vrstve CFRP zväčšuje; (2) projekčná plocha poškodeného otvoru vo vzorke pri suchej izbovej teplote je väčšia ako pri mokrej tepelnej saturácii; (3) keď je rýchlosť nárazu približne 45 m/s, projekčná plocha poškodeného otvoru laminovanej dosky po mokrom tepelnom spracovaní je oveľa väčšia ako projekčná plocha poškodeného otvoru laminovanej dosky v suchom stave izbovej teploty. Projekčná plocha l-otvoru poškodenej vzorky pri mokrej tepelnej saturácii sa zvýšila o 85,1 % a pri rýchlosti nárazu približne 68 m/s sa laminovaná doska v mokrom a tepelne saturovanom stave zvýšila o 18,10 %, hodnota absorpcie (obrázok 5) sa zvýšila o 15,65 %; Pri nárazovej rýchlosti približne 88 m/s sa laminovaná doska v mokrom a tepelne nasýtenom stave znížila o 9,25 %, pričom hodnota absorpcie sa stále zvýšila o 12,45 %.
Na základe výsledkov výskumu spoločnosti Yucheng Zhong a ďalších produktov sa zistilo, že absorpcia vlhkosti kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami zlepšuje medzu pružnosti a odolnosť proti nárazu laminátovej dosky a v tomto článku sa kombinuje premietaná plocha otvoru s poškodením suchej vzorky pri izbovej teplote a vzorky s mokrým tepelným nasýtením (obrázok 4 v sivej čiare). Diagram vzťahu medzi rýchlosťou dopadu strely na telo a premietanou plochou otvoru s poškodením vrstvy CFRP a poškodením vrstiev spojovacej dosky vrstvy CFRP možno porovnať pri rovnakej a nízkej rýchlosti nárazu. Plocha otvoru s poškodením vrstvy CFRP vzorky s mokrým tepelným nasýtením je relatívne veľká. Je to spôsobené tým, že mokré tepelné spracovanie spôsobuje plastifikáciu substrátu vrstvy CFRP, oslabuje rozhranie vlákien a substrátu a vlastnosti medzi vrstvami. Pri náraze sa stav mokrého tepelného nasýtenia vzorky s povrchovým poškodením rozširuje a zvyšuje sa podiel poškodenia. Na základe experimentov Wu Yixuana a iných je známe, že energia nárazu vo vertikálnom smere dlažby je absorbovaná hlavne živicovým substrátom, potom plastifikácia substrátu spôsobuje, že vlhká a horúca nasýtená vzorka absorbuje viac energie počas procesu nárazu, zlepšuje odolnosť voči nárazu a zväčšuje plochu projekcie poškodeného otvoru; poškodenie CFRP laminátu nie je úplne rozšírené, náraz je ukončený, takže keď je rýchlosť nárazu vyššia, mokré tepelné spracovanie na ploche projekcie poškodenia CFRP laminátu už nie je závažné, ale vďaka plastifikácii živice substrátu sa absorpčná kapacita stále zvyšuje.
4 Závery
(1) So zvyšujúcou sa rýchlosťou nárazu sa zvyšuje premietaná plocha poškodeného otvoru laminátu z epoxidovej živice vystuženej uhlíkovými vláknami (CFRP) a rýchlosť rastu poškodeného otvoru 孑L vo vzorke pri suchej izbovej teplote je vyššia ako pri saturácii vlhkým teplom. Veľké: (2) Pri rýchlosti nárazu 45 m/s sa plocha projekcie poškodenia CFRP laminátu v stave saturácie vlhkým teplom zväčší o 85,11 %, pri rýchlosti nárazu 68 m/s sa plocha projekcie poškodenia CFRP laminátu v stave saturácie vlhkým teplom zväčší o 18 % v porovnaní s CFRP laminátom v stave saturácie vlhkým teplom o 10 %, rýchlosť nárazu je 86 m/s. Plocha projekcie poškodenia mokrého nasýteného cFRP laminátu sa zmenší o 9,9 % v porovnaní s cFRP laminátom pri suchej izbovej teplote o 25 %; (3) Po vystavení cFRP laminátu horúcemu a vlhkému prostrediu sa zníži medzivrstvová výkonnosť laminátu, čo vedie k rozšíreniu oblasti delaminácie.
Čas uverejnenia: 24. júna 2019