Farklı İmalat İşlemleri ile Elde Edilen Cam Elyaf Takviyeli Polimer Kompozit Laminatların Mekanik Özelliklerinin Ölçülmesi
Summary
Bu makale, ıslak el yatırma/vakum torbası yöntemi kullanılarak elde edilen elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit laminatlar için bir üretim sürecini açıklamaktadır.
Abstract
Geleneksel ıslak el yatırma işlemi (WL), fiber kompozit laminatların imalatında yaygın olarak uygulanmaktadır. Bununla birlikte, şekillendirme basıncındaki yetersizlik nedeniyle, elyafın kütle oranı azalır ve içeride çok sayıda hava kabarcığı hapsolur, bu da düşük kaliteli laminatlara (düşük sertlik ve mukavemet) neden olur. Kompozit laminatların imalatı için ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, hava kabarcıklarını gidermek ve basınç sağlamak için bir vakum torbası kullanan ve ardından ısıtma ve kürleme işlemini gerçekleştiren geleneksel ıslak el yatırma işlemine dayanır.
Geleneksel el yatırma işlemiyle karşılaştırıldığında, WLVB işlemiyle üretilen laminatlar, kompozit laminatlar için tüm faydalar olan daha iyi mukavemet ve sertlik, daha yüksek elyaf hacmi fraksiyonu ve daha düşük boşluk hacmi fraksiyonu dahil olmak üzere üstün mekanik özellikler gösterir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerini sağlamak için WLVB sürecini hassas bir şekilde tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranlarını ölçmek gerekir.
Bu makale, dokuma düz desenli cam elyaf takviyeli kompozit laminatların (GFRP’ler) hazırlanması için WLVB sürecinin titiz sürecini açıklamaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi kullanılarak hesaplanmış ve hesaplanan sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri kullanılarak karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.
Introduction
Elyaf takviyeli polimer kompozit (FRP), elyaf takviyesi ve polimer matrislerin 1,2,3 karıştırılmasıyla üretilen yüksek mukavemetli bir malzeme türüdür. Düşük yoğunluğu, yüksek özgül sertliği ve mukavemeti, yorulma özellikleri ve mükemmel korozyon direnci nedeniyle havacılık 4,5,6, inşaat7,8, otomotiv 9 ve denizcilik 10,11 endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın sentetik lifler arasında karbon lifleri, cam lifleri ve aramid lifleri bulunur12. Bu çalışmada araştırma için cam elyaf seçilmiştir. Geleneksel çelikle karşılaştırıldığında, cam elyaf takviyeli kompozit laminatlar (GFRP’ler) daha hafiftir, yoğunluğun üçte birinden daha azdır, ancak çelikten daha yüksek bir özgül mukavemet elde edebilir.
FRP’nin hazırlama süreci, diğer birçok gelişmiş imalat işlemine 15,16,17,18 ek olarak vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM)13, filament sarma (FW)14 ve prepreg kalıplamayı içerir. Diğer hazırlama işlemleriyle karşılaştırıldığında, ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, basit ekipman gereksinimleri ve karmaşık olmayan işlem teknolojisi dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir ve ürünler boyut ve şekil ile sınırlı değildir. Bu işlem yüksek derecede serbestliğe sahiptir ve metal, ahşap, plastik veya köpük ile entegre edilebilir.
WLVB işleminin prensibi, hazırlanan laminatların mekanik özelliklerini geliştirmek için vakum torbaları aracılığıyla daha fazla şekillendirme basıncı uygulamaktır; Bu işlemin üretim teknolojisinde ustalaşmak kolaydır, bu da onu ekonomik ve basit bir kompozit malzeme hazırlama işlemi haline getirir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerinde yüksek bir stabilite elde etmek için WLVB sürecini ayrıntılı olarak tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranını ölçmek gerekir.
Çoğu araştırmacı, kompozit malzemelerin yarı statik 19,20,21,22,23 ve dinamik davranışı24,25,26,27,28’in yanı sıra özellik modifikasyonu 29,30’u incelemiştir. Elyafın matrise hacim fraksiyon oranı, FRP laminatın mekanik özelliklerinde çok önemli bir rol oynar. Uygun bir aralıkta, daha yüksek hacimli bir lif fraksiyonu, FRP laminatın mukavemetini ve sertliğini artırabilir. Andrew ve ark.31, lif hacmi fraksiyonunun, kaynaşmış biriktirme modellemesi (FDM) eklemeli üretim süreci ile hazırlanan numunelerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı. Sonuçlar, lif hacmi fraksiyonu %22,5 olduğunda, çekme mukavemeti verimliliğinin maksimuma ulaştığını ve lif hacmi fraksiyonu %33’e ulaştığında mukavemette hafif bir iyileşme gözlendiğini gösterdi. Khalid ve ark.32, çeşitli lif hacmi fraksiyonlarına sahip sürekli karbon lif (CF) takviyeli 3D baskılı kompozitlerin mekanik özelliklerini inceledi ve sonuçlar, lif içeriğindeki artışla hem çekme mukavemetinin hem de sertliğin iyileştiğini gösterdi. Uzay ve ark.33, üç üretim yönteminin (elle yatırma, sıkıştırma kalıplama ve vakumlu torbalama) karbon fiber takviyeli polimerin (CFRP) mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini araştırdı. Laminatların lif hacim fraksiyonu ve boşluğu ölçüldü, çekme ve eğilme testleri yapıldı. Deneyler, lif hacmi fraksiyonu ne kadar yüksek olursa, mekanik özelliklerin o kadar iyi olduğunu gösterdi.
Boşluklar, FRP laminattaki en yaygın kusurlardan biridir. Boşluklar, kompozit malzemelerin mukavemet, sertlik ve yorulma direnci gibi mekanik özelliklerini azaltır34. Boşlukların etrafında oluşan stres konsantrasyonu, mikro çatlakların yayılmasını teşvik eder ve donatı ile matris arasındaki arayüz mukavemetini azaltır. İç boşluklar ayrıca FRP laminatın nem emilimini hızlandırarak arayüzün ayrılması ve performans düşüşüne neden olur. Bu nedenle, iç boşlukların varlığı kompozitin güvenilirliğini etkiler ve geniş uygulamalarını kısıtlar. Zhu ve ark.35 , boşluk içeriğinin CFRP kompozit laminatların statik katmanlar arası kesme mukavemeti özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı ve boşluk içeriğinde %0,4 ila %4,6 arasında değişen %1’lik bir artışın, katmanlar arası kesme mukavemetinde %2,4’lük bir bozulmaya yol açtığını buldu. Scott ve ark.36 bilgisayarlı tomografi (BT) kullanarak hidrostatik yükleme altında CFRP kompozit laminatlarda boşlukların hasar mekanizması üzerindeki etkisini sunmuşlar ve boşluk sayısının rastgele dağılmış çatlak sayısının 2.6-5 katı olduğunu bulmuşlardır.
Yüksek kaliteli ve güvenilir FRP laminatlar bir otoklav kullanılarak üretilebilir. Abraham ve ark.37 , kürleme için 1.2 MPa basınçla bir otoklava bir WLVB düzeneği yerleştirerek düşük gözeneklilik, yüksek lif içerikli laminatlar üretti. Bununla birlikte, otoklav büyük ve pahalı bir ekipman parçasıdır ve bu da önemli üretim maliyetlerine neden olur. Vakum destekli reçine transfer işlemi (VARTM) uzun süredir kullanımda olmasına rağmen, zaman maliyeti, daha karmaşık bir hazırlama süreci ve saptırma tüpleri ve saptırma ortamı gibi daha tek kullanımlık sarf malzemeleri açısından bir sınırı vardır. WL işlemi ile karşılaştırıldığında, WLVB işlemi, düşük maliyetli bir vakum torbası aracılığıyla yetersiz kalıplama basıncını telafi eder, elyaf hacmi fraksiyonunu artırmak ve iç gözenek içeriğini azaltmak için sistemden fazla reçineyi emer, böylece laminatın mekanik özelliklerini büyük ölçüde iyileştirir.
Bu çalışma, BE süreci ile WLVB süreci arasındaki farkları araştırmakta ve WLVB sürecinin titiz sürecini detaylandırmaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi ile hesaplanmış ve sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri ile karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makale, düşük maliyetli el yatırma yöntemi için iki farklı üretim sürecine odaklanmaktadır. Bu nedenle, bu yazıda dikkatlice anlatılmak üzere daha basit, ustalaşması daha kolay, yatırım maliyeti daha düşük, laboratuvarlarda ve küçük ölçekli fabrikalarda malzeme modifikasyonu ile üretime uygun iki fabrikasyon süreci seçilmiştir. Laminatların kürlenmesi sırasında, yüksek konsolidasyon basıncı, yüksek kalitede laminatların üretilmesinde önemli bir rol oynar. Yeterli dış basınç …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı’ndan (No. 2022YFB3706503) ve Shenzhen Doğa Bilimleri Fonu’nun (No. 20220815133826001) İstikrarlı Destek Planı Programından alınan hibelere teşekkür eder.
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 |
Referências
- 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).
