다양한 제조 공정에서 얻은 유리 섬유 강화 고분자 복합 라미네이트의 기계적 특성 측정
Summary
이 논문은 습식 핸드 레이업/진공 백 방법을 사용하여 얻은 섬유 강화 폴리머 매트릭스 복합 라미네이트의 제조 공정을 설명합니다.
Abstract
전통적인 습식 핸드 레이업 공정(WL)은 섬유 복합 라미네이트 제조에 널리 적용되었습니다. 그러나 성형 압력이 부족하여 섬유의 질량 분율이 감소하고 내부에 많은 기포가 갇혀 품질이 낮은 라미네이트(강성 및 강도가 낮음)가 됩니다. 복합 라미네이트 제조를 위한 습식 핸드 레이업/진공 백(WLVB) 공정은 진공 백을 사용하여 기포를 제거하고 압력을 제공한 다음 가열 및 경화 공정을 수행하는 기존의 습식 핸드 레이업 공정을 기반으로 합니다.
기존의 핸드 레이업 공정과 비교하여 WLVB 공정으로 제조된 라미네이트는 더 나은 강도와 강성, 더 높은 섬유 부피 분율 및 더 낮은 공극 부피 분율을 포함하여 우수한 기계적 특성을 보여주며, 이는 모두 복합 라미네이트의 이점입니다. 이 프로세스는 완전히 수동이며 준비 담당자의 기술에 큰 영향을 받습니다. 따라서 제품은 공극 및 고르지 않은 두께와 같은 결함이 발생하기 쉽고, 라미네이트의 품질과 기계적 특성이 불안정합니다. 따라서 라미네이트의 기계적 특성을 보장하기 위해 WLVB 공정을 미세하게 설명하고, 단계를 미세하게 제어하고, 재료 비율을 정량화해야 합니다.
이 논문은 직조 일반 패턴 유리 섬유 강화 복합 라미네이트(GFRP)를 제조하기 위한 WLVB 공정의 세심한 공정에 대해 설명합니다. 라미네이트의 섬유 부피 함량은 공식 방법을 사용하여 계산되었으며, 계산 결과 WL 라미네이트의 섬유 부피 함량은 42.04%인 반면 WLVB 라미네이트의 섬유 부피 함량은 57.82%로 15.78% 증가한 것으로 나타났습니다. 라미네이트의 기계적 특성은 인장 및 충격 시험을 사용하여 특성화되었습니다. 실험 결과 WLVB 공정으로 라미네이트의 강도와 탄성률이 각각 17.4% 및 16.35% 향상되고 비흡수 에너지가 19.48% 증가한 것으로 나타났습니다.
Introduction
섬유 강화 고분자 복합재(FRP)는 섬유 보강재와 고분자 매트릭스 1,2,3을 혼합하여 제조된 고강도 재료의 일종입니다. 저밀도, 높은 비강성 및 강도, 피로 특성 및 우수한 내식성으로 인해 항공 우주 4,5,6, 건설 7,8, 자동차 9 및 해양 10,11 산업에서 널리 사용됩니다. 일반적인 합성 섬유에는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유가 포함됩니다12. 이 논문에서는 조사를 위해 유리 섬유를 선택했습니다. 기존 강철에 비해 유리 섬유 보강 복합 라미네이트(GFRP)는 밀도가 1/3 미만으로 가볍지만 강철보다 더 높은 비강도를 달성할 수 있습니다.
FRP의 제조 공정에는 진공 보조 수지 전사 성형(VARTM)13, 필라멘트 권선(FW)14 및 프리프레그 성형이 포함되며 다른 많은 고급 제조 공정(15,16,17,18)이 포함됩니다. 다른 준비 공정과 비교할 때 습식 핸드 레이업/진공 백(WLVB) 공정은 간단한 장비 요구 사항과 복잡하지 않은 공정 기술을 포함하여 몇 가지 장점이 있으며 제품은 크기와 모양에 제한을 받지 않습니다. 이 공정은 자유도가 높으며 금속, 목재, 플라스틱 또는 폼과 통합될 수 있습니다.
WLVB 공정의 원리는 진공 백을 통해 더 큰 성형 압력을 가하여 준비된 라미네이트의 기계적 특성을 향상시키는 것입니다. 이 공정의 생산 기술은 마스터하기 쉽기 때문에 경제적이고 간단한 복합 재료 준비 공정입니다. 이 프로세스는 완전히 수동이며 준비 담당자의 기술에 큰 영향을 받습니다. 따라서 제품은 공극 및 고르지 않은 두께와 같은 결함이 발생하기 쉽고, 라미네이트의 품질과 기계적 특성이 불안정합니다. 따라서 라미네이트의 기계적 특성의 높은 안정성을 얻기 위해 WLVB 공정을 자세히 설명하고, 단계를 미세하게 제어하고, 재료 비율을 정량화해야 합니다.
대부분의 연구자들은 준정적 19,20,21,22,23 및 동적 거동 24,25,26,27,28 및 복합 재료의 특성 수정 29,30을 연구했습니다. 섬유와 매트릭스의 부피 분율 비율은 FRP 라미네이트의 기계적 특성에 중요한 역할을 합니다. 적절한 범위에서 섬유의 부피 분율이 높을수록 FRP 라미네이트의 강도와 강성을 향상시킬 수 있습니다. Andrew et al.31은 FDM(Fused Deposition Modeling) 적층 제조 공정으로 준비된 시편의 기계적 특성에 대한 섬유 부피 분율의 영향을 조사했습니다. 그 결과 섬유 부피 분율이 22.5%일 때 인장강도 효율이 최대에 도달하고, 섬유 부피 분율이 33%에 도달함에 따라 강도가 약간 향상되는 것을 관찰하였다. Khalid et al.32는 다양한 섬유 부피 분율을 가진 연속 탄소 섬유(CF) 강화 3D 프린팅 복합재의 기계적 특성을 연구했으며, 그 결과 섬유 함량이 증가함에 따라 인장 강도와 강성이 모두 향상되었음을 보여주었습니다. Uzay et al.33은 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)의 기계적 특성에 대한 세 가지 제조 방법(핸드 레이업, 압축 성형 및 진공 백 포장)의 효과를 조사했습니다. 라미네이트의 섬유 부피 분율과 공극을 측정하고 인장 및 굽힘 테스트를 수행했습니다. 실험은 섬유 부피 분율이 높을수록 기계적 특성이 더 좋다는 것을 보여주었습니다.
공극은 FRP 라미네이트에서 가장 흔한 결함 중 하나입니다. 공극은 강도, 강성 및 피로 저항과 같은 복합 재료의 기계적 특성을 감소시킵니다34. 공극 주위에 생성된 응력 집중은 미세 균열의 전파를 촉진하고 보강재와 매트릭스 사이의 계면 강도를 감소시킵니다. 내부 보이드는 또한 FRP 라미네이트의 수분 흡수를 가속화하여 계면 분리 및 성능 저하를 초래합니다. 따라서 내부 공극의 존재는 복합재의 신뢰성에 영향을 미치고 광범위한 적용을 제한합니다. Zhu et al.35 는 CFRP 복합 라미네이트의 정적 층간 전단 강도 특성에 대한 공극 함량의 영향을 조사한 결과, 0.4%에서 4.6% 범위의 공극 함량이 1% 증가하면 층간 전단 강도가 2.4% 저하됨을 발견했습니다. Scott et al.36 은 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 사용하여 정수압 하중 하에서 CFRP 복합 라미네이트의 손상 메커니즘에 대한 공극의 효과를 제시했으며 공극 수가 무작위로 분포된 균열 수의 2.6-5배임을 발견했습니다.
고품질의 신뢰할 수 있는 FRP 라미네이트는 오토클레이브를 사용하여 제조할 수 있습니다. Abraham et al.37 은 경화를 위해 1.2MPa의 압력으로 오토클레이브에 WLVB 어셈블리를 배치하여 저다공성, 고섬유 함량 라미네이트를 제조했습니다. 그럼에도 불구하고 오토클레이브는 크고 값비싼 장비이므로 상당한 제조 비용이 발생합니다. 진공 보조 수지 이송 공정(VARTM)은 오랫동안 사용되어 왔지만 시간 비용, 더 복잡한 준비 공정, 전환 튜브 및 전환 매체와 같은 더 많은 일회용 소모품 측면에서 한계가 있습니다. WL 공정과 비교하여 WLVB 공정은 저비용 진공 백을 통해 불충분한 성형 압력을 보상하고 시스템에서 과도한 수지를 흡수하여 섬유 부피 분율을 높이고 내부 기공 함량을 줄여 라미네이트의 기계적 특성을 크게 향상시킵니다.
이 연구는 WL 프로세스와 WLVB 프로세스의 차이점을 탐구하고 WLVB 프로세스의 세심한 프로세스를 자세히 설명합니다. 라미네이트의 섬유 부피 함량은 공식 방법으로 계산되었으며, 그 결과 WL 라미네이트의 섬유 부피 함량은 42.04 %인 반면 WLVB 라미네이트의 섬유 부피 함량은 57.82 %로 15.78 % 증가한 것으로 나타났습니다. 라미네이트의 기계적 특성은 인장 및 충격 시험으로 특징 지어졌습니다. 실험 결과 WLVB 공정으로 라미네이트의 강도와 탄성률이 각각 17.4% 및 16.35% 향상되고 비흡수 에너지가 19.48% 증가한 것으로 나타났습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문은 저렴한 비용으로 핸드 레이업 방법을 위한 두 가지 다른 제조 공정에 중점을 둡니다. 따라서 이 논문에서 신중하게 설명하기 위해 두 가지 제조 공정을 선택했는데, 이는 더 간단하고 마스터하기 쉬우며 투자 비용이 저렴하고 실험실 및 소규모 공장에서 재료 수정을 통한 생산에 적합합니다. 라미네이트를 경화하는 동안 높은 통합 압력은 고품질의 라미네이트 제조에 중요한 역할을 합?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자들은 중국 국가 중점 연구 개발 프로그램(No. 2022YFB3706503)과 Shenzhen Natural Science Fund의 Stable Support Plan Program(No. 20220815133826001)의 보조금에 감사의 뜻을 전합니다.
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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