Name: Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-30T14:40:00.000+00:00
Duration: 9 min 54 s
Description: Erfahren Sie die Herstellung von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten mittels Nass-Handlaminier- und Vakuumbeutelverfahren. Diese Methode verbessert die Grenzflächenzähigkeit und mechanische Stabilität für Materialwissenschaft.

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Die Autoren bedanken sich für die Zuschüsse aus dem National Key Research and Development Program of China (Nr. 2022YFB3706503) und dem Stable Support Plan Program des Shenzhen Natural Science Fund (Nr. 20220815133826001).

1. Vorbereitung des Materials
<ol><li>Schneiden Sie mit einer Schere acht Stücke 300 mm x 300 mm Glasfasergewebe zu. Klebe den Schnitt zuerst mit Klebeband ab, um zu verhindern, dass die Faserfäden abfallen. HINWEIS: Tragen Sie eine Maske und Handschuhe, um beim Schneiden des Stoffes ein Stechen in den Finger und das Einatmen von Filamenten zu vermeiden. Nicht nur das gewebte Glasfasergewebe, sondern auch unidirektionales Gewebe und andere Faserarten wie Kohlefaser und Aramidfaser sind ebenfalls erhältlich.</li>
	<li>260 g Epoxidharz und 78 g Härter nach dem Massenverhältnis von 10:3 abwiegen. HINWEIS: Das Verhältnis von Fasergewebe und Harzsystem wird auf 360 g Epoxidharzsystem pro Quadratmeter einlagigem Fasergewebe geschätzt.</li>
</ol>2. Herstellungsprozess
ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt das Schema der Herstellung von Verbundlaminat für den Handlaminatprozess, der in Abschnitt 2 dargestellt ist.
<ol><li>WLVB<ol>
<li>Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.</li>
		<li>Kleben Sie eine Isolierfolie auf die Acrylplatte, um zu verhindern, dass sich das Harz verklebt.</li>
		<li>Stellen Sie die Form auf die Legefläche.</li>
		<li>Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.</li>
		<li>Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.</li>
		<li>Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.</li>
		<li>Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 2.1.7 und 2.1.8, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.</li>
		<li>Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie und ein Entlüftungsgewebe aus.</li>
		<li>Platzieren Sie den Saugkanal und das atmungsaktive Pad auf einer Seite.</li>
		<li>Kleben Sie einen Kreis aus hitzebeständigem Klebeband mit einer Acrylplatte außerhalb der Form und befestigen Sie den Vakuumbeutel mit dem Klebeband, um einen geschlossenen Raum zu bilden.</li>
		<li>Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um 1 bar Druck für 10 Stunden bei Raumtemperatur zu drücken. Schließen Sie dann die Vakuumpumpe und lassen Sie sie 14 Stunden lang ruhen.</li>
		<li>Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.</li>
		<li>Messen Sie den Faservolumenanteil mit den Gleichungen (1-3)38,39. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq01.jpg" style="margin: auto;">(1) <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq02.jpg" style="margin: auto;">(2) <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/65376/65376eq03.jpg" style="margin: auto;">(3) n ist die Anzahl der Schichten des Laminats, ρ Faser ist die Flächendichte des Fasergewebes des Herstellers, AFaser ist die Fläche des Laminats, m Faser ist die Masse des Fasergewebes, m insgesamt ist die Masse des Laminats, ρ Epoxid ist die Dichte des Epoxids, v Epoxid und v insgesamt sind die Volumina von Epoxid bzw. Laminat und ist der Faservolumenanteil.</li>
	</ol>
</li>
	<li>WL<ol>
<li>Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.</li>
		<li>Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.</li>
		<li>Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.</li>
		<li>Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.</li>
		<li>Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 2.2.5 und 2.2.6, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.</li>
		<li>Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.</li>
		<li>Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie, ein Entlüftungsgewebe und eine porenfreie Trennfolie aus.</li>
		<li>Legen Sie eine Aluminiumplatte mit der gleichen Größe wie das Fasergewebe darauf.</li>
		<li>Halten Sie die Ruhe bei Raumtemperatur für 14 Stunden aufrecht.</li>
		<li>Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. Charakterisierung der Schlageigenschaften
HINWEIS: Es gibt viele Methoden für die Schlagprüfung von Verbundlaminaten. Bei Aufprallbedingungen mit niedriger Geschwindigkeit ist die am häufigsten verwendete Methode der Fallgewichtsaufpralltest, während bei Aufprallbedingungen mit hoher Geschwindigkeit oder ultrahoher Geschwindigkeit die häufig verwendete Methode die Geschossaufprallmethode ist. In dieser Studie wurde der Fallgewichts-Aufpralltest angewendet. Die Ausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.
<ol><li>Schneiden Sie einen Satz von 150 mm x 100 mm großen Proben aus GFK für einen Schlagversuch gemäß ASTM D7136 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine.</li>
	<li>Messen Sie das Gewicht und die Größe jeder Probe.</li>
	<li>Fixieren Sie die Positionen der Proben mit Positionierungsnägeln in der Mitte der Proben, die der Impaktor bei jedem Test kontaktieren kann.</li>
	<li>Befestigen Sie die Probe mit vier Gummispitzen auf der Schlagstützvorrichtung.</li>
	<li>Führen Sie den Schlagversuch mit einem Fallgewichts-Schlagturm bei einem Energieniveau von 10 J durch. Schalten Sie die Fallhammer-Prüfmaschine ein und klicken Sie auf Verbinden , um den Controller mit der Dropdown-Liste zu verbinden, und klicken Sie dann auf Home | Vor dem Test. Stellen Sie die Schlagenergie auf 10 J und die Zusatzmasse auf 2 kg ein. Geben Sie die Messdicke (2,1 mm für die WLVB-Proben und 2,5 mm für die WL-Proben) ein, um die Höhe des Impaktors zu bestimmen, und klicken Sie auf Start , um das Experiment zu starten.</li>
	<li>Zeichnen Sie die Daten zur Aufprallreaktion auf, einschließlich Kraft, Durchbiegung und Energieverlauf.</li>
	<li>Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Aufprall auf.</li>
	<li>Wiederholen Sie den Schlagtest fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.</li>
	<li>Berechnen und vergleichen Sie die Daten von Stichproben.</li>
</ol>4. Charakterisierung der Zugeigenschaften
<ol><li>Schneiden Sie einen Satz von 250 mm x 25 mm großen Proben aus den Laminaten für einen Zugversuch gemäß ASTM D3039 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine mit einem Diamantschneider.</li>
	<li>Messen Sie die Größe jeder Probe mit einem Messschieber.</li>
	<li>Verwenden Sie Epoxidkleber, um vier 50 mm x 25 mm x 2 mm große Aluminiumlaschen an beiden Enden der Probe zu kleben, um eine Spannungskonzentration zu vermeiden.</li>
	<li>Sprühen Sie eine dünne Schicht weißer Farbe auf die Vorderseite der Probe und sprühen Sie dann schwarze Sprenkel.</li>
	<li>Platzieren Sie die Probe in der Mitte der Klemmen der Zugprüfmaschine und richten Sie das Bilderfassungssystem ein, wie in Abbildung 3 dargestellt.</li>
	<li>Um die Genauigkeit der Dehnungsdaten zu gewährleisten, variieren Sie die Position der Probe so, dass sie sich in der Mitte des Aufnahmebereichs der Kamera und in einer vertikalen Position befindet. Passen Sie außerdem die Brennweite und die Belichtungszeit der Kamera an, um sicherzustellen, dass die Flecken auf der Probe klar erfasst werden.</li>
	<li>Führen Sie den Zugversuch durch. Klicken Sie auf TEST KONFIGURIEREN. Stellen Sie die Prüfgeschwindigkeit auf 0,5 mm/min ein. Klicken Sie auf Beispieldaten. Geben Sie die Messbreite und -dicke der Proben ein. Klicken Sie auf " Start" und dann auf " Aktuelle Position übernehmen". Notieren Sie die Ladezeitdaten.</li>
	<li>Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Zugversuch auf.</li>
	<li>Wiederholen Sie den Zugversuch fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.</li>
	<li>Verwenden Sie eine Software zur digitalen Bildkorrelation (DIC), um die Nenndehnung der Probe während des Zugversuchs zu messen.</li>
	<li>Klicken Sie auf Bild mit Längenskala , um die Länge der Pixel zu kalibrieren, klicken Sie auf Referenzbild, und wählen Sie das erste Bild als Referenzbild aus. Klicken Sie auf Deformiertes Bild und wählen Sie die verbleibenden Bilder als deformierte Bilder aus. Klicken Sie auf Zeichentools | Wählen Sie ein Rechteck aus, um den Messbereich auszuwählen. Klicken Sie auf Extensometer, legen Sie die Länge des Extensometers auf 100 mm fest, und klicken Sie dann auf Verarbeitung | Starten Sie die Korrelation.</li>
	<li>Teilen Sie die Last durch die Querschnittsfläche, um die Nennspannung zu erhalten.</li>
	<li>Kombinieren Sie die Nenndehnung aus der DIC-Messung und die Nennspannung aus der Zugprüfmaschine.</li>
	<li>Wählen Sie die Steigung des linearen Segments der Dehnungs-Spannungs-Kurve als Elastizitätsmodul. Wählen Sie den Spitzenwert der Zugkraft-Zeit-Kurve als Festigkeit.</li>
	<li>Vergleichen Sie den Elastizitätsmodul und die Festigkeit von Proben.</li>
</ol>

Herstellung und Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Faserverbundlaminaten

<ol><li>Ramesh, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flax+%28Linum+usitatissimum+L.%29+fibre+reinforced+polymer+composite+materials%3A+A+review+on+preparation%2C+properties+and+prospects%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Flax (Linum usitatissimum L.) fibre reinforced polymer composite materials: A review on preparation, properties and prospects.</a> Progress in Materials Science. 102, 109-166 (2019).</li>
<li>Singh, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimum+design+based+on+fabricated+natural+fiber+reinforced+automotive+brake+friction+composites+using+hybrid+CRITIC-MEW+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Research+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Optimum design based on fabricated natural fiber reinforced automotive brake friction composites using hybrid CRITIC-MEW approach.</a> Journal of Materials Research and Technology. 14, 81-92 (2021).</li>
<li>Li, Z. -J., Dai, H. -L., Liu, Z. -G., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-CT+based+parametric+modeling+and+damage+analysis+of+three-dimensional+rotary-five-directional+braided+composites+under+tensile+load%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Micro-CT based parametric modeling and damage analysis of three-dimensional rotary-five-directional braided composites under tensile load.</a> Composite Structures. 309, 116734(2023).</li>
<li>Rodríguez-García, V., de Villoria, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+manufacturing+of+bio-inspired+carbon-fibre+reinforced+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">Automated manufacturing of bio-inspired carbon-fibre reinforced polymers.</a> Composites Part B: Engineering. 215, 108795(2021).</li>
<li>Atas, C., Akgun, Y., Dagdelen, O., Icten, B. M., Sarikanat, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+experimental+investigation+on+the+low+velocity+impact+response+of+composite+plates+repaired+by+VARIM+and+hand+lay-up+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">An experimental investigation on the low velocity impact response of composite plates repaired by VARIM and hand lay-up processes.</a> Composite Structures. 93 (3), 1178-1186 (2011).</li>
<li>Found, M. S., Friend, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+CFRP+panels+with+scarf+repair+patches%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Evaluation of CFRP panels with scarf repair patches.</a> Composite Structures. 32 (1-4), 115-122 (1995).</li>
<li>Das, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Urologic+laparoscopy%3A+The+future+is+now%5BTitle%5D)+AND+%22The+Urologic+Clinics+of+North+America%22%5BJournal%5D)">Urologic laparoscopy: The future is now.</a> The Urologic Clinics of North America. 28 (1), 1-3 (2001).</li>
<li>Zhang, J., Chaisombat, K., He, S., Wang, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+composite+laminates+reinforced+with+glass%2Fcarbon+woven+fabrics+for+lightweight+load+bearing+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+%26+Design+%281980-2015%29%22%5BJournal%5D)">Hybrid composite laminates reinforced with glass/carbon woven fabrics for lightweight load bearing structures.</a> Materials & Design (1980-2015). 36, 75-80 (2012).</li>
<li>Caltagirone, P. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">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.</a> Composites Part B: Engineering. 221, 109007(2021).</li>
<li>Kini, M. V., Pai, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ageing+effect+on+static+and+dynamic+mechanical+properties+of+fibre+reinforced+polymer+composites+under+marine+environment-+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%3A+Proceedings%22%5BJournal%5D)">The ageing effect on static and dynamic mechanical properties of fibre reinforced polymer composites under marine environment- a review.</a> Materials Today: Proceedings. 52, 689-696 (2022).</li>
<li>Kolat, K., Neşer, G., Özes, Ç <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+sea+water+exposure+on+the+interfacial+fracture+of+some+sandwich+systems+in+marine+use%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">The effect of sea water exposure on the interfacial fracture of some sandwich systems in marine use.</a> Composite Structures. 78 (1), 11-17 (2007).</li>
<li>Kretsis, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+the+tensile%2C+compressive%2C+flexural+and+shear+properties+of+hybrid+fibre-reinforced+plastics%5BTitle%5D)+AND+%22Composites%22%5BJournal%5D)">A review of the tensile, compressive, flexural and shear properties of hybrid fibre-reinforced plastics.</a> Composites. 18 (1), 13-23 (1987).</li>
<li>Kim, J. -H., Shin, P. -S., Kwon, D. -J., DeVries, K. L., Park, J. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+interfacial%2C+dispersion%2C+and+thermal+properties+of+carbon+Fiber%2FABC+added+epoxy+composites+manufactured+by+VARTM+and+RFI+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+A%3A+Applied+Science+and+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Evaluation of interfacial, dispersion, and thermal properties of carbon Fiber/ABC added epoxy composites manufactured by VARTM and RFI methods.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 151, 106660(2021).</li>
<li>Vargas-Rojas, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prescriptive+comprehensive+approach+for+the+engineering+of+products+made+with+composites+centered+on+the+manufacturing+process+and+structured+design+methods%3A+Review+study+performed+on+filament+winding%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">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.</a> Composites Part B: Engineering. 243, 110093(2022).</li>
<li>Pishvar, M., Amirkhosravri, M., Altan, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnet+assisted+composite+manufacturing%3A+a+flexible+new+technique+for+achieving+high+consolidation+pressure+in+vacuum+bag%2Flay-up+processes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Magnet assisted composite manufacturing: a flexible new technique for achieving high consolidation pressure in vacuum bag/lay-up processes.</a> Journal of Visualized Experiments. (135), e57254(2018).</li>
<li>Lee, D., Lee, D. G., Lim, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+implementation+of+a+new+composite+fabrication+method%3A+exposing+bare+fibers+on+the+composite+surface+by+the+soft+layer+method%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Experimental implementation of a new composite fabrication method: exposing bare fibers on the composite surface by the soft layer method.</a> Journal of Visualized Experiments. (128), e55815(2017).</li>
<li>Frey, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+and+design+of+wood-based+high-performance+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Fabrication and design of wood-based high-performance composites.</a> Journal of Visualized Experiments. (153), e60327(2019).</li>
<li>Li, P. C., Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Operation+of+the+collaborative+composite+manufacturing+%28CCM%29+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Operation of the collaborative composite manufacturing (CCM) system.</a> Journal of Visualized Experiments. (152), e59969(2019).</li>
<li>Taheri-Behrooz, F., Esmkhani, M., Yaghoobi-Chatroodi, A., Ghoreishi, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Out-of-plane+shear+properties+of+glass%2Fepoxy+composites+enhanced+with+carbon-nanofibers%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Testing%22%5BJournal%5D)">Out-of-plane shear properties of glass/epoxy composites enhanced with carbon-nanofibers.</a> Polymer Testing. 55, 278-286 (2016).</li>
<li>Taheri-Behrooz, F., Bakhshan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristic+length+determination+of+notched+woven+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Composite+Materials%22%5BJournal%5D)">Characteristic length determination of notched woven composites.</a> Advanced Composite Materials. 27 (1), 67-83 (2018).</li>
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<li>Cetin, A., Uzay, C., Geren, N., Bayramoglu, M., Tutuncu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+practical+approach+to+predict+the+flexural+properties+of+woven+plain+carbon+fiber%2Fepoxy+laminates%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+of+Advanced+Materials+and+Structures%22%5BJournal%5D)">A practical approach to predict the flexural properties of woven plain carbon fiber/epoxy laminates.</a> Mechanics of Advanced Materials and Structures. 30 (9), 1801-1811 (2023).</li>
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</ol>

Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.

Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden unterschiedlichen Herstellungsverfahren für das Handlaminierverfahren mit geringen Kosten. Daher wurden zwei Herstellungsverfahren ausgewählt, die in diesem Artikel sorgfältig beschrieben werden, die einfacher, leichter zu beherrschen und niedrigere Investitionskosten haben und für die Produktion mit Materialmodifikation in Labors und kleinen Fabriken geeignet sind. Bei der Aushärtung von Laminaten spielt ein hoher Verfestigungsdruck eine wichtige Rolle bei der Herstellung vo...

Faserverstärkter Polymerverbundwerkstoff (FVK) ist eine Art hochfestes Material, das durch Mischen von Faserverstärkung und Polymermatrizenhergestellt wird 1,2,3. Es wird aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, seiner Ermüdungseigenschaften und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt 4,5,6, im Bauwesen7,8, in der Automobilindustrie 9 und in der Schifffahrt10,11 eingesetzt. Zu den gängigen synthetischen Fasern gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern12. Glasfaser wurde für die Untersuchung in dieser Arbeit ausgewählt. Im Vergleich zu herkömmlichem Stahl sind glasfaserverstärkte Verbundlaminate (GFK) leichter, mit weniger als einem Drittel der Dichte, können aber eine höhere spezifische Festigkeit als Stahl erreichen.
Der Herstellungsprozess von GFK umfasst vakuumunterstütztes Harztransferformen (VARTM)13, Filament Winding (FW)14 und Prepreg-Molding sowie viele andere fortschrittliche Fertigungsverfahren15,16,17,18. Im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren hat das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) mehrere Vorteile, darunter einfache Anlagenanforderungen und unkomplizierte Verfahrenstechnik, und die Produkte sind nicht durch Größe und Form eingeschränkt. Dieses Verfahren hat einen hohen Freiheitsgrad und kann mit Metall, Holz, Kunststoff oder Schaumstoff integriert werden.
Das Prinzip des WLVB-Verfahrens besteht darin, einen höheren Formdruck durch Vakuumbeutel auszuüben, um die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Laminate zu verbessern. Die Produktionstechnologie dieses Verfahrens ist leicht zu beherrschen, was es zu einem wirtschaftlichen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen macht. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess detailliert zu beschreiben, die Schritte fein zu kontrollieren und den Materialanteil zu quantifizieren, um eine hohe Stabilität der mechanischen Eigenschaften von Laminaten zu erhalten.
Die meisten Forscher haben das quasi-statische 19,20,21,22,23 und das dynamische Verhalten 24,25,26,27,28 sowie die Eigenschaftsmodifikation 29,30 von Verbundwerkstoffen untersucht. Das Verhältnis von Volumenanteil von Faser zu Matrix spielt eine entscheidende Rolle für die mechanischen Eigenschaften von FVK-Laminat. In einem geeigneten Bereich kann ein höherer Volumenanteil der Faser die Festigkeit und Steifigkeit von GFK-Laminat verbessern. Andrew et al.31 untersuchten den Einfluss des Faservolumenanteils auf die mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem Faservolumenanteil von 22,5 % die Zugfestigkeitseffizienz ihr Maximum erreichte und eine leichte Verbesserung der Festigkeit beobachtet wurde, als der Faservolumenanteil 33 % erreichte. Khalid et al.32 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von endlosen kohlenstofffaserverstärkten 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Faservolumenanteilen, und die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Zugfestigkeit als auch die Steifigkeit mit dem Anstieg des Fasergehalts verbessert wurden. Uzay et al.33 untersuchten die Auswirkungen von drei Herstellungsmethoden - Handlaminieren, Formpressen und Vakuumbeuteln - auf die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Der Faservolumenanteil und der Hohlraum der Laminate wurden gemessen, Zug- und Biegeversuche durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die mechanischen Eigenschaften umso besser sind, je höher der Faservolumenanteil ist.
Hohlräume sind einer der häufigsten Defekte bei GFK-Laminat. Hohlräume verringern die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, wie z. B. Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit34. Die um die Hohlräume herum erzeugte Spannungskonzentration fördert die Ausbreitung von Mikrorissen und verringert die Grenzflächenfestigkeit zwischen Bewehrung und Matrix. Interne Hohlräume beschleunigen auch die Feuchtigkeitsaufnahme von GFK-Laminat, was zu einer Grenzflächenablösung und Leistungseinbußen führt. Daher beeinträchtigt das Vorhandensein von inneren Hohlräumen die Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffen und schränkt ihre breite Anwendung ein. Zhu et al.35 untersuchten den Einfluss des Hohlraumgehalts auf die statischen interlaminaren Scherfestigkeitseigenschaften von CFK-Verbundlaminaten und stellten fest, dass eine Erhöhung des Hohlraumgehalts um 1 % im Bereich von 0,4 % bis 4,6 % zu einer Verschlechterung der interlaminaren Scherfestigkeit um 2,4 % führte. Scott et al.36 stellten den Einfluss von Hohlräumen auf den Schädigungsmechanismus in CFK-Verbundlaminaten unter hydrostatischer Belastung mittels Computertomographie (CT) dar und stellten fest, dass die Anzahl der Hohlräume das 2,6-5-fache der Anzahl der zufällig verteilten Risse beträgt.
Hochwertige und zuverlässige GFK-Laminate können mit einem Autoklaven hergestellt werden. Abraham et al.37 stellten Laminate mit geringer Porosität und hohem Fasergehalt her, indem sie eine WLVB-Baugruppe zum Aushärten in einen Autoklaven mit einem Druck von 1,2 MPa legten. Dennoch ist der Autoklav ein großes und teures Gerät, was zu erheblichen Herstellungskosten führt. Obwohl das vakuumgestützte Harztransferverfahren (VARTM) schon seit langem im Einsatz ist, hat es eine Grenze in Bezug auf den Zeitaufwand, einen komplizierteren Präparationsprozess und mehr Einweg-Verbrauchsmaterialien wie Umleitungsröhrchen und Umleitungsmedien. Im Vergleich zum WL-Verfahren kompensiert das WLVB-Verfahren einen unzureichenden Formdruck durch einen kostengünstigen Vakuumbeutel, der überschüssiges Harz aus dem System absorbiert, um den Faservolumenanteil zu erhöhen und den inneren Porengehalt zu reduzieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Laminats erheblich verbessert werden.
Diese Studie untersucht die Unterschiede zwischen dem WL-Prozess und dem WLVB-Prozess und beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses. Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften von Laminaten wurden durch Zug- und Schlagversuche charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.

<table><tbody><tr><td>Entlüftungsgewebe</td><td>Easy Composites</td><td>BR180</td><td></td></tr><tr><td>Fallgewichts-Schlagprüfmaschine</td><td>Instron</td><td>9340</td><td></td></tr><tr><td>Epoxidmatrix</td><td>Axson Technologies</td><td>5015/5015</td><td></td></tr><tr><td>Glasfaser</td><td>Weihai Guangwei Composites</td><td>W-9311</td><td></td></tr><tr><td>nicht poröse Trennfolie</td><td>Easy Composites</td><td>R240</td><td></td></tr><tr><td>Abreißgewebe & nbsp;</td><td>Sino Composite</td><td>CVP200</td><td></td></tr><tr><td>perforierte Trennfolie</td><td>Easy composites</td><td>R120-P3</td><td></td></tr><tr><td>Prüfmaschine</td><td>ZwickRoell</td><td>250kN</td><td></td></tr><tr><td>Vakuumfolie</td><td>Easy composites</td><td>GVB200</td><td></td></tr></tbody></table>

messung der mechanischen eigenschaften von glasfaserverstärkten polymer-verbundlaminaten, die durch verschiedene herstellungsverfahren erhalten werden

Measuring the Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforcement Polymer Composite Laminates Obtained by Different Fabrication Processes

Das traditionelle Nasshand-Lay-up-Verfahren (WL) ist bei der Herstellung von Faserverbundlaminaten weit verbreitet. Aufgrund des unzureichenden Umformdrucks verringert sich jedoch der Massenanteil der Faser und es werden viele Luftblasen im Inneren eingeschlossen, was zu minderwertigen Laminaten (geringe Steifigkeit und Festigkeit) führt. Das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) für die Herstellung von Verbundlaminaten basiert auf dem traditionellen Nass-Hand-Lay-up-Verfahren, bei dem ein Vakuumbeutel verwendet wird, um Luftblasen zu entfernen und Druck zu erzeugen, und dann der Erhitzungs- und Aushärtungsprozess durchgeführt wird. 
Im Vergleich zum traditionellen Handlaminierverfahren weisen Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, überlegene mechanische Eigenschaften auf, einschließlich besserer Festigkeit und Steifigkeit, höherer Faservolumenanteil und geringerer Hohlraumvolumenanteil, was alles Vorteile für Verbundlaminate sind. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess genau zu beschreiben, Schritte fein zu steuern und Materialverhältnisse zu quantifizieren, um die mechanischen Eigenschaften von Laminaten sicherzustellen. 
Dieser Artikel beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses zur Herstellung von gewebten, glatt gemusterten Glasfaserverstärkungslaminaten (GFKs). Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die berechneten Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften der Laminate wurden mittels Zug- und Schlagversuchen charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.

Tabelle 1 zeigt den Faservolumenanteil, die durchschnittliche Dicke und den Herstellungsprozess der Proben. Das G8-WLVB und das G8-WL stellen die Laminate dar, die aus 8-lagigem Glasgewebe bestehen, die im Nasshandlaminierverfahren mit bzw. ohne Vakuumbeutelverfahren hergestellt werden. Offensichtlich haben Laminate mit der Vakuumbeutelunterstützung eine Zunahme des Faservolumenanteils um 15,78 % sowie eine Verringerung der durchschnittlichen Dicke um 16,27 %.
Die Dehnungs-Spa...

In diesem Artikel wird ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Polymermatrix-Verbundlaminate beschrieben, die mit dem Nasshandlaminier-/Vakuumbeutelverfahren gewonnen werden.

Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden

The traditional wet hand lay-up process (WL) has been widely applied in the manufacturing of fiber composite laminates. However, due insufficiency in the ...

Unsere Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung der Grenzflächenzähigkeit und der beeinträchtigten Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen. Wir versuchen, die beeinträchtigte Beständigkeit von Faserverbundwerkstoffen durch den Einbau von Nanopartikeln zu verbessern. Eine der häufigsten Herausforderungen bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen ist die mangelnde Wiederholbarkeit.Durch die präzise Steuerung der Fertigungstiefe und die Quantifizierung der Materialanteile können wir Laminate mit sehr stabilen mechanischen Eigenschaften erhalten. Dieser Ansatz gewährleistet ein hochgradig wiederholbares Testergebnis über verschiedene Chargen hinweg. Das eWLB-Verfahren zur Herstellung von Verbundlaminaten verwendet einen Vakuumbeutel, um Luftblasen zu entfernen.Im Vergleich zu anderen Verfahren hat dieses Verfahren viele Vorteile. Es erfordert eine einfache Ausrüstung, beinhaltet Prozesstechnologien, die nicht kompliziert sind, und die Produkte sind auch nicht durch Größe oder Form eingeschränkt.

measuring-mechanical-properties-glass-fiber-reinforcement-polymer

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Die Integration von leitfähigen Nanopartikel, wie Graphen Nanoplättchen, in Glasfaser-Verbundmaterialien erzeugt eine intrinsische elektrische Netzwerk anfällig für Belastung. Hier sind verschiedene Verfahren zu erhalten, Dehnungssensoren auf der Basis der Zugabe von Graphen Nanoplättchen in die Epoxidmatrix oder als Beschichtung auf Glasgewebe vorgeschlagen.

Dehnungsmess Basierend auf Multiskalige Composite Materials Verstärkt durch Graphene Nanoplättchen

Ein Protokoll zum nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche verfügbar zu machen, durch den Wegfall von Harz reichen Gegend präsentiert. Die Fasern sind bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen, nicht durch die Post Oberflächenbehandlung ausgesetzt. Die exponierte Carbon Composites weisen hohe elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung der durch dicke und hohe mechanische Eigenschaften.

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

Eine neue Technik zur Konsolidierung Druck auf die Vakuum-Beutel-Lay-up, zusammengesetzte Laminate zu fabrizieren ist beschrieben. Das Ziel dieses Protokolls ist es, eine einfache und kostengünstige Technik zur Verbesserung der Qualität von Laminaten hergestellt durch die nasse Lay-up-Vakuum-Beutel-Methode zu entwickeln.

Magnet unterstützt Composite Fertigung: Eine Flexible neue Technik für die Erreichung hoher Konsolidierungsdruck im Vakuum Tasche/Lay-Up-Prozesse

Das primäre Ziel der Studie ist es, ein Protokoll, um konsistente Proben vorbereiten für präzise mechanische Prüfung von hochfesten Copolymer-Aramid-Fasern, durch das Entfernen einer Beschichtung und entwirrt die einzelnen Faserstränge ohne signifikante entwickeln chemischen oder physikalischen Abbau.

Entwirren hohe Festigkeit-Copolymer-Aramid-Fasern um die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften ermöglichen

Ziel der Studie war es, Protokolle zur Vorbereitung konsistenter Proben für genaue mechanische Tests von hochfestem Aramid oder ultrahochmolaren Polyethylen-basierten flexiblen unidirektionalen Verbundlaminatmaterialien zu entwickeln und Protokolle für die künstliche Alterung dieser Materialien.

Schneidverfahren, Zugprüfung und Alterung flexibler unidirektionaler Verbundlaminate

Die Haltbarkeit von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen im Betrieb ist ein kritischer Aspekt für ihre Konstruktion und zustandsorientierte Wartung. Wir präsentieren eine neuartige, kostengünstige Labortestplattform zur Untersuchung des Einflusses gleichzeitiger mechanischer und umweltbedingter Belastungen, die dazu beitragen kann, effizientere und dennoch sicherere Verbundstrukturen zu entwerfen.

Eine Testplattform in Haltbarkeit Studien von Polymeren und faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffe unter Concurrent Hygrothermogeber mechanischen Stimuli

Es wird ein Protokoll für die Synthese und Herstellung von Nanopartikeln vorgestellt, die aus elektroaktiven Polymeren bestehen.

Elektroaktiven Polymer-Nanopartikel Teilnahmephotothermische Eigenschaften

Dieses Protokoll beschreibt einen Ansatz für die Herstellung von ausgerichteten Stahl verstärkten zementgebundene Faserverbund durch die Anwendung einer einheitlichen elektromagnetisches Feld. Ausgerichteten Stahl verstärkten zementgebundene Faserverbund zeigt überlegene mechanische Eigenschaften zu gewöhnlichen Fasern armiertem Beton.

Vorbereitung der ausgerichteten Stahlfaser verstärkt zementgebundene Verbund und seine Biege-Verhalten

Für die Herstellung der Kanäle nicht-rechteckige Abschnitte eingebettet in Polydimethylsiloxan mikrofluidischen Geräte gibt es mehrere Methoden. Die meisten von ihnen beinhalten mehrstufige Fertigung und umfassende Ausrichtung. In diesem Papier ist ein ein-Schritt-Ansatz zur Herstellung von mikrofluidischen Kanäle von verschiedenen geometrischen Querschnitte von Polydimethylsiloxan sequentielle Nassätzen gemeldet.

One-Step Ansatz zur Herstellung von Polydimethylsiloxan mikrofluidische Kanäle von verschiedenen geometrischen Abschnitte durch sequentielle Nassätzen Prozesse

Dieses Protokoll beschreibt die Entwicklung und Herstellung von einer Wasser-Brücke und die Aktivierung als eine Wasser-Faser. Das Experiment zeigt, dass Kapillare Resonanzen der Wasser-Faser optische Übertragung modulieren.

Konstruktion und Fertigung einer optischen Faser aus Wasser gemacht

Erfahren Sie die Herstellung von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten mittels Nass-Handlaminier- und Vakuumbeutelverfahren. Diese Methode verbessert die Grenzflächenzähigkeit und mechanische Stabilität für Materialwissenschaft.

Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden (Video) | JoVE Journal

Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden

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