Måling av de mekaniske egenskapene til glassfiberarmering polymerkomposittlaminater oppnådd ved forskjellige fabrikasjonsprosesser

Summary

Dette papiret beskriver en fabrikasjonsprosess for fiberforsterkede polymermatrikskomposittlaminater oppnådd ved bruk av våt håndopplegg / vakuumposemetode.

Abstract

Den tradisjonelle våthåndsoppleggsprosessen (WL) har blitt mye brukt i produksjonen av fiberkomposittlaminater. På grunn av mangel på formingstrykket reduseres massefraksjonen av fiber og mange luftbobler fanges inne, noe som resulterer i laminater av lav kvalitet (lav stivhet og styrke). WLVB-prosessen (wet hand lay-up/vacuum bag) for fremstilling av komposittlaminater er basert på den tradisjonelle våte håndleggingsprosessen, ved hjelp av en vakuumpose for å fjerne luftbobler og gi trykk, og deretter utføre oppvarmings- og herdeprosessen.

Sammenlignet med den tradisjonelle håndleggingsprosessen, viser laminater produsert av WLVB-prosessen overlegne mekaniske egenskaper, inkludert bedre styrke og stivhet, høyere fibervolumfraksjon og lavere tomromsvolumfraksjon, som alle er fordeler for komposittlaminater. Denne prosessen er helt manuell, og den er sterkt påvirket av ferdighetene til forberedelsespersonellet. Derfor er produktene utsatt for defekter som hulrom og ujevn tykkelse, noe som fører til ustabile egenskaper og mekaniske egenskaper av laminatet. Derfor er det nødvendig å finbeskrive WLVB-prosessen, finkontrolltrinn og kvantifisere materialforhold for å sikre de mekaniske egenskapene til laminater.

Dette papiret beskriver den omhyggelige prosessen med WLVB-prosessen for å forberede vevde vanlige mønstrede glassfiberarmeringskomposittlaminater (GFRP). Fibervoluminnholdet i laminater ble beregnet ved hjelp av formelmetoden, og de beregnede resultatene viste at fibervoluminnholdet i WL-laminater var 42,04%, mens det for WLVB-laminater var 57,82%, og økte med 15,78%. De mekaniske egenskapene til laminatene ble karakterisert ved hjelp av strekk- og slagtester. De eksperimentelle resultatene viste at med WLVB-prosessen ble laminatens styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den spesifikke absorberte energien ble økt med 19,48%.

Introduction

Fiberforsterket polymerkompositt (FRP) er en type høyfast materiale produsert ved å blande fiberarmering og polymermatriser ^1,2,3. Det er mye brukt i luftfartsindustrien ^4,5,6, konstruksjon^7,8, bilindustri 9 og marine^10,11 på grunn av lav tetthet, høy spesifikk stivhet og styrke^, utmattingsegenskaper og utmerket korrosjonsbestandighet. Vanlige syntetiske fibre inkluderer karbonfibre, glassfibre og aramidfibre¹². Glassfiber ble valgt for undersøkelse i denne artikkelen. Sammenlignet med tradisjonelt stål er glassfiberarmeringskomposittlaminater (GFRP) lettere, med mindre enn en tredjedel av tettheten, men kan oppnå en høyere spesifikk styrke enn stål.

Fremstillingsprosessen av FRP inkluderer vakuumassistert harpiksoverføringsstøping (VARTM)13, filamentvikling (FW)¹⁴ og prepregstøping, i tillegg til mange andre avanserte fabrikasjonsprosesser^15,16,17,18. Sammenlignet med andre prepareringsprosesser har våthåndsopplegg/vakuumposeprosessen (WLVB) flere fordeler, inkludert enkle utstyrskrav og ukomplisert prosessteknologi, og produktene er ikke begrenset av størrelse og form. Denne prosessen har en høy grad av frihet og kan integreres med metall, tre, plast eller skum.

Prinsippet for WLVB-prosessen er å påføre større formingstrykk gjennom vakuumposer for å forbedre de mekaniske egenskapene til de fremstilte laminatene; Produksjonsteknologien i denne prosessen er lett å mestre, noe som gjør den til en økonomisk og enkel komposittmaterialepreparasjonsprosess. Denne prosessen er helt manuell, og den er sterkt påvirket av ferdighetene til forberedelsespersonell. Derfor er produktene utsatt for defekter som hulrom og ujevn tykkelse, noe som fører til ustabile egenskaper og mekaniske egenskaper av laminatet. Derfor er det nødvendig å beskrive WLVB-prosessen i detalj, finkontrolltrinn og kvantifisere materialandel for å oppnå høy stabilitet av mekaniske egenskaper til laminater.

De fleste forskere har studert kvasi-statisk 19,20,21,22,23 og dynamisk oppførsel 24,25,26,27,28, samt egenskapsendringen ^29,30 av komposittmaterialer. Volumfraksjonsforholdet mellom fiber og matrise spiller en avgjørende rolle i mekaniske egenskaper til FRP-laminat. I et passende område kan en høyere volumfraksjon av fiber forbedre styrken og stivheten til FRP-laminat. Andrew et ^al.31 undersøkte effekten av fibervolumfraksjon på de mekaniske egenskapene til prøver fremstilt av FDM-additiv produksjonsprosess for smeltet avsetningsmodellering (FDM). Resultatene viste at når fibervolumfraksjonen var 22,5%, nådde strekkfasthetseffektiviteten sitt maksimum, og en liten forbedring i styrke ble observert da fibervolumfraksjonen nådde 33%. Khalid et ^al.32 studerte de mekaniske egenskapene til kontinuerlig karbonfiber (CF) -forsterkede 3D-printede kompositter med forskjellige fibervolumfraksjoner, og resultatene viste at både strekkfasthet og stivhet ble forbedret med økningen i fiberinnhold. Uzay et ^al.33 undersøkte effekten av tre fabrikasjonsmetoder – håndopplag, kompresjonsstøping og vakuumposering – på de mekaniske egenskapene til karbonfiberforsterket polymer (CFRP). Fibervolumfraksjonen og tømmingen av laminatene ble målt, strekk- og bøyetester ble utført. Forsøkene viste at jo høyere fibervolumfraksjonen er, desto bedre er de mekaniske egenskapene.

Tomrom er en av de vanligste feilene i FRP-laminat. Hulrom reduserer de mekaniske egenskapene til komposittmaterialer, som styrke, stivhet og utmattingsmotstand³⁴. Spenningskonsentrasjonen som genereres rundt hulrommene fremmer forplantningen av mikrosprekker og reduserer grensestyrken mellom forsterkning og matrise. Interne hulrom akselererer også fuktighetsabsorpsjonen av FRP-laminat, noe som resulterer i grensesnittavbinding og ytelsesforringelse. Derfor påvirker eksistensen av indre hulrom påliteligheten til kompositt og begrenser deres brede anvendelse. Zhu et ^al.35 undersøkte påvirkningen av voidinnhold på de statiske interlaminære skjærfasthetsegenskapene til CFRP-komposittlaminater, og fant at en 1% økning i tomrominnhold fra 0,4% til 4,6% førte til en 2,4% forverring i interlaminær skjærstyrke. Scott et ^al.36 presenterte effekten av hulrom på skademekanismen i CFRP-komposittlaminater under hydrostatisk belastning ved bruk av computertomografi (CT), og fant at antall hulrom er 2,6-5 ganger antall tilfeldig fordelte sprekker.

Høykvalitets og pålitelige FRP-laminater kan produseres ved hjelp av en autoklav. Abraham et ^al.37 produserte laminater med lav porøsitet og høyt fiberinnhold ved å plassere en WLVB-enhet i en autoklav med et trykk på 1,2 MPa for herding. Likevel er autoklaven et stort og dyrt utstyr, noe som resulterer i betydelige produksjonskostnader. Selv om den vakuumassisterte harpiksoverføringsprosessen (VARTM) har vært i bruk i lang tid, har den en grense når det gjelder tidskostnad, en mer komplisert forberedelsesprosess og mer engangsforbruksvarer som avledningsrør og avledningsmedier. Sammenlignet med WL-prosessen kompenserer WLVB-prosessen for utilstrekkelig støpetrykk gjennom en billig vakuumpose, og absorberer overflødig harpiks fra systemet for å øke fibervolumfraksjonen og redusere det indre poreinnholdet, og forbedrer dermed laminatets mekaniske egenskaper.

Denne studien utforsker forskjellene mellom WL-prosessen og WLVB-prosessen, og beskriver den grundige prosessen med WLVB-prosessen. Fibervoluminnholdet i laminater ble beregnet ved formelmetoden, og resultatene viste at fibervoluminnholdet i WL-laminater var 42,04%, mens det for WLVB-laminater var 57,82%, og økte med 15,78%. De mekaniske egenskapene til laminater ble preget av strekk- og slagtester. De eksperimentelle resultatene viste at med WLVB-prosessen ble laminatens styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den spesifikke absorberte energien ble økt med 19,48%.

Protocol

1. Materiell forberedelse Klipp åtte stykker 300 mm x 300 mm vevd glassfiberstoff med saks. Teip kuttet først for å forhindre at fiberfilamentene faller av.NOTAT: Bruk maske og hansker for å forhindre fingerstikk og innånding av filament når du skjærer stoffet. Ikke bare det vevde glassfiberstoffet, men ensrettet stoff og andre typer fiber, som karbonfiber og aramidfiber, er også tilgjengelige. Vei ut 260 g epoksyharpiks og 78 g herder i henhold til masseforholdet på 10: …

Representative Results

Tabell 1 viser fibervolumfraksjonen, gjennomsnittlig tykkelse og fabrikasjonsprosessen til prøvene. G8-WLVB og G8-WL representerer laminatene som består av 8-lags glassstoff produsert ved henholdsvis våt håndopplegg med og uten vakuumposeprosessen. Åpenbart, med vakuumposeassistansen, har laminater en økning på 15,78% i fibervolumfraksjon, samt en reduksjon på 16,27% i gjennomsnittlig tykkelse. Belastningsspenningskurver oppnådd ved strekkprøving av WLVB- og WL-prøv…

Discussion

Dette papiret fokuserer på de to forskjellige fabrikasjonsprosessene for håndleggingsmetoden med lave kostnader. Derfor ble to fabrikasjonsprosesser valgt for å bli nøye beskrevet i dette papiret, som er enklere, lettere å mestre, lavere i investeringskostnader og egnet for produksjon med materialmodifisering i laboratorier og småskala fabrikker. Under herding av laminater spiller høyt konsolideringstrykk en viktig rolle i produksjon av laminater med høy kvalitet. Vedtakelsen av den tradisjonelle WL-prosessen ute…

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