1 Introduktion
Kolfiberförstärkt epoxikomposit (CFRP) har många fördelar såsom låg densitet, hög specifik hållfasthet, hög specifik styvhet, utmattningsbeständighet, korrosionsbeständighet och goda mekaniska egenskaper. Den används ofta inom flyg- och rymdteknik och andra miljömässigt tuffa strukturer, fuktig värme och slag. Miljöfaktorers inverkan på material blir alltmer tydlig. Under senare år har inhemska och utländska forskare genomfört ett stort antal studier om effekterna av varm och fuktig miljö på CFRP-kompositer [1] och effekten av slag på CFRP-kompositer. Studien fann att den varma och fuktiga miljöns inverkan på CFRP-kompositer inkluderar plasticering av matrisen [2, sprickbildning [31 och försvagade fiber-matris-gränssnittsegenskaper [2'3'5], böjning av CFRP-kompositer med ökande våtvärmebehandlingstid]. De mekaniska egenskaperna [2, bly- och interlaminära skjuvegenskaper [2, 1] och statiska draghållfasthetsegenskaper [3'6'7] visade en nedåtgående trend. Woldesenbet et al. [8,9] studerade de slagmekaniska egenskaperna hos kompositer vid höga töjningshastigheter efter våtvärmebehandling och fann att den varma och fuktiga miljön förbättrade kompositernas slaghållfasthet. Det har visat sig att fuktabsorptionen av kompositmaterial kan förbättra materialens slagmekaniska egenskaper under vissa förhållanden, vilket skiljer sig avsevärt från de experimentella resultaten under kvasistatiska förhållanden. Det nuvarande huvudsakliga forskningsarbetet är effekten av fuktig värme (inklusive vattennedsänkning) på låghastighetsslagegenskaperna hos fiberförstärkta hartsmatriskompositer. Pan Wenge et al. [10] studerade kompressionsegenskaperna hos tvådimensionella vävda glasfiber/epoxikompositlaminat efter låghastighetsslag vid rumstemperatur och under varma och fuktiga förhållanden (65 °C vattennedsänkning). 4. Laminatet erhålls under varm och fuktig miljö efter låghastighetsstöt. Kompressionsprestandan minskar avsevärt. Karasek et al. [1] studerade effekterna av fuktighet och temperatur på slag från grafit/epoxikompositer och erhöll dem i lågtemperatur- och rumstemperaturmiljöer. Fuktighet har liten effekt på den initiala energin och energiabsorptionen av skadan. Yucheng zhong et al. [12,13] utförde ett låghastighetsslagtest på kompositlaminat efter våt värmebehandling. Slutsatsen är att den varma och fuktiga miljön avsevärt minskar laminatets slagskador. Förbättra laminatens slagtålighet. Krystyna et al. [14] studerade låghastighetsstötar hos aramid-glasfiber/epoxi-kompositer efter våt värmebehandling (70 °C vattennedsänkning) och erhöll ett mindre slagskadeområde efter våt värmebehandling. Detta orsakar delamineringsskador inuti provet, vilket absorberar mer energi under stöten och hämmar bildandet av delaminering. Det framgår av ovanstående att inverkan av fuktig värmemiljö på stötskador hos kompositmaterial har en främjande effekt och en försvagande effekt. Därför behövs ytterligare forskning och verifiering. När det gäller stötar föreslog och etablerade Mei Zhiyuan et al. [15] en tvåstegsmodell (skjuvpenetration och kontinuerlig penetration) för penetrationsdynamikanalys av fiberförstärkta kompositlaminat under höghastighetsstötar. Guiping Zhao et al. [16] utförde tre typer av olika hastigheter (mindre än, lika med och större än den ballistiska gränshastigheten) på provets stötprestanda och skador efter tre typer av laminat, men inkluderade inte inverkan av fuktig värmemiljö på stötskadorna. Baserat på ovanstående litteratur har relaterad forskning om påverkan av våt och varm miljö på fiberförstärkta kompositlaminat ännu inte utforskats ytterligare. I denna artikel studerades stötskadornas egenskaper hos våta, värmemättade kolfiber/epoxi-kompositlaminat under 70 °C vattenbadsförhållanden. Effekterna av varm och fuktig miljö på kompositernas stötskador analyserades genom jämförelse med torra prover vid rumstemperatur. I experimentet stöttes CFRP-laminaten mot CFRP-laminaten med 45 m/s, 68 m/s och 86 m/s. Hastigheten före och efter stöten mättes. Inverkan av den varma och fuktiga miljön på laminatens energiabsorptionsprestanda analyserades. Ultraljuds-C-skanning användes för att detektera laminatets inre skador, och inverkan av stöthastigheten på det sprickade området analyserades. Svepelektronmikroskop och det ultradjupgående tredimensionella mikroskopiska systemet användes för att observera de mesoskopiska egenskaperna hos provskadorna, och provskadorna analyserades med hjälp av den fuktiga, värmemiljön. Inverkan av egenskaper.
2 Experimentella material och metoder
2. 1 Material och förberedelser
Kolfiberepoxiharts (T300/EMl 12) kompositmaterial, förinläggning tillhandahålls av Jiangsu Hengshen Co., Ltd., enskiktstjocklek förinläggning på 0,137 mm med en fibervolymfraktion på 66 %. Laminatpanelen läggs på botten av lagret, storlek 115 mm x 115 ml. Formningsprocessen för varmpresstank används. Härdningsprocessdiagrammet som framställts med processen visas i figur 1. Först höjs bostaden från rumstemperatur till 80 °C med en uppvärmningshastighet på 1 till 3 °C/min, sedan hålls varm i 30 minuter, värms till 130 °C med en uppvärmningshastighet på 113 °C/min, hålls varm i 120 minuter, reduceras till 600C vid en konstant kylningshastighet, och sedan avlägsna trycket och släpp ut, och släpp ut.
2. 2 Våt värmebehandling
Efter beredningen av provet våtvärmebehandlades provet i enlighet med specifikationen HB 7401-96.171 "Hartsbaserad kompositkompositskikt våt varm miljö fuktabsorption experimentell metod". Först placeras provet i en termostatisk torkkammare vid 70 grader C för att torka. Regelbunden vägning med vågar sker tills provets kvalitetsförlust är stabil på högst 0,02 %, det registrerade värdet vid denna tidpunkt är teknisk torrvikt G. Efter torkning placeras provet i 70 grader C vatten för våtvärmebehandling. Enligt specifikationen HB 7401. Metoden som anges i 96 "mäter provets kvalitet varje dag, registrerat som Gi, och registrerar förändringen i fuktabsorption Mi. Fuktabsorptionsuttrycket för CFRP-laminatprovet är:
Formeln är detaljerad: Mi är provets fuktabsorption, Gi är kvaliteten efter att provet absorberat fukt, g, go är provets torra tillståndskvalitet.
2. 3 Impact Experiment
Höghastighetsslagexperimentet på CFRP-laminatet utfördes på en höghastighetsluftkanon med en diameter på 15 mm. Höghastighetsslagtestanordningen (se figur 2) inkluderar en höghastighetsluftpistol, laserhastighetsmätare före och efter nedslaget, kulkropp, provinstallationsfäste (övre högra hörnet av figur 2) och en säkerhetsanordning för kulkroppen. Kulkroppen är en konformad cylindrisk kula (figur 2), och kulans volym är 24,32 g med en diameter på 14,32 mm; anslagshastigheten är 45 m/s (slagenergi 46 J), 68 m/s (slagenergi 70 J), 86 m/s (slagenergi 90 J) vid anslaget.
2. 4 Skadedetektering av prover
Efter att ha påverkats av stöten används kantutgjutningsplattan av kolfiberfärgad epoxikompositkompositlaminat för att detektera de interna stötskadorna på CFRP-laminatplattan, och projektionsarean för stötskadorna mäts med bildanalysprogramvaran UTwim, och de detaljerade egenskaperna hos tvärsnittsförstörelsen observeras med svepelektronmikroskop och ett 3D-ultradjupsmikroskopisystem.
3 Resultat och diskussioner
3. 1 Provernas fuktabsorptionsegenskaper
Efter totalt 37,7 dagar är den genomsnittliga mättade fuktabsorptionen 1,780 %, med en diffusionshastighet på 6,183 x 10,7 lllnl2/s. Fuktabsorptionskurvan för CFRP-laminatprovet visas i figur 3. Som framgår av figur 3 är den initiala tillväxthastigheten för fuktabsorptionen hos provet linjär. Efter det linjära steget börjar tillväxthastigheten för fuktabsorptionen minska, och når en stationär nivå efter cirka 23 dagar och når fuktabsorptionsmättnad efter en tidsperiod. Därför överensstämmer fuktabsorptionen hos provet med tvåstegs fuktabsorptionsläge: det första steget av fuktabsorption beror på den gemensamma verkan av temperatur och fuktighet, fukt genom själva materialet innehåller porer, hål, sprickor och andra defekter som sprider sig till materialets insida. Vattendiffusionen är långsam och når gradvis mättnad i detta steg.
3. De synbara förstörelseegenskaperna hos 2-lagers laminatskivan
Med en nedslagshastighet på 86 m/s ser provets framsida och baksida ut förstöringsprofiler. Genom att jämföra det torra, rumstempererade provet med det våta, varma mättnadsprovet med provets framsida, ser formen mer ut som att de två proverna i nedslaget har en viss glidning på grund av sprickor i grunden. Destruktionen längs det första fiberlagret har en viss glidning. Detta gör att framsidan får en elliptisk eller rektangulär form, och förutom att sprickan i substratet syns kan man se att fibrerna går sönder. Genom att jämföra det torra, rumstempererade, våta, varma mättnadsprovet med provets baksida kan man se att baksidan längs nedslagsriktningen har en viss utbuktning och en korsformad spricka. Det är uppenbart att fiberbrott, bassprickbildning och mellanlagerbrott (skiktningsbrott) är tre former av förstörelse. Den sista delen av fibern lyfts men bryts inte, det finns bara skiktningsbrott och fiber/bassprickbildning. Fiberbrottet skiljer sig också åt, vilket framgår av en jämförelse mellan front- och bakre skador. Framsidan orsakar brott på fibern och substratet på grund av kompression och skjuvning. Baksidan orsakar sträckning och orsakar att fibern går sönder och substratet skiktas. Figur 4 visar en stöthastighet på 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s när provet avläses med intern skada C. Området som indikeras av den ungefärliga runda grå linjen l i mitten av figuren är den projicerade arean av skadahålet. Den svarta linjen ovanför och under varje litet diagram indikerar området för provets bakskalningsområde. Området markerat med den vita linjen i figur (b) (d) (f) är den interna skadan på provet längs gränslinjen. Diagrammet visar att anslagsenergin ökar när anslagshastigheten ökar. Den laminerade plattan kan absorbera mer energi under anslaget (se figur 6 för specifika värden), vilket resulterar i en ökande projicerad yta av laminatskador: genom att jämföra det torra rumstemperaturprovet med bilden av det våta, varma mättningsprovet kan man se att det finns intern skada (vit linje) på provet som produceras längs gränslinjen i provets våta, varma mättningsläge, främst på grund av absorptionsprocessen. Plasticiseringen av substratet i laminatplattan och försvagningen av gränssnittet mellan fiber och bas gör att gränsytan har en viss effekt på laminatplattan under stötprocessen. Enligt figuren skiljer sig det bakåtskalande området (svart linje) för provet i torrt tillstånd inte mycket från det våta, varma mättnadstillståndet.
3. De detaljerade destruktiva egenskaperna hos 3-lagerspanelen
Tvärsnittskartan över skador på CFRP-skiktfogplattan, tagen med ultradjupgående 3D-mikrosystem och svepelektronspegel, med en anslagshastighet på 45 m/s, torrt, vått och varmt, visar att skadan på provet i båda tillstånden inkluderar tre former av förstörelse: fiberbrott, bassprickbildning och mellanlagerbrott. Men basen hos de två proverna är sprucken på olika sätt. Sprickbildning i substratet i torrt tillstånd är sprucken vid anslutningen mellan fibern och substratet. Sprickbildning i substratet efter våt värmebehandling åtföljs dock av att fragment av substratet faller ut. Wold-esenbet och andra material i våt och varm miljö bestäms gemensamt av stötprestanda hos strukturen, strukturen, och nedbrytningen av fibersubstratgränssnittet. I våt och varm miljö absorberar CFRP-skiktplattan i hartsbasen en viss mängd vatten, vilket gör att sipprande vatten får hartssubstratet att lösas upp. Kolfiber är inte absorberande, vilket innebär att det måste finnas våt expansion mellan de två. Denna skillnad försvagar gränssnittet mellan substratet och fibern och minskar substratets hållfasthet. När substratfragmenten utsätts för stötbelastning faller de lätt ut, vilket resulterar i en skillnad från det torra provets gränsyta mot skador vid rumstemperatur. Från den detaljerade strukturen hos den skannade elektriska spegeln kan man se att sprickbildningen i den våta och varma postbaskroppen huvudsakligen är lös sprickbildning i pressbrottet, medan sprickbildningen före den våta värmen huvudsakligen är spröd, och den horisontella skjuvsprickan mellan lagren är mer uppenbar. Från det optiska mikroskopet i figuren kan man se att destruktionsformerna skiljer sig åt i de två fallen, och det torra tillståndet är förstörelse mellan skärningar. För att skära förstörelsen huvudsakligen, efter våt värme för formen av förstörelse åtföljd av betydande skiktad förstörelse, expanderar andelen skiktad förstörelse. Detta kan ses utifrån förstörelsevinkelmekanismen och energiabsorptionsegenskaperna. Mei Zhiyuan presenterade två steg av projektilinvasionen: skärsteget och det kontinuerliga invasionsteget. A-området i det våta varma provet är förstörelsen i skjuvintrångssteget, främst på grund av att skiktningsplattan komprimeras och skjuvas i stötprocessen, vilket bildar en deformation, b-området är förstörelsen i kontinuerligt invasionstege. Detta steg beror huvudsakligen på minskningen av kulkroppens intrångshastighet under inverkan av sträckspänningskomponenten i fiberskiktet, och energin omvandlas huvudsakligen till fiberns sträckningsenergi och mellanskiktets brottenergi (l 51), så att fiberbrottet el och det föregående fiberbrottet inte är i en rak linje. I det torra provet är detta fenomen inte uppenbart, och skadorna på plattan är allvarligare, skiktplattan har ett sprickbildningstillstånd. 3.4 Absorptionsenergi och analys av skada på hålets projektionsarea Figur 5 visar förhållandet mellan torr rumstemperatur och våt värmemättnad av utskjutningshastigheten och kroppens energiförlust. Vid en infallshastighet på cirka 45 m/s studsar hela kulan vid torr rumstemperatur, så detta visas inte i figuren. Som framgår av figur 7, när testet testas under våt termisk mättnad, är kulans energiförlust betydande och provets sugkapacitet ökar efter våt värmebehandling.
Figur 6 är ett grafdiagram över projektionsarean för kulkroppens infallshastighet och CFRP-skiktets skadade hål (den grå linjen markerar en del av figur 4). De fullständiga figurerna (4), (5), (6) kan ses: (1) med ökande anslagshastighet ökar CFRP-skiktets skadade håls projektionsarean; (2) Projektionsarean för det skadade hålet i provet i torr rumstemperatur är större än den vid våt värmemättnad; (3) när anslagshastigheten är cirka 45 m/s är projektionsarean för det skadade hålet i den laminerade plattan efter våt värmebehandling mycket större än projektionsarean för det skadade hålet i den laminerade plattan i torrt rumstemperaturtillstånd. Projektionsarean för det våta termiska mättnadsprovet i det skadade l-hålet ökade med 85,1 % och vid en stöthastighet på cirka 68 m/s ökade den laminerade plattan i ett vått och termiskt mättat tillstånd med 18,10 %, absorptionsvärdet (Figur 5) ökade med 15,65 %. Vid en anslagshastighet på cirka 88 m/s minskade den laminerade plattan i vått och termiskt mättat tillstånd med 9,25 %, medan absorptionsvärdet fortfarande ökade med 12,45 %.
Baserat på forskningsresultat från Yucheng Zhong och andra produkter förbättrar fuktabsorptionen hos kolfiberförstärkta kompositmaterial laminatplattans elasticitetsgräns och slagtålighet. Detta kombinerar den projicerade arean av det skadade hålet i det torra rumstemperaturprovet och det våta, varma mättnadsprovet i denna artikel (Figur 4 i den grå linjen). Sambandsdiagrammet med kulans infallshastighet och projektionsarean av det skadade CFRP-skiktet, och den lagerskada som uppstår i CFRP-skiktets sammanfogningsplatta kan jämföras när anslagshastigheten är densamma och låg. Det skadade hålet i det våta, varma mättnadsprovet är relativt stort. Detta beror på att våtvärmebehandlingen gör att CFRP-skiktets substrat mjukgörs, vilket försvagar fiber- och substratgränssnittet och mellanskiktets prestanda. Vid anslag expanderar det våta värmemättnadstillståndet hos provet och ökar andelen skador. Baserat på Wu Yixuan och andra experiment vet man att stötenergin i den vertikala beläggningsriktningen huvudsakligen absorberas av hartssubstratet. Därefter gör plasticeringen av substratet att det våta och varma mättade provet absorberar mer energi under stötprocessen, vilket förbättrar slagmotståndet och ökar projektionsarean för det skadade hålet. Skadan på CFRP-laminatet har inte utsträckts helt, stöten har upphört, så när stöthastigheten är högre är våtvärmebehandlingen av CFRP-laminatets skadade projektionsarean inte längre allvarlig, men på grund av plasticeringen av substrathartset ökar absorptionskapaciteten fortfarande.
4 Slutsatser
(1) Med ökande slaghastighet ökar den projicerade arean av skadehålet i kolfiberförstärkt epoxihartskomposit (CFRP)-laminat, och tillväxthastigheten för det skadade 孑L-hålet i provet vid torr rumstemperatur är högre än den vid våt värmemättnad. Stor: (2) När slaghastigheten är 45 m/s ökar skadeprojektionsarean för CFRP-laminatet i vått värmemättnadstillstånd med 85,11 %, när slaghastigheten är 68 m/s ökar skadeprojektionsarean för CFRP-laminatet i vått värmemättnadstillstånd med 18 % jämfört med CFRP-laminatet i torrt rumstemperaturtillstånd. Vid 10 % är slaghastigheten 86 m/s. Den våta mättade cFRP-laminatets skadeprojektionsarean minskar med 9,9 % jämfört med cFRP-laminatet i torrt rumstemperatur. Vid 25 % är slaghastigheten 86 m/s. Den våta mättade cFRP-laminatets skadade projektionsarean minskar med 25 %; (3) Efter att cFRP-laminatet påverkats av den varma och fuktiga miljön minskar laminatets mellanskiktsprestanda, vilket resulterar i expansion av delamineringsarean.
Publiceringstid: 24 juni 2019