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Artículo de método

Medición de las propiedades mecánicas de laminados compuestos de polímeros de refuerzo de fibra de vidrio obtenidos mediante diferentes procesos de fabricación

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DOI:

10.3791/65376

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30 de junio de 2023

 ,  , 
1Department of Mechanics and Aerospace Engineering, Southern University of Science and Technology

En este artículo

Resumen

Este artículo describe un proceso de fabricación de laminados compuestos de matriz polimérica reforzada con fibra obtenidos mediante el método de colocación manual húmeda / bolsa de vacío.

Resumen

El proceso tradicional de laminado manual húmedo (WL) se ha aplicado ampliamente en la fabricación de laminados compuestos de fibra. Sin embargo, debido a la insuficiencia en la presión de formación, la fracción de masa de la fibra se reduce y muchas burbujas de aire quedan atrapadas en el interior, lo que da como resultado laminados de baja calidad (baja rigidez y resistencia). El proceso de colocación manual húmeda / bolsa de vacío (WLVB) para la fabricación de laminados compuestos se basa en el proceso tradicional de colocación manual húmeda, utilizando una bolsa de vacío para eliminar las burbujas de aire y proporcionar presión, y luego llevar a cabo el proceso de calentamiento y curado.

En comparación con el proceso tradicional de laminado manual, los laminados fabricados por el proceso WLVB muestran propiedades mecánicas superiores, incluida una mejor resistencia y rigidez, una fracción de volumen de fibra más alta y una fracción de volumen vacío más baja, que son todos beneficios para los laminados compuestos. Este proceso es completamente manual y está muy influenciado por las habilidades del personal de preparación. Por lo tanto, los productos son propensos a defectos como vacíos y espesores desiguales, lo que conduce a cualidades y propiedades mecánicas inestables del laminado. Por lo tanto, es necesario describir con precisión el proceso WLVB, controlar con precisión los pasos y cuantificar las proporciones de material, para garantizar las propiedades mecánicas de los laminados.

Este artículo describe el meticuloso proceso del proceso WLVB para preparar laminados compuestos de refuerzo de fibra de vidrio (GFRP) tejidos con patrones lisos. El contenido de volumen de fibra de los laminados se calculó utilizando el método de la fórmula, y los resultados calculados mostraron que el contenido de volumen de fibra de los laminados WL fue de 42,04%, mientras que el de los laminados WLVB fue de 57,82%, aumentando en 15,78%. Las propiedades mecánicas de los laminados se caracterizaron mediante ensayos de tracción e impacto. Los resultados experimentales revelaron que con el proceso WLVB, la resistencia y el módulo de los laminados aumentaron en un 17,4% y 16,35%, respectivamente, y la energía específica absorbida se incrementó en un 19,48%.

Introducción

El compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) es un tipo de material de alta resistencia fabricado mezclando refuerzo de fibra y matrices poliméricas 1,2,3. Es ampliamente utilizado en las industrias aeroespacial 4,5,6, construcción7,8, automotriz 9 y marina10,11 debido a su baja densidad, alta rigidez y resistencia específicas, propiedades de fatiga y excelente resistencia a la corrosión. Las fibras sintéticas comunes incluyen fibras de carbono, fibras de vidrio y fibras de aramida12. La fibra de vidrio fue elegida para la investigación en este trabajo. En comparación con el acero tradicional, los laminados compuestos de refuerzo de fibra de vidrio (GFRP) son más livianos, con menos de un tercio de la densidad, pero pueden lograr una mayor resistencia específica que el acero.

El proceso de preparación de FRP incluye el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM)13, el bobinado de filamentos (FW)14 y el moldeo preimpregnado, además de muchos otros procesos de fabricación avanzados 15,16,17,18. En comparación con otros procesos de preparación, el proceso de colocación manual húmeda / bolsa de vacío (WLVB) tiene varias ventajas, incluidos los requisitos simples del equipo y la tecnología de proceso sin complicaciones, y los productos no están limitados por el tamaño y la forma. Este proceso tiene un alto grado de libertad y se puede integrar con metal, madera, plástico o espuma.

El principio del proceso WLVB es aplicar una mayor presión de formación a través de bolsas de vacío para mejorar las propiedades mecánicas de los laminados preparados; La tecnología de producción de este proceso es fácil de dominar, lo que lo convierte en un proceso de preparación de materiales compuestos económico y sencillo. Este proceso es completamente manual y está muy influenciado por las habilidades del personal de preparación. Por lo tanto, los productos son propensos a defectos como vacíos y espesores desiguales, lo que conduce a cualidades y propiedades mecánicas inestables del laminado. Por lo tanto, es necesario describir el proceso WLVB en detalle, controlar con precisión los pasos y cuantificar la proporción de material, para obtener una alta estabilidad de las propiedades mecánicas de los laminados.

La mayoría de los investigadores han estudiado el comportamiento cuasiestático 19,20,21,22,23 y dinámico 24,25,26,27,28, así como la modificación de propiedades 29,30 de los materiales compuestos. La relación entre la fracción de volumen de la fibra y la matriz juega un papel crucial en las propiedades mecánicas del laminado de FRP. En un rango apropiado, una fracción de mayor volumen de fibra puede mejorar la resistencia y rigidez del laminado FRP. Andrew et al.31 investigaron el efecto de la fracción de volumen de fibra sobre las propiedades mecánicas de probetas preparadas mediante el proceso de fabricación aditiva de modelado por deposición fundida (FDM). Los resultados mostraron que cuando la fracción de volumen de fibra fue de 22.5%, la eficiencia de resistencia a la tracción alcanzó su máximo, y se observó una ligera mejora en la resistencia ya que la fracción de volumen de fibra alcanzó el 33%. Khalid et al.32 estudiaron las propiedades mecánicas de compuestos impresos en 3D reforzados con fibra de carbono continua (CF) con diversas fracciones de volumen de fibra, y los resultados mostraron que tanto la resistencia a la tracción como la rigidez mejoraron con el aumento del contenido de fibra. Uzay et al.33 investigaron los efectos de tres métodos de fabricación (laminado manual, moldeo por compresión y embolsado al vacío) sobre las propiedades mecánicas del polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Se midió la fracción de volumen de fibra y el vacío de los laminados, se realizaron pruebas de tracción y flexión. Los experimentos demostraron que cuanto mayor es la fracción de volumen de fibra, mejores son las propiedades mecánicas.

Los huecos son uno de los defectos más comunes en el laminado de FRP. Los huecos reducen las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, como la resistencia, la rigidez y la resistencia a la fatiga34. La concentración de tensiones generada alrededor de los huecos promueve la propagación de microfisuras y reduce la resistencia de la interfaz entre el refuerzo y la matriz. Los huecos internos también aceleran la absorción de humedad del laminado FRP, lo que resulta en el desprendimiento de la interfaz y la degradación del rendimiento. Por lo tanto, la existencia de vacíos internos afecta la confiabilidad del compuesto y restringe su amplia aplicación. Zhu et al.35 investigaron la influencia del contenido de vacíos en las propiedades estáticas de resistencia al cizallamiento interlaminar de los laminados compuestos de CFRP, y encontraron que un aumento del 1% en el contenido de vacíos que oscilaba entre el 0,4% y el 4,6% condujo a un deterioro del 2,4% en la resistencia al cizallamiento interlaminar. Scott et al.36 presentaron el efecto de los vacíos sobre el mecanismo de daño en laminados compuestos de CFRP bajo carga hidrostática utilizando tomografía computarizada (TC), y encontraron que el número de huecos es de 2,6 a 5 veces el número de grietas distribuidas aleatoriamente.

Los laminados de FRP confiables y de alta calidad se pueden fabricar utilizando un autoclave. Abraham et al.37 fabricaron laminados de baja porosidad y alto contenido de fibra colocando un conjunto WLVB en un autoclave con una presión de 1,2 MPa para su curado. Sin embargo, el autoclave es un equipo grande y costoso, lo que resulta en costos de fabricación considerables. Aunque el proceso de transferencia de resina asistida por vacío (VARTM) se ha utilizado durante mucho tiempo, tiene un límite en términos de costo de tiempo, un proceso de preparación más complicado y más consumibles desechables, como tubos de desvío y medios de desvío. En comparación con el proceso WL, el proceso WLVB compensa la presión de moldeo insuficiente a través de una bolsa de vacío de bajo costo, absorbiendo el exceso de resina del sistema para aumentar la fracción de volumen de fibra y reducir el contenido de poros internos, mejorando así en gran medida las propiedades mecánicas del laminado.

Este estudio explora las diferencias entre el proceso WL y el proceso WLVB, y detalla el meticuloso proceso del proceso WLVB. El contenido de volumen de fibra de los laminados se calculó por el método de la fórmula, y los resultados mostraron que el contenido de volumen de fibra de los laminados WL fue de 42,04%, mientras que el de los laminados WLVB fue de 57,82%, aumentando en un 15,78%. Las propiedades mecánicas de los laminados se caracterizaron mediante ensayos de tracción e impacto. Los resultados experimentales revelaron que con el proceso WLVB, la resistencia y el módulo de los laminados aumentaron en un 17,4% y 16,35%, respectivamente, y la energía específica absorbida se incrementó en un 19,48%.

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Protocolo

1. Preparación del material

  1. Corta ocho piezas de tela tejida de fibra de vidrio de 300 mm x 300 mm con unas tijeras. Pega primero el corte con cinta adhesiva para evitar que los filamentos de fibra se caigan.
    NOTA: Use una máscara y guantes para evitar pinchazos en los dedos e inhalación de filamentos al cortar la tela. No solo la tela de fibra de vidrio tejida, sino también la tela unidireccional y otros tipos de fibra, como la fibra de carbono y la fibra de aramida, también están disponibles.
  2. Pesar 260 g de resina epoxi y 78 g de endurecedor de acuerdo con la proporción de masa de 10:3.
    NOTA: Se recomienda que la proporción de tela de fibra y sistema de resina sea de 360 g de sistema de resina epoxi por metro cuadrado de tela de fibra de una sola capa.

2. Proceso de fabricación

NOTA: La Figura 1 muestra el esquema de fabricación de laminado compuesto para el proceso de laminado manual, que se muestra en la sección 2.

  1. WLVB
    1. Introducir la tela en un horno a 60 °C durante 8 h.
    2. Pegue una película aislante sobre la lámina acrílica para evitar que la resina se adhiera.
    3. Coloque el molde en el área de colocación.
    4. Mezcle la resina y el endurecedor lentamente durante 5 minutos y luego colóquelo en una cámara de vacío para extraer las burbujas de aire del interior.
    5. Coloque la película antiadherente no porosa sobre el molde y fíjela con cinta adhesiva a su alrededor.
    6. Coloque una capa de pelado sobre la película de liberación no porosa.
    7. Vierte la resina epoxi y usa un raspador para distribuir la resina de manera uniforme por toda la película.
    8. Pliega la primera tela de fibra, enrolla con un rodillo desnudo para asegurarte de que la resina se infiltre completamente en la tela y se extruyan las burbujas, y luego vierte la resina, usando un raspador para raspar la resina de manera uniforme.
    9. Repita los pasos 2.1.7 y 2.1.8 hasta que se haya utilizado toda la tela.
    10. Coloque una capa despegable sobre la tela y exprima las burbujas de aire manualmente.
    11. Coloque una película antiadherente perforada y una tela transpirable sucesivamente.
    12. Coloque el canal de succión y la almohadilla transpirable en un lado.
    13. Pegue un círculo de cinta adhesiva resistente al calor con una lámina acrílica fuera del molde y coloque la bolsa de vacío con la cinta para formar un espacio cerrado.
    14. Encienda la bomba de vacío para presionar 1 bar de presión durante 10 h a temperatura ambiente. A continuación, cierre la bomba de vacío y mantenga la inactividad durante 14 h.
    15. Introducir los laminados en el horno a 80 °C durante 16 h para que se curen por completo.
    16. Mida la fracción de volumen de fibra usando las ecuaciones (1-3)38,39.
      figure-protocol-1(1)
      figure-protocol-2(2)
      figure-protocol-3(3)
      n es el número de capas del laminado, ρ fibra es la densidad de área de la tela de fibra del fabricante, una fibra es el área del laminado, m fibra es la masa de la tela de fibra, m total es la masa del laminado, ρ epoxi es la densidad del epoxi, v epoxi y v total son los volúmenes de epoxi y laminado, respectivamente, y es la fracción de volumen de fibra.
  2. WL
    1. Introducir la tela en un horno a 60 °C durante 8 h.
    2. Mezcle la resina y el endurecedor lentamente durante 5 minutos y luego colóquelo en una cámara de vacío para extraer las burbujas de aire del interior.
    3. Coloque la película antiadherente no porosa sobre el molde y fíjela con cinta adhesiva a su alrededor.
    4. Coloque una capa de pelado sobre la película de liberación no porosa.
    5. Vierte la resina epoxi y usa un raspador para distribuir la resina de manera uniforme por toda la película.
    6. Pliega la primera tela de fibra, enrolla con un rodillo desnudo para asegurarte de que la resina se infiltre completamente en la tela y se extruyan las burbujas, y luego vierte la resina, usando un raspador para raspar la resina de manera uniforme.
    7. Repita los pasos 2.2.5 y 2.2.6 hasta que se haya utilizado toda la tela.
    8. Coloque una capa despegable sobre la tela y exprima las burbujas de aire manualmente.
    9. Coloque sucesivamente una película antiadherente perforada, una tela transpirable y una película antiadherente no porosa.
    10. Coloque una placa de aluminio con el mismo tamaño que la tela de fibra en la parte superior.
    11. Mantener la inactividad a temperatura ambiente durante 14 h.
    12. Introducir los laminados en el horno a 80 °C durante 16 h para que se curen por completo.

3. Caracterización de las propiedades de impacto

NOTA: Existen muchos métodos para las pruebas de impacto de laminados compuestos. En condiciones de impacto a baja velocidad, el método comúnmente utilizado es la prueba de impacto de caída de peso, mientras que en condiciones de impacto de alta velocidad o ultra alta velocidad, el método utilizado con frecuencia es el método de impacto de bala. En este estudio, se aplicó la prueba de impacto de caída de peso. El equipo se muestra en la Figura 2.

  1. Corte un conjunto de muestras de 150 mm x 100 mm de PRFV para una prueba de impacto, de acuerdo con la norma ASTM D7136, utilizando una máquina de corte de alta precisión.
  2. Mide el peso y el tamaño de cada muestra.
  3. Fije las posiciones de las muestras utilizando clavos de posicionamiento en el centro de las muestras con los que el impactador puede entrar en contacto para cada prueba.
  4. Fije la muestra en el accesorio de soporte de impacto con cuatro puntas de goma.
  5. Realice la prueba de impacto utilizando una torre de impacto de caída de peso al nivel de energía de 10 J. Encienda la máquina de prueba de martillo de caída y haga clic en Conectar para conectar el controlador con el menú desplegable y, a continuación, haga clic en Inicio | Antes de la prueba. Ajuste la energía de impacto a 10 J y la masa adicional a 2 kg. Introduzca el grosor de medición, 2,1 mm para las muestras WLVB y 2,5 mm para las muestras WL, para determinar la altura del impactador y haga clic en Iniciar para iniciar el experimento.
  6. Registre los datos de respuesta al impacto, incluido el historial de fuerza, deflexión y energía.
  7. Saca la muestra. Registre la morfología de la muestra después del impacto.
  8. Repita la prueba de impacto cinco veces para garantizar la repetibilidad de los resultados.
  9. Calcular y comparar los datos de las muestras.

4. Caracterización de las propiedades de tracción

  1. Corte un conjunto de muestras de 250 mm x 25 mm de los laminados para una prueba de tracción, de acuerdo con ASTM D3039, utilizando una máquina de corte de alta precisión con un cortador de diamante.
  2. Mida el tamaño de cada muestra con un calibrador vernier.
  3. Utilice adhesivo epoxi para unir cuatro lengüetas de aluminio de 50 mm x 25 mm x 2 mm en ambos extremos de la muestra para evitar la concentración de tensión.
  4. Rocíe una capa delgada de pintura blanca en la parte frontal de la muestra, luego rocíe manchas negras.
  5. Coloque la muestra en el centro de las abrazaderas de la máquina de ensayo de tracción y configure el sistema de adquisición de imágenes, como se muestra en la Figura 3.
  6. Para garantizar la precisión de los datos de deformación, varíe la posición de la muestra para que quede en el centro del área de disparo de la cámara y en posición vertical. Además, ajuste la distancia focal de la cámara y la frecuencia de exposición para asegurarse de que los puntos de la muestra se graben con claridad.
  7. Realice la prueba de tracción. Haga clic en CONFIGURAR PRUEBA. Ajuste la velocidad de prueba a 0,5 mm/min. Haga clic en Datos de muestra. Introduzca la anchura y el grosor de la medición de las muestras. Haga clic en Inicio y, a continuación, haga clic en Aceptar posición actual. Registre los datos de tiempo de carga.
  8. Saca la muestra. Registre la morfología de la muestra después de la prueba de tracción.
  9. Repita la prueba de tracción cinco veces para garantizar la repetibilidad de los resultados.
  10. Utilice un software de correlación de imágenes digitales (DIC) para medir la deformación nominal de la muestra durante el ensayo de tracción.
  11. Haga clic en Imagen de escala de longitud para calibrar la longitud de los píxeles, haga clic en Imagen de referencia y elija la primera imagen como imagen de referencia. Haga clic en Imagen deformada y elija las imágenes restantes como imágenes deformadas. Haga clic en Herramientas de dibujo | Seleccione rectángulo para seleccionar el área de medición. Haga clic en Extensómetro y establezca la longitud del extensómetro en 100 mm y, a continuación, haga clic en Procesamiento | Iniciar la correlación.
  12. Divida la carga por el área de la sección transversal para obtener la tensión nominal.
  13. Combine la deformación nominal de la medición DIC y la tensión nominal de la máquina de ensayo de tracción.
  14. Elija la pendiente del segmento lineal de la curva de tensión-deformación como módulo elástico. Elija el valor máximo de la curva de fuerza de tracción-tiempo como resistencia.
  15. Compare el módulo elástico y la resistencia de las muestras.

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Resultados

La Tabla 1 muestra la fracción de volumen de fibra, el espesor promedio y el proceso de fabricación de las muestras. El G8-WLVB y el G8-WL representan los laminados que consisten en tela de vidrio de 8 capas fabricada mediante laminado manual húmedo con y sin el proceso de bolsa de vacío, respectivamente. Obviamente, con la asistencia de la bolsa de vacío, los laminados tienen un aumento del 15,78% en la fracción de volumen de fibra, así como una reducción del 16,27% en el espesor medio.

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Discusión

Este artículo se centra en los dos procesos de fabricación diferentes para el método de laminado manual con bajo costo. Por lo tanto, se seleccionaron dos procesos de fabricación para describirlos cuidadosamente en este artículo, que son más simples, más fáciles de dominar, de menor costo de inversión y adecuados para la producción con modificación de materiales en laboratorios y fábricas a pequeña escala. Durante el curado de laminados, la alta presión de consolidación juega un papel importante en la fabricación de lami...

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Divulgaciones

Los autores no tienen ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer las subvenciones del Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (No. 2022YFB3706503) y el Programa del Plan de Apoyo Estable del Fondo de Ciencias Naturales de Shenzhen (No. 20220815133826001).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
tejido transpirableEasy compositesBR180
máquina de ensayo de impacto de caída de pesoInstron9340
Matriz epoxiAxson Technologies5015/5015
fibra de vidrioWeihai Guangwei CompositesW-9311
película de liberación no porosaEasy compositesR240
Pelable ply& nbsp;Sino CompositeCVP200
Easy compositesR120-P3
Máquina de ensayoZwickRoellde 250 kN
Easy compositesGVB200
Película liberada perforada Película al vacío

Referencias

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