1 Uvod
Epoksidni kompozit, ojačan z ogljikovimi vlakni (CFRP), ima številne prednosti, kot so nizka gostota, visoka specifična trdnost, visoka specifična togost, odpornost na utrujanje, odpornost proti koroziji in dobre mehanske lastnosti. Široko se uporablja v vesoljski industriji in drugih okoljsko zahtevnih konstrukcijah, vlažni vročini in udarcih. Vpliv okoljskih dejavnikov na materiale je vse bolj očiten. V zadnjih letih so domači in tuji znanstveniki izvedli številne študije o vplivih vročega in vlažnega okolja na CFRP kompozite [1] in vplivu udarcev na CFRP kompozite. Študija je pokazala, da vpliv vročega in vlažnega okolja na CFRP kompozite vključuje plastifikacijo matrice [2, razpoke [31] in oslabljene lastnosti vmesnika vlakna-matrika [2'3'5], upogibanje CFRP kompozita z naraščajočim časom mokre toplotne obdelave. Mehanske lastnosti [2, lastnosti svinca in medplastnih strižnih lastnosti [2, 1] ter statične natezne lastnosti [3'6'7] so pokazale trend upadanja. Woldesenbet et al. [8,9] so preučevali udarno mehanske lastnosti kompozitov pri visokih hitrostih deformacije po mokri toplotni obdelavi in ugotovili, da vroče in vlažno okolje izboljša udarno trdnost kompozitov. Razkrili so, da lahko absorpcija vlage kompozitnih materialov pod določenimi pogoji izboljša udarno mehanske lastnosti materialov, kar se precej razlikuje od eksperimentalnih rezultatov v kvazistatičnih pogojih. Trenutno večje raziskovalno delo je vpliv vlažne toplote (vključno s potopitvijo v vodo) na udarne lastnosti kompozitov z vlakni ojačano smolo pri nizki hitrosti. Pan Wenge in sodelavci [10] so preučevali kompresijske lastnosti dvodimenzionalnih tkanih kompozitnih laminatov iz steklenih vlaken/epoksi po udarcu pri nizki hitrosti pri sobni temperaturi in v vročih in vlažnih pogojih (potopitev v vodo pri 65 °C). 4. Laminat v vročem in vlažnem okolju je dobljen po udarcu pri nizki hitrosti. Kompresijska zmogljivost se znatno zmanjša. Karasek in sodelavci [1] so preučevali vplive vlažnosti in temperature na udar grafitno/epoksi kompozitov ter jih pridobili v okoljih z nizko temperaturo in sobno temperaturo. Vlažnost ima majhen vpliv na začetno energijo in absorpcijo energije poškodbe. Yucheng Zhong in sodelavci [12,13] so izvedli udarni test pri nizki hitrosti na kompozitnih laminatih po mokri toplotni obdelavi. Ugotovljeno je bilo, da vroče in vlažno okolje znatno zmanjša poškodbe laminata zaradi udarca. Izboljšajte odpornost laminatov na udarce. Krystyna in sodelavci [14] so preučevali udar kompozita iz aramidnih, steklenih vlaken in epoksi vlaken pri nizki hitrosti po mokri toplotni obdelavi (potopitev v vodo pri 70 °C) in po mokri toplotni obdelavi dosegli manjšo površino poškodb zaradi udarca. To povzroči poškodbe zaradi delaminacije znotraj vzorca, ki med udarcem absorbira več energije in zavira nastanek delaminacije. Iz zgoraj navedenega je razvidno, da ima vpliv vlažnega toplotnega okolja na poškodbe zaradi udarca kompozitnih materialov spodbujevalni in oslabitveni učinek. Zato so potrebne nadaljnje raziskave in preverjanje. Glede udarca so Mei Zhiyuan in sodelavci [15] predlagali in vzpostavili dvostopenjski (strižna penetracija in neprekinjena penetracija) model analize dinamike penetracije z vlakni ojačanih kompozitnih laminatov pri udarcu z visoko hitrostjo. Guiping Zhao in sodelavci [16] je izvedel tri vrste različnih hitrosti (manjše, enake in večje od balistične mejne hitrosti) na udarno zmogljivost in poškodbe vzorca po treh vrstah laminatov, vendar ni vključeval vpliva vlažnega toplotnega okolja na poškodbe zaradi udarca. Na podlagi zgornje literature je treba s tem povezane raziskave o vplivu mokrega in vročega okolja na vlakna ojačane kompozitne laminate še podrobneje raziskati. V tem članku so bile proučene značilnosti udarne poškodbe kompozitnih laminatov iz ogljikovih vlaken/epoksi smole, nasičenih z mokro toploto, v vodni kopeli pri 70 °C. Vpliv vročega in vlažnega okolja na značilnosti udarne porušitve kompozitov je bil analiziran v primerjavi s suhimi vzorci pri sobni temperaturi. V poskusu so bili CFRP laminati udarjeni ob CFRP laminate s hitrostjo 45 m/s, 68 m/s in 86 m/s. Izmerjena je bila hitrost pred in po udarcu. Analiziran je bil vpliv vročega in vlažnega okolja na absorpcijo energije laminatov. Za odkrivanje notranjih poškodb laminata je bilo uporabljeno ultrazvočno c-skeniranje, analiziran pa je bil vpliv hitrosti udarca na območje zloma. Za opazovanje mezoskopskih značilnosti poškodb vzorca sta bila uporabljena vrstični elektronski mikroskop in ultra-globinski tridimenzionalni mikroskopski sistem, poškodbe vzorca pa so bile analizirane v vlažnem toplotnem okolju. Vpliv značilnosti.
2 Eksperimentalni materiali in metode
2. 1 Material in priprava
Kompozitni material iz ogljikovih vlaken epoksidne smole (T300/EMl 12), predhodno potopitev zagotavlja Jiangsu Hengshen Co., Ltd., enoslojna debelina predhodne potopitve 0,137 mm z volumskim deležem vlaken 66 %. Laminatna plošča je položena na tla plasti. , velikost 115 mm x 115 mln. Uporabljen je postopek oblikovanja v vročem stiskalnem rezervoarju. Diagram postopka strjevanja, pripravljen s postopkom, je prikazan na sliki 1. Najprej segrejte bivalni prostor s sobne temperature na 80 °C s hitrostjo segrevanja od 1 do 3 °C/min, nato segrevajte 30 minut, segrevajte na 130 °C s hitrostjo segrevanja 13 °C/min, segrevajte 120 minut, nato zmanjšajte na 60.0C s konstantno hitrostjo hlajenja, nato pa odstranite tlak in ga spustite, in ga spustite.
2. 2 Mokra toplotna obdelava
Po pripravi vzorca je bil vzorec toplotno obdelan z mokro temperaturo v skladu s specifikacijo HB 7401-96.171 "Eksperimentalna metoda absorpcije vlage v kompozitni plasti na osnovi smole v mokrem in vročem okolju". Najprej se vzorec posuši v termostatski sušilni komori pri 70 stopinjah C. Redno se tehta s tehtnicami, dokler izguba kakovosti vzorca ni stabilna na največ 0,02 %. Zabeležena vrednost v tem času je inženirska suha masa G. Po sušenju se vzorec postavi v vodo s temperaturo 70 stopinj C za toplotno obdelavo z mokro temperaturo. V skladu s specifikacijo HB 7401 se z metodo, določeno v točki 96, vsak dan meri kakovost vzorca, zabeleži se kot Gi, in beleži sprememba absorpcije vlage Mi. Izraz absorpcije vlage vzorca laminata CFRP je:
Formula je podrobneje opisana: Mi je absorpcija vlage vzorca, Gi je kakovost po tem, ko vzorec absorbira vlago, g, go pa je kakovost inženiringa vzorca v suhem stanju.
2. 3 poskusi udarca
Preizkus udarca pri visoki hitrosti na laminatu CFRP je bil izveden na visokohitrostnem zračnem topu s premerom 15 mm. Naprava za preskus udarca pri visoki hitrosti (glej sliko 2) vključuje visokohitrostni zračni top, lasersko merilno napravo za hitrost pred in po udarcu, telo krogle, vpenjalo za namestitev vzorca (zgornji desni kot slike 2) in varnostno napravo za obnovitev telesa krogle. Telo krogle je stožčasto valjasta krogla (slika 2), prostornina krogle pa je 24,32 g s premerom 14,32 mm; hitrost udarca je 45 m/s (energija udarca 46 J), 68 m/s (energija udarca 70 J) in 86 m/s (energija udarca 90 J).
2. 4 Zaznavanje poškodb vzorcev
Po udarcu se za zaznavanje notranjih poškodb zaradi udarca laminatne plošče iz karbonskih vlaken z epoksi kompozitnim materialom z robnim utorom uporabi plošča iz laminata iz ogljikovih vlaken z epoksi kompozitnim materialom, območje projekcije območja poškodbe zaradi udarca pa se izmeri s programsko opremo za analizo slik UTwim, podrobne značilnosti prečnega uničenja pa se opazujejo z vrstičnim elektronskim mikroskopom in 3D mikroskopom z ultra globinsko ostrino.
3 Rezultati in razprave
3. 1 Značilnosti absorpcije vlage vzorcev
Pri skupno 37,7 dneh je povprečna absorpcija nasičene vlage 1,780 %, stopnja difuzije pa 6,183 x 10,7 l/l²/s. Krivulja absorpcije vlage vzorca laminata CFRP je prikazana na sliki 3. Kot je razvidno iz slike 3, je začetna stopnja rasti absorpcije vlage vzorca linearna, po linearni fazi pa se stopnja rasti absorpcije vlage začne zmanjševati in po približno 23 dneh doseže stabilno stanje, po določenem času pa nasičenost absorpcije vlage. Zato absorpcija vlage vzorca ustreza dvostopenjskemu načinu absorpcije vlage: prva stopnja absorpcije vlage je posledica skupnega delovanja temperature in vlažnosti, pri čemer se vlaga skozi sam material, ki vsebuje pore, luknje, razpoke in druge napake, širi v notranjost materiala; difuzija vode je počasna in v tej fazi postopoma doseže nasičenost.
3. Navidezne značilnosti uničenja dvoslojne laminatne plošče
Pri hitrosti udarca 86 m/s je profil uničenja sprednje strani vzorca navidezno podoben profilu uničenja sprednje strani vzorca pri suhi sobni temperaturi in mokri, vroče nasičeni obliki vzorca, ki je bolj podoben. Oba vzorca pri udarcu zaradi razpok v osnovi in uničenja vzdolž prve plasti vlaken nekoliko zdrsneta. Zaradi tega sprednja stran dobi eliptično ali pravokotno obliko, poleg razpok v substratu pa je mogoče videti tudi lom vlaken. Pri suhem, mokrem, vroče nasičenem vzorcu pri sobni temperaturi in je na hrbtni strani uničenja vidna izboklina vzdolž smeri udarca, ki kaže križno obliko razpoke. Očitno je, da so lom vlaken, lom dna in lom med plastmi (plastenje) tri oblike uničenja, pri čemer se zadnji del vlaken dvigne, vendar se ne zlomi, ampak le plastenje in razpoke med vlakni in osnovo. Tudi lom vlaken se razlikuje, kar je razvidno iz primerjave čelne in zadnje poškodbe. Sprednja stran povzroči lom vlaken in substrata zaradi stiskanja in striga. Hrbtna stran povzroči lom vlaken in substrata zaradi raztezanja. Slika 4 prikazuje hitrost udarca 45 m/s, 68 m/s in 86 m/s pri skeniranju notranje poškodbe vzorca C. Območje, označeno s približno okroglo sivo črto l na sredini slike, je projicirano območje poškodovane luknje. Črna črta nad in pod vsakim majhnim grafikonom označuje območje zadnjega luščenja vzorca. Območje, označeno z belo črto na slikah (b) (d) (f), je notranja poškodba vzorca vzdolž meje. Graf prikazuje, da se energija udarca povečuje z naraščajočo hitrostjo udarca. Laminirana plošča lahko med udarcem absorbira več energije (za specifične vrednosti glejte sliko 6), kar ima za posledico povečanje površine projekcije poškodbe laminata: če primerjamo vzorec pri suhi sobni temperaturi s sliko vzorca, ki je bil v stanju mokre in vroče nasičenosti, je razvidno, da je v stanju mokre in vroče nasičenosti vzorca vzdolž meje nastala notranja poškodba (bela črta), predvsem zaradi procesa absorpcije. Plastifikacija substrata v laminatni plošči in oslabitev vmesnika med vlakni in osnovo povzročita, da ima meja določen vpliv na laminatno ploščo med udarcem. Glede na sliko se območje luščenja (črna črta) vzorca v suhem stanju ne razlikuje bistveno od stanja mokre vroče nasičenosti.
3. Podrobne destruktivne značilnosti 3-slojne plošče
Karta prečnega prereza poškodb spojne plošče iz CFRP plasti, posneta z ultraglobinskim 3D mikrosistemom in vrstičnim elektronskim zrcalom, pri hitrosti udarca 45 m/s, v suhem, mokrem in vročem stanju, kaže, da poškodba vzorca v obeh stanjih vključuje tri oblike uničenja: zlom vlaken, razpoke v osnovi in zlome vmesnih plasti. Vendar pa je osnova obeh vzorcev razpokana različno. Razpoke v suhem stanju se pojavijo na stiku med vlakni in podlago. Vendar pa razpoke v podlagi po mokri toplotni obdelavi spremljajo odpadanje delcev podlage. Wold-esenbet in drugi materiali v mokrem in vročem okolju skupaj določajo udarno obnašanje strukture strukture in degradacijo vmesnika med vlakni in podlago. V vlažnem in vročem okolju plošča iz CFRP plasti v smolni osnovi doživi absorpcijo določene količine vode, pronicajoča voda pa povzroči raztapljanje smolnega substrata. Ogljikova vlakna niso vpojna, zato mora priti do mokrega raztezanja med obema, ta razlika oslabi vmesnik med podlago in vlakni ter zmanjša trdnost podlage. Ko je podvržen udarni obremenitvi, delci substrata zlahka odpadejo, kar povzroči razliko od stika s poškodbami vzorca pri suhi sobni temperaturi. Iz podrobne strukture skeniranega električnega zrcala je razvidno, da so razpoke mokrega in vročega osnovnega telesa predvsem rahle razpoke zaradi stiskanja, medtem ko so razpoke pred mokro toploto večinoma krhke, horizontalne strižne razpoke med plastmi pa so bolj očitne. Iz optičnega mikroskopa na sliki je razvidno, da se oblike uničenja v obeh primerih razlikujejo, pri čemer je suho stanje uničenje na rezanje. Pri uničenju z rezanjem se po mokri toploti za obliko uničenja, ki jo spremlja znatno plastovito uničenje, delež plastovnega uničenja poveča. To je razvidno iz kota mehanizma uničenja in značilnosti absorpcije energije. Mei Zhiyuan je predstavil dve stopnji vdora izstrelka: fazo rezanja in fazo neprekinjenega vdora. Območje A v mokrem vročem vzorcu je faza uničenja s strižnim vdorom, predvsem zato, ker se med udarcem plastovita plošča stisne in striže, kar povzroči deformacijo uničenja, območje b pa je faza uničenja s neprekinjenim vdorom. Ta faza je predvsem posledica zmanjšanja hitrosti vdora v telo krogle pod vplivom raztezne komponente napetosti vlaknaste plasti, pri čemer se energija pretvori predvsem v energijo razteznega naprezanja vlaken in energijo loma medplastne plasti (l 51), tako da prelom vlaken el in prejšnji prelom vlaken nista v ravni črti. V suhem vzorcu ta pojav ni očiten in poškodba plošče je bolj resna, plošča plasti ima razpokano stanje. 3. 4 Analiza absorpcijske energije in površine projekcije poškodovane luknje Slika 5 prikazuje razmerje med temperaturo suhe sobe in vročo nasičenostjo v mokrem stanju pri hitrosti izstrelitve ter izgubo energije telesa. Pri hitrosti vpada približno 45 m/s se krogla pri temperaturi suhe sobe odbije, zato to na sliki ni prikazano. Kot je razvidno iz slike 7, je pri preskusu pri vlažni toplotni nasičenosti izguba energije krogle velika, sesalna zmogljivost vzorca pa se po mokri toplotni obdelavi poveča.
Slika 6 je grafični diagram projekcijske površine hitrosti vpada telesa krogle in poškodovane luknje v plasti CFRP (siva črta označuje del slike 4), iz slik (4), (5) in (6) je razvidno: (1) z naraščanjem hitrosti udarca se povečuje projekcijska površina poškodovane luknje v plasti CFRP; (2) projekcijska površina poškodovane luknje v vzorcu pri suhi sobni temperaturi je večja kot pri mokri vroči nasičenosti; (3) ko je hitrost udarca približno 45 m/s, je projekcijska površina poškodovane luknje laminirane plošče po mokri toplotni obdelavi veliko večja kot projekcijska površina poškodovane luknje laminirane plošče v suhem stanju sobne temperature. Projekcija površine poškodbe vzorca l-luknje pri mokri toplotni nasičenosti se je povečala za 85,1 %, pri hitrosti udarca približno 68 m/s pa se je absorpcijska vrednost laminirane plošče v mokrem in toplotno nasičenem stanju povečala za 18,10 % (slika 5) za 15,65 %; Pri hitrosti udarca približno 88 m/s se je laminirana plošča v mokrem in toplotno nasičenem stanju zmanjšala za 9,25 %, vrednost absorpcije pa se je še povečala za 12,45 %.
Na podlagi rezultatov raziskav podjetja Yucheng Zhong in drugih izdelkov absorpcija vlage kompozitnih materialov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, izboljša mejo elastičnosti in odpornost laminatne plošče proti udarcem ter v tem članku združuje projicirano površino poškodovane luknje suhega vzorca pri sobni temperaturi in vzorca, nasičenega z mokro toploto (slika 4 v sivi črti). Diagram razmerja med hitrostjo vpada krogle v telo in projekcijsko površino poškodovane luknje plasti CFRP ter plastno poškodbo spojne plošče plasti CFRP je mogoče primerjati pri enaki in nizki hitrosti udarca. Površina poškodovane luknje mokrega, vroče nasičenega vzorca je relativno velika. To je posledica mokre toplotne obdelave, ki povzroči plastifikacijo substrata plasti CFRP, oslabitve vmesnika med vlakni in substratom ter medplastnih lastnosti. Pri udarcu se stanje mokre toplotne nasičenosti vzorca zaradi plastne poškodbe razširi in delež poškodb se poveča. Na podlagi Wu Yixuanovih in drugih poskusov je znano, da energijo udarca v navpični smeri tlakovanja absorbira predvsem smolna podlaga, nato pa plastifikacija podlage povzroči, da moker in vroč nasičen vzorec med udarcem absorbira več energije, kar izboljša odpornost na udarce in poveča površino projekcije poškodovane luknje; poškodba CFRP laminata ni bila v celoti razširjena, udarec je končan, zato pri višji hitrosti udarca mokra toplotna obdelava na območju projekcije poškodbe CFRP laminata ni več resna, vendar se zaradi plastifikacije smolne podlage absorpcijska zmogljivost še vedno poveča.
4 Zaključki
(1) Z naraščanjem hitrosti udarca se poveča projicirana površina poškodovane luknje laminata iz epoksidne smole, ojačane z ogljikovimi vlakni (CFRP), in hitrost rasti poškodovane luknje 孑L v vzorcu pri suhi sobni temperaturi je višja kot pri nasičenosti z mokro toploto. Velika: (2) Pri hitrosti udarca 45 m/s se površina projekcije poškodbe CFRP laminata v stanju nasičenosti z mokro toploto poveča za 85,11 %, pri hitrosti udarca 68 m/s se površina projekcije poškodbe CFRP laminata v stanju nasičenosti z mokro toploto poveča za 18 % v primerjavi s CFRP laminatom v stanju nasičenosti z mokro toploto pri suhi sobni temperaturi. Pri hitrosti udarca 68 m/s se površina projekcije poškodbe CFRP laminata v stanju nasičenosti z mokro toploto poveča za 18 % v primerjavi s CFRP laminatom v stanju nasičenosti z mokro sobno temperaturo. Pri hitrosti udarca 68 m/s je hitrost udarca 86 m/s. Površina projekcije poškodbe mokrega nasičenega cFRP laminata se zmanjša za 9,9 % v primerjavi s cFRP laminatom pri suhi sobni temperaturi za 25 %; (3) Ko je cFRP laminat izpostavljen vročemu in vlažnemu okolju, se medplastna zmogljivost laminata zmanjša, kar povzroči razširitev območja delaminacije.
Čas objave: 24. junij 2019