מדידת התכונות המכניות של למינטים פולימריים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית המתקבלים בתהליכי ייצור שונים
Summary
מאמר זה מתאר תהליך ייצור עבור ציפויים מרוכבים של מטריצת פולימר מחוזקת בסיבים המתקבלים בשיטת הנחת יד רטובה/שקית ואקום.
Abstract
תהליך הנחת היד הרטוב המסורתי (WL) יושם באופן נרחב בייצור למינטים מרוכבים של סיבים. עם זאת, בשל חוסר בלחץ היצירה, חלק המסה של סיבים מופחת והרבה בועות אוויר נלכדות בפנים, וכתוצאה מכך ציפויים באיכות נמוכה (קשיחות וחוזק נמוכים). תהליך הנחת יד רטובה / שקית ואקום (WLVB) לייצור למינטים מרוכבים מבוסס על תהליך הנחת היד הרטוב המסורתי, באמצעות שקית ואקום כדי להסיר בועות אוויר ולספק לחץ, ולאחר מכן ביצוע תהליך החימום והריפוי.
בהשוואה לתהליך הנחת היד המסורתי, ציפויים המיוצרים בתהליך WLVB מראים תכונות מכניות מעולות, כולל חוזק וקשיחות טובים יותר, מקטע נפח סיבים גבוה יותר ומקטע נפח חלל נמוך יותר, שכולם יתרונות עבור למינטים מרוכבים. תהליך זה הוא ידני לחלוטין, והוא מושפע מאוד מכישוריהם של אנשי ההכנה. לכן, המוצרים מועדים לפגמים כגון חללים ועובי לא אחיד, מה שמוביל לאיכויות לא יציבות ותכונות מכניות של הלמינציה. לפיכך, יש צורך לתאר בעדינות את תהליך WLVB, לשלוט בשלבים עדינים ולכמת יחסי חומרים, על מנת להבטיח את התכונות המכניות של למינטים.
מאמר זה מתאר את התהליך הקפדני של תהליך WLVB להכנת ציפויים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית ארוגים בדוגמה רגילה (GFRPs). תכולת נפח הסיבים של ציפויים חושבה בשיטת הנוסחה, והתוצאות המחושבות הראו כי תכולת נפח הסיבים של ציפויי WL הייתה 42.04%, בעוד זו של ציפויי WLVB הייתה 57.82%, עלייה של 15.78%. התכונות המכניות של הלמינטים אופיינו באמצעות בדיקות מתיחה והשפעה. תוצאות הניסוי הראו כי בתהליך WLVB, החוזק והמודולוס של הרבדים השתפרו ב -17.4% ו -16.35%, בהתאמה, והאנרגיה הנספגת הספציפית הוגדלה ב -19.48%.
Introduction
פולימר מרוכב מחוזק בסיבים (FRP) הוא סוג של חומר בעל חוזק גבוה המיוצר על ידי ערבוב חיזוק סיבים ומטריצות פולימר 1,2,3. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיות התעופה והחלל 4,5,6, בנייה 7,8, רכב 9 וים10,11 בשל צפיפותו הנמוכה, קשיחות וחוזק ספציפיים גבוהים, תכונות עייפות ועמידות בפני קורוזיה מעולה. סיבים סינתטיים נפוצים כוללים סיבי פחמן, סיבי זכוכית וסיבי ארמיד12. סיבי זכוכית נבחרו לחקירה במאמר זה. בהשוואה לפלדה מסורתית, ציפויים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית (GFRPs) קלים יותר, עם פחות משליש מהצפיפות, אך יכולים להשיג חוזק סגולי גבוה יותר מפלדה.
תהליך ההכנה של FRP כולל יציקת העברת שרף בסיוע ואקום (VARTM) 13, פיתול נימה (FW)14 ודפוס prepreg, בנוסף לתהליכי ייצור מתקדמים רבים אחרים 15,16,17,18. בהשוואה לתהליכי הכנה אחרים, לתהליך הנחת יד רטובה / שקית ואקום (WLVB) יש מספר יתרונות, כולל דרישות ציוד פשוטות וטכנולוגיית תהליך לא מסובכת, והמוצרים אינם מוגבלים בגודל ובצורה. תהליך זה יש רמה גבוהה של חופש והוא יכול להיות משולב עם מתכת, עץ, פלסטיק, או קצף.
העיקרון של תהליך WLVB הוא להחיל לחץ יוצר גדול יותר באמצעות שקיות ואקום כדי לשפר את התכונות המכניות של למינטים מוכנים; טכנולוגיית הייצור של תהליך זה קל לשלוט, מה שהופך אותו חסכוני ופשוט תהליך הכנת חומר מרוכב. תהליך זה הוא ידני לחלוטין, והוא מושפע מאוד על ידי מיומנויות של אנשי הכנה. לכן, המוצרים מועדים לפגמים כגון חללים ועובי לא אחיד, מה שמוביל לאיכויות לא יציבות ותכונות מכניות של הלמינציה. לפיכך, יש צורך לתאר את תהליך WLVB בפירוט, שלבי בקרה עדינים, ולכמת את פרופורציית החומר, על מנת להשיג יציבות גבוהה של תכונות מכניות של למינטים.
רוב החוקרים חקרו את ההתנהגות הכמו-סטטית 19,20,21,22,23 ואת ההתנהגות הדינמית 24,25,26,27,28, כמו גם את שינוי התכונות 29,30 של חומרים מרוכבים. יחס שבר הנפח של סיב למטריצה ממלא תפקיד מכריע בתכונות מכניות של למינציה FRP. בטווח מתאים, חלק נפח גבוה יותר של סיבים יכול לשפר את החוזק והנוקשות של למינציה FRP. אנדרו ועמיתיו 31 חקרו את ההשפעה של חלק נפח סיבים על התכונות המכניות של דגימות שהוכנו על ידי תהליך הייצור של תוספי תצהיר התכה (FDM). התוצאות הראו כי כאשר חלק נפח הסיבים היה 22.5%, יעילות חוזק המתיחה הגיעה למקסימום, ונצפה שיפור קל בחוזק כאשר חלק נפח הסיבים הגיע ל -33%. Khalid et al.32 חקרו את התכונות המכניות של חומרים מרוכבים מודפסים בתלת-ממד מחוזקים בסיבי פחמן רציפים (CF) עם שברים מגוונים בנפח הסיבים, והתוצאות הראו כי הן חוזק המתיחה והן הקשיחות השתפרו עם העלייה בתכולת הסיבים. Uzay et al.33 חקרו את ההשפעות של שלוש שיטות ייצור – הנחת יד, דפוס דחיסה ושקית ואקום – על התכונות המכניות של פולימר מחוזק בסיבי פחמן (CFRP). נמדדו חלק נפח הסיבים והריק של הלמינטים, נערכו בדיקות מתיחה וכיפוף. הניסויים הראו כי ככל שחלק נפח הסיבים גבוה יותר, כך התכונות המכניות טובות יותר.
חללים הם אחד הפגמים הנפוצים ביותר ברבד FRP. חללים מפחיתים את התכונות המכניות של חומרים מרוכבים, כגון חוזק, קשיחות ועמידות בפני עייפות34. ריכוז המתח שנוצר סביב החללים מקדם התפשטות של מיקרו-סדקים ומקטין את חוזק הממשק בין החיזוק למטריצה. חללים פנימיים גם מאיצים את ספיגת הלחות של למינציה FRP, וכתוצאה מכך ניתוק ממשק ופגיעה בביצועים. לכן, קיומם של חללים פנימיים משפיע על אמינות המרוכבים ומגביל את היישום הרחב שלהם. Zhu et al.35 חקרו את ההשפעה של תכולת חלל על תכונות חוזק הגזירה הבין-למינרית הסטטית של למינטים מרוכבים CFRP, ומצאו כי עלייה של 1% בתכולת הריק שנעה בין 0.4% ל-4.6% הובילה להידרדרות של 2.4% בחוזק הגזירה הבין-למינרית. Scott et al.36 הציגו את ההשפעה של חללים על מנגנון נזק בציפויים מרוכבים CFRP תחת עומס הידרוסטטי באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT), ומצאו כי מספר החללים הוא פי 2.6-5 ממספר הסדקים המפוזרים באופן אקראי.
ניתן לייצר ציפויי FRP איכותיים ואמינים באמצעות אוטוקלאב. אברהם ואחרים 37 ייצרו ציפויים בעלי נקבוביות נמוכה, תכולת סיבים גבוהה על ידי הצבת מכלול WLVB באוטוקלאבה בלחץ של 1.2 מגפ”ס לריפוי. עם זאת, autoclave הוא חתיכת ציוד גדול ויקר, וכתוצאה מכך עלויות ייצור ניכרות. למרות שתהליך העברת שרף בסיוע ואקום (VARTM) נמצא בשימוש מזה זמן רב, יש לו מגבלה מבחינת עלות הזמן, תהליך הכנה מסובך יותר, וחומרים מתכלים חד פעמיים יותר כגון צינורות הסחה ואמצעי הסחה. בהשוואה לתהליך WL, תהליך WLVB מפצה על לחץ יציקה לא מספיק דרך שקית ואקום בעלות נמוכה, סופג עודף שרף מהמערכת כדי להגדיל את חלק נפח הסיבים ולהפחית את תכולת הנקבוביות הפנימיות, ובכך לשפר מאוד את התכונות המכניות של הלמינציה.
מחקר זה בוחן את ההבדלים בין תהליך WL לתהליך WLVB, ומפרט את התהליך הקפדני של תהליך WLVB. תכולת נפח הסיבים של ציפויים חושבה בשיטת הנוסחה, והתוצאות הראו כי תכולת נפח הסיבים של ציפויי WL הייתה 42.04%, בעוד זו של ציפויי WLVB הייתה 57.82%, עלייה של 15.78%. התכונות המכניות של למינטים התאפיינו בבדיקות מתיחה והשפעה. תוצאות הניסוי הראו כי בתהליך WLVB, החוזק והמודולוס של הרבדים השתפרו ב -17.4% ו -16.35%, בהתאמה, והאנרגיה הנספגת הספציפית הוגדלה ב -19.48%.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתמקד בשני תהליכי הייצור השונים עבור שיטת הנחת היד בעלות נמוכה. לכן, נבחרו שני תהליכי ייצור שיתוארו בקפידה במאמר זה, שהם פשוטים יותר, קלים יותר לשליטה, נמוכים יותר בעלות ההשקעה, ומתאימים לייצור עם שינוי חומרים במעבדות ובמפעלים בקנה מידה קטן. במהלך הריפוי של למינטים, לחץ איחוד גבוה מ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות למענקים מתוכנית המחקר והפיתוח הלאומית של סין (מס ‘2022YFB3706503) ותוכנית תוכנית התמיכה היציבה של הקרן למדעי הטבע של שנזן (מס ‘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 |
Riferimenti
- Ramesh, M. Flax (Linum usitatissimum L.) fibre reinforced polymer composite materials: A review on preparation, properties and prospects. Progress in Materials Science. 102, 109-166 (2019).
- Singh, T. Optimum design based on fabricated natural fiber reinforced automotive brake friction composites using hybrid CRITIC-MEW approach. Journal of Materials Research and Technology. 14, 81-92 (2021).
- Li, Z. -. J., Dai, H. -. L., Liu, Z. -. G., Wang, Y. Micro-CT based parametric modeling and damage analysis of three-dimensional rotary-five-directional braided composites under tensile load. Composite Structures. 309, 116734 (2023).
- Rodríguez-García, V., de Villoria, R. G. Automated manufacturing of bio-inspired carbon-fibre reinforced polymers. Composites Part B: Engineering. 215, 108795 (2021).
- Atas, C., Akgun, Y., Dagdelen, O., Icten, B. M., Sarikanat, M. An experimental investigation on the low velocity impact response of composite plates repaired by VARIM and hand lay-up processes. Composite Structures. 93 (3), 1178-1186 (2011).
- Found, M. S., Friend, M. J. Evaluation of CFRP panels with scarf repair patches. Composite Structures. 32 (1-4), 115-122 (1995).
- Das, S. Urologic laparoscopy: The future is now. The Urologic Clinics of North America. 28 (1), 1-3 (2001).
- Zhang, J., Chaisombat, K., He, S., Wang, C. H. Hybrid composite laminates reinforced with glass/carbon woven fabrics for lightweight load bearing structures. Materials & Design (1980-2015). 36, 75-80 (2012).
- Caltagirone, P. E., et al. Substitution of virgin carbon fiber with low-cost recycled fiber in automotive grade injection molding polyamide 66 for equivalent composite mechanical performance with improved sustainability. Composites Part B: Engineering. 221, 109007 (2021).
- Kini, M. V., Pai, D. The ageing effect on static and dynamic mechanical properties of fibre reinforced polymer composites under marine environment- a review. Materials Today: Proceedings. 52, 689-696 (2022).
- Kolat, K., Neşer, G., Özes, &. #. 1. 9. 9. ;. The effect of sea water exposure on the interfacial fracture of some sandwich systems in marine use. Composite Structures. 78 (1), 11-17 (2007).
- Kretsis, G. A review of the tensile, compressive, flexural and shear properties of hybrid fibre-reinforced plastics. Composites. 18 (1), 13-23 (1987).
- Kim, J. -. H., Shin, P. -. S., Kwon, D. -. J., DeVries, K. L., Park, J. -. M. Evaluation of interfacial, dispersion, and thermal properties of carbon Fiber/ABC added epoxy composites manufactured by VARTM and RFI methods. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 151, 106660 (2021).
- Vargas-Rojas, E. Prescriptive comprehensive approach for the engineering of products made with composites centered on the manufacturing process and structured design methods: Review study performed on filament winding. Composites Part B: Engineering. 243, 110093 (2022).
- Pishvar, M., Amirkhosravri, M., Altan, M. C. Magnet assisted composite manufacturing: a flexible new technique for achieving high consolidation pressure in vacuum bag/lay-up processes. Journal of Visualized Experiments. (135), e57254 (2018).
- Lee, D., Lee, D. G., Lim, J. W. Experimental implementation of a new composite fabrication method: exposing bare fibers on the composite surface by the soft layer method. Journal of Visualized Experiments. (128), e55815 (2017).
- Frey, M., et al. Fabrication and design of wood-based high-performance composites. Journal of Visualized Experiments. (153), e60327 (2019).
- Li, P. C., Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V. Operation of the collaborative composite manufacturing (CCM) system. Journal of Visualized Experiments. (152), e59969 (2019).
- Taheri-Behrooz, F., Esmkhani, M., Yaghoobi-Chatroodi, A., Ghoreishi, S. M. Out-of-plane shear properties of glass/epoxy composites enhanced with carbon-nanofibers. Polymer Testing. 55, 278-286 (2016).
- Taheri-Behrooz, F., Bakhshan, H. Characteristic length determination of notched woven composites. Advanced Composite Materials. 27 (1), 67-83 (2018).
- Uzay, C., Cetin, A., Geren, N., Bayramoglu, M., Tutuncu, N. Predicting the tensile stiffness and strength properties of plain woven carbon fiber/epoxy laminates: a practical analytical approach and experimental validations. Mechanics of Advanced Materials and Structures. , (2020).
- Cetin, A., Uzay, C., Geren, N., Bayramoglu, M., Tutuncu, N. A practical approach to predict the flexural properties of woven plain carbon fiber/epoxy laminates. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 30 (9), 1801-1811 (2023).
- Villegas, I. F., Palardy, G. Ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for mechanical characterization of welded joints through single lap shear testing. Journal of Visualized Experiments. (108), e53592 (2016).
- Zhang, J., et al. Energy dissipation mechanism of fiber metal laminate under low-velocity impact. Thin-Walled Structures. 183, 110355 (2023).
- Fakhreddini-Najafabadi, S., Torabi, M., Taheri-Behrooz, F. An experimental investigation on the low-velocity impact performance of the CFRP filled with nanoclay. Aerospace Science and Technology. 116, 106858 (2021).
- Taheri-Behrooz, F., Shokrieh, M. M., Yahyapour, I. Effect of stacking sequence on failure mode of fiber metal laminates under low-velocity impact. Iranian Polymer Journal. 23 (2), 147-152 (2014).
- Zhang, X., et al. Rate dependent behaviors of nickel-based microcapsules. Applied Physics Letters. 112 (22), 221905 (2018).
- Li, X., Xu, R., Zhang, X., Zhang, H., Yang, J. Inner blast response of fiber reinforced aluminum tubes. International Journal of Impact Engineering. 172, 104416 (2023).
- Zhang, X., et al. Optimization of shear thickening fluid encapsulation technique and dynamic response of encapsulated capsules and polymeric composite. Composites Science and Technology. 170, 165-173 (2019).
- Wang, P. F., et al. Energy absorption mechanisms of modified double-aluminum layers under low-velocity impact. International Journal of Applied Mechanics. 7 (6), 1550086 (2015).
- Dickson, A. N., Barry, J. N., McDonnell, K. A., Dowling, D. P. Fabrication of continuous carbon, glass and Kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing. Additive Manufacturing. 16, 146-152 (2017).
- Saeed, K., et al. Characterization of continuous carbon fibre reinforced 3D printed polymer composites with varying fibre volume fractions. Composite Structures. 282, 115033 (2022).
- Uzay, &. #. 1. 9. 9. ;., Çetin, A., Geren, N. Physical and mechanical properties of laminar composites depending on the production methods: an experimental investigation. Sādhanā. 47 (4), 262 (2022).
- Mehdikhani, M., Gorbatikh, L., Verpoest, I., Lomov, S. V. Voids in fiber-reinforced polymer composites: A review on their formation, characteristics, and effects on mechanical performance. Journal of Composite Materials. 53 (12), 1579-1669 (2019).
- Zhu, H., Wu, B., Zhang, D., Li, D., Chen, Y. Effect of void on the interlaminar shear fatigue of carbon fiber/epoxy composite laminates. Acta Materiae Compositae Sinica. 27 (6), 32-37 (2010).
- Scott, A. E., Sinclair, I., Spearing, S. M., Mavrogordato, M. N., Hepples, W. Influence of voids on damage mechanisms in carbon/epoxy composites determined via high resolution computed tomography. Composites Science and Technology. 90, 147-153 (2014).
- Abraham, D., Matthews, S., McIlhagger, R. A comparison of physical properties of glass fibre epoxy composites produced by wet lay-up with autoclave consolidation and resin transfer moulding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 29 (7), 795-801 (1998).
- Li, M., et al. Evaluation of through-thickness permeability and the capillary effect in vacuum assisted liquid molding process. Composites Science and Technology. 72 (8), 873-878 (2012).
- Bortz, D. R., Merino, C., Martin-Gullon, I. Mechanical characterization of hierarchical carbon fiber/nanofiber composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 42 (11), 1584-1591 (2011).
- Taheri-Behrooz, F., Moghaddam, H. S. Nonlinear numerical analysis of the V-notched rail shear test specimen. Polymer Testing. 65, 44-53 (2018).
