Summary
Dit artikel beschrijft een fabricageproces voor vezelversterkte polymeermatrixcomposietlaminaten die worden verkregen met behulp van de natte hand lay-up/vacuümzakmethode.
Abstract
Het traditionele natte handlay-upproces (WL) is op grote schaal toegepast bij de productie van vezelcomposietlaminaten. Door ontoereikendheid van de vormdruk wordt de massafractie van de vezel echter verminderd en worden er veel luchtbellen binnenin opgesloten, wat resulteert in laminaten van lage kwaliteit (lage stijfheid en sterkte). Het WLVB-proces (wet hand lay-up/vacuum bag) voor de fabricage van composietlaminaten is gebaseerd op het traditionele proces voor het opleggen van natte handen, waarbij een vacuümzak wordt gebruikt om luchtbellen te verwijderen en druk uit te oefenen, en vervolgens het verwarmings- en uithardingsproces wordt uitgevoerd.
Vergeleken met het traditionele handlay-upproces, vertonen laminaten vervaardigd door het WLVB-proces superieure mechanische eigenschappen, waaronder een betere sterkte en stijfheid, een hogere vezelvolumefractie en een lagere lege volumefractie, wat allemaal voordelen zijn voor composietlaminaten. Dit proces is volledig handmatig en wordt sterk beïnvloed door de vaardigheden van het voorbereidend personeel. Daarom zijn de producten gevoelig voor defecten zoals holtes en ongelijke diktes, wat leidt tot onstabiele eigenschappen en mechanische eigenschappen van het laminaat. Daarom is het noodzakelijk om het WLVB-proces nauwkeurig te beschrijven, stappen nauwkeurig te controleren en materiaalverhoudingen te kwantificeren om de mechanische eigenschappen van laminaten te waarborgen.
Dit artikel beschrijft het nauwgezette proces van het WLVB-proces voor het voorbereiden van geweven glasvezelversterkingscomposietlaminaten (GFRP's) met een effen patroon. Het vezelvolumegehalte van laminaten werd berekend met behulp van de formulemethode en de berekende resultaten toonden aan dat het vezelvolumegehalte van WL-laminaten 42,04% bedroeg, terwijl dat van WLVB-laminaten 57,82% bedroeg, een stijging van 15,78%. De mechanische eigenschappen van de laminaten werden gekarakteriseerd met behulp van trek- en impacttests. De experimentele resultaten toonden aan dat met het WLVB-proces de sterkte en modulus van de laminaten met respectievelijk 17,4% en 16,35% werden verbeterd en dat de specifieke geabsorbeerde energie met 19,48% werd verhoogd.
Introduction
Vezelversterkt polymeercomposiet (FRP) is een soort zeer sterk materiaal dat wordt vervaardigd door vezelversterking en polymeermatrixen 1,2,3 te mengen. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart 4,5,6, bouw7,8, automotive9 en marine 10,11 industrieën vanwege de lage dichtheid, hoge specifieke stijfheid en sterkte, vermoeiingseigenschappen en uitstekende corrosieweerstand. Veel voorkomende synthetische vezels zijn koolstofvezels, glasvezels en aramidevezels12. In dit artikel is gekozen voor glasvezel als onderzoeker. In vergelijking met traditioneel staal zijn glasvezelversterkingscomposietlaminaten (GFRP's) lichter, met minder dan een derde van de dichtheid, maar kunnen ze een hogere specifieke sterkte bereiken dan staal.
Het voorbereidingsproces van FRP omvat vacuümondersteund harstransfergieten (VARTM)13, filamentwikkelen (FW)14 en prepreg-gieten, naast vele andere geavanceerde fabricageprocessen15,16,17,18. In vergelijking met andere bereidingsprocessen heeft het natte hand lay-up/vacuümzak (WLVB) proces verschillende voordelen, waaronder eenvoudige apparatuurvereisten en ongecompliceerde procestechnologie, en de producten worden niet beperkt door grootte en vorm. Dit proces heeft een hoge mate van vrijheid en kan worden geïntegreerd met metaal, hout, kunststof of schuim.
Het principe van het WLVB-proces is om een grotere vormdruk uit te oefenen door middel van vacuümzakken om de mechanische eigenschappen van de voorbereide laminaten te verbeteren; De productietechnologie van dit proces is gemakkelijk onder de knie te krijgen, waardoor het een economisch en eenvoudig voorbereidingsproces voor composietmateriaal is. Dit proces is volledig handmatig en wordt sterk beïnvloed door de vaardigheden van het voorbereidend personeel. Daarom zijn de producten gevoelig voor defecten zoals holtes en ongelijke diktes, wat leidt tot onstabiele eigenschappen en mechanische eigenschappen van het laminaat. Daarom is het noodzakelijk om het WLVB-proces in detail te beschrijven, de stappen nauwkeurig te controleren en de materiaalverhouding te kwantificeren om een hoge stabiliteit van de mechanische eigenschappen van laminaten te verkrijgen.
De meeste onderzoekers hebben het quasi-statische 19,20,21,22,23 en dynamisch gedrag 24,25,26,27,28 bestudeerd, evenals de eigenschapswijziging 29,30 van composietmaterialen. De verhouding tussen de volumefractie van vezel en matrix speelt een cruciale rol in de mechanische eigenschappen van FRP-laminaat. In een geschikt bereik kan een vezelfractie met een hoger volume de sterkte en stijfheid van FRP-laminaat verbeteren. Andrew et al.31 onderzochten het effect van vezelvolumefractie op de mechanische eigenschappen van monsters die zijn voorbereid door het additieve productieproces van fused deposition modeling (FDM). De resultaten toonden aan dat wanneer de vezelvolumefractie 22,5% was, de treksterkte-efficiëntie zijn maximum bereikte, en een lichte verbetering van de sterkte werd waargenomen toen de vezelvolumefractie 33% bereikte. Khalid et al.32 bestudeerden de mechanische eigenschappen van met continue koolstofvezel (CF) versterkte 3D-geprinte composieten met diverse vezelvolumefracties, en de resultaten toonden aan dat zowel de treksterkte als de stijfheid verbeterden met de stijging van het vezelgehalte. Uzay et al.33 onderzochten de effecten van drie fabricagemethoden - handlay-up, compressiegieten en vacuümzakken - op de mechanische eigenschappen van met koolstofvezel versterkt polymeer (CFRP). De vezelvolumefractie en de holte van de laminaten werden gemeten, trek- en buigproeven werden uitgevoerd. De experimenten toonden aan dat hoe hoger de vezelvolumefractie, hoe beter de mechanische eigenschappen.
Holtes zijn een van de meest voorkomende defecten in FRP-laminaat. Holtes verminderen de mechanische eigenschappen van composietmaterialen, zoals sterkte, stijfheid en weerstand tegen vermoeidheid34. De spanningsconcentratie die rond de holtes wordt gegenereerd, bevordert de voortplanting van microscheuren en vermindert de grensvlaksterkte tussen wapening en matrix. Interne holtes versnellen ook de vochtopname van FRP-laminaat, wat resulteert in onthechting van de interface en prestatievermindering. Daarom beïnvloedt het bestaan van interne holtes de betrouwbaarheid van composiet en beperkt het de brede toepassing ervan. Zhu et al.35 onderzochten de invloed van holte-inhoud op de statische interlaminaire afschuifsterkte-eigenschappen van CFRP-composietlaminaten, en ontdekten dat een toename van 1% in het holte-gehalte, variërend van 0,4% tot 4,6%, leidde tot een verslechtering van 2,4% van de interlaminaire afschuifsterkte. Scott et al.36 presenteerden het effect van holtes op het schademechanisme in CFRP-composietlaminaten onder hydrostatische belasting met behulp van computertomografie (CT), en ontdekten dat het aantal holtes 2,6-5 keer het aantal willekeurig verdeelde scheuren is.
Hoogwaardige en betrouwbare FRP-laminaten kunnen worden vervaardigd met behulp van een autoclaaf. Abraham et al.37 vervaardigden laminaten met een lage porositeit en een hoog vezelgehalte door een WLVB-assemblage in een autoclaaf te plaatsen met een druk van 1,2 MPa voor uitharding. Toch is de autoclaaf een groot en duur apparaat, wat resulteert in aanzienlijke productiekosten. Hoewel het vacuümondersteunde harsoverdrachtsproces (VARTM) al heel lang in gebruik is, heeft het een limiet in termen van tijdskosten, een ingewikkelder voorbereidingsproces en meer wegwerpverbruiksartikelen zoals afleidingsbuizen en omleidingsmedia. In vergelijking met het WL-proces compenseert het WLVB-proces onvoldoende vormdruk door middel van een goedkope vacuümzak, waarbij overtollige hars uit het systeem wordt geabsorbeerd om de vezelvolumefractie te vergroten en de interne poriëninhoud te verminderen, waardoor de mechanische eigenschappen van het laminaat aanzienlijk worden verbeterd.
Deze studie verkent de verschillen tussen het WL-proces en het WLVB-proces, en beschrijft het nauwgezette proces van het WLVB-proces. Het vezelvolumegehalte van laminaten werd berekend met behulp van de formulemethode en de resultaten toonden aan dat het vezelvolumegehalte van WL-laminaten 42,04% bedroeg, terwijl dat van WLVB-laminaten 57,82% bedroeg, een stijging van 15,78%. De mechanische eigenschappen van laminaten werden gekenmerkt door trek- en impacttests. De experimentele resultaten toonden aan dat met het WLVB-proces de sterkte en modulus van de laminaten met respectievelijk 17,4% en 16,35% werden verbeterd en dat de specifieke geabsorbeerde energie met 19,48% werd verhoogd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Voorbereiding van het materiaal
- Knip acht stukken geweven glasvezelstof van 300 mm x 300 mm met een schaar. Plak eerst de snede af om te voorkomen dat de vezelfilamenten eraf vallen.
NOTITIE: Draag een masker en handschoenen om vingerprikken en het inademen van filament te voorkomen bij het knippen van de stof. Niet alleen de geweven glasvezelstof, maar unidirectionele stof en andere soorten vezels, zoals koolstofvezel en aramidevezel, zijn ook beschikbaar. - Weeg 260 g epoxyhars en 78 g verharder af volgens de massaverhouding 10:3.
OPMERKING: De verhouding tussen vezelweefsel en harssysteem wordt aanbevolen om 360 g epoxyharssysteem per vierkante meter enkellaagse vezelstof te zijn.
2. Fabricage proces
OPMERKING: Figuur 1 toont het schema van de fabricage van composietlaminaat voor het handlay-upproces, dat is weergegeven in hoofdstuk 2.
- WLVB
- Zet de stof 8 uur in een oven op 60 °C.
- Plak isolatiefolie op de acrylplaat om te voorkomen dat de hars zich hecht.
- Plaats de mal op het leggebied.
- Meng de hars en verharder langzaam gedurende 5 minuten en doe het dan in een vacuümkamer om de luchtbellen binnenin eruit te zuigen.
- Leg de niet-poreuze lossingsfolie op de mal en bevestig deze met tape eromheen.
- Leg een schillaag op de niet-poreuze verwijderfilm.
- Giet de epoxyhars erin en gebruik een schraper om de hars gelijkmatig over de film te verdelen.
- Vouw de eerste vezelstof, rol met een naakte roller om ervoor te zorgen dat de hars volledig in de stof infiltreert en de luchtbellen worden geëxtrudeerd, en giet vervolgens de hars, met behulp van een schraper om de hars gelijkmatig te schrapen.
- Herhaal stap 2.1.7 en 2.1.8 totdat alle stof is gebruikt.
- Leg een schillaag op de stof en knijp de luchtbellen er handmatig uit.
- Leg achtereenvolgens een geperforeerde ontluchtingsfolie en een ontluchtingsstof.
- Plaats het zuigkanaal en het ademende kussen aan één kant.
- Plak een cirkel van hittebestendige tape met een acrylplaat buiten de mal en bevestig de vacuümzak eromheen met de tape om een gesloten ruimte te vormen.
- Zet de vacuümpomp aan om gedurende 10 uur bij kamertemperatuur 1 bar druk in te drukken. Sluit vervolgens de vacuümpomp en laat deze gedurende 14 uur rusten.
- Zet de laminaten 16 uur in de oven op 80 °C om volledig uit te harden.
- Meet de vezelvolumefractie met behulp van vergelijkingen (1-3)38,39.
(1)
(2)
(3)
n is het aantal lagen van het laminaat, ρ vezel is de oppervlaktedichtheid van de vezelstof van de fabrikant, een vezel is de oppervlakte van het laminaat, m vezel is de massa van de vezelstof, m totaal is de massa van het laminaat, ρ epoxy is de dichtheid van de epoxy, v epoxy en v totaalzijn respectievelijk de volumes epoxy en laminaat en is de vezelvolumefractie.
- WL
- Zet de stof 8 uur in een oven op 60 °C.
- Meng de hars en verharder langzaam gedurende 5 minuten en doe het dan in een vacuümkamer om de luchtbellen binnenin eruit te zuigen.
- Leg de niet-poreuze lossingsfolie op de mal en bevestig deze met tape eromheen.
- Leg een schillaag op de niet-poreuze verwijderfilm.
- Giet de epoxyhars erin en gebruik een schraper om de hars gelijkmatig over de film te verdelen.
- Vouw de eerste vezelstof, rol met een naakte roller om ervoor te zorgen dat de hars volledig in de stof infiltreert en de luchtbellen worden geëxtrudeerd, en giet vervolgens de hars, met behulp van een schraper om de hars gelijkmatig te schrapen.
- Herhaal stap 2.2.5 en 2.2.6 totdat alle stof is gebruikt.
- Leg een schillaag op de stof en knijp de luchtbellen er handmatig uit.
- Leg achtereenvolgens een geperforeerde ontluchtingsfolie, een ontluchtingsstof en een niet-poreuze ontluchtingsfolie.
- Plaats er een aluminium plaat met dezelfde afmeting als de vezelstof op.
- Houd de rust gedurende 14 uur op kamertemperatuur.
- Zet de laminaten 16 uur in de oven op 80 °C om volledig uit te harden.
(1)
(2)
(3)3. Karakterisering van impacteigenschappen
OPMERKING: Er zijn veel methoden voor het testen van composietlaminaten. Onder omstandigheden met een inslag met lage snelheid is de veelgebruikte methode de impacttest met een valgewicht, terwijl onder omstandigheden met een botsing met hoge snelheid of ultrahoge snelheid de veelgebruikte methode de kogelinslagmethode is. In dit onderzoek is de drop-weight impact test toegepast. De apparatuur is weergegeven in figuur 2.
- Snijd een set monsters van 150 mm x 100 mm van GFRP voor een impacttest, volgens ASTM D7136, met behulp van een zeer nauwkeurige snijmachine.
- Meet het gewicht en de grootte van elk monster.
- Fixeer de posities van de monsters met behulp van positioneringsspijkers in het midden van de monsters waarmee het botslichaam voor elke test contact kan maken.
- Bevestig het monster op de impactondersteuningsarmatuur met vier rubberen uiteinden.
- Voer de impacttest uit met behulp van een slaggewicht-impacttoren op het energieniveau van 10 J. Schakel de valhamertestmachine in en klik op Verbinden om de controller met de vervolgkeuzelijst te verbinden en klik vervolgens op Home | Vóór de test. Stel de slagenergie in op 10 J en de extra massa op 2 kg. Voer de meetdikte in, 2,1 mm voor de WLVB-monsters en 2,5 mm voor de WL-monsters, om de hoogte van het botslichaam te bepalen en klik op Start om het experiment te starten.
- Noteer de impactresponsgegevens, inclusief kracht, doorbuiging en energiegeschiedenis.
- Haal het monster eruit. Noteer de morfologie van het monster na de inslag.
- Herhaal de impacttest vijf keer om de herhaalbaarheid van de resultaten te garanderen.
- Bereken en vergelijk de gegevens van monsters.
4. Karakterisering van trekeigenschappen
- Snijd een set monsters van 250 mm x 25 mm uit de laminaten voor een trektest, volgens ASTM D3039, met behulp van een zeer nauwkeurige snijmachine met een diamantslijper.
- Meet de grootte van elk monster met een schuifmaat.
- Gebruik epoxylijm om vier aluminium lipjes van 50 mm x 25 mm x 2 mm aan beide uiteinden van het monster te lijmen om spanningsconcentratie te voorkomen.
- Spuit een dunne laag witte verf op de voorkant van het monster en spuit vervolgens zwarte spikkels.
- Plaats het monster in het midden van de klemmen van de trekbank en stel het beeldacquisitiesysteem in, zoals weergegeven in afbeelding 3.
- Om de nauwkeurigheid van de rekgegevens te garanderen, moet u de positie van het monster variëren, zodat het zich in het midden van het opnamegebied van de camera en in een verticale positie bevindt. Pas bovendien de brandpuntsafstand en belichtingssnelheid van de camera aan om ervoor te zorgen dat de vlekken op het monster duidelijk worden vastgelegd.
- Voer de trektest uit. Klik op TEST CONFIGUREREN. Stel de testsnelheid in op 0.5 mm/min. Klik op Voorbeeldgegevens. Voer de meetbreedte en -dikte van de monsters in. Klik op Start en klik vervolgens op Huidige positie accepteren. Noteer de laadtijdgegevens.
- Haal het monster eruit. Noteer de morfologie van het monster na de trekproef.
- Herhaal de trektest vijf keer om de herhaalbaarheid van de resultaten te garanderen.
- Gebruik DIC-software (Digital Image Correlation) om de nominale rek van het monster tijdens de trektest te meten.
- Klik op Length Scale Image om de lengte van de pixels te kalibreren, klik op Reference Image (Referentieafbeelding ) en kies de eerste afbeelding als referentieafbeelding. Klik op Vervormde afbeelding en kies de overige afbeeldingen als de vervormde afbeeldingen. Klik op Hulpmiddelen voor tekenen | Selecteer rechthoek om het meetgebied te selecteren. Klik op Extensometer en stel de lengte van de extensometer in op 100 mm en klik vervolgens op Verwerken | Begin met correlatie.
- Deel de belasting door de dwarsdoorsnede om de nominale spanning te krijgen.
- Combineer de nominale rek van de DIC-meting en de nominale spanning van de trekbank.
- Kies de helling van het lineaire segment van de rek-spanningscurve als de elastische modulus. Kies de piekwaarde van de trekkracht-tijdcurve als sterkte.
- Vergelijk de elasticiteitsmodulus en de sterkte van monsters.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabel 1 toont de vezelvolumefractie, de gemiddelde dikte en het fabricageproces van de monsters. De G8-WLVB en G8-WL vertegenwoordigen de laminaten bestaande uit 8-laags glasweefsel vervaardigd door middel van natte handlay-up met en zonder het vacuümzakproces. Het is duidelijk dat laminaten met de hulp van de vacuümzak een toename van 15.78% in vezelvolumefractie hebben, evenals een vermindering van 16.27% in gemiddelde dikte.
Rek-spanningscurven verkregen door de trekproef van WLVB- en WL-monsters zijn weergegeven in figuur 4. De verticale as toont de nominale spanning, verkregen door de kracht gedeeld door de doorsnede, en de horizontale as toont de nominale rek, berekend door DIC-software. Het is te zien dat een perfecte herhaalbaarheid wordt verkregen in de experimentcurve, of het nu gaat om WL-monsters of WLVB-monsters. De eerste twee monsters en de laatste drie monsters zijn niet vervaardigd in hetzelfde laminaat, maar bevinden zich in dezelfde gefabriceerde staat; Daarom is het belangrijk om stappen nauwkeurig te controleren en de materiaalverhouding te kwantificeren.
De trektestresultaten van WLVB-monsters en WL-monsters zijn respectievelijk in tabel 2 en tabel 3 aangegeven. Niet-lineariteit werd waargenomen in de trekcurve. De helling van het lineaire segment van de trek-rek-spanningscurve vertegenwoordigt de elastische modulus, en het maximale waardepunt op de verticale as van de trek-rek-spanningscurve vertegenwoordigt de sterkte. Zoals te zien is in tabel 2, zijn de gemiddelde treksterkte en modulus van vijf WLVB-monsters respectievelijk 431,79 MPa en 19,14 GPa. De standaarddeviaties van de treksterkte en de trekmodulus zijn respectievelijk 17,81 en 0,52. Zoals te zien is in tabel 3, zijn de gemiddelde treksterkte en de gemiddelde trekmodulus van vijf WL-monsters respectievelijk 367,8 MPa en 16,45 GPa. De standaarddeviaties van de treksterkte en de trekmodulus zijn respectievelijk 11,63 en 0,43.
Tabel 4 toont de treksterkte en stijfheid van laminaten. De resultaten geven aan dat de treksterkte en modulus van laminaten sterk verbeterd zijn door gebruik te maken van het WLVB-proces. Laminaten vervaardigd volgens het WLVB-proces hebben een toename van respectievelijk 17,4% en 16,35% in treksterkte en modulus. Bijgevolg heeft het WLVB-proces een uitstekend effect op de laminaatfabricage, door de trekeigenschappen van laminaten te verbeteren.
Figuur 5 toont de trekmodulus en sterkte met de foutbalk van G8-WLVB- en G8-WL-monsters. De trekmodulus en sterkte van laminaten die volgens het WLVB-proces worden vervaardigd, zijn hoger dan die van laminaten die volgens het WL-proces worden vervaardigd. Hoe kleiner de foutbalk, hoe groter de stabiliteit van het proces; met andere woorden, het WLVB-proces is stabieler dan het WL-proces. Figuur 6 toont de breuk van WLVB- en WL-monsters na de trekproef; De breuklocatie van monsters ligt in de buurt van het midden, wat acceptabel is. Figuur 7 toont het zijaanzicht van WLVB- en WL-monsters na de trekproef. Of de monsters nu worden vervaardigd door de WLVB- of WL-fabricageprocessen, de trekbreukmodi van de monsters omvatten vezelbreuk, matrixbreuk en delaminatie. Zoals te zien is in figuur 7, is de delaminatielengte van het WL-monster langer dan die van het WLVB-monster. De WL-monsters hebben een hogere harsvolumefractie dan de WLVB-monsters, wat resulteert in dikkere hars tussen de lagen. Als gevolg hiervan kan een langere delaminatiescheur worden waargenomen in de WL-monsters.
De krommen van de kracht- en geabsorbeerde energiegeschiedenis, verkregen door de impacttest van WLVB- en WL-monsters, zijn weergegeven in figuur 8. Er is een grote herhaalbaarheid aangetoond in de impacttest. De vorm van de kracht-tijdcurve van de WLVB- en WL-monsters is vergelijkbaar met een sinusgolf, die wordt weergegeven als een typische niet-doorborende curve. Figuur 8C,D geeft de real-time energieabsorptiewaarde weer. De geabsorbeerde energiewaarde nam eerst toe en nam vervolgens in de loop van de tijd af. In de eerste oprispingsfase absorbeerde het laminaat geleidelijk alle kinetische energie van het botslichaam en zette deze om in zijn interne energie. Achter het maximale punt gaf het laminaat elastische energie af om het botslichaam terug te kaatsen. De geabsorbeerde energie van de laminaten werd verkregen door de uiteindelijke curvewaarde.
Statistische analyse werd uitgevoerd op de experimentele gegevens40. De resultaten van de impacttest van de WLVB- en WL-monsters zijn weergegeven in respectievelijk tabel 5 en tabel 6. Zoals te zien is in tabel 5, bedragen de gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie en standaarddeviatie van vijf WLVB-monsters respectievelijk 0,092 J/g en 0,0024. Zoals weergegeven in tabel 6, zijn de gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie en standaarddeviatie van vijf WL-monsters respectievelijk 0,077 J/g en 0,0021.
Tabel 7 toont de impacteigenschappen van laminaten en de procentuele toename van de specifieke energieabsorptie van laminaten vervaardigd door het WLVB-proces. Bij dezelfde slagenergie van 10 J wordt dezelfde beschadigingsmodus waargenomen voor laminaten die worden vervaardigd volgens de WLVB- en WL-processen. De resultaten tonen aan dat laminaten vervaardigd volgens het WLVB-proces een toename van 19,48% hebben in specifieke energieabsorptie. Zo kan een prachtig effect in de laminaatfabricage door het WLVB-proces worden waargenomen met de verbetering van de impacteigenschappen van laminaten.
Figuur 9 toont de specifieke geabsorbeerde energie met foutbalken van de G8-WLVB- en G8-WL-monsters. Vanwege de verschillende diktewaarden van de laminaten die door de twee processen worden vervaardigd, wordt de specifieke energieabsorptie gebruikt om de energieabsorptieprestaties van de laminaten te karakteriseren. De resultaten tonen aan dat de specifieke geabsorbeerde energie van het WLVB-staal groter is dan die van het WL-staal. De foutbalken van het WLVB-staal en het WL-staal zijn vergelijkbaar in de impacttest. Figuur 10 toont het boven- en onderoppervlak van de WLVB- en WL-stalen na de impacttest. Het is duidelijk te zien dat het beschadigde oppervlak van het WL-staal groter is dan het WLVB-monster. Hieruit volgt dat het absorptievermogen van de botsenergie van de volgens het WLVB-procédé vervaardigde monsters groter is dan dat van de volgens het WL-procédé vervaardigde monsters.
Figuur 1: Een vereenvoudigd schema van het WLVB-proces. (1) Vacuümfolie, (2) bovenste deel van de vacuümklep, (3) schilpalen, (4) niet-poreuze lossingsfolie, (5) hittebestendige kraan, (6) acrylplaat, (7) onderste deel van de vacuümklep, (8) ademend kussen, (9) zuigkanaal, (10) aluminium mal, (11) stof, (12) geperforeerde ontgrendelingsfolie, (13) ontluchtingsstof. Afkorting: WLVB: wet hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Drop hammer testmachine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Digitaal beeld correlatie rekmeetsysteem en Zwick trektestmachine. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Spannings-rekcurve verkregen door de trekproef van de vijf monsters. (A) WLVB; (B) WL. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Trekmodulus en sterkte van het G8-WLVB- en G8-WL-monster. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Vooraanzicht van de WLVB- en WL-monsters na de trekproef. De geel gestippelde ovalen geven de plaats van de breuk aan. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Zijaanzicht van de WLVB- en WL-monsters na de trekproef . (A) WL-monster, (B) WLVB-monster. Schaalbalken = 6 mm. De geel gestippelde ovalen geven de plaats van de breuk aan en de blauwe ovalen geven delaminatie aan. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Kracht- en geabsorbeerde energiegeschiedeniscurve door de impacttest van de vijf monsters. (A) Krachtgeschiedeniscurve van de WLVB-monsters. (B) Krachtgeschiedeniscurve van de WL-monsters. (C) Geabsorbeerde energiegeschiedeniscurve van de WLVB-monsters. (D) Geabsorbeerde energiegeschiedeniscurve van de WL-monsters. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Specifieke geabsorbeerde energie van het G8-WLVB- en G8-WL-monster. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Boven- en onderkant van de WLVB- en WL-monsters na de impacttest. Schaalbalken = 20 mm. De geel gestippelde ovalen tonen beschadigde gebieden. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Monster | Vezelvolumefractie (%) | Toename van de vezelvolumefractie (%) | Gemiddelde dikte (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabel 1: Vezelvolumefractie, toename van de vezelvolumefractie en gemiddelde dikte van laminaten vervaardigd door de WLVB- en WL-processen. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak.
| Voorbeeld 1 | Voorbeeld 2 | Voorbeeld 3 | Voorbeeld 4 | Voorbeeld 5 | |||
| Treksterkte (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Gemiddelde treksterkte (MPa) | 431.79 | ||||||
| Standaarddeviatie voor treksterkte (MPa) | 17.81 | ||||||
| Trekmodulus (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Gemiddelde trekmodulus (GPa) | 19.14 | ||||||
| Standaarddeviatie voor trekmodulus (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabel 2: Trektestresultaten van de WLVB-monsters. Afkorting: WLVB: wet hand lay-up/vacuümzak.
| Voorbeeld 1 | Voorbeeld 2 | Voorbeeld 3 | Voorbeeld 4 | Voorbeeld 5 | |||
| Treksterkte (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Gemiddelde treksterkte (MPa) | 367.8 | ||||||
| Standaarddeviatie voor treksterkte (MPa) | 11.63 | ||||||
| Trekmodulus (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Gemiddelde trekmodulus (GPa) | 16.45 | ||||||
| Standaarddeviatie voor trekmodulus (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabel 3: Trektestresultaten van de WL-monsters. Afkorting: WL = wet hand lay-up.
| Monster | Treksterkte (MPa) | Verhoging van de treksterkte (%) | Trekmodulus (GPa) | Toename van de trekmodulus (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabel 4: Gemiddelde treksterkte en modulus van laminaten vervaardigd volgens het WLVB- en WL-procédé en de procentuele toename van de trekeigenschappen. Afkorting: WLVB: wet hand lay-up/vacuümzak.
| Voorbeeld 1 | Voorbeeld 2 | Voorbeeld 3 | Voorbeeld 4 | Voorbeeld 5 | |||
| Massa (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Kijkkracht (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Geabsorbeerde energie (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Specifieke geabsorbeerde energie (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie (J/g) | 0.092 | ||||||
| Standaarddeviatie (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabel 5: Resultaten van de impacttest van de WLVB-staaltjes. Afkorting: WLVB: wet hand lay-up/vacuümzak.
| Voorbeeld 1 | Voorbeeld 2 | Voorbeeld 3 | Voorbeeld 4 | Voorbeeld 5 | ||||
| Massa (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Kijkkracht (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Geabsorbeerde energie (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Specifieke geabsorbeerde energie (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie (J/g) | 0.077 | |||||||
| Standaarddeviatie (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabel 6: Resultaat van de impacttest van de WL-monsters. Afkorting: WL = wet hand lay-up.
| Monster | Slagenergie (J) | Gemiddelde kijkkracht (N) | Gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie (J/g) | Toename van de gemiddelde specifieke geabsorbeerde energie (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabel 7: Gemiddelde slagenergie, piekkracht en specifieke geabsorbeerde energie van laminaten vervaardigd door de WLVB- en WL-processen, en procentuele toename van de slageigenschappen. Afkortingen: WL = wet hand lay-up; WLVB: natte hand lay-up/vacuümzak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit artikel richt zich op de twee verschillende fabricageprocessen voor de handlay-upmethode met lage kosten. Daarom zijn twee fabricageprocessen geselecteerd die zorgvuldig in dit artikel worden beschreven, die eenvoudiger, gemakkelijker te beheersen zijn, lagere investeringskosten hebben en geschikt zijn voor productie met materiaalmodificatie in laboratoria en kleinschalige fabrieken. Tijdens het uitharden van laminaten speelt een hoge consolidatiedruk een belangrijke rol bij het vervaardigen van laminaten van hoge kwaliteit. De toepassing van het traditionele WL-proces zonder voldoende externe druk kan leiden tot een hoge harsvolumefractie. Een hoog harsvolume is een van de belangrijkste factoren die de mechanische eigenschappen van laminaten verminderen. In dit werk wordt een fabricageproces beschreven dat gebaseerd is op het traditionele WL-proces waarbij een vacuümzak wordt gebruikt om luchtbellen te verwijderen en druk uit te oefenen. In dit fabricageproces is het belangrijk om de verhouding van materialen en de volgorde van stappen te controleren. De belangrijkste factoren die de mechanische eigenschappen van laminaten beïnvloeden, zijn vezelvolumefractie en holtes; Daarom zijn protocolstappen voor het verwijderen van bellen, zoals beschreven in de stappen 2.1.4, 2.1.8 en 2.1.13, van cruciaal belang.
Om de mechanische eigenschappen van laminaten die door verschillende fabricageprocessen zijn vervaardigd, te vergelijken, worden de trektest en impacttests met lage snelheid uitgevoerd. In deze studie vertonen laminaten vervaardigd volgens het WLVB-proces betere mechanische eigenschappen, waaronder treksterkte, trekmodulus en absorptie van impactenergie. De resultaten illustreren dat laminaten vervaardigd met behulp van het WLVB-proces een toename hebben van 18,3% in specifieke energieabsorptie, evenals een toename van respectievelijk 16,3% en 14,6% in treksterkte en modulus.
In vergelijking met het WL-proces compenseert het WLVB-proces de onvoldoende vormdruk door middel van een goedkope vacuümzak, waarbij overtollige hars uit het systeem wordt geabsorbeerd om de vezelvolumefractie te vergroten en de interne poriëninhoud te verminderen, waardoor de mechanische eigenschappen van het laminaat aanzienlijk worden verbeterd. De kwaliteit van de laminaten die volgens het WLVB-proces worden vervaardigd, is beter. Omdat de druk die wordt uitgeoefend door de vacuümzak gelijkmatiger is, is de dikte van het laminaat dat door het WLVB-proces wordt vervaardigd ook uniformer. De dikte van het laminaat dat door het WL-proces is bereid en alleen het gewicht gebruikt om druk uit te oefenen, is ongelijk, wat resulteert in een onstabiele kwaliteit van laminaten. De testresultaten tonen aan dat de foutbalken van de trek- en impacteigenschappen van de WLVB-stalen kleiner zijn. Het is van cruciaal belang voor de stabiliteit van de laminaatkwaliteit om tijdens het uitharden een gelijkmatige druk uit te oefenen.
Het WLVB-proces heeft een belangrijke stuwende betekenis voor de productie van composietmaterialen met kleine kapitaalinvesteringen. In vergelijking met andere bereidingsprocessen heeft het WLVB-proces verschillende voordelen, waaronder eenvoudige apparatuurvereisten en ongecompliceerde procestechnologie, en de producten worden niet beperkt door grootte en vorm. Dit proces heeft een hoge mate van vrijheid en kan worden geïntegreerd met metaal, hout, kunststof of schuim. Het WLVB-proces heeft echter ook enkele beperkingen, zoals het lage rendement en de lange cyclus. Merk op dat, omdat het voornamelijk geschikt is voor productie in kleine batches en laminaatprestaties nauw verband houden met het vaardigheidsniveau van operators en constructieomstandigheden, het noodzakelijk is om het productieproces kwantitatief te ontwerpen en te optimaliseren om een hoge opbrengst te bereiken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten.
Acknowledgments
De auteurs willen de subsidies van het National Key Research and Development Program van China (nr. 2022YFB3706503) en het Stable Support Plan-programma van het Shenzhen Natural Science Fund (nr. 20220815133826001) bedanken.
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 |
References
- 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. Optimum design based on fabricated natural fiber reinforced automotive brake friction composites using hybrid CRITIC-MEW approach. Journal of Materials Research and Technology. 14, 81-92 (2021).
- Li, Z. -J., Dai, H. -L., Liu, Z. -G., Wang, Y. Micro-CT based parametric modeling and damage analysis of three-dimensional rotary-five-directional braided composites under tensile load. Composite Structures. 309, 116734 (2023).
- Rodríguez-García, V., de Villoria, R. G. Automated manufacturing of bio-inspired carbon-fibre reinforced polymers. Composites Part B: Engineering. 215, 108795 (2021).
- Atas, C., Akgun, Y., Dagdelen, O., Icten, B. M., Sarikanat, M. An experimental investigation on the low velocity impact response of composite plates repaired by VARIM and hand lay-up processes. Composite Structures. 93 (3), 1178-1186 (2011).
- Found, M. S., Friend, M. J. Evaluation of CFRP panels with scarf repair patches. Composite Structures. 32 (1-4), 115-122 (1995).
- Das, S. Urologic laparoscopy: The future is now. The Urologic Clinics of North America. 28 (1), 1-3 (2001).
- Zhang, J., Chaisombat, K., He, S., Wang, C. H. Hybrid composite laminates reinforced with glass/carbon woven fabrics for lightweight load bearing structures. Materials & Design (1980-2015). 36, 75-80 (2012).
- Caltagirone, P. E., et al. 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. Composites Part B: Engineering. 221, 109007 (2021).
- Kini, M. V., Pai, D. The ageing effect on static and dynamic mechanical properties of fibre reinforced polymer composites under marine environment- a review. Materials Today: Proceedings. 52, 689-696 (2022).
- Kolat, K., Neşer, G., Özes, Ç The effect of sea water exposure on the interfacial fracture of some sandwich systems in marine use. Composite Structures. 78 (1), 11-17 (2007).
- Kretsis, G. A review of the tensile, compressive, flexural and shear properties of hybrid fibre-reinforced plastics. Composites. 18 (1), 13-23 (1987).
- Kim, J. -H., Shin, P. -S., Kwon, D. -J., DeVries, K. L., Park, J. -M. Evaluation of interfacial, dispersion, and thermal properties of carbon Fiber/ABC added epoxy composites manufactured by VARTM and RFI methods. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 151, 106660 (2021).
- Vargas-Rojas, E. 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. Composites Part B: Engineering. 243, 110093 (2022).
- Pishvar, M., Amirkhosravri, M., Altan, M. C. Magnet assisted composite manufacturing: a flexible new technique for achieving high consolidation pressure in vacuum bag/lay-up processes. Journal of Visualized Experiments. (135), e57254 (2018).
- Lee, D., Lee, D. G., Lim, J. W. Experimental implementation of a new composite fabrication method: exposing bare fibers on the composite surface by the soft layer method. Journal of Visualized Experiments. (128), e55815 (2017).
- Frey, M., et al. Fabrication and design of wood-based high-performance composites. Journal of Visualized Experiments. (153), e60327 (2019).
- Li, P. C., Zhang, X. M., Xie, W. F., Hoa, S. V. Operation of the collaborative composite manufacturing (CCM) system. Journal of Visualized Experiments. (152), e59969 (2019).
- Taheri-Behrooz, F., Esmkhani, M., Yaghoobi-Chatroodi, A., Ghoreishi, S. M. Out-of-plane shear properties of glass/epoxy composites enhanced with carbon-nanofibers. Polymer Testing. 55, 278-286 (2016).
- Taheri-Behrooz, F., Bakhshan, H. Characteristic length determination of notched woven composites. Advanced Composite Materials. 27 (1), 67-83 (2018).
- Uzay, C., Cetin, A., Geren, N., Bayramoglu, M., Tutuncu, N. Predicting the tensile stiffness and strength properties of plain woven carbon fiber/epoxy laminates: a practical analytical approach and experimental validations. Mechanics of Advanced Materials and Structures. , (2020).
- Cetin, A., Uzay, C., Geren, N., Bayramoglu, M., Tutuncu, N. A practical approach to predict the flexural properties of woven plain carbon fiber/epoxy laminates. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 30 (9), 1801-1811 (2023).
- Villegas, I. F., Palardy, G. Ultrasonic welding of thermoplastic composite coupons for mechanical characterization of welded joints through single lap shear testing. Journal of Visualized Experiments. (108), e53592 (2016).
- Zhang, J., et al. Energy dissipation mechanism of fiber metal laminate under low-velocity impact. Thin-Walled Structures. 183, 110355 (2023).
- Fakhreddini-Najafabadi, S., Torabi, M., Taheri-Behrooz, F. An experimental investigation on the low-velocity impact performance of the CFRP filled with nanoclay. Aerospace Science and Technology. 116, 106858 (2021).
- Taheri-Behrooz, F., Shokrieh, M. M., Yahyapour, I. Effect of stacking sequence on failure mode of fiber metal laminates under low-velocity impact. Iranian Polymer Journal. 23 (2), 147-152 (2014).
- Zhang, X., et al. Rate dependent behaviors of nickel-based microcapsules. Applied Physics Letters. 112 (22), 221905 (2018).
- Li, X., Xu, R., Zhang, X., Zhang, H., Yang, J. Inner blast response of fiber reinforced aluminum tubes. International Journal of Impact Engineering. 172, 104416 (2023).
- Zhang, X., et al. Optimization of shear thickening fluid encapsulation technique and dynamic response of encapsulated capsules and polymeric composite. Composites Science and Technology. 170, 165-173 (2019).
- Wang, P. F., et al. Energy absorption mechanisms of modified double-aluminum layers under low-velocity impact. International Journal of Applied Mechanics. 7 (6), 1550086 (2015).
- Dickson, A. N., Barry, J. N., McDonnell, K. A., Dowling, D. P. Fabrication of continuous carbon, glass and Kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing. Additive Manufacturing. 16, 146-152 (2017).
- Saeed, K., et al. Characterization of continuous carbon fibre reinforced 3D printed polymer composites with varying fibre volume fractions. Composite Structures. 282, 115033 (2022).
- Uzay, Ç, Çetin, A., Geren, N. Physical and mechanical properties of laminar composites depending on the production methods: an experimental investigation. Sādhanā. 47 (4), 262 (2022).
- Mehdikhani, M., Gorbatikh, L., Verpoest, I., Lomov, S. V. Voids in fiber-reinforced polymer composites: A review on their formation, characteristics, and effects on mechanical performance. Journal of Composite Materials. 53 (12), 1579-1669 (2019).
- Zhu, H., Wu, B., Zhang, D., Li, D., Chen, Y. Effect of void on the interlaminar shear fatigue of carbon fiber/epoxy composite laminates. Acta Materiae Compositae Sinica. 27 (6), 32-37 (2010).
- Scott, A. E., Sinclair, I., Spearing, S. M., Mavrogordato, M. N., Hepples, W. Influence of voids on damage mechanisms in carbon/epoxy composites determined via high resolution computed tomography. Composites Science and Technology. 90, 147-153 (2014).
- Abraham, D., Matthews, S., McIlhagger, R. A comparison of physical properties of glass fibre epoxy composites produced by wet lay-up with autoclave consolidation and resin transfer moulding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 29 (7), 795-801 (1998).
- Li, M., et al. Evaluation of through-thickness permeability and the capillary effect in vacuum assisted liquid molding process. Composites Science and Technology. 72 (8), 873-878 (2012).
- Bortz, D. R., Merino, C., Martin-Gullon, I. Mechanical characterization of hierarchical carbon fiber/nanofiber composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 42 (11), 1584-1591 (2011).
- Taheri-Behrooz, F., Moghaddam, H. S. Nonlinear numerical analysis of the V-notched rail shear test specimen. Polymer Testing. 65, 44-53 (2018).
