1 Giới thiệu
Vật liệu composite epoxy gia cường sợi carbon (CFRP) có nhiều ưu điểm như tỷ trọng thấp, cường độ riêng cao, độ cứng riêng cao, khả năng chống mỏi, chống ăn mòn và các tính chất cơ học tốt. Nó được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ và các kết cấu khắc nghiệt khác với môi trường, nhiệt độ ẩm và va đập. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến vật liệu ngày càng rõ ràng. Trong những năm gần đây, các học giả trong và ngoài nước đã tiến hành một số lượng lớn các nghiên cứu về tác động của môi trường nóng ẩm đến vật liệu composite CFRP [1] và tác động của va đập đến vật liệu composite CFRP. Nghiên cứu phát hiện ra rằng ảnh hưởng của môi trường nóng ẩm đến vật liệu composite CFRP bao gồm quá trình dẻo hóa của nền [2, nứt [31 và các tính chất giao diện sợi-nền yếu đi [2'3'5], uốn cong vật liệu composite CFRP khi tăng thời gian xử lý nhiệt ướt) Các tính chất cơ học về hiệu suất [2, các tính chất cắt chì và cắt liên tầng [2, 1 và các tính chất kéo tĩnh [3'6'7] cho thấy xu hướng giảm. Woldesenbet et al. [8,9] đã nghiên cứu các tính chất cơ học tác động của vật liệu composite ở tốc độ biến dạng cao sau khi xử lý nhiệt ướt và thu được rằng môi trường nóng ẩm đã cải thiện độ bền va đập của vật liệu composite. Người ta thấy rằng khả năng hấp thụ độ ẩm của vật liệu composite có thể cải thiện các tính chất cơ học tác động của vật liệu trong một số điều kiện nhất định, khá khác so với kết quả thực nghiệm trong điều kiện bán tĩnh. Công trình nghiên cứu chính hiện nay là tác động của nhiệt ẩm (bao gồm cả ngâm nước) lên các tính chất va đập vận tốc thấp của vật liệu composite nền nhựa gia cường sợi. Pan Wenge và cộng sự [10] đã nghiên cứu các tính chất nén của vật liệu composite sợi thủy tinh/epoxy dệt hai chiều sau tác động tốc độ thấp ở nhiệt độ phòng và trong điều kiện nóng ẩm (ngâm nước 65 °C). 4. Vật liệu ép trong môi trường nóng ẩm thu được sau khi va đập tốc độ thấp. Hiệu suất nén giảm đáng kể. Karasek và cộng sự [1] đã nghiên cứu tác động của độ ẩm và nhiệt độ lên tác động của vật liệu composite graphite/epoxy và thu được chúng trong môi trường nhiệt độ thấp và nhiệt độ phòng. Độ ẩm có ít tác động đến năng lượng ban đầu và khả năng hấp thụ năng lượng của hư hỏng. Yucheng zhong et al [12,13] đã thực hiện một thử nghiệm va đập tốc độ thấp trên các tấm composite nhiều lớp sau khi xử lý nhiệt ướt. Kết luận rằng môi trường nóng và ẩm làm giảm đáng kể hư hỏng do va đập của tấm composite nhiều lớp. Cải thiện khả năng chống va đập của tấm composite nhiều lớp. Krystyna et al. [14] đã nghiên cứu va đập tốc độ thấp của vật liệu composite sợi thủy tinh aramid/epoxy sau khi xử lý nhiệt ướt (ngâm nước 70 °C) và thu được diện tích hư hỏng do va đập nhỏ hơn sau khi xử lý nhiệt ướt. Điều này gây ra hư hỏng tách lớp bên trong mẫu, hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong quá trình va đập và ức chế sự hình thành tách lớp. Có thể thấy từ những điều trên rằng ảnh hưởng của môi trường nhiệt ẩm đến hư hỏng do va đập của vật liệu composite có tác dụng thúc đẩy và tác dụng làm suy yếu. Do đó, cần phải nghiên cứu và xác minh thêm. Về mặt va đập, Mei Zhiyuan et al [15] đã đề xuất và thiết lập một mô hình phân tích động lực học thâm nhập hai giai đoạn (thâm nhập cắt và thâm nhập liên tục) của các tấm composite nhiều lớp gia cường sợi dưới tác động tốc độ cao. Guiping Zhao et al. [16] đã tiến hành ba loại tốc độ khác nhau (nhỏ hơn, bằng và lớn hơn tốc độ giới hạn đạn đạo) đối với hiệu suất va chạm và hư hỏng của mẫu sau ba loại tấm ép, nhưng không liên quan đến tác động của môi trường nhiệt ẩm đối với hư hỏng do va chạm. Dựa trên các tài liệu trên, nghiên cứu liên quan về tác động của môi trường nóng và ẩm đối với tấm ép composite cốt sợi vẫn chưa được khám phá thêm. Trong bài báo này, các đặc điểm hư hỏng do va chạm của tấm ép composite sợi carbon/epoxy bão hòa nhiệt ướt trong điều kiện bể nước 70 °C đã được nghiên cứu. Các tác động của môi trường nóng và ẩm đối với các đặc tính hỏng do va chạm của vật liệu composite đã được phân tích bằng cách so sánh với các mẫu ở nhiệt độ phòng khô. Trong thí nghiệm, các tấm ép CFRP đã bị va chạm vào các tấm ép CFRP ở tốc độ 45 m/s, 68 m/s và 86 m/s. Vận tốc trước và sau khi va chạm đã được đo. Ảnh hưởng của môi trường nóng và ẩm đối với hiệu suất hấp thụ năng lượng của các tấm ép đã được phân tích. Siêu âm C-scan được sử dụng để phát hiện hư hỏng bên trong của lớp phủ, và ảnh hưởng của vận tốc va chạm lên vùng bị nứt đã được phân tích. Kính hiển vi điện tử quét và hệ thống kính hiển vi ba chiều siêu sâu đã được sử dụng để quan sát các đặc điểm vi mô của hư hỏng mẫu, và hư hỏng của mẫu được phân tích bằng môi trường nhiệt ẩm. Tác động của các đặc điểm.
2 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm
2. 1 Vật liệu và chuẩn bị
Vật liệu composite nhựa epoxy sợi carbon (T300/EMl 12), ngâm trước do Công ty TNHH Jiangsu Hengshen cung cấp, độ dày ngâm trước một lớp là 0,137 mm với tỷ lệ thể tích sợi là 66%. Tấm gỗ dán được đặt trên sàn của lớp. , kích thước 115mm x 115mln. Quy trình tạo hình của bể ép nóng được sử dụng. Sơ đồ quy trình đóng rắn được chuẩn bị theo quy trình này được thể hiện trong Hình 1. Đầu tiên nâng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên 80 oC với tốc độ gia nhiệt từ 1 đến 3 oC/phút, sau đó giữ ấm trong 30 phút, gia nhiệt đến 130 oC với tốc độ gia nhiệt là 113 oC/phút, giữ ấm trong 120 phút, giảm xuống 600C ở tốc độ làm mát không đổi, sau đó loại bỏ áp suất và thả ra, và thả ra.
2. 2 Xử lý nhiệt ướt
Sau khi chuẩn bị mẫu, mẫu được xử lý nhiệt ướt theo thông số kỹ thuật HB 7401-96.171 "Phương pháp thử nghiệm hấp thụ độ ẩm môi trường nóng ướt lớp composite gốc nhựa". Đầu tiên, mẫu được đặt trong buồng sấy nhiệt ở nhiệt độ 70 độ C để sấy khô. Cân thường xuyên bằng cân cho đến khi độ mất chất lượng của mẫu ổn định không quá 0,02%, giá trị được ghi lại tại thời điểm này là Khối lượng khô kỹ thuật G. Sau khi sấy khô, mẫu được đặt trong nước 70 độ C để xử lý nhiệt ướt. Theo thông số kỹ thuật HB 7401. Phương pháp được chỉ định trong 96 "đo chất lượng của mẫu hàng ngày, được ghi lại là Gi và ghi lại sự thay đổi của độ hấp thụ độ ẩm Mi. Biểu thức hấp thụ độ ẩm của mẫu vật nhiều lớp CFRP là:
Công thức được trình bày chi tiết: Mi là độ hút ẩm của mẫu, Gi là chất lượng sau khi mẫu hút ẩm, g, go là chất lượng mẫu kỹ thuật ở trạng thái khô.
2. 3 Thí nghiệm tác động
Thí nghiệm va chạm tốc độ cao trên tấm CFRP được thực hiện trên một khẩu pháo khí tốc độ cao có đường kính 15 mm. Thiết bị thử va chạm tốc độ cao (xem Hình 2) bao gồm súng khí tốc độ cao, thiết bị đo tốc độ laser trước và sau va chạm, thân đạn, đồ gá lắp mẫu (góc trên bên phải của Hình 2) và thiết bị thu hồi an toàn thân đạn. Thân đạn là một viên đạn hình trụ đầu hình nón (Hình 2), và thể tích của viên đạn là 24,32 g với đường kính 14,32 mm; tốc độ va chạm là 45 m/s (năng lượng va chạm 46 J), 68 m/s (năng lượng va chạm 70 J), 86 m/s (năng lượng va chạm 90 J).
2.4 Phát hiện hư hỏng của mẫu vật
Sau khi chịu tác động, tấm edgout bằng vật liệu composite epoxy màu sợi carbon được sử dụng để phát hiện hư hỏng do va chạm bên trong của tấm CFRP, diện tích chiếu của khu vực hư hỏng do va chạm được đo bằng phần mềm phân tích hình ảnh UTwim và các đặc điểm chi tiết của sự phá hủy theo mặt cắt ngang được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét và hệ thống kính hiển vi 3D độ sâu trường ảnh cực lớn.
3 Kết quả và thảo luận
3. 1 Đặc điểm hấp thụ độ ẩm của mẫu
Tổng cộng là 37,7 ngày, độ hấp thụ độ ẩm bão hòa trung bình là 1,780%, với tốc độ khuếch tán là 6,183x10,7lllnl2/s. Đường cong hấp thụ độ ẩm của mẫu vật liệu nhiều lớp CFRP được thể hiện ở Hình 3. Như có thể thấy từ Hình 3, tốc độ tăng trưởng ban đầu của độ hấp thụ độ ẩm của mẫu vật là tuyến tính, sau giai đoạn tuyến tính, tốc độ tăng trưởng của độ hấp thụ độ ẩm bắt đầu giảm, đạt mức trạng thái ổn định sau khoảng 23 ngày và đạt đến độ bão hòa độ ẩm hấp thụ sau một khoảng thời gian. Do đó, độ hấp thụ độ ẩm của mẫu vật tuân theo chế độ hấp thụ độ ẩm hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên của độ ẩm hấp thụ là do tác động chung của nhiệt độ và độ ẩm, độ ẩm thông qua bản thân vật liệu chứa các lỗ rỗng, lỗ hổng, vết nứt và các khuyết tật khác lan vào bên trong vật liệu; Sự khuếch tán của nước diễn ra chậm và dần dần đạt đến độ bão hòa ở giai đoạn này.
3. Đặc điểm phá hủy rõ ràng của ván ép 2 lớp
Tốc độ va chạm 86 m/s khi mẫu vật mặt trước, mặt sau của bản đồ cấu hình phá hủy rõ ràng, theo mẫu nhiệt độ phòng khô, mẫu vật bão hòa nóng ướt mặt trước phá hủy hình dạng giống hơn, hai mẫu vật trong tác động, do vết nứt nền, sự phá hủy của nó dọc theo lớp sợi đầu tiên có một độ trượt nhất định. Điều này khiến mặt trước tạo ra hình elip hoặc hình chữ nhật và ngoài việc có thể nhìn thấy vết nứt trên chất nền, các sợi có thể được nhìn thấy bị đứt. Theo mẫu nhiệt độ phòng khô, mẫu vật bão hòa nóng ướt ở mặt sau của sự phá hủy hình dạng có thể thấy rằng mặt sau dọc theo hướng va chạm có một chỗ phình nhất định và xuất hiện vết nứt hình chữ thập. Rõ ràng là gãy sợi, nứt đế và gãy lớp xen kẽ (phân lớp) ba dạng phá hủy, phần cuối của sợi được nâng lên nhưng không bị gãy, chỉ có lớp và nứt sợi/đế. Gãy sợi cũng khác nhau, như có thể thấy từ sự so sánh giữa thiệt hại phía trước và phía sau. Phía trước gây ra sự gãy sợi và chất nền do nén và cắt. Mặt sau là do kéo căng khiến sợi bị đứt và tạo thành lớp nền. Hình 4 là tốc độ va chạm 45 m/s, 68 m/s, 86 m/s khi mẫu vật bị hư hỏng bên trong C quét. Khu vực được chỉ ra bởi đường tròn màu xám l gần đúng ở giữa hình là khu vực được chiếu của lỗ hư hỏng. Đường màu đen ở trên và dưới mỗi biểu đồ nhỏ chỉ ra khu vực bị bong tróc ở mặt sau của mẫu vật. Khu vực được đánh dấu bằng đường màu trắng trong hình (b) (d) (f) là hư hỏng bên trong của mẫu vật dọc theo ranh giới. Biểu đồ cho thấy năng lượng va chạm tăng khi tốc độ va chạm tăng. Tấm nhiều lớp có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong quá trình va chạm (xem Hình 6 để biết các giá trị cụ thể), dẫn đến diện tích chiếu hư hỏng của tấm nhiều lớp tăng lên: bằng cách so sánh mẫu ở nhiệt độ phòng khô với hình ảnh mẫu bão hòa nóng ướt, có thể thấy rằng có hư hỏng bên trong (đường màu trắng) của mẫu vật được tạo ra dọc theo ranh giới trong trạng thái bão hòa nóng ướt của mẫu vật, chủ yếu là do quá trình hấp thụ. Sự dẻo hóa của chất nền trong tấm ép và sự yếu đi của giao diện sợi-đế khiến ranh giới có tác động nhất định đến tấm ép trong quá trình va đập. Theo hình vẽ, diện tích bong tróc phía sau (đường màu đen) của mẫu ở trạng thái khô không khác nhiều so với trạng thái bão hòa nóng ướt.
3. Đặc điểm phá hoại chi tiết của tấm panel 3 lớp
Bản đồ đặc điểm hư hỏng mặt cắt ngang của tấm ghép lớp CFRP, được chụp bằng hệ thống vi mô 3D siêu sâu và gương điện tử quét, với tốc độ va chạm 45 m/s, khô và ướt và nóng, cho thấy hư hỏng của mẫu vật ở cả hai trạng thái bao gồm ba dạng phá hủy: gãy sợi, nứt đế và gãy xen kẽ. Nhưng đế của hai mẫu vật bị nứt khác nhau. Nứt của chất nền ở trạng thái khô là nứt tại mối nối giữa sợi và chất nền. Tuy nhiên, nứt của chất nền sau khi xử lý nhiệt ướt đi kèm với các mảnh vỡ của chất nền rơi ra ngoài. Wold-esenbet và các vật liệu khác trong môi trường ướt và nóng của hiệu suất va chạm của cấu trúc của cấu trúc và sự suy thoái giao diện chất nền sợi được xác định chung, trong môi trường ướt nóng, tấm lớp CFRP trong đế nhựa trải qua sự hấp thụ một lượng nước nhất định, nước rò rỉ sẽ khiến chất nền nhựa bị hòa tan. Sợi carbon không hấp thụ, sau đó phải có sự giãn nở ướt giữa hai bên, sự khác biệt này làm yếu giao diện giữa chất nền và sợi, làm giảm độ bền của chất nền. Khi chịu tải trọng va đập, các mảnh vỡ của nền dễ rơi ra, dẫn đến sự khác biệt so với giao diện hư hỏng của mẫu ở nhiệt độ phòng khô. Từ cấu trúc chi tiết của gương điện quét, có thể thấy rằng vết nứt của thân trụ sau ướt và nóng chủ yếu là vết nứt lỏng lẻo của vết nứt ép, trong khi vết nứt trước nhiệt ướt chủ yếu là giòn và vết nứt cắt ngang giữa các lớp rõ ràng hơn. Từ kính hiển vi quang học trong hình, có thể thấy rằng các dạng phá hủy khác nhau trong hai trường hợp và trạng thái khô là phá hủy theo từng lần cắt. Để phá hủy chủ yếu, sau khi nhiệt ướt đối với dạng phá hủy kèm theo phá hủy theo lớp đáng kể, tỷ lệ phá hủy theo lớp mở rộng. Có thể thấy từ góc độ cơ chế phá hủy và đặc điểm hấp thụ năng lượng. Mei Zhiyuan đưa ra hai giai đoạn xâm nhập của đạn: giai đoạn cắt và giai đoạn xâm nhập liên tục. Khu vực A trong mẫu nóng ướt là phá hủy giai đoạn xâm nhập cắt, chủ yếu là do trong quá trình va chạm, tấm phân lớp bị nén và cắt hình thành biến dạng phá hủy, khu vực b là phá hủy giai đoạn xâm nhập liên tục. Giai đoạn này chủ yếu là do tốc độ xâm nhập của thân đạn giảm dưới tác động của thành phần ứng suất kéo của lớp sợi, và năng lượng chủ yếu được chuyển thành năng lượng biến dạng kéo sợi và năng lượng gãy giữa các lớp (l 51), do đó sợi đứt el và sợi đứt trước đó không nằm trên một đường thẳng. Trong mẫu khô, hiện tượng này không rõ ràng và hư hỏng của tấm nghiêm trọng hơn, tấm lớp có trạng thái nứt. 3. 4 Phân tích diện tích chiếu lỗ thủng và năng lượng hấp thụ Hình 5 cho thấy mối quan hệ giữa nhiệt độ phòng khô và độ bão hòa nóng ướt của tốc độ phóng và mất năng lượng của thân đạn, ở tốc độ tới khoảng 45 m/s, nhiệt độ phòng khô của viên đạn đều bật lại, do đó không thể hiện trong hình. Như có thể thấy từ Hình 7, khi thử nghiệm được thử nghiệm dưới điều kiện bão hòa nhiệt ướt, tổn thất năng lượng của viên đạn là nghiêm trọng và khả năng hút của mẫu sau khi xử lý nhiệt ướt tăng lên.
Hình 6 là sơ đồ đồ thị về diện tích chiếu của tốc độ tới của thân đạn và lỗ thủng lớp CFRP (đường màu xám đánh dấu một phần của Hình 4), có thể thấy hình tổng hợp (4), (5), (6): (1) khi tốc độ va chạm tăng, diện tích chiếu của lỗ thủng lớp CFRP tăng; (2) Diện tích chiếu của lỗ thủng trong mẫu ở nhiệt độ phòng khô lớn hơn diện tích bão hòa nóng ướt; (3) khi tốc độ va chạm khoảng 45 m/s, diện tích chiếu của lỗ thủng của tấm nhiều lớp sau khi xử lý nhiệt ướt lớn hơn nhiều so với diện tích chiếu của lỗ thủng tấm nhiều lớp ở trạng thái nhiệt độ phòng khô. Diện tích chiếu lỗ thủng l của mẫu bão hòa nhiệt ướt tăng 85,1% và ở tốc độ va chạm khoảng 68 m/s, tấm nhiều lớp ở trạng thái bão hòa nhiệt ướt tăng 18,10%, giá trị hấp thụ (Hình 5) tăng 15,65%; Ở tốc độ va chạm khoảng 88 m/s, tấm nhiều lớp ở trạng thái bão hòa ướt và nhiệt giảm 9,25%, giá trị hấp thụ vẫn tăng 12,45%.
Dựa trên kết quả nghiên cứu của Yucheng Zhong và các sản phẩm khác, khả năng hấp thụ độ ẩm của vật liệu composite gia cường sợi carbon cải thiện giới hạn đàn hồi và khả năng chống va đập của tấm ép nhiều lớp, đồng thời kết hợp diện tích chiếu của lỗ thủng của mẫu nhiệt độ phòng khô và mẫu bão hòa nóng ướt trong bài báo này (Hình 4 trong đường màu xám) Sơ đồ mối quan hệ với tốc độ va chạm của thân đạn và diện tích chiếu của lỗ thủng lớp CFRP, và hư hỏng theo lớp của tấm ghép lớp CFRP có thể được so sánh khi tốc độ va đập giống nhau và thấp. Diện tích lỗ thủng của mẫu bão hòa nóng ướt tương đối lớn. Điều này là do xử lý nhiệt ướt làm cho lớp nền CFRP bị dẻo hóa, làm yếu giao diện sợi và lớp nền và hiệu suất xen kẽ, trong tác động, trạng thái bão hòa nhiệt ướt của mẫu vật bị giãn nở hư hỏng theo lớp, tỷ lệ hư hỏng tăng lên. Dựa trên Wu Yixuan và các thí nghiệm khác biết rằng năng lượng tác động theo hướng lát thẳng đứng chủ yếu được hấp thụ bởi chất nền nhựa, sau đó quá trình dẻo hóa của chất nền làm cho mẫu bão hòa ướt và nóng hấp thụ nhiều năng lượng hơn trong quá trình va chạm, cải thiện khả năng chống va đập và tăng diện tích chiếu của lỗ hư hỏng; Thiệt hại của lớp phủ CFRP chưa được mở rộng hoàn toàn, tác động đã kết thúc, vì vậy khi tốc độ tác động cao hơn, xử lý nhiệt ướt trên diện tích chiếu hư hỏng của lớp phủ CFRP không còn nghiêm trọng nữa, nhưng do nhựa nền dẻo hóa, khả năng hấp thụ vẫn được tăng lên.
4 Kết luận
(1) Khi vận tốc va chạm tăng, diện tích chiếu lỗ hư hỏng của tấm composite nhựa epoxy gia cường sợi carbon (CFRP) tăng lên và tốc độ phát triển của lỗ hư hỏng 孑L trong mẫu ở nhiệt độ phòng khô cao hơn so với khi bão hòa nhiệt ướt. Lớn: (2) Khi vận tốc va chạm là 45 m/s, diện tích chiếu hư hỏng của tấm CFRP ở trạng thái bão hòa nhiệt ướt tăng 85,11%, khi vận tốc va chạm là 68 m/s, diện tích chiếu hư hỏng của tấm CFRP ở trạng thái bão hòa nhiệt ướt tăng 18% so với tấm CFRP ở trạng thái nhiệt độ phòng khô. Khi vận tốc va chạm là 68 m/s, diện tích chiếu hư hỏng của tấm CFRP ở trạng thái bão hòa nhiệt ướt tăng 10%, tốc độ va chạm là 86m/s. Diện tích chiếu hư hỏng của tấm cFRP bão hòa ướt giảm 9,9% so với tấm cFRP ở nhiệt độ phòng khô. 25%; (3) Sau khi lớp cFRP chịu tác động của môi trường nóng ẩm, hiệu suất liên kết giữa các lớp của lớp bị giảm, dẫn đến diện tích tách lớp bị giãn nở.
Thời gian đăng: 24-06-2019