En ny teknik til at anvende konsolidering pres på vakuum pose oplægning til at fremstille sammensatte laminater er beskrevet. Målet med denne protokol er at udvikle en enkel, omkostningseffektiv teknik for at forbedre kvaliteten af laminater fremstillet af våde oplægning vakuum pose metode.
Dette arbejde viser en protokol for at forbedre kvaliteten af sammensatte laminater fremstillet af våde oplægning vakuum pose processer ved hjælp af den nyligt udviklede magnet assisteret sammensat fremstilling (MACM) teknik. I denne teknik, er permanente magneter udnyttet til at anvende en tilstrækkelig høj konsolidering pres hærdning på stadiet. At øge intensiteten af det magnetiske felt, og dermed, for at øge den magnetiske jordpakning pres, magneterne er placeret på en magnetisk topplade. Først, i hele proceduren for udarbejdelsen af den sammensatte oplægning på en magnetisk bund stål plade ved hjælp af konventionelle våde oplægning vakuum pose proces er beskrevet. For det andet, placeringen af et sæt af neodym-jern-bor permanente magneter, arrangeret i vekslende polaritet på den vakuum pose er illustreret. Næste, de eksperimentelle procedurer til at måle magnetiske jordpakning tryk og volumen fraktioner af de sammensatte vælgere er præsenteret. Endelig, metoder, der anvendes til at karakterisere mikrostruktur og mekaniske egenskaber af sammensatte laminater er drøftet i detaljer. Resultaterne bevise effektiviteten af metoden MACM i at forbedre kvaliteten af våde oplægning vakuum pose laminater. Denne metode kræver ikke store kapitalinvesteringer værktøj eller udstyr, og kan også bruges til at konsolidere geometrisk komplekse sammensatte dele ved at placere magneterne på en matchende top mug anbragt på det vakuum pose.
Fiber-forstærkede polymere kompositter har været meget anvendt i automotive1,2, aerospace3,4, marine5,6og opbygning7,8 industrier på grund af deres unikke egenskaber såsom høj specifik styrke og modulus, gunstige træthed adfærd og korrosionsbestandighed. I øjeblikket, høj kvalitet komposit laminater er overvejende opdigtet benytter lag pre imprægnerede stof (prepreg) helbredt i en autoklave under forhøjet temperatur og høj konsolidering Tryk på 0,27-0,69 MPa (40-100 psi)9. Noget lavere kvalitet komposit laminater er produceret af den våde oplægning proces, hvor en højere konsolidering tryk ikke anvendes. Denne proces er arbejdskrævende, kræver ikke dyrt udstyr og udføres ved at placere et lag af tør stof på en støbeform og efterfølgende anvendelse af harpiks. I de fleste programmer, der en håndholdt rulle bruges til at tvinge harpiksen til fiber forstærkning og presse ud af overskydende resin. Denne sekvens gentages, indtil den ønskede tykkelse er opnået. Kvaliteten af laminater fremstillet af våde oplægning kan forbedres væsentligt ved at anvende en kombination af vakuum (kaldet våde oplægning vakuum pose proces) og en yderligere konsolidering tryk i en autoklave under kur. Høj konsolidering pressionsmiddel under kur letter harpiks flow, fører til en stigning i volumenfraktion fiber og en fjernelse af hulrum10,11 , som resulterer i en forbedring af mekaniske egenskaber. Abraham et al. 12 viste, at høj kvalitet Lærredsvævet E-glas sammensatte laminater med en fiberrig volumenfraktion på ca 64% og lav dødvolumen brøkdel af 1,6% kan være opdigtet benytter våde oplægning vakuum pose, når en konsolidering pres på 1,2 MPa er anvendt i en autoklave.
Hulrum er en af de mest almindelige fejl, der er dannet under fremstilling af sammensatte laminater. Hulrum lige fra nogle få mikrometer til flere hundrede mikron er dannet primært på grund af fanget luft under oplægning, opløst fugt i harpiks, og udvist flygtige stoffer under kuren13,14,15. Dynamics af imprægnering af fibrøst forstærkning fandt også, for at have en betydelig effekt på ugyldige entrapment16,17. Det er almindeligt accepteret, at tilstedeværelsen af hulrum i en sammensat laminat kan føre til en væsentlig reduktion af styrken13,18,19, modulus20,21, fraktur sejhed22, og træthed liv23,24 af laminater. Eksempelvis Judd og Wright25 findes der hver 1% stigning i ugyldige indhold (op til 4%), resulterer i et cirka 7% fald i korte beam shear egenskaber. Endvidere findes Ghiorse26 , i carbon/epoxy kompositter, for hver 1% stigning i ugyldige indhold, en 10% reduktion i interlaminar shear og bøjningsstyrke og en 5% reduktion i bøjnings modulus kan ses. Derudover har brud negative virkninger på knæk indledning samt formering og fugt absorption27,28. Det er velkendt at vandoptagelse for laminater med højere ugyldige indhold er større, og den absorberes fugt kan medføre forringelse af fiber-matrix grænseflade og ringere langsigtede mekaniske egenskaber29, 30,31,32. Således, for at sikre sammenhæng i de mekaniske egenskaber og opnå den højeste kvalitet af sammensatte produkter, bør den ugyldige indhold minimeres.
Selv om hærdning en sammensat laminat i en autoklave producerer pålidelige, høj kvalitet dele, ville produkt omkostningerne være høj på grund af indledende kapitalinvesteringer og overdreven energiforbrug. Ud over autoklave er kur, en bred vifte af teknikker såsom vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) og Quickstep proces blevet udviklet og anvendt til at fremstille sammensatte laminater ud af autoklave32,33, 34 , 35 , 36. imidlertid på grund af fravær af et ensartet, højt tryk laminater fremstillet af disse metoder ofte har lavere mekaniske egenskaber i forhold til dem, der foretages i autoklaver37. For nylig, en ny teknik omtales som magnet assisteret sammensat fremstilling (MACM) er blevet udnyttet til at forbedre kvaliteten af våde oplægning vakuum pose sammensatte laminater ved at anvende en konsolidering pres genereret af et sæt af høj effekt permanent magneter38,39. Anvendelsen af denne teknik blev derefter udvidet til at producere høj kvalitet, strukturelle sammensatte laminater ud af autoklave ved hjælp af høj temperatur permanente magneter40.
I dette papir præsenteres en protokol til fremstilling af våde oplægning vakuum pose sammensatte laminater bruger MACM teknik. I MACM, er neodym-jern-bor permanente magneter udnyttet til at anvende en tilstrækkelig høj konsolidering pres under kur, og således forbedre kvaliteten af laminater. Først, forberedelse af 6-ply, Lærredsvævet E-glas/epoxy sammensatte oplægning på en bundplade stål er beskrevet. Derefter, arrangement af permanente magneter i vekslende polaritet på en øverste stålplade er vist, sammen med sin placering på den vakuum pose til at anvende en konsolidering pres på den sammensatte oplægning. Endelig, vi redegøre for fremgangsmåden for måling af magnetiske jordpakning pres, samt de metoder, der anvendes til karakterisering af tomrum og fiber volumenbrøkerne, mikrostruktur og mekaniske egenskaber af sammensatte laminater. MACM processens effektivitet er undersøgt ved opdigte våde oplægning vakuum pose laminater fremstillet under magnetiske pres og sammenligne deres egenskaber dem fremstillet af konventionelle våde oplægning vakuum pose uden magneter. De opnåede resultater bevise metoden MACM evne til at forbedre den samlede laminat kvalitet. Denne metode er en low-cost og simple måde at fremstille høj kvalitet laminater og kan anvendes til at fremstille store og geometrisk komplekse sammensatte komponenter med relativ lethed.
Anvendelse af en høj konsolidering pres under helbredelse af en sammensat laminat er særlig vigtig ved fremstilling af en høj kvalitet komposit del47. Hvis det eksterne pres ikke anvendes og laminat er helbredt kun under vakuum, indeholder den sidste del generelt høje ugyldige indhold, eventuelt overstiger 5% af volumen, og uønskede harpiks rige regioner48. Høj ugyldige indhold, lavt fiber volumenfraktion og harpiks rige områder er faktorer, der negativt påvirker de mekaniske egenskaber af sammensatte laminater. I dette arbejde er en forsøgsplan for høj konsolidering pressionsmiddel under helbredelse af en laminat i våde oplægning vakuum pose proces beskrevet29. I denne teknik, først, er den sammensatte oplægning forberedt på en magnetisk bundplade værktøj ifølge den konventionelle våde oplægning vakuum pose proces. Derefter et sæt permanente magneter, knyttet til en magnetisk øverste stålplade, er placeret på det vakuum pose. I denne undersøgelse anvendes magneter samtidig øge oplægning temperatur 60 ° c, hvor harpiks viskositeten falder betydeligt. Anvende pres på et andet tidspunkt, som gellation punktet, kan udbyttet laminater med forskellige egenskaber13,40,49. Anvendte magnetiske tryk afhænger af på kløften mellem magneter og magnetiske bundplade. Dermed, vi præsenterer en procedure for at måle magnetiske pres genereret af en magnet som funktion af afstanden (dvs. oplægning tykkelse).
For at bestemme effektiviteten af MACM, våd er oplægning vakuum pose laminater med forskellige materielle bestanddele fremstillet ved hjælp af seks scenarier med og uden magnetisk jordpakning pres. Derefter, vi viser de detaljerede trin til karakterisering af tomrum og fiber volumenbrøkerne, mikrostruktur og bøjnings egenskaber af sammensatte laminater. At evaluere volumenbrøkerne af sammensatte bestanddele, harpiks-brænde ud og suspension metoder er udnyttet42. Præsenteres resultaterne viser at bruge magnetisk jordpakning pres betydeligt øger volumenfraktion fiber og reducerer den ugyldige indhold af delene. Derudover mikrostrukturanalyse analyse af komposit, scanning elektronmikroskopi (SEM) imaging bruges, og giver indsigt i det placering og geometriske egenskaber i hulrum15. Figur 3 viser for eksempel, at brugen af magnetiske pres under kur er også gavnligt at mindske både størrelsen og antallet af brud, og dermed nedsætter sandsynligheden for tidlig svigt20,24. Derfor, disse faktorer i høj grad forbedre laminater bøjnings egenskaber. Dog, effektiviteten af MACM er forskellige afhængigt af typen af sammensatte bestanddele (fiber og harpiks).
Selv om fabrikation af laminater med denne metode er simpel, skal pleje tages under arrangement og placering af permanente magneter, som skaber de et meget højt tryk (dvs. et maksimalt pres på 0,64 MPa). Begrænsning af denne metode er at værktøj bundplade skal være magnetisk, såsom en 400-serien rustfrit stål, og det skal være fast mod bevægelse inden anbringelsen af magneter, fordi kraften, magnetisk tiltrækning kan flytte og flytte pladen opad. Derudover afhænger de anvendte tryk af magneter tykkelsen af laminatet. For eksempel, NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 permanente magneter er ikke i stand til at generere en høj konsolidering pres (> 0,1 MPa) når den sammensatte oplægning tykkelse overstiger 6,5 mm. I dette tilfælde skal stærkere magneter udnyttes til at opnå høj konsolidering niveauer.
Metoden præsenteres er nem at bruge og har fordelen frem for autoklaver i, at det ikke kræver dyrt udstyr og værktøj. Selv om ikke belyst her, er denne metode generelt gælder ikke kun for våd oplægning vakuum pose men også til andre fremstillingsprocesser for kompositter, såsom ud af autoklave hærdning af pre-pregs og vacuum assisted resin transfer molding (VARTM). Desuden kan store sammensatte komponenter fremstilles med relativ lethed ved at skubbe magneter langs den vakuum pose, hvis en passende smøremiddel bruges mellem magneterne og vakuum pose. Hertil kommer, at bedste af vores viden, er dette den eneste metode, som tillader anvendelsen af lokale såvel som ikke-ensartet pres på den sammensatte oplægning. En fremtidig retning af denne metode er at fremstille geometrisk komplekse sammensatte dele, men i stedet for at placere magneterne på en flad plade, kan de anbringes på en matchede, øvre skimmel.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takke AME Machine Shop på University of Oklahoma for at gøre formen og fabrikation set-up og medlemmer af den sammensatte fremstillings Research Laboratory, Drs. Yousef K. Hamidi, M. Akif Yalcinkaya og Jacob Anderson for nyttigt diskussioner.
Plain weave glass fiber | Hexcel | HexForce 3733 | The type of fibers can be substituted with any type of fabrics |
Randomly oriented chopped strand glass fiber | Fiberglast | 248 | |
TenCate EX-1522/IM7 | Tencate | it is a plain weave carbon/epoxy prepreg | |
PRO-SET INF-114 Infusion Epoxy | Composite Envisions | 1758 | The type of resin can be substituted with any type of resin suitable for wet lay-up vacuum bag process |
PRO-SET INF-211 Medium Infusion Hardener | Composite Envisions | 1760 | |
EPON 862 | Hexion Inc. | ||
EPIKURE Curing Agent 3300 | Hexion Inc. | ||
NdFeB, N52-2.54 × 2.54 × 1.27 cm3 | K&J Magnetics, Inc. | BX0X08-N52 | Magnets can be substitued with any type depending on the required pressure and application |
OLFA rotary cutter | Fibre Glast | 1706-A | |
Tacky tape | De-Comp Composites | D413Y | |
Polyester tape | De-Comp Composites | D574A | |
Squeegees | Fibre Glast | 62-A | Any type of squeegees can be used |
Roller | De-Comp Composites | D205 | Any type of rollers can be used |
PTFE-Coated fiberglass fabric sheets | McMaster-Carr Supply Company | 8577K81 | |
PTFE release agent dry lubricant | Miller-Stephenson | MS122AD | |
Perforated release film | Fibre Glast | 1787-C | |
Breather cloth | De-Comp Composites | ||
Vacuum bag film | Rock West Composite | WRIGHTLON 7400 | |
Aluminum twist lock vacuum valve | De-Comp Composites | D401 | |
Vacuum pump | Best Value Vacs | BVVRS1 | |
Flexible silicone-rubber heat sheets, adhesive backing | McMaster-Carr Supply Company | 35765K429 | |
400-series steel plate, 6.35 mm-thick | The lay-up is prepared on this plate | ||
steel plate, 4.76 mm-thick | The magnets are attached to this plate | ||
Aluminum sheet, 0.3-mm thick | |||
Lab stirrer mixer | Caframo | ||
Laboratory weigh scale | |||
AccuPyc II 1340 automatic gas pycnometer | Micromeritics Instrument Corporation | 134/00000/00 | |
Specific gravity cup, 83.2 mL | Gardco | EW-38000-12 | |
Acrylic cold mounting resin | Struers | LevoCit | |
Grinder/polisher | Struers | LaboSystem | |
Porcelain crucibles, 30 mL | United Scientific Supplies | JCT030 | |
Plastic Cups, 12 Oz, clear | It is used as epoxy mixing cups |