Medición de las propiedades mecánicas de laminados compuestos de polímeros de refuerzo de fibra de vidrio obtenidos mediante diferentes procesos de fabricación
Summary
Este artículo describe un proceso de fabricación de laminados compuestos de matriz polimérica reforzada con fibra obtenidos mediante el método de colocación manual húmeda / bolsa de vacío.
Abstract
El proceso tradicional de laminado manual húmedo (WL) se ha aplicado ampliamente en la fabricación de laminados compuestos de fibra. Sin embargo, debido a la insuficiencia en la presión de formación, la fracción de masa de la fibra se reduce y muchas burbujas de aire quedan atrapadas en el interior, lo que da como resultado laminados de baja calidad (baja rigidez y resistencia). El proceso de colocación manual húmeda / bolsa de vacío (WLVB) para la fabricación de laminados compuestos se basa en el proceso tradicional de colocación manual húmeda, utilizando una bolsa de vacío para eliminar las burbujas de aire y proporcionar presión, y luego llevar a cabo el proceso de calentamiento y curado.
En comparación con el proceso tradicional de laminado manual, los laminados fabricados por el proceso WLVB muestran propiedades mecánicas superiores, incluida una mejor resistencia y rigidez, una fracción de volumen de fibra más alta y una fracción de volumen vacío más baja, que son todos beneficios para los laminados compuestos. Este proceso es completamente manual y está muy influenciado por las habilidades del personal de preparación. Por lo tanto, los productos son propensos a defectos como vacíos y espesores desiguales, lo que conduce a cualidades y propiedades mecánicas inestables del laminado. Por lo tanto, es necesario describir con precisión el proceso WLVB, controlar con precisión los pasos y cuantificar las proporciones de material, para garantizar las propiedades mecánicas de los laminados.
Este artículo describe el meticuloso proceso del proceso WLVB para preparar laminados compuestos de refuerzo de fibra de vidrio (GFRP) tejidos con patrones lisos. El contenido de volumen de fibra de los laminados se calculó utilizando el método de la fórmula, y los resultados calculados mostraron que el contenido de volumen de fibra de los laminados WL fue de 42,04%, mientras que el de los laminados WLVB fue de 57,82%, aumentando en 15,78%. Las propiedades mecánicas de los laminados se caracterizaron mediante ensayos de tracción e impacto. Los resultados experimentales revelaron que con el proceso WLVB, la resistencia y el módulo de los laminados aumentaron en un 17,4% y 16,35%, respectivamente, y la energía específica absorbida se incrementó en un 19,48%.
Introduction
El compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) es un tipo de material de alta resistencia fabricado mezclando refuerzo de fibra y matrices poliméricas 1,2,3. Es ampliamente utilizado en las industrias aeroespacial 4,5,6, construcción7,8, automotriz 9 y marina10,11 debido a su baja densidad, alta rigidez y resistencia específicas, propiedades de fatiga y excelente resistencia a la corrosión. Las fibras sintéticas comunes incluyen fibras de carbono, fibras de vidrio y fibras de aramida12. La fibra de vidrio fue elegida para la investigación en este trabajo. En comparación con el acero tradicional, los laminados compuestos de refuerzo de fibra de vidrio (GFRP) son más livianos, con menos de un tercio de la densidad, pero pueden lograr una mayor resistencia específica que el acero.
El proceso de preparación de FRP incluye el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM)13, el bobinado de filamentos (FW)14 y el moldeo preimpregnado, además de muchos otros procesos de fabricación avanzados 15,16,17,18. En comparación con otros procesos de preparación, el proceso de colocación manual húmeda / bolsa de vacío (WLVB) tiene varias ventajas, incluidos los requisitos simples del equipo y la tecnología de proceso sin complicaciones, y los productos no están limitados por el tamaño y la forma. Este proceso tiene un alto grado de libertad y se puede integrar con metal, madera, plástico o espuma.
El principio del proceso WLVB es aplicar una mayor presión de formación a través de bolsas de vacío para mejorar las propiedades mecánicas de los laminados preparados; La tecnología de producción de este proceso es fácil de dominar, lo que lo convierte en un proceso de preparación de materiales compuestos económico y sencillo. Este proceso es completamente manual y está muy influenciado por las habilidades del personal de preparación. Por lo tanto, los productos son propensos a defectos como vacíos y espesores desiguales, lo que conduce a cualidades y propiedades mecánicas inestables del laminado. Por lo tanto, es necesario describir el proceso WLVB en detalle, controlar con precisión los pasos y cuantificar la proporción de material, para obtener una alta estabilidad de las propiedades mecánicas de los laminados.
La mayoría de los investigadores han estudiado el comportamiento cuasiestático 19,20,21,22,23 y dinámico 24,25,26,27,28, así como la modificación de propiedades 29,30 de los materiales compuestos. La relación entre la fracción de volumen de la fibra y la matriz juega un papel crucial en las propiedades mecánicas del laminado de FRP. En un rango apropiado, una fracción de mayor volumen de fibra puede mejorar la resistencia y rigidez del laminado FRP. Andrew et al.31 investigaron el efecto de la fracción de volumen de fibra sobre las propiedades mecánicas de probetas preparadas mediante el proceso de fabricación aditiva de modelado por deposición fundida (FDM). Los resultados mostraron que cuando la fracción de volumen de fibra fue de 22.5%, la eficiencia de resistencia a la tracción alcanzó su máximo, y se observó una ligera mejora en la resistencia ya que la fracción de volumen de fibra alcanzó el 33%. Khalid et al.32 estudiaron las propiedades mecánicas de compuestos impresos en 3D reforzados con fibra de carbono continua (CF) con diversas fracciones de volumen de fibra, y los resultados mostraron que tanto la resistencia a la tracción como la rigidez mejoraron con el aumento del contenido de fibra. Uzay et al.33 investigaron los efectos de tres métodos de fabricación (laminado manual, moldeo por compresión y embolsado al vacío) sobre las propiedades mecánicas del polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Se midió la fracción de volumen de fibra y el vacío de los laminados, se realizaron pruebas de tracción y flexión. Los experimentos demostraron que cuanto mayor es la fracción de volumen de fibra, mejores son las propiedades mecánicas.
Los huecos son uno de los defectos más comunes en el laminado de FRP. Los huecos reducen las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, como la resistencia, la rigidez y la resistencia a la fatiga34. La concentración de tensiones generada alrededor de los huecos promueve la propagación de microfisuras y reduce la resistencia de la interfaz entre el refuerzo y la matriz. Los huecos internos también aceleran la absorción de humedad del laminado FRP, lo que resulta en el desprendimiento de la interfaz y la degradación del rendimiento. Por lo tanto, la existencia de vacíos internos afecta la confiabilidad del compuesto y restringe su amplia aplicación. Zhu et al.35 investigaron la influencia del contenido de vacíos en las propiedades estáticas de resistencia al cizallamiento interlaminar de los laminados compuestos de CFRP, y encontraron que un aumento del 1% en el contenido de vacíos que oscilaba entre el 0,4% y el 4,6% condujo a un deterioro del 2,4% en la resistencia al cizallamiento interlaminar. Scott et al.36 presentaron el efecto de los vacíos sobre el mecanismo de daño en laminados compuestos de CFRP bajo carga hidrostática utilizando tomografía computarizada (TC), y encontraron que el número de huecos es de 2,6 a 5 veces el número de grietas distribuidas aleatoriamente.
Los laminados de FRP confiables y de alta calidad se pueden fabricar utilizando un autoclave. Abraham et al.37 fabricaron laminados de baja porosidad y alto contenido de fibra colocando un conjunto WLVB en un autoclave con una presión de 1,2 MPa para su curado. Sin embargo, el autoclave es un equipo grande y costoso, lo que resulta en costos de fabricación considerables. Aunque el proceso de transferencia de resina asistida por vacío (VARTM) se ha utilizado durante mucho tiempo, tiene un límite en términos de costo de tiempo, un proceso de preparación más complicado y más consumibles desechables, como tubos de desvío y medios de desvío. En comparación con el proceso WL, el proceso WLVB compensa la presión de moldeo insuficiente a través de una bolsa de vacío de bajo costo, absorbiendo el exceso de resina del sistema para aumentar la fracción de volumen de fibra y reducir el contenido de poros internos, mejorando así en gran medida las propiedades mecánicas del laminado.
Este estudio explora las diferencias entre el proceso WL y el proceso WLVB, y detalla el meticuloso proceso del proceso WLVB. El contenido de volumen de fibra de los laminados se calculó por el método de la fórmula, y los resultados mostraron que el contenido de volumen de fibra de los laminados WL fue de 42,04%, mientras que el de los laminados WLVB fue de 57,82%, aumentando en un 15,78%. Las propiedades mecánicas de los laminados se caracterizaron mediante ensayos de tracción e impacto. Los resultados experimentales revelaron que con el proceso WLVB, la resistencia y el módulo de los laminados aumentaron en un 17,4% y 16,35%, respectivamente, y la energía específica absorbida se incrementó en un 19,48%.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artículo se centra en los dos procesos de fabricación diferentes para el método de laminado manual con bajo costo. Por lo tanto, se seleccionaron dos procesos de fabricación para describirlos cuidadosamente en este artículo, que son más simples, más fáciles de dominar, de menor costo de inversión y adecuados para la producción con modificación de materiales en laboratorios y fábricas a pequeña escala. Durante el curado de laminados, la alta presión de consolidación juega un papel importante en la fabr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer las subvenciones del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (No. 2022YFB3706503) y el Programa del Plan de Apoyo Estable del Fondo de Ciencias Naturales de Shenzhen (No. 20220815133826001).
Materials
| breather fabric | Easy composites | BR180 | |
| drop-weight impact testing machine | Instron | 9340 | |
| Epoxy matrix | Axson Technologies | 5015/5015 | |
| glass fiber | Weihai Guangwei Composites | W-9311 | |
| non-porous release film | Easy composites | R240 | |
| Peel ply | Sino Composite | CVP200 | |
| perforated released film | Easy composites | R120-P3 | |
| test machine | ZwickRoell | 250kN | |
| vacuum film | Easy composites | GVB200 |
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