1 Увод
Епоксидни композит ојачан угљеничним влакнима (CFRP) има многе предности као што су ниска густина, висока специфична чврстоћа, висока специфична крутост, отпорност на замор, отпорност на корозију и добра механичка својства. Широко се користи у ваздухопловству и другим еколошки захтевним структурама, влажној топлоти и ударима. Утицај фактора околине на материјале је све очигледнији. Последњих година, домаћи и страни научници су спровели велики број студија о ефектима вруће и влажне средине на CFRP композите [1] и утицају удара на CFRP композите. Студија је открила да утицај вруће и влажне средине на CFRP композите укључује пластификацију матрице [2, пуцање [31] и ослабљена својства интерфејса влакна-матрица [2'3'5], савијање CFRP композита са повећањем времена влажне термичке обраде. Механичка својства перформанси [2, својства олова и међуслојног смицања [2, 1] и статичка својства затезања [3'6'7] показала су силазни тренд. Волдезенбет и др. [8,9] проучавали су механичка својства композита на удар при високим брзинама деформације након влажне термичке обраде и утврдили да врућа и влажна средина побољшава чврстоћу композита на удар. Откривено је да апсорпција влаге композитних материјала може побољшати механичка својства материјала на удар под одређеним условима, што се прилично разликује од експерименталних резултата под квазистатичким условима. Тренутни главни истраживачки рад је утицај влажне топлоте (укључујући урањање у воду) на својства композита од смоле ојачане влакнима при малим брзинама удара. Пан Венге и др. [10] проучавали су својства компресије дводимензионалних тканих ламината од фибергласа/епоксидног композита након удара малом брзином на собној температури и под врућим и влажним условима (урањање у воду на 65 °C). 4. Ламинат у врућој и влажној средини добија се након удара малом брзином. Перформансе компресије су значајно смањене. Карасек и др. [1] проучавали су утицај влажности и температуре на удар графит/епоксидних композита и добили су их у окружењима на ниској температури и собној температури. Влажност има мали утицај на почетну енергију и апсорпцију енергије оштећења. Јученг џонг и др. [12,13] су спровели тест удара при малој брзини на композитним ламинатима након влажне термичке обраде. Закључено је да врућа и влажна средина значајно смањује оштећење ламината од удара. Побољшати отпорност ламината на удар. Кристина и др. [14] проучавали су удар композита арамид-стаклена влакна/епоксида при малој брзини након влажне термичке обраде (потапање у воду на 70 °C) и добили су мању површину оштећења од удара након влажне термичке обраде. Ово узрокује оштећење од деламинације унутар узорка, који апсорбује више енергије током удара и инхибира стварање деламинације. Из наведеног се може видети да утицај влажне топлотне средине на оштећење од удара композитних материјала има подстицајни и слабећи ефекат. Стога су потребна даља истраживања и верификације. Што се тиче удара, Меи Џијуан и др. [15] предложили су и успоставили двостепени (смицајно продирање и континуирано продирање) модел анализе динамике продирања композитних ламината ојачаних влакнима под ударом велике брзине. Гуипинг Џао и др. [16] спровели су три врсте различитих брзина (мање од, једнаке и веће од балистичке граничне брзине) на перформансе удара и оштећења узорка након три врсте ламината, али нису укључивали утицај влажне топлотне средине на оштећења од удара. На основу горе наведене литературе, сродна истраживања о утицају влажне и вруће средине на композитне ламинате ојачане влакнима тек треба да буду даље истражена. У овом раду, проучаване су карактеристике оштећења од удара композитних ламината од угљеничних влакана/епоксида засићених влажном топлотом под условима воденог купатила на 70 °C. Утицаји вруће и влажне средине на карактеристике ударног лома композита анализирани су поређењем са сувим узорцима на собној температури. У експерименту, CFRP ламинати су ударани о CFRP ламинате брзинама од 45 м/с, 68 м/с и 86 м/с. Мерена је брзина пре и после удара. Анализиран је утицај вруће и влажне средине на перформансе апсорпције енергије ламината. Ултразвучно c-скенирање је коришћено за детекцију унутрашњих оштећења ламината, а анализиран је утицај брзине удара на подручје прелома. Скенирајући електронски микроскоп и ултра-дубински тродимензионални микроскопски систем коришћени су за посматрање мезоскопских карактеристика оштећења узорка, а оштећење узорка је анализирано влажном топлотном средином. Утицај карактеристика.
2 Експериментални материјали и методе
2. 1 Материјал и припрема
Композитни материјал од епоксидне смоле од угљеничних влакана (Т300/ЕМл 12), претходно урањање обезбеђује Jiangsu Hengshen Co., Ltd., једнослојна дебљина претходног урањања од 0,137 мм са запреминским уделом влакана од 66%. Ламинатна плоча је постављена на под слоја, величине 115 мм x 115 мл. Користи се процес формирања резервоара за вруће пресовање. Дијаграм процеса очвршћавања припремљен поступком приказан је на слици 1. Прво подићи температуру стана са собне температуре на 80 °C брзином загревања од 1 до 3 °C/мин, затим одржавати топло 30 минута, загревати на 130 °C брзином загревања од 13 °C/мин, одржавати топло 120 минута, смањити на 60...0C константном брзином хлађења, а затим уклоните притисак и отпустите, и отпустите.
2. 2 Обрада влажном топлотом
Након припреме узорка, узорак је обрађен влажном топлотом у складу са спецификацијом HB 7401-96.171 „Експериментална метода апсорпције влаге у влажном и топлом окружењу за композитни слој на бази смоле“. Прво, узорак се ставља у термостатску комору за сушење на 70 степени Целзијуса да се осуши. Редовно се мери помоћу ваге док се губитак квалитета узорка не стабилизује на највише 0,02%, а забележена вредност у овом тренутку је инжењерска сува маса G. Након сушења, узорак се ставља у воду на 70 степени Целзијуса за влажну термичку обраду. Према спецификацији HB 7401. Метода наведена у 96 „мери квалитет узорка сваког дана, бележи се као Gi, и бележи се промена апсорпције влаге Mi. Израз апсорпције влаге узорка CFRP ламината је:
Формула је детаљно описана: Mi је апсорпција влаге узорка, Gi је квалитет након што узорак апсорбује влагу, g, go је квалитет сувог стања инжењеринга узорка.
2. 3 Експеримента са ударом
Експеримент удара великом брзином на CFRP ламинат је спроведен на ваздушном топу велике брзине пречника 15 mm. Уређај за испитивање удара великом брзином (видети слику 2) укључује ваздушни пиштољ велике брзине, ласерски уређај за мерење брзине пре и после удара, тело метка, причвршћивач за уградњу узорка (горњи десни угао слике 2) и уређај за сигурносно враћање тела метка. Тело метка је цилиндрични метак са конусном главом (слика 2), а запремина метка је 24,32 g са пречником 14,32 mm; брзина удара је 45 m/s (енергија удара 46 J), 68 m/s (енергија удара 70 J), 86 m/s (енергија удара 90 J) при удару.
2. 4 Детекција оштећења узорака
Након што је изложена удару, плоча од епоксидног композитног ламината у боји угљеничних влакана са ивицом се користи за детекцију унутрашњег оштећења од удара CFRP ламинатне плоче, а површина пројекције подручја оштећења од удара мери се софтвером за анализу слике UTwim, а детаљне карактеристике попречног уништења посматрају се скенирањем електронског микроскопа и ултра-дубинског 3Д микроскопског система.
3 Резултати и дискусије
3.1 Карактеристике апсорпције влаге узорака
Укупно 37,7 дана, просечна апсорпција влаге у засићеном стању је 1,780%, са брзином дифузије од 6,183 x 10,7 л/л²/с. Крива апсорпције влаге узорка CFRP ламината приказана је на слици 3. Као што се може видети на слици 3, почетна стопа раста апсорпције влаге узорка је линеарна, након линеарне фазе, стопа раста апсорпције влаге почиње да опада, достижући стабилан ниво након око 23 дана, а засићење апсорпцијом влаге достиже након одређеног временског периода. Стога, апсорпција влаге узорка одговара двостепеном режиму апсорпције влаге: прва фаза апсорпције влаге је последица заједничког деловања температуре и влажности, влага кроз сам материјал садржи поре, рупе, пукотине и друге дефекте који се шире у унутрашњост материјала; дифузија воде је спора и постепено достиже засићење у овој фази.
3. Привидне карактеристике разарања двослојне ламинатне плоче
Брзина удара од 86 м/с када се предња и задња страна узорка примећују на мапи профила уништења, на сувом узорку на собној температури, облик предњег уништења узорка на влажном и врућем засићењу је сличнији. Два узорка приликом удара, због пукотина у основи, њихово уништење дуж првог слоја влакана има извесно клизање. То доводи до тога да предња страна добије елиптичан или правоугаони облик, и поред тога што се може видети пукотина у подлози, може се видети и ломљење влакана. На сувом узорку на собној температури, у влажном и врућем засићењу, на задњој страни облика уништења може се видети да задња страна дуж правца удара има извесно испупчење и представља пукотину у облику крста. Очигледно је да су лом влакана, пуцање основе и међуслојни лом (слојеви) три облика уништења, последњи део влакана је подигнут, али није ломљен, већ само наслагивање и пуцање влакана/основе. Лом влакана је такође различит, као што се може видети из поређења предњег и задњег оштећења. Предњи део узрокује лом влакана и подлоге услед компресије и смицања. Задњи део је због истезања узрокован ломљењем влакана и слојевитим слојем подлоге. Слика 4 приказује брзину удара од 45 м/с, 68 м/с, 86 м/с када се узорак скенира са унутрашњим оштећењем C. Површина означена приближном округлом сивом линијом l у центру слике је пројектована површина рупе оштећења. Црна линија изнад и испод сваког малог графикона означава површину за подручје задњег љуштења узорка. Површина означена белом линијом на слици (б) (д) (ф) је унутрашње оштећење узорка дуж границе. График показује да се енергија удара повећава са повећањем брзине удара. Ламинирана плоча је у стању да апсорбује више енергије током удара (видети слику 6 за специфичне вредности), што резултира повећањем површине пројекције оштећења ламината: упоређивањем узорка на сувој собној температури са сликом узорка влажног врућег засићења, може се видети да постоји унутрашње оштећење (бела линија) узорка настало дуж границе у стању влажно-врућег засићења узорка, углавном због процеса апсорпције. Пластификација подлоге у ламинатној плочи и слабљење интерфејса између влакана и основе узрокују да граница има одређени ефекат на ламинатну плочу током процеса удара. Према слици, површина задњег љуштења (црна линија) узорка у сувом стању се не разликује много од стања влажног врућег засићења.
3. Детаљне деструктивне карактеристике трослојног панела
Мапа карактеристика попречног пресека спојне плоче CFRP слоја, снимљена ултрадубинским 3Д микросистемом и скенирајућим електронским огледалом, брзином удара од 45 м/с, сувим и влажним и врућим, показује да оштећење узорка у оба стања укључује три облика разарања: лом влакана, пуцање основе и лом међуслоја. Међутим, основа два узорка је напукла различито. Пуцање подлоге у сувом стању је пуцање на споју између влакана и подлоге. Међутим, пуцање подлоге након влажне термичке обраде праћено је испадањем фрагмената подлоге. Волд-есенбет и други материјали у влажном и врућем окружењу заједнички одређују перформансе удара структуре структуре и деградацију интерфејса влакнасте подлоге. У влажном и врућем окружењу, плоча CFRP слоја у бази смоле доживљава апсорпцију одређене количине воде, а цурење воде ће довести до растварања подлоге од смоле. Угљенична влакна нису упијајућа, па мора доћи до влажног ширења између њих, ова разлика слаби интерфејс између подлоге и влакана, смањујући чврстоћу подлоге. Када су изложени ударном оптерећењу, фрагменти подлоге лако испадају, што резултира разликом у односу на површину оштећења на сувом узорку на собној температури. Из детаљне структуре скенираног електричног огледала може се видети да је пуцање влажног и врућег тела подлоге углавном лабаво пуцање услед ломљења притиском, док је пуцање пре влажног загревања углавном крто, а хоризонтална пукотина од смицања између слојева је очигледнија. Из оптичког микроскопа на слици може се видети да су облици разарања различити у два случаја, а суво стање је разарање по сечењу. Да би се разарање углавном секло, након влажног загревања за облик разарања праћен значајним слојевитим разарањем, удео слојевитог разарања се проширио. То се може видети из механизма уништења угла и карактеристика апсорпције енергије. Меи Жијуан је предложио две фазе инвазије пројектила: фазу сечења и фазу континуиране инвазије. Подручје А у влажном врућем узорку је фаза разарања у фази смицања, углавном зато што се у процесу удара, плоча слојева компримује и смица, стварајући деформацију разарања, подручје b је фаза разарања у фази континуиране инвазије. Ова фаза је углавном последица смањења брзине продирања тела метка под дејством компоненте напрезања истезања влакнастог слоја, а енергија се углавном претвара у енергију истезања и енергију лома међуслоја (l 51), тако да прекид влакана el и претходни прекид влакана нису у правој линији. У сувом узорку, ова појава није очигледна, а оштећење плоче је озбиљније, плоча слоја има стање пуцања. 3. 4 Анализа енергије апсорпције и површине пројекције оштећене рупе Слика 5 приказује везу између температуре суве просторије и влажног врућег засићења брзине лансирања и губитка енергије тела, при брзини упада од око 45 m/s, температура суве просторије метка се одбија, тако да није приказано на слици. Као што се може видети на слици 7, када се тест изводи под влажним термичким засићењем, губитак енергије метка је значајан, а усисни капацитет узорка након влажне термичке обраде се повећава.
Слика 6 је графички дијаграм површине пројекције брзине удара тела метка и отвора оштећења CFRP слоја (сива линија означава део слике 4), може се видети свеобухватно са слика (4), (5), (6): (1) са повећањем брзине удара, површина пројекције отвора оштећења CFRP слоја се повећава; (2) површина пројекције отвора оштећења у узорку на сувој собној температури је већа од оне при влажном топлом засићењу; (3) када је брзина удара око 45 м/с, површина пројекције отвора оштећења ламиниране плоче након влажне термичке обраде је много већа од површине пројекције отвора оштећења ламиниране плоче у стању суве собне температуре. Површина пројекције отвора l узорка оштећења ламиниране плоче при влажном термичком засићењу повећана је за 85,1%, а при брзини удара од око 68 м/с, ламинирана плоча у влажном и термичком стању засићења повећана је за 18,10%, вредност апсорпције (слика 5) повећана је за 15,65%; При брзини удара од око 88 м/с, ламинирана плоча у влажном и термичком стању засићења је смањена за 9,25%, док је вредност апсорпције и даље повећана за 12,45%.
На основу резултата истраживања компаније Јученг Џонг и других производа, апсорпција влаге композитних материјала ојачаних угљеничним влакнима побољшава границу еластичности и отпорност ламинатне плоче на удар, и комбинује пројектовану површину отвора оштећења код сувог узорка на собној температури и узорка на влажном топлом засићењу у овом раду (слика 4 у сивој линији). Дијаграм односа између брзине удара метка и тела метка и површине пројекције отвора оштећења CFRP слоја, као и слојевито оштећење спојне плоче CFRP слоја може се упоредити када је брзина удара иста и мала. Површина отвора оштећења код узорка на влажном топлом засићењу је релативно велика. То је због тога што влажна термичка обрада доводи до пластификације подлоге CFRP слоја, слабљења интерфејса влакана и подлоге и перформанси међуслоја. При удару, стање засићења влажном топлотом узорка слојевито оштећење се шири, а удео оштећења се повећава. На основу Ву Јиксјуана и других експеримената, познато је да енергију удара у вертикалном правцу поплочавања углавном апсорбује подлога од смоле, а затим пластификација подлоге чини да влажни и врући засићени узорак апсорбује више енергије током процеса удара, побољшава отпорност на удар и повећава површину пројекције рупе оштећења; оштећење CFRP ламината није у потпуности проширено, удар је завршен, тако да када је брзина удара већа, влажна термичка обрада на површини пројекције оштећења CFRP ламината више није озбиљна, али због пластификације подлоге од смоле, капацитет апсорпције је и даље повећан.
4 Закључци
(1) Са повећањем брзине удара, пројектована површина рупе оштећења ламината од епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима (CFRP) се повећава, а брзина раста рупе оштећења 孑L у узорку на сувој собној температури је већа него при засићењу влажном топлотом. Велико: (2) Када је брзина удара 45 м/с, површина пројекције оштећења CFRP ламината у стању засићења влажном топлотом се повећава за 85,11%, када је брзина удара 68 м/с, површина пројекције оштећења CFRP ламината у стању засићења влажном топлотом се повећава за 18% у поређењу са CFRP ламинатом у стању засићења влажном топлотом на сувој собној температури. 10%, брзина удара је 86 м/с. Површина пројекције оштећења влажно-засићеног cFRP ламината је смањена за 9,9% у поређењу са cFRP ламинатом на сувој собној температури. 25%; (3) Након што је cFRP ламинат изложен топлој и влажној средини, перформансе међуслоја ламината се смањују, што доводи до ширења подручја деламинације.
Време објаве: 24. јун 2019.