本文介绍了一种采用湿法手工铺层/真空袋法制造纤维增强聚合物基复合材料层压板的工艺。
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本文内容
摘要
摘要
传统的湿法手糊成型工艺（WL）已广泛应用于纤维复合材料层压板的制造。然而，由于成型压力不足，纤维质量分数降低，且内部会截留大量气泡，导致层压板质量较差（刚度和强度低）。湿法手糊/真空袋（WLVB）工艺是在传统湿法手糊成型工艺基础上发展而来的复合材料层压板制备方法，通过使用真空袋去除气泡并提供成型压力，随后进行加热固化过程。
与传统的手工铺层工艺相比，采用湿法真空袋（WLVB）工艺制备的复合材料层压板具有更优异的力学性能，包括更高的强度和刚度、更大的纤维体积分数以及更低的孔隙体积分数，这些优势均有利于提升复合材料层压板的整体性能。该工艺完全依赖人工操作，因而受制备人员技能水平的影响较大。因此，产品容易出现孔隙、厚度不均等缺陷，导致层压板的质量和力学性能不稳定。为此，有必要对WLVB工艺进行精细化描述，严格控制各操作步骤，并对材料配比进行量化，以确保层压板的力学性能。
本文详细描述了采用WLVB工艺制备编织平纹玻璃纤维增强复合材料层合板（GFRPs）的精细过程。层合板的纤维体积含量通过公式法计算，计算结果表明，WL层合板的纤维体积含量为42.04%，而WLVB层合板的纤维体积含量为57.82%，提高了15.78%。通过拉伸和冲击试验对层合板的力学性能进行了表征。实验结果表明，采用WLVB工艺后，层合板的强度和模量分别提高了17.4%和16.35%，比吸收能提高了19.48%。
引言
纤维增强聚合物复合材料（FRP）是一类通过将纤维增强体与聚合物基体混合制成的高强度材料1,2,3。由于其密度低、比刚度和比强度高、抗疲劳性能好以及优异的耐腐蚀性，该材料被广泛应用于航空航天4,5,6、建筑7,8、汽车9和海洋工程10,11等领域。常见的合成纤维包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维12。本文选择玻璃纤维作为研究对象。与传统钢材相比，玻璃纤维增强复合材料层板（GFRPs）更轻，密度不足钢材的三分之一，但可实现比钢材更高的比强度。
FRP的制备工艺包括真空辅助树脂传递模塑（VARTM）13、纤维缠绕（FW）
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方案
1. 材料准备
- 用剪刀裁剪八块300 mm × 300 mm的编织玻璃纤维布。裁剪后立即用胶带固定边缘，防止纤维丝脱落。
注意：裁剪纤维布时应佩戴口罩和手套，以防手指被刺伤或吸入纤维丝。除编织玻璃纤维布外，也可使用单向纤维布及其他类型的纤维材料，如碳纤维和芳纶纤维。 - 按照10:3的质量比，称取260 g环氧树脂和78 g固化剂。
注意：建议纤维布与树脂体系的比例为每平方米单层纤维布使用360 g环氧树脂体系。
2. 制备工艺
注意：图1 展示了手工铺层工艺中复合材料层压板制备的示意图，该工艺见第2节。
- WLVB
- 将织物放入烘箱中，在 60 °C 8 小时。
- 在亚克力板上贴上隔离膜，以防止树脂粘连。
- 将模具放置在铺设区域。
- 将树脂与固化剂缓慢混合5分钟，然后放入真空室中以抽出内部的气泡。
- 将非多孔性离型膜平铺于模具上，并用胶带在其周围固定。
- 将一层果皮薄片平铺在非多孔性离型膜上。
- 倒入环氧树脂，使用刮刀将树脂均匀涂布在整个膜上。 ....
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结果
表1展示了样品的纤维体积分数、平均厚度及制备工艺。G8-WLVB和G8-WL分别代表由8层玻璃纤维织物通过湿法手工铺层并使用和未使用真空袋工艺制成的层压板。显然，在真空袋辅助下，层压板的纤维体积分数提高了15.78%，平均厚度降低了16.27%。
通过WLVB和WL样品的拉伸试验获得的应力-应变曲线如图4所示。纵轴表示名义应力，由力除以横截面积得到；横轴表示名义应变，由DIC软件计算得出。可以看出，无论是WL样品还是WLVB样品，实验曲线均表现出良好的重复性。前两个样品与后三个样品并非在同一层压板中制备，但制备条件相同；因此，精确控制各步骤并量化材料配比至关重要。
WLVB 样品和 WL 样品的拉伸试验结果分别如表 2和表 3所示。拉伸曲线中观察到非线性行为。拉伸应力-应变曲线线性段的斜率代表弹性模量，拉伸应力-应变曲线纵轴上的最大值点代表强度。如表 .......
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讨论
本文重点介绍两种低成本的手糊成型方法的制备工艺。因此，选择了两种制备工艺在本文中进行详细描述，这两种工艺更简单、易于掌握、投资成本低，适用于实验室和小型工厂中材料改性后的生产。在层压板固化过程中，较高的压合压力对于制造高质量层压板具有重要作用。采用传统湿法铺层（WL）工艺而无足够外部压力时，可能导致树脂体积分数过高。高树脂体积分数是降低层压板力学性能的主要因素之一。本研究中描述了一种基于传统湿法铺层工艺、利用真空袋去除气泡并提供压力的制备方法。在此制备过程中，控制材料配比和操作步骤顺序至关重要。影响层压板力学性能的主要因素是纤维体积分数和孔隙率；因此，如步骤2.1.4、2.1.8和2.1.13中所述的去除气泡的操作步骤尤为关键。
为了比较由不同制造工艺制备的层压板的力学性能，进行了拉伸试验和低速冲击试验。本研究表明，采用 WLVB 工艺制备的层压板具有更优的力学性能，包括拉伸强度、拉伸模量和冲击能量吸收能力。结果表明，采用 WLVB 工艺制备的层压板在比吸能方面提高了 18.3%，拉伸强度和模量分别提高了 16.3% 和 14.6%。
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披露
作者不存在任何利益冲突。
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（编号：2022YFB3706503）和深圳市自然科学基金稳定支持计划项目（编号：20220815133826001）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 透气织物 | Easy composites | BR180 | |
| 落锤冲击试验机 | Instron | 9340 | |
| 环氧树脂基体 | Axson Technologies | 5015/5015 | |
| 玻璃纤维 | 威海光威复合材料 | W-9311 | |
| 无孔脱模膜 | Easy composites | R240 | |
| 脱模布 | 中复神鹰 | CVP200 | |
| 打孔脱模膜 | Easy composites | R120-P3 | |
| 试验机 | ZwickRoell | 250kN | |
| 真空袋膜 | Easy composites | GVB200 |
参考文献
- 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.
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