Summary
本稿では、ウェットハンドレイアップ/真空バッグ法を用いて得られた繊維強化ポリマーマトリックス複合積層板の作製プロセスについて述べる。
Abstract
従来のウェットハンドレイアッププロセス(WL)は、繊維複合ラミネートの製造に広く適用されてきました。しかし、成形圧力の不足により、繊維の質量分率が低下し、内部に気泡が多く閉じ込められ、低品質(剛性・強度が低い)の積層体になってしまいます。複合積層板を製造するためのウェットハンドレイアップ/真空バッグ(WLVB)プロセスは、従来のウェットハンドレイアッププロセスに基づいており、真空バッグを使用して気泡を除去して圧力をかけ、加熱および硬化プロセスを実行します。
従来のハンドレイアッププロセスと比較して、WLVBプロセスで製造されたラミネートは、強度と剛性の向上、繊維体積分率の向上、ボイド体積分率の低下など、優れた機械的特性を示し、これらはすべて複合積層板の利点です。この工程は完全に手作業で行われており、準備担当者のスキルに大きく影響されます。そのため、ボイドや厚みムラなどの欠陥が発生しやすく、ラミネートの品質や機械的特性が不安定になります。したがって、積層板の機械的特性を確保するためには、WLVBプロセスを細かく記述し、ステップを細かく制御し、材料比率を定量化する必要があります。
この論文では、ガラス繊維強化複合積層板(GFRP)を調製するためのWLVBプロセスの詳細なプロセスについて説明します。積層板の繊維体積率は式法を用いて計算され、計算結果はWL積層板の繊維体積率が42.04%であったのに対し、WLVB積層板の繊維体積率は57.82%で、15.78%増加した。ラミネートの機械的特性は、引張試験と衝撃試験を使用して特徴付けられました。実験の結果、WLVB法では積層板の強度が17.4%、弾性率が16.35%向上し、比吸収エネルギーが19.48%増加した。
Introduction
繊維強化ポリマー複合材料(FRP)は、繊維強化材とポリマーマトリックス1,2,3を混合して製造される高強度材料の一種です。低密度、高い比剛性と強度、疲労特性、および優れた耐食性により、航空宇宙4,5,6、建設7,8、自動車9、および海洋10,11産業で広く使用されています。一般的な合成繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などがある12。この論文では、ガラス繊維を調査対象として選択しました。従来の鋼と比較して、ガラス繊維強化複合積層板(GFRP)は軽量で、密度は3分の1未満ですが、鋼よりも高い比強度を達成できます。
FRPの製造工程には、真空アシスト樹脂トランスファー成形(VARTM)13、フィラメントワインディング(FW)14、プリプレグ成形のほか、多くの高度な製造工程15,16,17,18がある。ウェットハンドレイアップ/真空バッグ(WLVB)プロセスは、他の準備プロセスと比較して、簡単な機器要件と複雑なプロセス技術など、いくつかの利点があり、製品はサイズや形状に制限されません。このプロセスは自由度が高く、金属、木材、プラスチック、または発泡体と統合できます。
WLVBプロセスの原理は、真空バッグを介してより大きな成形圧力を適用して、準備された積層物の機械的特性を向上させることです。このプロセスの製造技術は習得が容易であり、経済的でシンプルな複合材料調製プロセスになります。この工程は完全に手作業で行われており、準備担当者のスキルに大きく影響されます。そのため、ボイドや厚みムラなどの欠陥が発生しやすく、ラミネートの品質や機械的特性が不安定になります。したがって、積層板の機械的特性の高い安定性を得るためには、WLVBプロセスを詳細に記述し、ステップを細かく制御し、材料比率を定量化する必要があります。
ほとんどの研究者は、複合材料の準静的19,20,21,22,23と動的挙動24,25,26,27,28、および特性変更29,30を研究してきました。繊維とマトリックスの体積分率比は、FRPラミネートの機械的特性に重要な役割を果たします。適切な範囲では、繊維の体積分率が高いほど、FRPラミネートの強度と剛性を向上させることができます。Andrew et al.31は、溶融堆積モデリング(FDM)積層造形プロセスによって作製された試料の機械的特性に対する繊維体積分率の影響を調査しました。その結果、繊維体積分率が22.5%のとき、引張強度効率が最大に達し、繊維体積分率が33%に達すると、強度のわずかな改善が観察された。Khalid et al.32は、多様な繊維体積分率を持つ連続炭素繊維(CF)強化3Dプリント複合材料の機械的特性を研究し、その結果、繊維含有量の増加に伴い、引張強度と剛性の両方が向上することを示しました。Uzay et al.33は、炭素繊維強化ポリマー(CFRP)の機械的特性に対する3つの製造方法(ハンドレイアップ、圧縮成形、真空バギング)の影響を調査しました。積層体の繊維体積分率とボイドを測定し、引張試験と曲げ試験を実施した。実験は、繊維体積分率が高いほど、機械的特性が優れていることを示しました。
ボイドは、FRPラミネートの最も一般的な欠陥の1つです。ボイドは、強度、剛性、耐疲労性などの複合材料の機械的特性を低下させる34。ボイドの周囲に発生する応力集中は、マイクロクラックの伝播を促進し、鉄筋と母材の間の界面強度を低下させます。また、内部の空隙はFRPラミネートの吸湿を促進し、界面の剥離や性能低下を引き起こします。したがって、内部ボイドの存在は複合材の信頼性に影響を与え、それらの幅広い用途を制限します。Zhu et al.35 は、CFRP複合積層板の静的層間せん断強度特性に対するボイド含有量の影響を調査し、0.4%から4.6%の範囲でボイド含有量が1%増加すると、層間せん断強度が2.4%悪化することを発見しました。Scottら36 は、コンピュータ断層撮影(CT)を用いて、静水圧荷重下でのCFRP複合積層板の損傷メカニズムに対するボイドの影響を提示し、ボイドの数がランダムに分布する亀裂の数の2.6〜5倍であることを発見しました。
オートクレーブを使用することで、高品質で信頼性の高いFRPラミネートを製造できます。Abrahamら37 は、WLVBアセンブリを1.2MPaの圧力でオートクレーブに入れて硬化させることにより、低多孔率、高繊維含有量の積層板を製造しました。それにもかかわらず、オートクレーブは大型で高価な機器であり、かなりの製造コストがかかります。真空アシスト樹脂転写プロセス(VARTM)は古くから使用されていますが、時間的コスト、準備工程の複雑化、迂回チューブや迂回媒体などの使い捨て消耗品の増加などの点で限界がありました。WLプロセスと比較して、WLVBプロセスは、低コストの真空バッグを介して不十分な成形圧力を補正し、システムから余分な樹脂を吸収して繊維体積分率を高め、内部細孔含有量を減らし、それによって積層体の機械的特性を大幅に改善します。
本研究では、WLプロセスとWLVBプロセスの違いを探り、WLVBプロセスの緻密なプロセスについて詳述する。積層板の繊維体積含有量を式法で計算したところ、WL積層板の繊維体積率は42.04%であったのに対し、WLVB積層板の繊維体積率は57.82%で、15.78%増加した。ラミネートの機械的特性は、引張試験と衝撃試験によって特徴付けられました。実験の結果、WLVB法では積層板の強度が17.4%、弾性率が16.35%向上し、比吸収エネルギーが19.48%増加した。
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Protocol
1. 材料の準備
- 300mm×300mmのガラス繊維織物を8枚はさみでカットします。繊維フィラメントが脱落しないように、最初にカットをテープで留めます。
注意: 生地を裁断するときは、指を刺したりフィラメントを吸い込んだりしないように、マスクと手袋を着用してください。ガラス繊維織物だけでなく、一方向織物や炭素繊維やアラミド繊維などの他の種類の繊維もご用意しています。 - 260gのエポキシ樹脂と78gの硬化剤を10:3の質量比で秤量します。
注:繊維布と樹脂システムの比率は、単層繊維布の平方メートルあたり360gのエポキシ樹脂システムを推奨します。
2. 製作プロセス
注:図1は、セクション2に示されているハンドレイアッププロセス用の複合積層板の製造の概略 図 を示しています。
- WLVBの
- 生地を60°Cのオーブンに8時間入れます。
- アクリル板に絶縁フィルムを貼り付けて、樹脂の接着を防ぎます。
- 敷設エリアに型を置きます。
- 樹脂と硬化剤を5分間ゆっくりと混ぜた後、真空チャンバーに入れて内部の気泡を引き出します。
- 非多孔質の離型フィルムを型に敷き、周囲にテープで固定します。
- 非多孔質剥離フィルムの上に1つのピールプライを置きます。
- エポキシ樹脂を流し込み、スクレーパーを使用してフィルム全体に樹脂を均等に分散させます。
- 最初の繊維生地をプライし、裸ローラーで転がして樹脂が布地に完全に浸透し、気泡が押し出されていることを確認してから、スクレーパーを使用して樹脂を均等にこすり落とし、樹脂を注ぎます。
- すべてのファブリックが使用されるまで、手順 2.1.7 と 2.1.8 を繰り返します。
- 生地の上にピールプライを1枚置き、手動で気泡を絞り出します。
- 穴あきリリースフィルム1枚とブリーザー生地1枚を連続して敷きます。
- 吸引チャネルと通気性パッドを片側に置きます。
- 耐熱テープを円状にアクリル板で型外に貼り付け、テープでバキュームバッグを貼り付けて密閉空間を作ります。
- 真空ポンプのスイッチを入れ、室温で1バールの圧力を10時間押します。その後、真空ポンプを閉じ、14時間静止状態を維持します。
- ラミネートを80°Cのオーブンに16時間入れて完全に硬化させます。
- 式(1-3)38,39を使用して繊維体積分率を測定します。
(1)
(2)
(3)
nは積層体の層数、ρ繊維はメーカーからの繊維布の面密度、A繊維は積層体の面積、m繊維は 繊維布の質量、m合計は積層体の質量、ρエポキシはエポキシの密度、vエポキシおよびv 合計 はエポキシと積層体の体積をそれぞれ、 は繊維の体積分率です。
- WLの
- 生地を60°Cのオーブンに8時間入れます。
- 樹脂と硬化剤を5分間ゆっくりと混ぜた後、真空チャンバーに入れて中の気泡を引き出します。
- 非多孔質の離型フィルムを型に敷き、周囲にテープで固定します。
- 非多孔質剥離フィルムの上に1つのピールプライを置きます。
- エポキシ樹脂を流し込み、スクレーパーを使用してフィルム全体に樹脂を均等に分散させます。
- 最初の繊維生地をプライし、裸ローラーで転がして樹脂が布地に完全に浸透し、気泡が押し出されていることを確認してから、スクレーパーを使用して樹脂を均等にこすり落とし、樹脂を注ぎます。
- すべてのファブリックが使用されるまで、手順 2.2.5 と 2.2.6 を繰り返します。
- 生地の上にピールプライを1枚置き、手動で気泡を絞り出します。
- 穴あき剥離フィルム1枚、ブリーザー布1枚、非多孔質剥離フィルム1枚を連続して敷設します。
- 繊維生地と同じサイズのアルミ板を1枚上に置きます。
- 室温で14時間静止を維持します。
- ラミネートを80°Cのオーブンに16時間入れて完全に硬化させます。
(1)
(2)
(3)3. 衝撃特性の特性評価
注:複合積層板の衝撃試験には多くの方法があります。低速の衝撃条件下では、一般的に使用される方法は落錘衝撃試験であり、高速または超高速の衝撃条件下では、頻繁に使用される方法は弾丸衝撃法です。この研究では、落錘衝撃試験を適用しました。装置を 図2に示します。
- 高精度切断機を使用して、ASTM D7136に準拠した衝撃試験のためにGFRPから150 mm x 100 mmのサンプルセットを切断します。
- 各サンプルの重量とサイズを測定します。
- インパクターがすべてのテストで接触できるサンプルの中心に位置決め釘を使用して、サンプルの位置を固定します。
- 4つのゴムチップで衝撃支持治具にサンプルを固定します。
- 落錘式衝撃塔を用いて、エネルギーレベル10Jの衝撃試験を実施します。ドロップハンマー試験機の電源を入れ、[ 接続 ]をクリックしてコントローラをドロップダウンに接続し、[ ホーム|テスト前。衝撃エネルギーを10Jに、追加質量を2kgに設定します。測定厚さ(WLVBサンプルの場合は2.1 mm、WLサンプルの場合は2.5 mm)を入力してインパクターの高さを決定し、[ 開始 ]をクリックして実験を開始します。
- 力、たわみ、エネルギー履歴などの衝撃応答データを記録します。
- サンプルを取り出します。衝撃後のサンプルの形態を記録します。
- 衝撃試験を5回繰り返して、結果の再現性を確認します。
- サンプルのデータを計算して比較します。
4. 引張特性の評価
- ASTM D3039に準拠した引張試験のために、ダイヤモンドカッターを備えた高精度切断機を使用して、ラミネートから250 mm x 25 mmのサンプルセットを切断します。
- ノギスで各サンプルのサイズを測定します。
- エポキシ接着剤を使用して、サンプルの両端に4つの50 mm x 25 mm x 2 mmのアルミニウムタブを接着し、応力集中を回避します。
- サンプルの前面に白い塗料の薄い層をスプレーしてから、黒い斑点をスプレーします。
- 図3に示すように、引張試験機のクランプの中央にサンプルを置き、画像取得システムをセットアップします。
- ひずみデータの精度を確保するには、サンプルの位置を変化させて、カメラの撮影エリアの中央で垂直位置になるようにします。さらに、カメラの焦点距離と露出率を調整して、サンプルのスポットがはっきりと記録されるようにします。
- 引張試験を実施します。 [CONFIGURE TEST] をクリックします。 試験速度 を 0.5mm/minに設定します。 [試験片データ]をクリックします。サンプルの測定幅と厚さを入力します。[ スタート]をクリックし、[ 現在の位置を確定]をクリックします。読み込み時間データを記録します。
- サンプルを取り出します。引張試験後のサンプルの形態を記録します。
- 引張試験を5回繰り返して、結果の再現性を確認します。
- 引張試験中にサンプルの公称ひずみを測定するには、デジタル画像相関(DIC)ソフトウェアを使用します。
- 「 長さスケール画像 」をクリックしてピクセルの長さをキャリブレーションし、「参照画像」をクリックして、最初の画像を基準 画像として選択します。「 変形 画像」をクリックし、残りの画像を変形画像として選択します。 [作図ツール] |矩形を選択して 、測定領域を選択します。伸び計をクリックし、伸び 計 の長さを 100 mm に設定し、 処理 |相関を開始します。
- 荷重を断面積で割って、公称応力を求めます。
- DIC測定の公称ひずみと引張試験機の公称応力を組み合わせます。
- ひずみ-応力曲線の線形セグメントの傾きを弾性率として選択します。引張力-時間曲線のピーク値を強度として選択します。
- サンプルの弾性率と強度を比較します。
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Representative Results
表1 に、サンプルの繊維体積分率、平均厚さ、および製造プロセスを示します。G8-WLVBとG8-WLは、それぞれ真空バッグプロセスの有無にかかわらず、ウェットハンドレイアップによって製造された8層ガラスファブリックからなるラミネートを表しています。明らかに、真空バッグの支援により、ラミネートは繊維体積分率が15.78%増加し、平均厚さが16.27%減少します。
WLVBおよびWLサンプルの引張試験によって得られたひずみ応力曲線を 図4に示します。縦軸は力を断面積で割った公称応力、横軸はDICソフトウェアで計算した公称ひずみです。WLサンプルであろうとWLVBサンプルであろうと、実験曲線で完全な再現性が得られることがわかります。最初の 2 つのサンプルと最後の 3 つのサンプルは、同じラミネートで製造されていませんが、同じ製造状態にあります。そのため、工程を細かく制御し、材料の割合を定量化することが重要です。
WLVBサンプルとWLサンプルの引張試験結果をそれぞれ表 2 と 表3に示します。引張曲線に非線形性が認められた。引張ひずみ-応力曲線の線形セグメントの傾きは弾性率を表し、引張ひずみ-応力曲線の縦軸上の最大値点は強度を表します。 表2に示すように、5つのWLVBサンプルの平均引張強度と弾性率は、それぞれ431.79MPaと19.14GPaです。引張強度と引張弾性率の標準偏差は、それぞれ17.81と0.52です。 表3に示すように、5つのWL試料の平均引張強度および平均引張弾性率は、それぞれ367.8MPaおよび16.45GPaである。引張強度と引張弾性率の標準偏差は、それぞれ11.63と0.43です。
表4 に積層板の引張強度と剛性を示します。その結果、WLVB法を用いることで積層板の引張強度と弾性率が極めて向上することが分かりました。WLVBプロセスを使用して製造された積層板は、引張強度が17.4%、弾性率が16.35%向上しています。したがって、WLVBプロセスは、積層板の引張特性を向上させることにより、積層板の製造に優れた効果を発揮します。
図5 は、G8-WLVBおよびG8-WLサンプルの引張弾性率と強度をエラーバーとともに示しています。WLVBプロセスで製造された積層板の引張弾性率と強度は、WLプロセスで製造された積層板よりも高くなります。誤差範囲が小さいほど、プロセスの安定性が高くなります。言い換えれば、WLVBプロセスはWLプロセスよりも安定しています。 図6 は、引張試験後のWLVBおよびWLサンプルの破壊を示しています。サンプルの破砕位置は中央付近であり、許容範囲です。図7は、引張試験後のWLVBおよびWLサンプルの側面 図 を示しています。サンプルがWLVBまたはWL製造プロセスで製造されたかどうかにかかわらず、サンプルの引張破壊モードには、繊維の破損、マトリックス破壊、および層間剥離が含まれます。 図7に示すように、WLサンプルの層間剥離長はWLVBサンプルの層間剥離長よりも長くなっています。WLサンプルは、WLVBサンプルよりも樹脂の体積分率が高いため、層間の樹脂が厚くなります。その結果、WLサンプルでより長い層間剥離亀裂が観察されます。
WLVBおよびWLサンプルの衝撃試験によって得られた力と吸収エネルギーの履歴曲線を 図8に示します。衝撃試験では優れた再現性が示されています。WLVBサンプルとWLサンプルの力-時間曲線の形状は正弦波に似ており、典型的な非ピアシング曲線として表されます。 図8C,Dは、リアルタイムのエネルギー吸収値を表しています。吸収エネルギー値は最初に増加し、その後時間の経過とともに減少します。最初の上昇段階では、積層体はインパクターのすべての運動エネルギーを徐々に吸収し、それを内部エネルギーに変換しました。最大点の背後では、積層体が弾性エネルギーを放出してインパクターを跳ね返します。積層体の吸収エネルギーは、最終的な曲線値によって得られました。
実験データ40について統計解析を行った。WLVBおよびWLサンプルの衝撃試験結果をそれぞれ表 5 および 表6に示す。表5に示すように、 5つのWLVBサンプルの平均比吸収エネルギーと標準偏差は、それぞれ0.092 J/gと0.0024です。 表6に示すように、5つのWLサンプルの平均比吸収エネルギーと標準偏差は、それぞれ0.077 J/gと0.0021です。
表7 に、積層板の衝撃特性と、WLVB法で製造した積層板の比エネルギー吸収率の増加率を示します。同じ衝撃エネルギー10Jでは、WLVBプロセスとWLプロセスで製造された積層板で同じ損傷モードが観察されます。その結果、WLVB法で製造された積層板は、比エネルギー吸収が19.48%増加したことが分かりました。このように、WLVB法による積層板製造において、積層体の衝撃特性の向上とともに、驚異的な効果が認められます。
図9は、G8-WLVBおよびG8-WLサンプルの比吸収エネルギーをエラーバー付きで示しています。2つのプロセスで製造された積層板の厚さ値が異なるため、比エネルギー吸収を使用して積層体のエネルギー吸収性能を特徴付けます。その結果、WLVB試料の比吸収エネルギーはWL試料よりも大きいことが分かりました。WLVBサンプルとWLサンプルの誤差範囲は、衝撃試験で類似しています。 図10 に衝撃試験後のWLVBとWLサンプルの上面と下面を示します。WLサンプルの損傷面積がWLVBサンプルよりも大きいことがはっきりとわかります。したがって、WLVBプロセスで製造されたサンプルの衝撃エネルギー吸収能力は、WLプロセスで製造されたサンプルよりも大きいことになります。
図1:WLVBプロセスの簡略回路図。 (1)真空フィルム、(2)真空バルブ上部、(3)ピールパイル、(4)無孔質剥離フィルム、(5)耐熱タップ、(6)アクリル板、(7)真空バルブ底部、(8)通気パッド、(9)吸込チャンネル、(10)アルミモールド、(11)布、(12)穴あき剥離フィルム、(13)ブリーザー生地。略称:WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:ドロップハンマー試験機。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:デジタル画像相関ひずみ測定システムとZwick引張試験機。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:5つのサンプルの引張試験によって得られた応力-ひずみ曲線。 (a)WLVB;(B)のWL。略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:G8-WLVBおよびG8-WLサンプルの引張弾性率と強度。 略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:引張試験後のWLVBおよびWLサンプルの正面図。黄色の破線の楕円は、破断位置を示しています。略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図7:引張試験後のWLVBおよびWLサンプルの側面図。 (A)WLサンプル、(B)WLVBサンプル。スケールバー = 6 mm。黄色の破線の楕円は破断位置を示し、青色の楕円は層間剥離を示します。略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図8:5つのサンプルの衝撃試験による力と吸収エネルギーの履歴曲線 。 (A)WLVBサンプルのフォース履歴曲線。(B) WLサンプルの力履歴曲線。(C)WLVBサンプルの吸収エネルギー履歴曲線。(D)WLサンプルの吸収エネルギー履歴曲線。略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図9:G8-WLVBおよびG8-WLサンプルの比吸収エネルギー。 略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図10:衝撃試験後のWLVBおよびWLサンプルの上面と下面。 スケールバー = 20 mm。黄色の破線の楕円は、損傷した領域を示しています。略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
| 見本 | 繊維体積分率(%) | 繊維体積分率の増加(%) | 平均厚さ(mm) |
| G8-WLVB型 | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WLの | 42.04 | - | 2.52 |
表1:WLVBおよびWLプロセスで製造された積層板の繊維体積分率、繊維体積分率の増加、および平均厚さ。 略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。
| サンプル 1 | サンプル2 | サンプル 3 | サンプル 4 | サンプル 5 | |||
| 引張強さ(MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| 平均引張強度(MPa) | 431.79 | ||||||
| 引張強度の標準偏差(MPa) | 17.81 | ||||||
| 引張弾性率(GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| 平均引張弾性率(GPa) | 19.14 | ||||||
| 引張弾性率(GPa)の標準偏差 | 0.52 | ||||||
表2:WLVBサンプルの引張試験結果。 略称:WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。
| サンプル 1 | サンプル2 | サンプル 3 | サンプル 4 | サンプル 5 | |||
| 引張強さ(MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| 平均引張強度(MPa) | 367.8 | ||||||
| 引張強度の標準偏差(MPa) | 11.63 | ||||||
| 引張弾性率(GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| 平均引張弾性率(GPa) | 16.45 | ||||||
| 引張弾性率(GPa)の標準偏差 | 0.43 | ||||||
表3:WLサンプルの引張試験結果。 略語:WL = ウェットハンドレイアップ。
| 見本 | 引張強さ(MPa) | 引張強度(%)の増加 | 引張弾性率(GPa) | 引張弾性率(%)の増加 |
| G8-WLVB型 | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WLの | 367.8 | - | 16.45 | - |
表4:WLVBおよびWLプロセスによって製造された積層板の平均引張強度と弾性率、および引張特性の増加率。 略称:WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。
| サンプル 1 | サンプル2 | サンプル 3 | サンプル 4 | サンプル 5 | |||
| 質量(g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| ピークフォース(J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| 吸収エネルギー(J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| 比吸収エネルギー(J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| 平均比吸収エネルギー(J/g) | 0.092 | ||||||
| 標準偏差(J/g) | 0.0024 | ||||||
表5:WLVBサンプルの衝撃試験結果。 略称:WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。
| サンプル 1 | サンプル2 | サンプル 3 | サンプル 4 | サンプル 5 | ||||
| 質量(g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| ピークフォース(J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| 吸収エネルギー(J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| 比吸収エネルギー(J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| 平均比吸収エネルギー(J/g) | 0.077 | |||||||
| 標準偏差(J/g) | 0.0021 | |||||||
表6:WLサンプルの衝撃試験結果。 略語:WL = ウェットハンドレイアップ。
| 見本 | 衝撃エネルギー(J) | 平均ピーク力(N) | 平均比吸収エネルギー(J/g) | 平均比吸収エネルギー(%)の増加 |
| G8-WLVB型 | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WLの | 10J | 2978 | 0.077 | - |
表7:WLVBおよびWLプロセスで製造された積層板の平均衝撃エネルギー、ピーク力、比吸収エネルギー、および衝撃特性の増加率。 略語:WL =ウェットハンドレイアップ。WLVB:ウェットハンドレイアップ/バキュームバッグ。
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Discussion
本稿では、低コストでハンドレイアップ工法を製作するための2つの異なる製造プロセスに焦点を当てる。そこで、本稿では、よりシンプルで習得しやすく、投資コストが低く、実験室や小規模工場での材料改造による生産に適した2つの製造プロセスを選択しました。ラミネートの硬化中、高品質のラミネートを製造する上で、高い圧密圧力が重要な役割を果たします。十分な外圧のない従来のWLプロセスを採用すると、樹脂の体積分率が高くなる可能性があります。樹脂量が多いことは、ラミネートの機械的特性を低下させる主な要因の1つです。本研究では、従来のWLプロセスをベースに、真空バッグを用いて気泡を除去し、圧力をかける製造プロセスについて述べる。この製造プロセスでは、材料の比率とステップの順序を制御することが重要です。ラミネートの機械的特性に影響を与える主な要因は、繊維の体積分率とボイドです。したがって、ステップ 2.1.4、2.1.8、および 2.1.13 で説明されているように、気泡を除去するためのプロトコル手順が重要です。
異なる製造プロセスで製造された積層板の機械的特性を比較するために、引張試験と低速衝撃試験が実施されます。この研究では、WLVBプロセスで製造された積層板は、引張強度、引張弾性率、衝撃エネルギー吸収などの機械的特性が良好です。その結果、WLVBプロセスで製造した積層板は、比エネルギー吸収率が18.3%増加し、引張強度が16.3%、弾性率が14.6%増加したことが分かりました。
WLプロセスと比較して、WLVBプロセスは、低コストの真空バッグを介して不十分な成形圧力を補い、システムから余分な樹脂を吸収して繊維体積分率を高め、内部細孔含有量を減らし、それによって積層体の機械的特性を大幅に改善します。WLVBプロセスで製造されたラミネートの品質は優れています。真空バッグによって加えられる圧力がより均一であるため、WLVBプロセスで製造されたラミネートの厚さもより均一になります。加重のみで加圧するWL法で作製した積層板の厚みが不均一で、積層板の品質が不安定になります。試験結果は、WLVBサンプルの引張特性と衝撃特性の誤差範囲が小さいことを示しています。ラミネートの品質を安定させるためには、硬化時に均一な圧力を加えることが重要です。
WLVBプロセスは、少ない設備投資で複合材料を製造する分野にとって重要な推進力を持っています。WLVBプロセスは、他の調製プロセスと比較して、設備要件が簡単でプロセス技術が複雑でなく、製品のサイズや形状に制限がないなど、いくつかの利点があります。このプロセスは自由度が高く、金属、木材、プラスチック、または発泡体と統合できます。しかし、WLVBプロセスには、効率が低く、サイクルが長いなどの制限もあります。なお、主に小ロット生産に適しており、ラミネートの性能は作業者の熟練度や施工条件と密接に関係するため、高い歩留まりを実現するためには、製造プロセスを定量的に設計・最適化する必要があります。
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Disclosures
著者には利益相反はありません。
Acknowledgments
著者らは、中国国家重点研究開発プログラム(No.2022YFB3706503)および深セン自然科学基金の安定支援計画プログラム(No.20220815133826001)からの助成金に感謝します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
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