Magnet bistået Composite produktion: En fleksibel ny teknik til at opnå høj konsolidering trykket i vakuum pose/Lay-oppe processer

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Fiber-forstærkede polymere kompositter har været meget anvendt i automotive^1,2, aerospace^3,4, marine^5,6og opbygning^7,8 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 hulrum^10,11 , 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 kuren^13,14,15. Dynamics af imprægnering af fibrøst forstærkning fandt også, for at have en betydelig effekt på ugyldige entrapment^16,17. Det er almindeligt accepteret, at tilstedeværelsen af hulrum i en sammensat laminat kan føre til en væsentlig reduktion af styrken^13,18,19, modulus^20,21, fraktur sejhed²², og træthed liv^23,24 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 absorption^27,28. 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 egenskaber^{29, 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 autoklave^{32,33, 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 magneter^38,39. 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.

Protocol

Forsigtig: Kontakt venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før brug. Bruge personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel, fuld længde bukser og lukket tå sko). 1. materialer Klip 6 lag af 20,3 cm х 15,2 cm, Lærredsvævet glasvæv med en roterende stof cutter.Bemærk: Lærredsvævet stof kan erstattes af andre stof-typer, herunder ikke-vævede, tilfældige måtter. Carbon fibre kan også bruges i denne metode. Forberede resin system af første vejer epoxyharpiks, INF (40 g), på en tareret balance, og derefter tilføje hærder, INF (10.96 g), ved hjælp af en vægt forholdet mellem 100 til 27.4. Stir resin/hærder-blandingen (på 37 rad s-1) indtil fuldt spredning er nået (for 5 min).Bemærk: (1) typen af harpiks kan erstattes med enhver type af harpiks egnet til våde oplægning vakuum pose processer. (2) Udvalget af epoxy harpiks til hærder forholdet er afhængig af kombinationen af resin og hærder. (3) Udvalget af vægten af resin/hærder-blandingen afhænger af den ønskede fiber volumenfraktion færdige del og den forventede affald beløb som mængden af harpiks blødning ud, resterende harpiks på børsten, osv. I betragtning af vægten af 6-lag af stof til at være omkring 34 g, harpiks til fiber forholdet mellem 60-40, af vægt, blev valgt. Degas harpiks (ca. 15 min.) i harpiks fælden at fjerne alle de fanget luft dannet under blanding af epoxyresin og hærder. 2. sammensat fremstilling ved hjælp af magnetiske pres i en våd oplægning vakuum pose proces Bemærk: Figur 1 viser et forenklet skematisk af forberedelse af sammensatte oplægning og magnetiske pressionsmiddel, som er beskrevet i afsnit 2.1-2.15. Forberede alt det materiale, der kræves for forsøget: Placer femogtyve N52 neodym-jern-bor (NdFeB) permanente magneter (2,54 cm længde, 2,54 cm bredde og 1,27 cm tykkelse), magnetisk gennem deres tykkelse, på en 4.76 mm tyk stål topplade. Arrangere magneter i 5 × 5 kvadrat konfiguration i vekslende polaritet. Skal udvises forsigtighed under arrangement og placering af permanente magneter, som der er en risiko for skade. Placer en 0.3 mm tyk aluminium netmave plade (20,3 х 15,2 cm2) overfladebelagt med PTFE frigivelse agent præcis i midten af en perforeret release film (26.7 х 21,6 cm2). Bruge 12,7-mm bred polyester tape til tape omkredsen af netmave plade til filmens udgivelse. Sted en 12,7-mm bred klistret tape rundt i periferien af en 43,2 × 27,9 cm2 område på overfladen af en 6.35 mm tyk, 61.0 × 61.0 cm2, stål værktøj bundplade. Forud for æglæggende stoffet, skal du anvende en frakke af harpiks på værktøj plade, dækket af et lag af nonporous PTFE-belagt glasfiber release film (76 µm-tyk). Anvende lige nok harpiks for at mætte det første lag af stof. Placere det første lag af stof, og derefter, med en rulle, tryk og presse ud af overskydende resin. Fuldt mætte fiber bed ved at hælde en lille mængde ekstra harpiks oven på stoffet og derefter spredes jævnt over hele området med skrabere. Gentag trin 2.4 og 2.5 for alle lag (6-ply i dette tilfælde). Sikre, at alle lag er fuldt mættet med harpiks, og omtrent den samme mængde af resin (~8.5 g) anvendes for hvert lags. Placer netmave plade, knyttet til perforeret release film oven på fiber præforme, efterfulgt af et lag af 0,5-tommer bred polyester tape rundt om filmens udgivelse. Indsæt to stykker af pause/bleeder klud på fiber præforme og placere det nederste stykke af twist lock vakuum ventil oven på den pause klud. Sikre, at ventilen er placeret langt nok fra de mættede præforme at beskytte ventilen fra kontakt med den overskydende resin. Fjern papiret opbakning af den tacky tape og Placer vakuum pose på værktøj pladen mens trykke den fast mod tape til at forsegle den. Tilslut den ene side af de vakuumslangen til det øverste stykke af vakuum ventil og anden siden at trykregulator, tilsluttet vakuumpumpe. Sætte en lille slids i den taske, hvor det nederste stykke af ventilen er, indsætte det øverste stykke af vakuum ventilen i hullet, og derefter forsigtigt vride det lukker så posen nedenunder ikke rynke. Start vakuumpumpen, indtil en konstant vakuum pres på 93 kPa (13,5 psi) er nået for at fjerne eventuelle flygtige stoffer genereret under kur og overskydende resin. Sikre, at det vakuum system lækage gratis. Klemme værktøj bundplade til en base støtte fire kanter. Værktøj bundplade skal rettet mod bevægelse inden anbringelsen af magneter, fordi kraften, magnetisk tiltrækning kan flytte og flytte pladen opad. Tillad laminat at helbrede for 45 min ved stuetemperatur, derefter placere sæt af magneter (udarbejdet i afsnit 2.1.1) på den vakuum pose, efterfulgt af stigende værktøj plade til 60 ° C på en rampe på ~ 5 ° C/min. temperatur.Bemærk: (1) kur cyklussen er afhængig af harpiks, der er valgt. (2) silikone gummi varme plader placeres under værktøj plade til opvarmning. Efter hærdning i 8 timer ved 60 ° C, fjerne den vakuum pose og demold det sammensatte laminat.Bemærk: For at vurdere forbedring i kvaliteten af laminater som følge af magnetisk pressionsmiddel, vi opdigtet en række laminater ved hjælp af en konventionel våde oplægning vakuum pose proces uden at anvende nogen ydre pres. Kvaliteten af disse laminater blev sammenlignet med dem, der foretages magnetiske pres. For at fremstille laminater ved hjælp af konventionelle våde oplægning vakuum pose, trin 2.1.2 til 2.15 blev fulgt, bortset fra placeringen af magneter. For at vurdere repeterbarhed af hver fabrikationsproces, blev en anden laminat fabrikeret identiske betingelser. 3. måling af magnetiske jordpakning Fastgør den øverste plade til slutningen af vejecelle på en mekanisk test instrument. Sted en N52 neodym-jern-bor permanent magnet på bevægelige bundplade, som er placeret i tilstrækkelig afstand (mindst 25 mm) fra toppen fast plade ved prøvens begyndelse.Bemærk: For måling af magnetiske kraft, både øverst og nederst plader skal være lavet af magnetiske materialer såsom stål. Flytte bundplade opad med en lav hastighed på 1-2 mm/min mod topplade og optage den genererede magnetisk kraft mens måling den tilsvarende forskydning fra den lineær variabel differential transformer (LVDT) på en samplingfrekvens på 6 Hz.Bemærk: (1) hastigheden af denne test er kritisk, fordi den kraft, der er genereret af magneter afhænger eksponentielt luftspalten i mellem. (2) alle magnetiske målinger udføres ved stuetemperatur. Fortsætte med at overvåge den magnetiske jordpakning kraft, indtil oversiden af magneten rører den øverste plade. Beregne den magnetiske jordpakning pres ved at dividere den magnetiske kraft ved tværsnitsareal af magneten. 4. harpiks brænde-off og Thermogravimetric analyse (TGA) Harpiks brænde-off Skære tre prøver fra hvert laminat for en harpiks brænde-off test efter ASTM D2584-11 specifikationer41. Sted hver prøve i en separat porcelæn digel og Bemærk vægte af prøver samt digler. Placer digler indeholdende prøver i en ovn, tænd ovnen, hæve temperaturen i ovnen til 600 ° C og Ionbytteren henstår til burn-off i ca 4 timer. Slukke for ovnen, omhyggeligt åben ovn døren, og lad det køle til stuetemperatur før du fjerner digler. Efter cool-down, fjerne digler fra ovnen og vejer den gendannede glas fibre.Bemærk: Fibrene kan tabe sig under brænde-off harpiks. Vægttab af fibre når de udsættes for høje temperaturer kan fastsættes af thermogravimetric analyse (TGA). Thermogravimetric analyse (TGA) Måle vægttab af fiber som funktion af stigende temperatur i luft ved atmosfærisk tryk ved hjælp af TGA. Sted ca 30 mg af fiber i et platinum gryde og indlæse den i TGA enhed. Rampe temperatur fra 25 ° C til 600 ° C med en hastighed på 15 ° C/min., holde temperaturen for 4 h, og beregne den procentvise reduktion i vægt. Vægt tab procent af fibrene er tegnede sig for under fiber volumenfraktion og dødvolumen brøkdel beregninger.Bemærk: Ifølge TGA testresultater på 600 ° C, vægttab for Lærredsvævet og tilfældige mat præforme anvendes i denne undersøgelse er 0,2% og 5,46%, henholdsvis. 5. tomrum og Fiber volumen fraktion beregning Bestem tætheden af sammensatte modellen, matrix og fiber: Brug suspension metode42 for at bestemme tæthed af bulk sammensatte modellen.Bemærk: For denne metode, en gennemsigtig tung væske med en massefylde på 2,49 g/cm3 anvendes således at den sammensatte prøve i første omgang svæver når nedsænket i den tunge væske. Nedsætte tætheden af den tunge væske ved tilsætning af 3 mL vand og blande løsning af magnetomrører på 105 rad s-1 i 5 min. Gentag dette trin, indtil den sammensatte prøve begynder at langsomt suspendere tung væske/vand-blanding. Når løsningen tæthed er blevet justeret, således at modellen forbliver suspenderet i den tunge væske og vand blanding, måle løsning tætheden ved hjælp af en vægtfylde cup. Forberede tomrum-fri harpiks prøver ved hjælp af den samme kur cyklus i trin 2.14 og 2.15 og derefter bestemme tæthed af hærdede resin enheder ved hjælp af den samme procedure som 5.1.1.1 og 5.1.1.2.Bemærk: Tætheden af helbredt INF og EPON eksemplarer er henholdsvis 1.152 ± 0,003 g/cm3 og 1.171 ± 0,003 g/cm3. Bruge en nitrogen pyknometer43 med en 10 cm3 kop til at få tætheden af fiber.Bemærk: Tætheden af Lærredsvævet og tilfældige mat tekstiler er 2.600 ± 0,003 g/cm3 og 2.470 ± 0.004 g/cm3, henholdsvis. Beregn vægt brøkdel af fiber og harpiks efter ASTM D2584-1141. Beregne den tomrum og fiber volumenfraktion efter ASTM D3171-15 procedurer44(1)(2)(3)hvor er volumenfraktion harpiks er volumenfraktion fiber er dødvolumen brøkdel, er massefylden af komposit, er massefylden af harpiks, er massefylden af fiber, er den vægt, og er fiber vægt.Bemærk: Usikkerhed for dødvolumen indhold er beregnet til ±0.21. Dette niveau af nøjagtighed er tilstrækkelig for de sammensatte laminater, selv når laminatet har en lav-void indhold på mindre end 1%. 6. scanning elektronmikroskopi (SEM) Imaging Klip to 25,4 mm × 6,4 mm prøver fra hver laminat og integrere dem i en hurtig-kur akryl for SEM billeddannelse.Bemærk: Modellerne er integreret således at side overflade (gennem tykkelse overflade) af laminat langs 25,4 mm stikprøve er udsat for billeddannelse. Bruge en polermaskine for at polere overfladen af integrerede sammensatte prøver med grus størrelser spænder fra 30 til 0,04 µm. Sputter frakke ca 5 nm af guld/palladium på rede modellen til at give et ledende lag. Montere modellen på en prøveholderen og sætte det ind i kammeret af SEM. Indstille SEM imaging parametre såsom acceleration spænding til 20 kV og arbejder afstanden til 25.5 mm. Tage flere billeder af laminat på 35 X eller højere forstørrelse på forskellige steder.Bemærk: Den valgte forstørrelse tillader vurdering af hulrum over et stort tværsnits areal samt en visuel sammenligning af laminat tykkelse. Præcise målinger af laminat tykkelse kan gøres ved hjælp af disse billeder. 7. karakterisering af bøjnings egenskaber Snit et sæt af syv 12,7 mm bredt prøver fra hver sammensat laminat for tre-punkts bøjning bøjnings test efter ASTM D790-1546 ved hjælp af en diamant-grus sav. Mål bredde og tykkelse af hver prøve med en skydelære. Bruge en span til tykkelse ratio af 24:1 og justere støtte span af tre-punkts bøjning test armaturet. Placer modellen på tre-punkts bøjning bøjnings test armaturet samles på den mekaniske test instrument. Udføre bøjnings testen crosshead hastighed på 2 mm/min. og optage funktionen load-afbøjning af modellen. Gentag trinene ovenfor for alle enheder at bekræfte og sikre repeterbarhed af resultaterne. Når eksperimentet er færdig, beregne bøjningsstyrke samt bøjnings modulus prøver39,40.

Representative Results

For at undersøge effekten af MACM på kvaliteten af laminater, ansås forskellige scenarier, der bruger forskellige stof typer og resin systemer. Tabel 1 rapporter om fremstillingsprocessen og sammensatte bestanddele af 6-ply, E-glas/epoxy sammensatte laminater fremstillet i seks forskellige fabrikation scenarier. I baseline scenarier (W-PW-INF, W-RM-INF, og W-RM-EPON), laminater er fremstillet af våde oplægning vakuum pose uden pres udefra. De andre tre scenarier (WM-PW-INF, WM-RM-INF og WM-RM-EPON) bruges til at fabrikere våde oplægning vakuum pose laminater magnetiske jordpakning pres. Kvaliteten af disse laminater er derefter sammenlignet med dem fra de oprindelige scenarier. I de første og anden scenarier, W-PW-INF og WM-PW-INF, er Lærredsvævet E-glas/INF laminater fremstillet. I de tredje og fjerde scenarier, W-RM-INF og WM-RM-INF, Lærredsvævet stof erstattes med tilfældig mat og bruges det samme harpiks system (dvs. INF). I de femte og sjette scenarier, W-RM-EPON og WM-RM-EPON, stoffet er tilfældige mat E-glas, mens den harpiks er erstattet med EPON, som har en moderat højere viskositet af 766.9 mPa s sammenlignet med 296 mPa s for INF harpiks. En mere detaljeret analyse af de sidste fire scenarier kan findes i Pishvar et al. 2017 og Amirkhosravi et al. 201738,39. Figur 2a præsenterer den magnetiske pres genereret af NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 magnet som funktion af afstanden mellem magnet og stålplade. Denne afstand ville svare til oplægning tykkelse under fremstilling af sammensatte laminatet, og dermed kan bruges til at bestemme variation af jordpakning pression af magneter. Indsatser i figur 2a viser et fotografi af den eksperimentelle set-up bruges til at måle variation af magnetiske trykket som funktion af afstanden. Som forklaret i punkt 3 i protokollen, består set-up af to parallelle stålplader (12,5 cm × 12,5 cm × 1,8 cm). Den øverste plade er sluttet til en 4.45 kN (1000 lb)-vejecelle. Bundplade er samlet på tværs-hovedet af en mekanisk test instrument. Ved hjælp af dette set-up, måles attraktion kraften af permanent magnet placeret på bundpladen som funktion af afstanden (dvs. afstanden mellem magnet og den øverste stålplade). Den stiplede linje i figur 2a repræsenterer den målte magnetiske tryk (kraft over område af magnet) af den mekaniske test instrument, og den faste linje repræsenterer trykket bestemmes ud fra de data, som leverandøren af magneter. Der er generelt god overensstemmelse mellem det målte tryk og de værdier, der er fremstillet af det tekniske datablad leveres af leverandøren. Det ses, at stigningen i magnetiske pres eksponentielt afhænger mindskelse af kløften. Derfor, som laminatet konsoliderer under hærdning bliver tykkelsen af oplægning aftager gradvist, og derfor pres fra magneten øger. Figur 2b viser samme eksperimentelle data præsenteret i figur 2a , men for gap (dvs. oplægning tykkelse) række 1-4,5 mm. Derudover de indledende og afsluttende magnetiske pres anvendt under helbredelse af laminater bestående af forskellige stof typer (dvs., Lærredsvævet og tilfældige mat) og resin systemer (dvs. INF og EPON) vises i figur 2b. Oplægning tykkelsen af Lærredsvævet/INF laminater (WM-PW-INF) under konsolideringen falder fra 1,5 mm 1,4 mm resin udstrømning og kur. I overensstemmelse hermed, magnetiske trykket lidt stiger fra 0,38 0.39 MPA. Oplægning tykkelsen af tilfældige mat/INF laminater (WM-RM-INF) ændringer fra 2,8 mm 1,7 mm, og som et resultat, magnetiske trykket betydeligt stiger fra 0,27 0,36 MPA. Oplægning tykkelsen af laminater lavet med tilfældige mat/EPON (WM-RM-EPON) falder fra 3,7 mm til 2,5 mm, og dermed, det genererede tryk stiger moderat fra 0,22 0,29 MPA. Tabel 2 præsenterer den gennemsnitlige tykkelse, fiber volumenfraktion og dødvolumen brøkdel af laminater fremstillet med og uden magnetisk konsolidering pres. Som vist i tabel 2, reducerer udnytte magnetisk jordpakning pres betydeligt den gennemsnitlige tykkelse af laminater af 12-47%. Som forventet, er reduktion i laminat tykkelse stærkt korreleret med stigningen i fiber volumenfraktion paa laminater, hvor fiber volumenfraktion paa laminater betydeligt forbedrer ved 13-98% på grund af magnetiske pres. Blandt alle scenarier, virkningen af magnetisk pressionsmiddel på tilfældige mat/INF laminater er mere udtalt (dvs., 98% stigning i fiber volumenfraktion) på grund af to faktorer: (1) en betydeligt lavere indledende fiber volumenfraktion paa ophyppes tilfældige mat laminater i forhold til Lærredsvævet laminater, og (2) brugen af harpiks med en lav viskositet af 296 mPa s, hvorved lettere fjernelse af overskydende resin. Det er også bemærkelsesværdigt at anvende magnetiske pres har en yderligere fordel i faldende dødvolumen brøkdel af laminater fra 3,4-5,8% til 1.5-2,7%. Således, den magnetiske pres drev ikke alene den overskydende resin, men også hulrum ud af laminatet. Figur 3 viser SEM billederne af E-glas/epoxy laminater fremstillet under 6 forskellige scenarier på 35 X forstørrelse. For nem visuel sammenligning, billeder af laminater uden en ydre pres er vist til venstre og laminater fremstillet under magnetiske jordpakning er præsenteret på højre. Fra disse billeder er det klart, at udnytte magnetisk jordpakning pres resulterer i langt bedre konsolidering mellem lag og, derfor, fører til en betydelig reduktion i harpiks-rige områder. Som et resultat, laminat tykkelse er bemærkelsesværdigt reduceret og fiber volumenfraktion er steget, navnlig i laminater fremstillet af tilfældige mat stof og INF harpiks (WM-RM-INF). Disse billeder viser også, at morfologi af brud er ganske anderledes i laminater lavet med og uden pres udefra. Magnetiske pressionsmiddel reducerer antallet af brud og gør brud mindre, fører til en lavere dødvolumen fraktion i laminater. Endelig, komprimering brud, der er placeret mellem lag fører til mere aflange huller. Tabel 3 viser bøjningsstyrke og modulus af alle laminater og den procentvise stigning i bøjnings egenskaber ved laminater fremstillet under magnetiske konsolidering pres. Resultaterne viser tydeligt, at bøjningsstyrke og modulus af laminater er væsentligt forbedret ved at udnytte den magnetiske pres. En stigning på 98% i fiber volumenfraktion af tilfældige mat/INF laminater (WM-RM-INF), mens der et ugyldig minimumsindhold af 1.46%, forårsager en 62% og 67% stigning i bøjningsstyrke og modulus af laminater, hhv. Som forventet, de Lærredsvævet/INF laminater (WM-PW-INF) som først udstillede den laveste forbedring af 13% i fiber volumenfraktion, viste den laveste stigning, 7% og 22%, i bøjningsstyrke og modulus, henholdsvis. Derfor beviser ekstraudstyr i bøjnings egenskaber af en lang række sammensatte laminater fremstillet under magnetiske konsolidering pres MACM evne til at forbedre den samlede laminat kvalitet. Fabrikationscenario Stof type Resin system Fremstillingsprocessen W-PW-INF Lærredsvævet E-glas INF Konventionelle våde oplægning vakuum pose uden brug af eksterne pres WM-PW-INF Lærredsvævet E-glas INF Våd oplægning vakuum pose med ved hjælp af magnetiske konsolidering pres W-RM-INF Tilfældige mat E-glas INF Konventionelle våde oplægning vakuum pose uden brug af eksterne pres WM-RM-INF Tilfældige mat E-glas INF Våd oplægning vakuum pose med ved hjælp af magnetiske konsolidering pres W-RM-EPON Tilfældige mat E-glas EPON Konventionelle våde oplægning vakuum pose uden brug af eksterne pres WM-RM-EPON Tilfældige mat E-glas EPON Våd oplægning vakuum pose med ved hjælp af magnetiske konsolidering pres Tabel 1: Oplysninger om bestanddele og seks fabrikation scenarier anvendes til fremstilling af 6-ply sammensatte laminater. Fabrikation scenario Gennemsnitlige tykkelse (mm) Fiber volumenfraktion (%) Stigning i fiber volumenfraktion (%) Ugyldig volumenfraktion (%) Reduktion i void volumenfraktion (%) W-PW-INF 0,98 ± 0,01 45.65 ± 0,82 ― 3.44 ± 0,46 ― WM-PW-INF 0,86 ± 0,01 51.63 ± 0.87 13 1,74 ± 0,39 49 W-RM-INF29 2.28 ± 0,04 24.84 ± 1.14 ― 5.09 ± 0,69 ― WM-RM-INF29 1.21 ± 0,01 49.10 ± 0.87 98 1,46 ± 0,24 71 W-RM-EPON30 3,18 ± 0,01 17.34 ± 0,84 ― 5.81 ± 1,24 ― WM-RM-EPON30 1,99 ± 0,03 26.88 ± 1.99 55 2,71 ± 0,36 53 Tabel 2: gennemsnitlige tykkelse, fiber volumenfraktion og dødvolumen brøkdel af 6-ply laminater fremstillet i seks forskellige scenarier. Den procentvise stigning i fiber volumen brøk og procent reduktion i void volumenfraktion på grund af magnetiske jordpakning (n = 6 for fiber volumenfraktion og ugyldige volumenfraktion og n = 35 for gennemsnitlige laminat tykkelse; 95% konfidensintervaller for alle data) er også i betragtning. Fabrikation scenario Bøjningsstyrke (MPa) Stigning i bøjningsstyrke (%) Bøjnings modulus (GPa) Stigning i bøjnings modulus (%) W-PW-INF 638.9 ± 27,0 ― 24.1 ± 0,5 ― WM-PW-INF 681.1 ± 35.5 7 29,5 ± 0,9 22 W-RM-INF29 218.9 ± 11,4 ― 8.4 ± 0,3 ― WM-RM-INF29 354.6 ±15.5 62 14,0 ± 0,8 67 W-RM-EPON30 158.1 ± 8,9 ― 6,8 ± 0,1 ― WM-RM-EPON30 253.5 ± 20.1 60 9.9 ± 0,6 46 Tabel 3: Bøjningsstyrke og modulus af de sammensatte laminater og procentvise stigning i bøjnings egenskaber på grund af magnetiske jordpakning (n = 7 til laminater EPON og n = 14 for resten; 95% konfidensintervaller for alle data). Figur 1: en forenklet skematisk fremstilling af sammensatte oplægning og anvendelsen af magnetiske pres, som beskrevet i afsnittet protokol. Til dette formål, femogtyve NdFeB, er N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 permanente magneter udnyttet til at anvende konsolidering pres på den sammensatte oplægning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Figur 2: (a) Variation af magnetiske pres genereret af NdFeB, N52-2,54 × 2,54 × 1,27 cm3 magnet som funktion af afstanden (dvs. oplægning tykkelse). Indsatsen viser et fotografi af den eksperimentelle set-up bruges til at måle den magnetiske pres. (b) den indledende og afsluttende magnetiske pres under hærdning af Lærredsvævet/INF (WM-PW-INF), tilfældige mat/INF(WM-RM-INF) og tilfældige mat/EPON (WM-RM-EPON) laminater. Venligst klik her for at se en større version af dette tal. Figur 3: SEM billeder af 6-ply E-glas/epoxy sammensatte laminater fremstillet ved hjælp af en våd oplægning vakuum pose proces med og uden brug af magnetiske pres. (a) W-PW-INF (Lærredsvævet/INF laminat, uden pres udefra), (b) WM-PW-INF (Lærredsvævet/INF laminat, med magnetisk pres), (c) W-RM-INF (tilfældig mat/INF laminat, uden pres udefra), () (d) WM-RM-INF tilfældige mat/INF laminat, med magnetisk pres), (e) W-RM-EPON (tilfældig mat/EPON laminat, uden pres udefra), og (f) WM-RM-EPON (tilfældig mat/EPON laminat, med magnetisk pres). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

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 egenskaber^13,40,49. 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 svigt^20,24. 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.

Materials

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