Måling af de mekaniske egenskaber af glasfiberarmeringspolymerkompositlaminater opnået ved forskellige fremstillingsprocesser

Summary

Dette papir beskriver en fremstillingsproces for fiberforstærkede polymermatrixkompositlaminater opnået ved hjælp af vådhåndlægnings-/vakuumposemetoden.

Abstract

Den traditionelle våde håndlægningsproces (WL) er blevet anvendt i vid udstrækning til fremstilling af fiberkompositlaminater. På grund af mangel i formningstrykket reduceres massefraktionen af fiber, og masser af luftbobler fanges inde, hvilket resulterer i laminater af lav kvalitet (lav stivhed og styrke). WLVB-processen (wet hand lay-up/vacuum bag) til fremstilling af kompositlaminater er baseret på den traditionelle våde håndlægningsproces, hvor der anvendes en vakuumpose til at fjerne luftbobler og give tryk, hvorefter opvarmnings- og hærdningsprocessen udføres.

Sammenlignet med den traditionelle håndlægningsproces viser laminater fremstillet ved WLVB-processen overlegne mekaniske egenskaber, herunder bedre styrke og stivhed, højere fibervolumenfraktion og lavere hulvolumenfraktion, som alle er fordele for kompositlaminater. Denne proces er helt manuel, og den er stærkt påvirket af forberedelsespersonalets færdigheder. Derfor er produkterne tilbøjelige til defekter som hulrum og ujævn tykkelse, hvilket fører til ustabile kvaliteter og mekaniske egenskaber ved laminatet. Derfor er det nødvendigt at finbeskrive WLVB-processen, finjustere kontroltrin og kvantificere materialeforhold for at sikre laminaternes mekaniske egenskaber.

Dette papir beskriver den omhyggelige proces i WLVB-processen til fremstilling af vævede almindeligt mønstrede glasfiberarmeringskompositlaminater (GFRP’er). Fibervolumenindholdet i laminater blev beregnet ved hjælp af formelmetoden, og de beregnede resultater viste, at fibervolumenindholdet i WL-laminater var 42,04%, mens WLVB-laminater var 57,82%, hvilket steg med 15,78%. Laminaternes mekaniske egenskaber blev karakteriseret ved anvendelse af træk- og slagtest. De eksperimentelle resultater afslørede, at med WLVB-processen blev laminaternes styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den specifikke absorberede energi blev øget med 19,48%.

Introduction

Fiberforstærket polymerkomposit (FRP) er en type højstyrkemateriale fremstillet ved blanding af fiberforstærkning og polymermatrixer ^1,2,3. Det er meget udbredt i luftfartsindustrien ^4,5,6, konstruktion ^7,8, bilindustrien 9 og marine^10,11 på grund af dens lave densitet^, høje specifikke stivhed og styrke, træthedsegenskaber og fremragende korrosionsbestandighed. Almindelige syntetiske fibre omfatter kulfibre, glasfibre og aramidfibre¹². Glasfiber blev valgt til undersøgelse i dette papir. Sammenlignet med traditionelt stål er glasfiberarmeringskompositlaminater (GFRP’er) lettere med mindre end en tredjedel af densiteten, men kan opnå en højere specifik styrke end stål.

Forberedelsesprocessen for FRP inkluderer vakuumassisteret harpiksoverførselsstøbning (VARTM)13, filamentvikling (FW)¹⁴ og prepreg-støbning ud over mange andre avancerede fabrikationsprocesser^15,16,17,18. Sammenlignet med andre forberedelsesprocesser har vådhåndlægnings-/vakuumposeprocessen (WLVB) flere fordele, herunder enkle udstyrskrav og ukompliceret procesteknologi, og produkterne er ikke begrænset af størrelse og form. Denne proces har en høj grad af frihed og kan integreres med metal, træ, plast eller skum.

Princippet i WLVB-processen er at anvende større formningstryk gennem vakuumposer for at forbedre de mekaniske egenskaber af de forberedte laminater; Produktionsteknologien i denne proces er let at mestre, hvilket gør det til en økonomisk og enkel kompositmaterialeforberedelsesproces. Denne proces er helt manuel, og den er stærkt påvirket af forberedelsespersonalets færdigheder. Derfor er produkterne tilbøjelige til defekter som hulrum og ujævn tykkelse, hvilket fører til ustabile kvaliteter og mekaniske egenskaber ved laminatet. Derfor er det nødvendigt at beskrive WLVB-processen i detaljer, finkontroltrin og kvantificere materialeforhold for at opnå en høj stabilitet af mekaniske egenskaber af laminater.

De fleste forskere har studeret den kvasi-statiske 19,20,21,22,23 og dynamiske adfærd 24,25,26,27,28 samt egenskabsmodifikation ^29,30 af kompositmaterialer. Volumenfraktionsforholdet mellem fiber og matrix spiller en afgørende rolle i mekaniske egenskaber af FRP-laminat. I et passende område kan en fraktion af fiber med højere volumen forbedre styrken og stivheden af FRP-laminat. Andrew et ^al.31 undersøgte effekten af fibervolumenfraktion på de mekaniske egenskaber af prøver fremstillet ved den smeltede aflejringsmodellering (FDM) additivfremstillingsproces. Resultaterne viste, at når fibervolumenfraktionen var 22,5%, nåede trækstyrkeeffektiviteten sit maksimum, og der blev observeret en lille forbedring i styrke, da fibervolumenfraktionen nåede 33%. Khalid et ^al.32 studerede de mekaniske egenskaber ved kontinuerlige kulfiberforstærkede (CF) -forstærkede 3D-printede kompositter med forskellige fibervolumenfraktioner, og resultaterne viste, at både trækstyrke og stivhed blev forbedret med stigningen i fiberindhold. Uzay et ^al.33 undersøgte virkningerne af tre fabrikationsmetoder – håndlægning, kompressionsstøbning og vakuumposering – på de mekaniske egenskaber af kulfiberforstærket polymer (CFRP). Fibervolumenfraktionen og tomrummet af laminaterne blev målt, træk- og bøjningstest blev udført. Eksperimenterne viste, at jo højere fibervolumenfraktionen er, desto bedre er de mekaniske egenskaber.

Hulrum er en af de mest almindelige defekter i FRP-laminat. Hulrum reducerer kompositmaterialernes mekaniske egenskaber, såsom styrke, stivhed og træthedsbestandighed³⁴. Spændingskoncentrationen, der genereres omkring hulrummene, fremmer udbredelsen af mikrorevner og reducerer grænsefladestyrken mellem armering og matrix. Indvendige hulrum fremskynder også fugtabsorptionen af FRP-laminat, hvilket resulterer i interface-debonding og ydelsesforringelse. Derfor påvirker eksistensen af interne hulrum pålideligheden af komposit og begrænser deres brede anvendelse. Zhu et ^al.35 undersøgte indflydelsen af hulrumsindhold på de statiske interlaminære forskydningsstyrkeegenskaber af CFRP-kompositlaminater og fandt, at en stigning på 1% i hulrumsindhold fra 0,4% til 4,6% førte til en 2,4% forringelse af interlaminær forskydningsstyrke. Scott et ^al.36 præsenterede effekten af hulrum på skademekanismen i CFRP-kompositlaminater under hydrostatisk belastning ved hjælp af computertomografi (CT) og fandt, at antallet af hulrum er 2,6-5 gange antallet af tilfældigt fordelte revner.

Højkvalitets og pålidelige FRP-laminater kan fremstilles ved hjælp af en autoklave. Abraham et ^al.37 fremstillede laminater med lav porøsitet og højt fiberindhold ved at placere en WLVB-enhed i en autoklave med et tryk på 1,2 MPa til hærdning. Ikke desto mindre er autoklaven et stort og dyrt udstyr, hvilket resulterer i betydelige produktionsomkostninger. Selvom den vakuumassisterede harpiksoverførselsproces (VARTM) har været i brug i lang tid, har den en grænse med hensyn til tidsomkostningerne, en mere kompliceret forberedelsesproces og flere engangsforbrugsvarer såsom omdirigeringsrør og omdirigeringsmedier. Sammenlignet med WL-processen kompenserer WLVB-processen for utilstrækkeligt støbetryk gennem en billig vakuumpose, absorberer overskydende harpiks fra systemet for at øge fibervolumenfraktionen og reducere det indre poreindhold og derved forbedre laminatets mekaniske egenskaber betydeligt.

Denne undersøgelse undersøger forskellene mellem WL-processen og WLVB-processen og beskriver den omhyggelige proces i WLVB-processen. Fibervolumenindholdet i laminater blev beregnet ved formelmetoden, og resultaterne viste, at fibervolumenindholdet i WL-laminater var 42,04%, mens WLVB-laminater var 57,82%, hvilket steg med 15,78%. Laminaternes mekaniske egenskaber var kendetegnet ved træk- og slagtest. De eksperimentelle resultater afslørede, at med WLVB-processen blev laminaternes styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den specifikke absorberede energi blev øget med 19,48%.

Protocol

1. Materiale forberedelse Skær otte stykker 300 mm x 300 mm vævet glasfiberstof med saks. Tape snittet først for at forhindre, at fiberfilamenterne falder af.BEMÆRK: Brug maske og handsker for at forhindre fingerstik og filamentindånding, når du skærer stoffet. Ikke kun det vævede glasfiberstof, men ensrettet stof og andre typer fibre, såsom kulfiber og aramidfiber, er også tilgængelige. Afvej 260 g epoxyharpiks og 78 g hærder i henhold til masseforholdet 10: 3.BEM…

Representative Results

Tabel 1 viser fibervolumenfraktionen, gennemsnitstykkelsen og fremstillingsprocessen for prøverne. G8-WLVB og G8-WL repræsenterer laminaterne, der består af 8-lags glasstof fremstillet ved våd håndlægning med henholdsvis og uden vakuumposeprocessen. Med vakuumposehjælp har laminater naturligvis en stigning på 15.78% i fibervolumenfraktion samt en reduktion på 16.27% i gennemsnitstykkelse. Belastningsspændingskurver opnået ved trækprøvning af WLVB- og WL-prøver er…

Discussion

Dette papir fokuserer på de to forskellige fremstillingsprocesser til håndlægningsmetoden med lave omkostninger. Derfor blev to fabrikationsprocesser udvalgt til at blive omhyggeligt beskrevet i dette papir, som er enklere, lettere at mestre, lavere investeringsomkostninger og egnet til produktion med materialemodifikation i laboratorier og små fabrikker. Under hærdningen af laminater spiller højt konsolideringstryk en vigtig rolle i fremstillingen af laminater af høj kvalitet. Vedtagelsen af den traditionelle WL-…

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