Mesure des propriétés mécaniques des stratifiés composites polymères de renfort en fibre de verre obtenus par différents procédés de fabrication

Summary

Cet article décrit un procédé de fabrication de stratifiés composites à matrice polymère renforcée de fibres obtenus à l’aide de la méthode de stratification à la main humide / sac sous vide.

Abstract

Le procédé traditionnel de stratification à la main humide (WL) a été largement appliqué dans la fabrication de stratifiés composites à fibres. Cependant, en raison de l’insuffisance de la pression de formage, la fraction massique de la fibre est réduite et de nombreuses bulles d’air sont piégées à l’intérieur, ce qui entraîne des stratifiés de mauvaise qualité (faible rigidité et résistance). Le procédé de stratification à la main humide/sac sous vide (WLVB) pour la fabrication de stratifiés composites est basé sur le processus traditionnel de stratification à la main humide, utilisant un sac sous vide pour éliminer les bulles d’air et fournir de la pression, puis effectuant le processus de chauffage et de durcissement.

Par rapport au processus traditionnel de stratification manuelle, les stratifiés fabriqués par le procédé WLVB présentent des propriétés mécaniques supérieures, notamment une meilleure résistance et rigidité, une fraction volumique de fibre plus élevée et une fraction volumique de vide plus faible, qui sont tous des avantages pour les stratifiés composites. Ce processus est entièrement manuel et il est grandement influencé par les compétences du personnel de préparation. Par conséquent, les produits sont sujets à des défauts tels que des vides et des épaisseurs inégales, ce qui entraîne des qualités et des propriétés mécaniques instables du stratifié. Par conséquent, il est nécessaire de décrire finement le processus WLVB, de contrôler finement les étapes et de quantifier les rapports de matériaux, afin de garantir les propriétés mécaniques des stratifiés.

Cet article décrit le processus méticuleux du procédé WLVB pour la préparation des stratifiés composites de renfort en fibre de verre (GFRP) tissés à motifs simples. La teneur en volume de fibres des stratifiés a été calculée à l’aide de la méthode de la formule, et les résultats calculés ont montré que la teneur en volume de fibres des stratifiés WL était de 42,04 %, tandis que celle des stratifiés WLVB était de 57,82 %, en augmentation de 15,78 %. Les propriétés mécaniques des stratifiés ont été caractérisées à l’aide d’essais de traction et d’impact. Les résultats expérimentaux ont révélé qu’avec le procédé WLVB, la résistance et le module des stratifiés ont été augmentés de 17,4 % et 16,35 %, respectivement, et l’énergie spécifique absorbée a été augmentée de 19,48 %.

Introduction

Le composite polymère renforcé de fibres (FRP) est un type de matériau à haute résistance fabriqué en mélangeant des renforts de fibres et des matrices polymères ^1,2,3. Il est largement utilisé dans les industries aérospatiales ^4,5,6, de la construction^7,8, de l’automobile 9 et de la marine^10,11 en raison de sa faible densité^, de sa rigidité et de sa résistance spécifiques élevées, de ses propriétés de fatigue et de son excellente résistance à la corrosion. Les fibres synthétiques courantes comprennent les fibres de carbone, les fibres de verre et les fibres d’aramide¹². La fibre de verre a été choisie pour l’étude dans cet article. Par rapport à l’acier traditionnel, les stratifiés composites de renfort en fibre de verre (GFRP) sont plus légers, avec moins d’un tiers de la densité, mais peuvent atteindre une résistance spécifique plus élevée que l’acier.

Le processus de préparation du FRP comprend le moulage par transfert de résine assisté par vide (VARTM)¹³, l’enroulement filamentaire (FW)14 et le moulage préimprégné, en plus de nombreux autres procédés de fabrication avancés^15,16,17,18. Par rapport à d’autres procédés de préparation, le procédé de laminage à la main/sac sous vide humide (WLVB) présente plusieurs avantages, notamment des exigences d’équipement simples et une technologie de processus simple, et les produits ne sont pas limités par la taille et la forme. Ce procédé a un haut degré de liberté et peut être intégré au métal, au bois, au plastique ou à la mousse.

Le principe du procédé WLVB est d’appliquer une plus grande pression de formage à travers des sacs sous vide pour améliorer les propriétés mécaniques des stratifiés préparés ; La technologie de production de ce procédé est facile à maîtriser, ce qui en fait un procédé de préparation de matériaux composites économique et simple. Ce processus est entièrement manuel et il est grandement influencé par les compétences du personnel de préparation. Par conséquent, les produits sont sujets à des défauts tels que des vides et des épaisseurs inégales, ce qui entraîne des qualités et des propriétés mécaniques instables du stratifié. Par conséquent, il est nécessaire de décrire en détail le processus WLVB, de contrôler finement les étapes et de quantifier la proportion du matériau, afin d’obtenir une grande stabilité des propriétés mécaniques des stratifiés.

La plupart des chercheurs ont étudié le comportement quasi-statique 19,20,21,22,23 et dynamique 24,25,26,27,28, ainsi que la modification des propriétés ^29,30 des matériaux composites. Le rapport de fraction volumique de la fibre à la matrice joue un rôle crucial dans les propriétés mécaniques du stratifié FRP. Dans une plage appropriée, une fraction volumique plus élevée de fibre peut améliorer la résistance et la rigidité du stratifié FRP. Andrew et ^al.31 ont étudié l’effet de la fraction volumique des fibres sur les propriétés mécaniques d’échantillons préparés par le procédé de fabrication additive par modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). Les résultats ont montré que lorsque la fraction volumique des fibres était de 22,5 %, l’efficacité de la résistance à la traction atteignait son maximum, et une légère amélioration de la résistance était observée lorsque la fraction volumique des fibres atteignait 33 %. Khalid et al.32 ont étudié les propriétés mécaniques de composites continus renforcés de fibres de carbone (CF) imprimés en ^3D avec diverses fractions volumiques de fibres, et les résultats ont montré que la résistance à la traction et la rigidité étaient améliorées avec l’augmentation de la teneur en fibres. Uzay et ^al.33 ont étudié les effets de trois méthodes de fabrication – la stratification manuelle, le moulage par compression et l’ensachage sous vide – sur les propriétés mécaniques du polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC). La fraction volumique des fibres et le vide des stratifiés ont été mesurés, des essais de traction et de flexion ont été effectués. Les expériences ont montré que plus la fraction volumique des fibres est élevée, meilleures sont les propriétés mécaniques.

Les vides sont l’un des défauts les plus courants du stratifié FRP. Les vides réduisent les propriétés mécaniques des matériaux composites, telles que la résistance, la rigidité et la résistance à la fatigue³⁴. La concentration des contraintes générées autour des vides favorise la propagation des micro-fissures et réduit la résistance d’interface entre l’armature et la matrice. Les vides internes accélèrent également l’absorption d’humidité du stratifié FRP, ce qui entraîne un décollement de l’interface et une dégradation des performances. Par conséquent, l’existence de vides internes affecte la fiabilité des composites et limite leur large application. Zhu et ^al.35 ont étudié l’influence de la teneur en vide sur les propriétés de résistance au cisaillement interlaminaire statique des stratifiés composites CFRP et ont constaté qu’une augmentation de 1 % de la teneur en vide allant de 0,4 % à 4,6 % entraînait une détérioration de 2,4 % de la résistance au cisaillement interlaminaire. Scott et ^al.36 ont présenté l’effet des vides sur le mécanisme d’endommagement dans les stratifiés composites CFRP soumis à une charge hydrostatique à l’aide de la tomodensitométrie (TDM) et ont constaté que le nombre de vides est de 2,6 à 5 fois supérieur au nombre de fissures réparties aléatoirement.

Des stratifiés FRP de haute qualité et fiables peuvent être fabriqués à l’aide d’un autoclave. Abraham et ^al.37 ont fabriqué des stratifiés à faible porosité et à haute teneur en fibres en plaçant un assemblage WLVB dans un autoclave avec une pression de 1,2 MPa pour le durcissement. Néanmoins, l’autoclave est un équipement volumineux et coûteux, ce qui entraîne des coûts de fabrication considérables. Bien que le procédé de transfert de résine assisté par le vide (VARTM) soit utilisé depuis longtemps, il a une limite en termes de coût en temps, un processus de préparation plus compliqué et plus de consommables jetables tels que les tubes de dérivation et les milieux de dérivation. Par rapport au procédé WL, le procédé WLVB compense une pression de moulage insuffisante grâce à un sac sous vide à faible coût, absorbant l’excès de résine du système pour augmenter la fraction volumique des fibres et réduire la teneur en pores internes, améliorant ainsi considérablement les propriétés mécaniques du stratifié.

Cette étude explore les différences entre le processus WL et le processus WLVB, et détaille le processus méticuleux du processus WLVB. La teneur en volume de fibres des stratifiés a été calculée par la méthode de la formule, et les résultats ont montré que la teneur en volume de fibres des stratifiés WL était de 42,04 %, tandis que celle des stratifiés WLVB était de 57,82 %, en hausse de 15,78 %. Les propriétés mécaniques des stratifiés ont été caractérisées par des essais de traction et d’impact. Les résultats expérimentaux ont révélé qu’avec le procédé WLVB, la résistance et le module des stratifiés ont été augmentés de 17,4 % et 16,35 %, respectivement, et l’énergie spécifique absorbée a été augmentée de 19,48 %.

Protocol

1. Préparation du matériel Coupez huit morceaux de tissu en fibre de verre tissé de 300 mm x 300 mm avec des ciseaux. Collez d’abord la coupe avec du ruban adhésif pour éviter que les filaments de fibres ne tombent.REMARQUE : Portez un masque et des gants pour éviter les piqûres de doigts et l’inhalation de filaments lors de la coupe du tissu. Non seulement le tissu en fibre de verre tissé, mais le tissu unidirectionnel et d’autres types de fibres, tels que la fibre de carbon…

Representative Results

Le tableau 1 indique la fraction volumique des fibres, l’épaisseur moyenne et le processus de fabrication des échantillons. Le G8-WLVB et le G8-WL représentent les stratifiés constitués d’un tissu de verre à 8 plis fabriqué par laminage humide à la main avec et sans le processus de sac sous vide, respectivement. Évidemment, avec l’aide du sac sous vide, les stratifiés ont une augmentation de 15,78 % de la fraction volumique des fibres, ainsi qu’une réduction de 16,27 % de l’épaisseu…

Discussion

Cet article se concentre sur les deux procédés de fabrication différents pour la méthode de stratification à la main à faible coût. Par conséquent, deux procédés de fabrication ont été sélectionnés pour être soigneusement décrits dans cet article, qui sont plus simples, plus faciles à maîtriser, moins coûteux en investissement et adaptés à la production avec modification des matériaux dans les laboratoires et les usines à petite échelle. Lors de la polymérisation des stratifiés, une pression de …

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