Het meten van de mechanische eigenschappen van glasvezelversterkingspolymeercomposietlaminaten verkregen door verschillende fabricageprocessen
Summary
Dit artikel beschrijft een fabricageproces voor vezelversterkte polymeermatrixcomposietlaminaten die worden verkregen met behulp van de natte hand lay-up/vacuümzakmethode.
Abstract
Het traditionele natte handlay-upproces (WL) is op grote schaal toegepast bij de productie van vezelcomposietlaminaten. Door ontoereikendheid van de vormdruk wordt de massafractie van de vezel echter verminderd en worden er veel luchtbellen binnenin opgesloten, wat resulteert in laminaten van lage kwaliteit (lage stijfheid en sterkte). Het WLVB-proces (wet hand lay-up/vacuum bag) voor de fabricage van composietlaminaten is gebaseerd op het traditionele proces voor het opleggen van natte handen, waarbij een vacuümzak wordt gebruikt om luchtbellen te verwijderen en druk uit te oefenen, en vervolgens het verwarmings- en uithardingsproces wordt uitgevoerd.
Vergeleken met het traditionele handlay-upproces, vertonen laminaten vervaardigd door het WLVB-proces superieure mechanische eigenschappen, waaronder een betere sterkte en stijfheid, een hogere vezelvolumefractie en een lagere lege volumefractie, wat allemaal voordelen zijn voor composietlaminaten. Dit proces is volledig handmatig en wordt sterk beïnvloed door de vaardigheden van het voorbereidend personeel. Daarom zijn de producten gevoelig voor defecten zoals holtes en ongelijke diktes, wat leidt tot onstabiele eigenschappen en mechanische eigenschappen van het laminaat. Daarom is het noodzakelijk om het WLVB-proces nauwkeurig te beschrijven, stappen nauwkeurig te controleren en materiaalverhoudingen te kwantificeren om de mechanische eigenschappen van laminaten te waarborgen.
Dit artikel beschrijft het nauwgezette proces van het WLVB-proces voor het voorbereiden van geweven glasvezelversterkingscomposietlaminaten (GFRP’s) met een effen patroon. Het vezelvolumegehalte van laminaten werd berekend met behulp van de formulemethode en de berekende resultaten toonden aan dat het vezelvolumegehalte van WL-laminaten 42,04% bedroeg, terwijl dat van WLVB-laminaten 57,82% bedroeg, een stijging van 15,78%. De mechanische eigenschappen van de laminaten werden gekarakteriseerd met behulp van trek- en impacttests. De experimentele resultaten toonden aan dat met het WLVB-proces de sterkte en modulus van de laminaten met respectievelijk 17,4% en 16,35% werden verbeterd en dat de specifieke geabsorbeerde energie met 19,48% werd verhoogd.
Introduction
Vezelversterkt polymeercomposiet (FRP) is een soort zeer sterk materiaal dat wordt vervaardigd door vezelversterking en polymeermatrixen 1,2,3 te mengen. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart 4,5,6, bouw7,8, automotive9 en marine 10,11 industrieën vanwege de lage dichtheid, hoge specifieke stijfheid en sterkte, vermoeiingseigenschappen en uitstekende corrosieweerstand. Veel voorkomende synthetische vezels zijn koolstofvezels, glasvezels en aramidevezels12. In dit artikel is gekozen voor glasvezel als onderzoeker. In vergelijking met traditioneel staal zijn glasvezelversterkingscomposietlaminaten (GFRP’s) lichter, met minder dan een derde van de dichtheid, maar kunnen ze een hogere specifieke sterkte bereiken dan staal.
Het voorbereidingsproces van FRP omvat vacuümondersteund harstransfergieten (VARTM)13, filamentwikkelen (FW)14 en prepreg-gieten, naast vele andere geavanceerde fabricageprocessen15,16,17,18. In vergelijking met andere bereidingsprocessen heeft het natte hand lay-up/vacuümzak (WLVB) proces verschillende voordelen, waaronder eenvoudige apparatuurvereisten en ongecompliceerde procestechnologie, en de producten worden niet beperkt door grootte en vorm. Dit proces heeft een hoge mate van vrijheid en kan worden geïntegreerd met metaal, hout, kunststof of schuim.
Het principe van het WLVB-proces is om een grotere vormdruk uit te oefenen door middel van vacuümzakken om de mechanische eigenschappen van de voorbereide laminaten te verbeteren; De productietechnologie van dit proces is gemakkelijk onder de knie te krijgen, waardoor het een economisch en eenvoudig voorbereidingsproces voor composietmateriaal is. Dit proces is volledig handmatig en wordt sterk beïnvloed door de vaardigheden van het voorbereidend personeel. Daarom zijn de producten gevoelig voor defecten zoals holtes en ongelijke diktes, wat leidt tot onstabiele eigenschappen en mechanische eigenschappen van het laminaat. Daarom is het noodzakelijk om het WLVB-proces in detail te beschrijven, de stappen nauwkeurig te controleren en de materiaalverhouding te kwantificeren om een hoge stabiliteit van de mechanische eigenschappen van laminaten te verkrijgen.
De meeste onderzoekers hebben het quasi-statische 19,20,21,22,23 en dynamisch gedrag 24,25,26,27,28 bestudeerd, evenals de eigenschapswijziging 29,30 van composietmaterialen. De verhouding tussen de volumefractie van vezel en matrix speelt een cruciale rol in de mechanische eigenschappen van FRP-laminaat. In een geschikt bereik kan een vezelfractie met een hoger volume de sterkte en stijfheid van FRP-laminaat verbeteren. Andrew et al.31 onderzochten het effect van vezelvolumefractie op de mechanische eigenschappen van monsters die zijn voorbereid door het additieve productieproces van fused deposition modeling (FDM). De resultaten toonden aan dat wanneer de vezelvolumefractie 22,5% was, de treksterkte-efficiëntie zijn maximum bereikte, en een lichte verbetering van de sterkte werd waargenomen toen de vezelvolumefractie 33% bereikte. Khalid et al.32 bestudeerden de mechanische eigenschappen van met continue koolstofvezel (CF) versterkte 3D-geprinte composieten met diverse vezelvolumefracties, en de resultaten toonden aan dat zowel de treksterkte als de stijfheid verbeterden met de stijging van het vezelgehalte. Uzay et al.33 onderzochten de effecten van drie fabricagemethoden – handlay-up, compressiegieten en vacuümzakken – op de mechanische eigenschappen van met koolstofvezel versterkt polymeer (CFRP). De vezelvolumefractie en de holte van de laminaten werden gemeten, trek- en buigproeven werden uitgevoerd. De experimenten toonden aan dat hoe hoger de vezelvolumefractie, hoe beter de mechanische eigenschappen.
Holtes zijn een van de meest voorkomende defecten in FRP-laminaat. Holtes verminderen de mechanische eigenschappen van composietmaterialen, zoals sterkte, stijfheid en weerstand tegen vermoeidheid34. De spanningsconcentratie die rond de holtes wordt gegenereerd, bevordert de voortplanting van microscheuren en vermindert de grensvlaksterkte tussen wapening en matrix. Interne holtes versnellen ook de vochtopname van FRP-laminaat, wat resulteert in onthechting van de interface en prestatievermindering. Daarom beïnvloedt het bestaan van interne holtes de betrouwbaarheid van composiet en beperkt het de brede toepassing ervan. Zhu et al.35 onderzochten de invloed van holte-inhoud op de statische interlaminaire afschuifsterkte-eigenschappen van CFRP-composietlaminaten, en ontdekten dat een toename van 1% in het holte-gehalte, variërend van 0,4% tot 4,6%, leidde tot een verslechtering van 2,4% van de interlaminaire afschuifsterkte. Scott et al.36 presenteerden het effect van holtes op het schademechanisme in CFRP-composietlaminaten onder hydrostatische belasting met behulp van computertomografie (CT), en ontdekten dat het aantal holtes 2,6-5 keer het aantal willekeurig verdeelde scheuren is.
Hoogwaardige en betrouwbare FRP-laminaten kunnen worden vervaardigd met behulp van een autoclaaf. Abraham et al.37 vervaardigden laminaten met een lage porositeit en een hoog vezelgehalte door een WLVB-assemblage in een autoclaaf te plaatsen met een druk van 1,2 MPa voor uitharding. Toch is de autoclaaf een groot en duur apparaat, wat resulteert in aanzienlijke productiekosten. Hoewel het vacuümondersteunde harsoverdrachtsproces (VARTM) al heel lang in gebruik is, heeft het een limiet in termen van tijdskosten, een ingewikkelder voorbereidingsproces en meer wegwerpverbruiksartikelen zoals afleidingsbuizen en omleidingsmedia. In vergelijking met het WL-proces compenseert het WLVB-proces onvoldoende vormdruk door middel van een goedkope vacuümzak, waarbij overtollige hars uit het systeem wordt geabsorbeerd om de vezelvolumefractie te vergroten en de interne poriëninhoud te verminderen, waardoor de mechanische eigenschappen van het laminaat aanzienlijk worden verbeterd.
Deze studie verkent de verschillen tussen het WL-proces en het WLVB-proces, en beschrijft het nauwgezette proces van het WLVB-proces. Het vezelvolumegehalte van laminaten werd berekend met behulp van de formulemethode en de resultaten toonden aan dat het vezelvolumegehalte van WL-laminaten 42,04% bedroeg, terwijl dat van WLVB-laminaten 57,82% bedroeg, een stijging van 15,78%. De mechanische eigenschappen van laminaten werden gekenmerkt door trek- en impacttests. De experimentele resultaten toonden aan dat met het WLVB-proces de sterkte en modulus van de laminaten met respectievelijk 17,4% en 16,35% werden verbeterd en dat de specifieke geabsorbeerde energie met 19,48% werd verhoogd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel richt zich op de twee verschillende fabricageprocessen voor de handlay-upmethode met lage kosten. Daarom zijn twee fabricageprocessen geselecteerd die zorgvuldig in dit artikel worden beschreven, die eenvoudiger, gemakkelijker te beheersen zijn, lagere investeringskosten hebben en geschikt zijn voor productie met materiaalmodificatie in laboratoria en kleinschalige fabrieken. Tijdens het uitharden van laminaten speelt een hoge consolidatiedruk een belangrijke rol bij het vervaardigen van laminaten van hoge kw…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de subsidies van het National Key Research and Development Program van China (nr. 2022YFB3706503) en het Stable Support Plan-programma van het Shenzhen Natural Science Fund (nr. 20220815133826001) bedanken.
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).
