1 Введение
Эпоксидный композит, армированный углеродным волокном (CFRP), обладает многими преимуществами, такими как низкая плотность, высокая удельная прочность, высокая удельная жесткость, усталостная стойкость, коррозионная стойкость и хорошие механические свойства. Он широко используется в аэрокосмической промышленности и других конструкциях с суровыми условиями окружающей среды, в условиях влажного тепла и ударов. Влияние факторов окружающей среды на материалы становится все более очевидным. В последние годы отечественные и зарубежные ученые провели большое количество исследований воздействия жаркой и влажной среды на композиты CFRP [1] и воздействия удара на композиты CFRP. Исследование показало, что влияние жаркой и влажной среды на композиты CFRP включает пластификацию матрицы [2, растрескивание [31 и ослабление свойств интерфейса волокно-матрица [2'3'5], изгиб композита CFRP с увеличением времени влажной тепловой обработки). Механические свойства производительности [2, свинцовые и межслойные сдвиговые свойства [2, 1 и статические свойства при растяжении [3'6'7] показали тенденцию к снижению. Woldesenbet et al. [8,9] исследовали ударные механические свойства композитов при высоких скоростях деформации после влажной тепловой обработки и получили, что горячая и влажная среда улучшает ударную вязкость композитов. Выявлено, что влагопоглощение композитных материалов может улучшить ударные механические свойства материалов при определенных условиях, что существенно отличается от экспериментальных результатов в квазистатических условиях. В настоящее время основная исследовательская работа посвящена влиянию влажного тепла (включая погружение в воду) на ударные свойства низкоскоростных композитов на основе армированной смолой матрицы. Пан Венге и др. [10] исследовали компрессионные свойства двумерных тканых стекловолоконных/эпоксидных композитных ламинатов после удара с низкой скоростью при комнатной температуре и в условиях высокой температуры и влажности (погружение в воду при 65 °C). 4. Ламинат в горячей и влажной среде получается после удара с низкой скоростью. Характеристики сжатия значительно снижаются. Карасек и др. [1] исследовали влияние влажности и температуры на удар графит/эпоксидных композитов и получили их в условиях низкой температуры и комнатной температуры. Влажность незначительно влияет на начальную энергию и поглощение энергии повреждения. Юйчэн Чжун и др. [12,13] провели испытание на удар при низкой скорости композитных ламинатов после влажной термообработки. Сделан вывод о том, что горячая и влажная среда значительно снижает ударное повреждение ламината. Улучшите ударную стойкость ламинатов. Кристина и др. [14] исследовали удар при низкой скорости композита из арамидного стекловолокна и эпоксидной смолы после влажной термообработки (погружение в воду при температуре 70 °C) и получили меньшую площадь ударного повреждения после влажной термообработки. Это вызывает расслоение внутри образца, который поглощает больше энергии во время удара и препятствует образованию расслоения. Из вышеизложенного следует, что влияние влажной тепловой среды на ударное повреждение композитных материалов оказывает как стимулирующий, так и ослабляющий эффект. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования и проверки. Что касается удара, Мэй Чжиюань и др. [15] предложили и разработали двухэтапную (проникновение при сдвиге и непрерывное проникновение) модель анализа динамики проникновения армированных волокнами композитных ламинатов при высокоскоростном ударе. Гуйпин Чжао и др. [16] провели три вида различных скоростей (меньше, равно и больше баллистического предела) для ударных характеристик и повреждений образца после трех видов ламинатов, но не включали влияние влажной тепловой среды на ударные повреждения. Основываясь на вышеуказанной литературе, соответствующие исследования воздействия влажной и горячей среды на армированные волокном композитные ламинаты еще не были дополнительно изучены. В этой статье были изучены характеристики ударного повреждения ламинатов из углеродного волокна / эпоксидной смолы, насыщенных влажным теплом, в условиях водяной бани 70 ° C. Влияние горячей и влажной среды на ударные характеристики разрушения композитов было проанализировано путем сравнения с сухими образцами при комнатной температуре. В ходе эксперимента ламинаты CFRP подвергались ударам по ламинатам CFRP со скоростью 45 м / с, 68 м / с и 86 м / с. Измерялась скорость до и после удара. Было проанализировано влияние горячей и влажной среды на характеристики поглощения энергии ламинатами. Для выявления внутренних повреждений ламината использовалось ультразвуковое c-сканирование, а также анализировалось влияние скорости удара на площадь разрушения. Для наблюдения мезоскопических характеристик повреждений образца использовались сканирующий электронный микроскоп и сверхглубокая трёхмерная микроскопическая система. Анализировалось повреждение образца во влажной и тепловой среде. Влияние характеристик.
2 Экспериментальные материалы и методы
2. 1 Материал и подготовка
Композитный материал на основе эпоксидной смолы с углеродным волокном (T300/EMl 12), предварительно пропитанный, предоставлен компанией Jiangsu Hengshen Co., Ltd., толщина однослойного предварительного пропитки 0,137 мм, объемная доля волокон 66%. На пол слоя укладывается ламинированная панель размером 115 мм x 115 млн. Используется процесс формования в ванне горячего прессования. Схема процесса отверждения, полученная в результате этого процесса, показана на рисунке 1. Сначала температура в помещении повышается от комнатной до 80 °C со скоростью нагрева от 1 до 3 °C/мин, затем поддерживается в тепле в течение 30 минут, затем нагревается до 130 °C со скоростью нагрева 113 °C/мин, поддерживается в тепле в течение 120 минут, затем снижается до 60 °C.0С при постоянной скорости охлаждения, а затем снимите давление и отпустите, и отпустите.
2. 2 Влажная тепловая обработка
После подготовки образца он был подвергнут влажно-тепловой обработке в соответствии со спецификацией HB 7401-96.171 «Экспериментальный метод определения влагопоглощения в условиях влажной и горячей среды композитного слоя на основе смолы». Сначала образец помещают в термостатическую сушильную камеру при температуре 70°C для сушки. Регулярно взвешивают на весах до тех пор, пока потеря качества образца не стабилизируется на уровне не более 0,02%. Зарегистрированное значение в этот момент соответствует массе сухого материала G. После сушки образец помещают в воду при температуре 70°C для влажно-тепловой обработки. Метод, указанный в спецификации HB 7401, предполагает ежедневное измерение качества образца, которое обозначается как Gi, и регистрацию изменения влагопоглощения Mi. Выражение влагопоглощения образца из ламината CFRP:
Формула детализирована: Mi — влагопоглощение образца, Gi — качество после поглощения образцом влаги, g, go — качество образца в сухом состоянии.
2. 3 эксперимента по удару
Эксперимент по высокоскоростному удару ламината CFRP проводился на высокоскоростной пневматической пушке диаметром 15 мм. Испытательное устройство для высокоскоростного удара (см. рисунок 2) включает в себя высокоскоростную пневматическую пушку, лазерный измеритель скорости до и после удара, корпус пули, приспособление для установки образца (верхний правый угол рисунка 2) и устройство безопасного извлечения корпуса пули. Корпус пули представляет собой цилиндрическую пулю с конической головкой (рисунок 2), ее объем составляет 24,32 г, диаметр – 14,32 мм; скорость удара составляет 45 м/с (энергия удара 46 Дж), 68 м/с (энергия удара 70 Дж), 86 м/с (энергия удара 90 Дж).
2.4 Обнаружение повреждений образцов
После удара пластина кромки слоя ламинированного композита из цветного углеродного волокна и эпоксидного композита используется для обнаружения внутренних повреждений от удара пластины ламинированного углеродного волокна, а площадь проекции области повреждения от удара измеряется с помощью программного обеспечения для анализа изображений UTwim, а подробные характеристики разрушения поперечного сечения наблюдаются с помощью сканирующего электронного микроскопа и микроскопической системы сверхглубокого резкого 3D.
3 Результаты и обсуждения
3.1 Характеристики влагопоглощения образцов
Всего 37,7 дня, среднее значение поглощения насыщенной влаги составляет 1,780%, при скорости диффузии 6,183x10,711нл2/с. Кривая поглощения влаги образцом ламината CFRP показана на рисунке 3. Как видно из рисунка 3, начальная скорость роста поглощения влаги образцом является линейной, после линейной стадии скорость роста поглощения влаги начинает снижаться, достигая уровня стационарного состояния примерно через 23 дня и достигая насыщения поглощения влаги через определенный промежуток времени. Таким образом, поглощение влаги образцом соответствует двухэтапному режиму поглощения влаги: первая стадия поглощения влаги обусловлена совместным действием температуры и влажности, влага через сам материал содержит поры, отверстия, трещины и другие дефекты, распространяющиеся внутрь материала; диффузия воды происходит медленно и постепенно достигает насыщения на этом этапе.
3. Видимые характеристики разрушения двухслойной ламинированной плиты
Скорость удара образца составляет 86 м/с, когда передняя часть образца, задняя часть видимого профиля разрушения, по образцу, находящемуся при комнатной температуре, и образцу, находящемуся при влажном горячем насыщении, больше похожа на фронт разрушения двух образцов при ударе, из-за трещин основания, разрушение вдоль первого слоя волокон имеет определенное скольжение. Это приводит к тому, что передняя часть приобретает эллиптическую или прямоугольную форму, и, помимо того, что можно увидеть трещину в подложке, можно увидеть разрыв волокон. По образцу, находящемуся при сухой комнатной температуре, и образцу, находящемуся при влажном горячем насыщении, на задней части разрушения формы можно увидеть, что задняя часть вдоль направления удара имеет определенную выпуклость и представляет собой крестообразную трещину. Очевидно, что разрыв волокна, трещина основания и межслоевой разрыв (расслоение) являются тремя формами разрушения, последняя часть волокна поднимается, но не разрывается, происходит только расслоение и трещина волокна/основания. Разрыв волокна также отличается, что видно из сравнения фронтального и тыльного повреждения. Фронтальное повреждение вызывает разрушение волокна и подложки из-за сжатия и сдвига. Обратная сторона из-за растяжения, которое привело к разрыву волокна и расслоению подложки. Рисунок 4 представляет собой ударную скорость 45 м/с, 68 м/с, 86 м/с при сканировании внутреннего повреждения образца C. Область, обозначенная приблизительно круглой серой линией l в центре рисунка, является проецируемой площадью отверстия повреждения. Черная линия над и под каждой небольшой диаграммой указывает область для области отслоения обратной стороны образца. Область, отмеченная белой линией на рисунке (b), (d), (f), является внутренним повреждением образца вдоль границы. График показывает, что энергия удара увеличивается с увеличением скорости удара. Ламинированная пластина способна поглощать больше энергии во время удара (конкретные значения см. на рисунке 6), что приводит к увеличению площади проекции повреждения ламината: сравнивая сухой образец комнатной температуры с изображением влажного образца горячего насыщения, можно увидеть, что есть внутреннее повреждение (белая линия) образца, полученное вдоль границы в состоянии влажного-горячего насыщения образца, в основном из-за процесса поглощения. Пластификация подложки в ламинированной пластине и ослабление границы раздела волокон и основания приводят к тому, что граница раздела оказывает определённое воздействие на ламинированную пластину в процессе удара. Согласно рисунку, область отслоения обратной стороны образца (чёрная линия) в сухом состоянии мало чем отличается от области отслоения образца во влажном горячем состоянии насыщения.
3. Подробные характеристики разрушения трехслойной панели
Карта особенностей повреждения поперечного сечения соединительной пластины слоя CFRP, полученная с помощью сверхглубокой 3D-микросистемы и сканирующего электронного зеркала при скорости удара 45 м / с, сухом, влажном и горячем, показывает, что повреждение образца в обоих состояниях включает три формы разрушения: разрыв волокна, трещину основания и межслойный разрыв. Но основание двух образцов трескается по-разному. Трещина подложки в сухом состоянии трескается в соединении между волокном и подложкой. Однако трескание подложки после влажной термообработки сопровождается выпадением фрагментов подложки. Wold-esenbet и другие материалы во влажной и горячей среде ударных характеристик структуры структуры и деградации интерфейса волокна подложки совместно определены, во влажной и горячей среде пластина слоя CFRP в смоляной основе испытывает поглощение определенного количества воды, просачивание воды приведет к растворению смоляной подложки. Углеродное волокно не абсорбирует, поэтому между ними должно быть расширение во влажном состоянии. Это различие ослабляет границу раздела между подложкой и волокном, снижая прочность подложки. При ударной нагрузке фрагменты подложки легко выпадают, что приводит к отличию от поверхности повреждения образца, полученного при комнатной температуре. Из детальной структуры сканирующего электронного зеркала видно, что трещины во влажном и горячем состоянии основания в основном представляют собой свободные трещины, возникающие при разрыве пресса, в то время как трещины до воздействия влажного тепла являются преимущественно хрупкими, а горизонтальная трещина сдвига между слоями более очевидна. На рисунке, полученном с помощью оптического микроскопа, видно, что формы разрушения различаются в двух случаях: в сухом состоянии разрушение происходит между резанием. В случае разрушения, вызванного преимущественно резанием, после воздействия влажного тепла наблюдается значительное послойное разрушение, доля послойного разрушения увеличивается. Это можно увидеть из угла зрения механизма разрушения и характеристик поглощения энергии. Мэй Чжиюань выделил две стадии проникновения снаряда: стадию резания и стадию непрерывного проникновения. Область A во влажном горячем образце представляет собой разрушение на стадии сдвига вторжения, главным образом потому, что в процессе удара слоистая пластина сжимается и сдвигается, образуя деформацию разрушения, область b представляет собой разрушение на стадии непрерывного проникновения. Эта стадия в основном связана с уменьшением скорости внедрения тела пули под действием составляющей напряжения растяжения волокнистого слоя, а энергия в основном преобразуется в энергию деформации растяжения волокна и энергию разрушения межслоевого слоя (l 51), так что разрыв волокна el и предыдущий разрыв волокна не находятся на прямой линии. В сухом образце это явление не очевидно, и повреждение пластины более серьезно, слоистая пластина имеет состояние трещины. 3.4 Анализ энергии поглощения и проекционной площади отверстия повреждения На рисунке 5 показана связь между сухой комнатной температурой и влажно-горячим насыщением скорости запуска и потери энергии тела, при скорости падения около 45 м/с, при сухой комнатной температуре пуля полностью отскакивает, поэтому на рисунке не показано. Как видно из рисунка 7, при проведении испытания в условиях влажного теплового насыщения потеря энергии пули значительна, а всасывающая способность образца после влажной тепловой обработки увеличивается.
Рисунок 6 представляет собой графическую диаграмму площади проекции скорости падения тела пули и отверстия повреждения слоя CFRP (серая линия отмечает часть рисунка 4), можно увидеть комплексный рисунок (4), (5), (6): (1) с увеличением скорости удара площадь проекции отверстия повреждения слоя CFRP увеличивается; (2) площадь проекции отверстия повреждения в образце в сухом состоянии комнатной температуры больше, чем у влажного горячего насыщения; (3) когда скорость удара составляет около 45 м / с, площадь проекции отверстия повреждения ламинированной пластины после влажной тепловой обработки намного больше, чем площадь проекции отверстия повреждения ламинированной пластины в состоянии сухой комнатной температуры. Площадь проекции l-отверстия повреждения образца влажного теплового насыщения увеличилась на 85,1%, а при скорости удара около 68 м / с ламинированная пластина во влажном и тепловом насыщенном состоянии увеличилась на 18,10%, значение поглощения (рисунок 5) увеличилось на 15,65%; При скорости удара около 88 м/с ламинированная пластина во влажном и термически насыщенном состоянии уменьшилась на 9,25%, величина поглощения все еще увеличилась на 12,45%.
На основании результатов исследований Юйчэна Чжуна и других продуктов, влагопоглощение композитных материалов, армированных углеродным волокном, улучшает предел упругости и ударную вязкость ламинированной пластины и объединяет проекционную площадь отверстия повреждения сухого образца комнатной температуры и образца влажного горячего насыщения в этой статье (рисунок 4 серой линией). Диаграмма зависимости между скоростью падения пули и проекционной площадью отверстия повреждения слоя CFRP, а также слоистым повреждением соединительной платы слоя CFRP можно сравнить, когда скорость удара одинакова и низкая. Площадь отверстия повреждения образца влажного горячего насыщения относительно велика. Это связано с тем, что обработка влажным теплом делает подложку слоя CFRP пластичной, ослабляя интерфейс волокна и подложки и межслоевые характеристики, при ударе состояние влажного теплового насыщения образца слоистого повреждения расширяется, доля повреждения увеличивается. На основе экспериментов У Исюаня и других известно, что энергия удара в вертикальном направлении дорожного покрытия в основном поглощается смоляной подложкой, затем пластификация подложки заставляет образец влажного и горячего насыщения поглощать больше энергии в процессе удара, улучшает ударную стойкость и увеличивает проекционную площадь повреждения; повреждение ламината CFRP не полностью распространяется, удар заканчивается, поэтому, когда скорость удара выше, влажно-тепловая обработка на проекционной области повреждения ламината CFRP больше не является серьезной, но из-за пластификации смолы подложки поглощающая способность все еще увеличивается.
4 вывода
(1) С увеличением скорости удара увеличивается площадь проекции отверстия повреждения ламината из эпоксидной смолы, армированного углеродным волокном (CFRP), а скорость роста отверстия повреждения 孑L в образце при сухой комнатной температуре выше, чем при насыщении влажного тепла. Большой: (2) Когда скорость удара составляет 45 м/с, площадь проекции повреждения ламината CFRP в состоянии насыщения влажного тепла увеличивается на 85,11%, когда скорость удара составляет 68 м/с, площадь проекции повреждения ламината CFRP в состоянии насыщения влажного тепла увеличивается на 18% по сравнению с ламинатом CFRP в сухом состоянии комнатной температуры. 10%, скорость удара составляет 86 м/с. Площадь проекции повреждения ламината cFRP во влажном насыщенном состоянии уменьшается на 9,9% по сравнению с ламинатом cFRP при сухой комнатной температуре. 25%; (3) После того, как ламинат cFRP подвергается воздействию горячей и влажной среды, межслоевые характеристики ламината ухудшаются, что приводит к расширению области расслоения.
Время публикации: 24 июня 2019 г.