Experimentelle Umsetzung einer neuen Composite Fertigung-Methode: Verfügbarmachen nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche durch die weiche Schicht-Methode

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, einen faserverstärkten Verbundwerkstoff herzustellen, bei dem auf der Oberfläche unbeschichtete Fasern freiliegen, ohne dass eine Oberflächenbehandlung erforderlich ist. Mithilfe dieser Technik können unbeschichtete Fasern auf der Oberfläche eines Verbundwerkstoffs freigelegt werden, ohne aufwendige und ineffiziente Oberflächenbehandlungen einsetzen zu müssen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie die elektrische Leitfähigkeit und die mechanischen Festigkeiten des Verbundwerkstoffs verbessert.

Diese Technik zeichnet sich außerdem durch eine hohe Produktivität aus. Um ein unidirektionales Kohlenstoffaser-Gewebe, das mit Epoxidharz vorimprägniert ist, herzustellen, stapeln Sie Quadrate des Prepregs mit einem Faservolumenanteil von 50 bis 60 % in einer Abfolge mit 0-Grad- und 90-Grad-Orientierungen, um ein Aufspalten des Verbundwerkstoffs zu vermeiden. Um jedes Quadrat des Prepregs aus glattem Kohlenstoffasergewebe vorzubereiten, reinigen Sie das Gewebe zunächst mit Aceton oder Ethanol.

Legen Sie das Gewebe auf eine saubere Oberfläche oder auf ein fusselfreies Labor-Tupfer und lassen Sie das Aceton unter Umgebungsbedingungen verdunsten. Entfernen Sie eine Unterlage einer Folie aus Epoxidharz mit einer Aushärtungstemperatur von 125 Grad Celsius. Bringen Sie eine einzelne Folie aus Epoxidharz auf dem sauberen Kohlenstoffgewebe an.

Legen Sie das Gewebe mit der Epoxidseite nach unten auf eine Heizplatte bei 70 Grad Celsius. Erhitzen Sie das Gewebe 10 Sekunden lang, um es vorab mit Epoxidharz zu imprägnieren. Lassen Sie das Prepreg-Gewebe 10 Minuten lang unter Umgebungsbedingungen abkühlen.

Entfernen Sie anschließend die restliche Trägerschicht von der mit Epoxid beschichteten Seite. Stapeln Sie das Gewebe-Prepreg in der gewünschten Reihenfolge, um den Verbundwerkstoff aus geschnürtem Kohlenstoffasergewebe zu bilden. Um einen Vlies-Verbundstoff aus Kohlenstofffasern herzustellen, bringen Sie auf jede Seite eines sauberen, trockenen Kohlenstoffvlieses jeweils ein dreilagiges Epoxid-Blatt auf.

Erhitzen Sie die mit Epoxidharz beschichteten Seiten des Vlieses bei 70 Grad Celsius jeweils 10 Sekunden lang unter Anwendung von Masse von oben. Lassen Sie das Prepreg-Vlies 10 Minuten lang abkühlen und ziehen Sie anschließend die restlichen Trägerfolien ab. Waschen Sie danach Schichten aus 25 Mikrometer dickem, nicht perforiertem Freigabefolie aus fluorierter Ethylenpropylenverbindung mit Ethanol oder Aceton.

Trocknen Sie die FEP-Blätter vorsichtig mit fusselfreien Tüchern ab, ohne Falten oder Punktbrüche zu verursachen. Stellen Sie sicher, dass die Blätter frei von Verunreinigungen und Partikeln sind. Legen Sie danach jedes saubere, trockene Blatt zwischen fusselfreie Tücher und lagern Sie die Blätter in einem staubfreien, sauberen Kunststoffbehälter.

Um die Herstellung des Verbundwerkstoffs zu beginnen, tragen Sie Silikon-Trennmittel auf die Pressform auf. Wischen Sie die Form mit fusselfreien Tüchern ab, sodass nur eine dünne Schicht Trennmittel zurückbleibt. Schneiden Sie anschließend ein Stück des vorbereiteten Kohlenstofffaser-Laminsats auf eine Größe zu, die geringfügig kleiner ist als der Formhohlraum.

Legen Sie ein Blatt saubere FEP-Folie mit einer Dicke von 25 Mikrometern auf die untere Form. Legen Sie das Laminat auf die Form und bedecken Sie es je nach Fasertyp mit einer 25 oder 100 Mikrometer dicken FEP-Folie. Glätten Sie die Folie vorsichtig, sodass keine Luftblasen zwischen der weichen Schicht und dem Laminat verbleiben.

Dann schließen Sie die Pressform. Heizen Sie eine Heißpresse auf 150 Grad Celsius auf und stellen Sie die Pressform in die Presse. Bei unidirektionalen Faserverbundwerkstoffen kontinuierlich 20 Megapascal für 30 Minuten anwenden.

Bei einem gewebten Verbundwerkstoff 20 Megapascal für vier Minuten anwenden, den Druck entlasten und sofort erneut 20 Megapascal anwenden. Dieses Entlüften des Materials derart durchführen, bis die Viskosität des Harzes zu steigen beginnt. Anschließend den Druck bei 20 Megapascal halten, bis der Verbundwerkstoff insgesamt 30 Minuten lang ausgehärtet hat.

Erhöhen Sie bei einem Filzverbundstoff den Druck langsam auf drei Megapascal, wobei darauf geachtet werden muss, das Ziel nicht zu überschreiten. Härten Sie das Material bei drei Megapascal 30 Minuten lang aus. Sobald die Probe ausgehärtet ist, kühlen Sie die Pressform, ohne den Druck abzulassen, auf unter 120 Grad Celsius ab.

Danach den Druck abbauen, die Form entfernen und die hergestellte Probe entformen. Aufnahmen der Rasterelektronenmikroskopie, die bei einem Neigungswinkel von fünf Grad angefertigt wurden, zeigten, dass die Fasern in Verbundwerkstoffen, die mit der Weichschichtmethode hergestellt wurden, im Vergleich zu herkömmlichem Pressformen deutlicher sichtbar waren. Dies wurde der Eliminierung der harzreichen Schicht an der Oberseite des Verbundwerkstoffs zugeschrieben.

Trotz der Entfernung der Epoxidharzschicht wiesen die Fasern keine sichtbaren Defekte auf. Die elektrische Leitfähigkeit durch die Dicke war bei Verbundwerkstoffen, die mit der Weichschicht-Methode hergestellt wurden, höher, was einer Verringerung des flächenspezifischen Widerstands auf unter 20 Milliohm pro Quadratzentimeter bei einem Verdichtungsdruck von 1,38 Megapascal entspricht. Die gemessenen Zugfestigkeiten der Weichschicht-Verbundwerkstoffe waren vergleichbar mit denen, die durch das konventionelle Kompressionsverfahren hergestellt wurden.

Die gewebten Stoff- und Filzverbundstoffe zeigten Zunahmen von 22 % bzw. 15 %. Diese Zunahmen wurden darauf zurückgeführt, dass die weiche Schicht einen gleichmäßigen Druck über die Oberfläche des Verbundstoffs ausübt. Indem Sie dieses Verfahren befolgen, können Sie problemlos einen faserausgelegten Verbundstoff herstellen.

Der Mechanismus ist einfach. Und bei gutem Verständnis Ihres Materials ist die Umsetzung noch einfacher. Denken Sie beim Durchführen dieses Verfahrens daran, es auf Ihre spezifische Anwendung abzustimmen.

Berücksichtigen Sie die Aushärtungsbedingungen des Verbundwerkstoffs und die thermischen Eigenschaften der weichen Schicht und passen Sie das Verfahren entsprechend an, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.