Summary
Denna uppsats beskriver en tillverkningsprocess för fiberförstärkta polymermatriskompositlaminat erhållna med hjälp av våthandlay-up/vakuumpåsemetoden.
Abstract
Den traditionella våta handuppläggningsprocessen (WL) har använts i stor utsträckning vid tillverkning av fiberkompositlaminat. Men på grund av otillräckligt formningstryck reduceras massfraktionen av fiber och massor av luftbubblor fångas inuti, vilket resulterar i laminat av låg kvalitet (låg styvhet och styrka). WLVB-processen (wet hand lay-up/vacuum bag) för tillverkning av kompositlaminat är baserad på den traditionella våthanduppläggningsprocessen, där man använder en vakuumpåse för att avlägsna luftbubblor och ge tryck, och sedan utför uppvärmnings- och härdningsprocessen.
Jämfört med den traditionella handuppläggningsprocessen visar laminat tillverkade med WLVB-processen överlägsna mekaniska egenskaper, inklusive bättre hållfasthet och styvhet, högre fibervolymfraktion och lägre hålrumsvolymfraktion, vilket alla är fördelar för kompositlaminat. Denna process är helt manuell och påverkas i hög grad av förberedelsepersonalens kompetens. Därför är produkterna utsatta för defekter som hålrum och ojämn tjocklek, vilket leder till instabila egenskaper och mekaniska egenskaper hos laminatet. Därför är det nödvändigt att finjustera WLVB-processen, finjustera steg och kvantifiera materialförhållanden för att säkerställa laminatens mekaniska egenskaper.
Denna artikel beskriver den noggranna processen i WLVB-processen för att framställa vävda slätmönstrade glasfiberförstärkningskompositlaminat (GFRP). Fibervolymhalten i laminat beräknades med hjälp av formelmetoden, och de beräknade resultaten visade att fibervolymhalten i WL-laminat var 42,04 %, medan den i WLVB-laminat var 57,82 %, vilket ökade med 15,78 %. Laminatens mekaniska egenskaper karakteriserades med hjälp av drag- och slagprov. De experimentella resultaten visade att med WLVB-processen förbättrades laminatens styrka och modul med 17,4 % respektive 16,35 %, och den specifika absorberade energin ökade med 19,48 %.
Introduction
Fiberförstärkt polymerkomposit (FRP) är en typ av höghållfast material som tillverkas genom att blanda fiberförstärkning och polymermatriser 1,2,3. Det används ofta inom flygindustrin 4,5,6, konstruktion 7,8, fordon9 och marin10,11 på grund av dess låga densitet, höga specifika styvhet och styrka, utmattningsegenskaper och utmärkta korrosionsbeständighet. Vanliga syntetiska fibrer inkluderar kolfibrer, glasfibrer och aramidfibrer12. Glasfiber valdes för undersökning i denna uppsats. Jämfört med traditionellt stål är glasfiberkompositlaminat (GFRP) lättare, med mindre än en tredjedel av densiteten, men kan uppnå en högre specifik hållfasthet än stål.
Beredningsprocessen för FRP inkluderar vakuumassisterad hartsöverföringsgjutning (VARTM)13, filamentlindning (FW)14 och prepreggjutning, förutom många andra avancerade tillverkningsprocesser15,16,17,18. Jämfört med andra beredningsprocesser har processen med våt handuppläggning/vakuumpåse (WLVB) flera fördelar, inklusive enkla utrustningskrav och okomplicerad processteknik, och produkterna är inte begränsade av storlek och form. Denna process har en hög frihetsgrad och kan integreras med metall, trä, plast eller skum.
Principen för WLVB-processen är att applicera större formningstryck genom vakuumpåsar för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos de preparerade laminaten; Produktionstekniken för denna process är lätt att behärska, vilket gör den till en ekonomisk och enkel process för beredning av kompositmaterial. Denna process är helt manuell och påverkas i hög grad av förberedelsepersonalens kompetens. Därför är produkterna utsatta för defekter som hålrum och ojämn tjocklek, vilket leder till instabila egenskaper och mekaniska egenskaper hos laminatet. Därför är det nödvändigt att beskriva WLVB-processen i detalj, finjustera steg och kvantifiera materialproportioner för att erhålla en hög stabilitet av mekaniska egenskaper hos laminat.
De flesta forskare har studerat det kvasistatiska 19,20,21,22,23 och dynamiska beteendet 24,25,26,27,28, samt egenskapsmodifieringen 29,30 av kompositmaterial. Volymfraktionsförhållandet mellan fiber och matris spelar en avgörande roll för de mekaniska egenskaperna hos FRP-laminat. I ett lämpligt intervall kan en högre volymfraktion av fiber förbättra styrkan och styvheten hos FRP-laminat. Andrew et al.31 undersökte effekten av fibervolymfraktion på de mekaniska egenskaperna hos prover framställda med den additiva tillverkningsprocessen fused deposition modeling (FDM). Resultaten visade att när fibervolymfraktionen var 22,5 % nådde draghållfasthetseffektiviteten sitt maximum, och en liten förbättring av hållfastheten observerades när fibervolymfraktionen nådde 33 %. Khalid et al.32 studerade de mekaniska egenskaperna hos kontinuerliga kolfiberförstärkta (CF)-förstärkta 3D-printade kompositer med olika fibervolymfraktioner, och resultaten visade att både draghållfasthet och styvhet förbättrades med ökningen av fiberinnehållet. Uzay et al.33 undersökte effekterna av tre tillverkningsmetoder - handuppläggning, formpressning och vakuumpåsning - på de mekaniska egenskaperna hos kolfiberförstärkt polymer (CFRP). Fibervolymfraktionen och hålrummet i laminaten mättes, drag- och böjtester utfördes. Experimenten visade att ju högre fibervolymfraktion, desto bättre är de mekaniska egenskaperna.
Tomrum är en av de vanligaste defekterna i FRP-laminat. Hålrum minskar de mekaniska egenskaperna hos kompositmaterial, såsom styrka, styvhet och utmattningsbeständighet34. Spänningskoncentrationen som genereras runt hålrummen främjar utbredningen av mikrosprickor och minskar gränsytan mellan armering och matris. Invändiga hålrum påskyndar också fuktabsorptionen av FRP-laminat, vilket resulterar i avbindning av gränssnitt och prestandaförsämring. Därför påverkar förekomsten av inre hålrum kompositens tillförlitlighet och begränsar deras breda tillämpning. Zhu et al.35 undersökte inverkan av hålrumsinnehåll på de statiska interlaminära skjuvhållfasthetsegenskaperna hos CFRP-kompositlaminat och fann att en ökning av hålrumsinnehållet med 1 % från 0,4 % till 4,6 % ledde till en försämring av den interlaminära skjuvhållfastheten med 2,4 %. Scott et al.36 presenterade effekten av hålrum på skademekanismen i CFRP-kompositlaminat under hydrostatisk belastning med hjälp av datortomografi (CT), och fann att antalet hålrum är 2,6-5 gånger antalet slumpmässigt fördelade sprickor.
Högkvalitativa och pålitliga FRP-laminat kan tillverkas med hjälp av en autoklav. Abraham et al.37 tillverkade laminat med låg porositet och högt fiberinnehåll genom att placera en WLVB-enhet i en autoklav med ett tryck på 1,2 MPa för härdning. Ändå är autoklaven en stor och dyr utrustning, vilket resulterar i betydande tillverkningskostnader. Även om den vakuumassisterade hartsöverföringsprocessen (VARTM) har använts under lång tid, har den en gräns när det gäller tidskostnaden, en mer komplicerad beredningsprocess och fler engångsförbrukningsvaror som avledningsrör och avledningsmedier. Jämfört med WL-processen kompenserar WLVB-processen för otillräckligt formningstryck genom en billig vakuumpåse, absorberar överflödigt harts från systemet för att öka fibervolymfraktionen och minska det inre porinnehållet, vilket avsevärt förbättrar laminatets mekaniska egenskaper.
Denna studie undersöker skillnaderna mellan WL-processen och WLVB-processen, och beskriver den noggranna processen i WLVB-processen. Fibervolymhalten i laminat beräknades med formelmetoden, och resultaten visade att fibervolymhalten i WL-laminat var 42,04 %, medan den för WLVB-laminat var 57,82 %, en ökning med 15,78 %. De mekaniska egenskaperna hos laminat kännetecknades av drag- och slagtester. De experimentella resultaten visade att med WLVB-processen förbättrades laminatens styrka och modul med 17,4 % respektive 16,35 %, och den specifika absorberade energin ökade med 19,48 %.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Förberedelse av material
- Klipp åtta bitar av 300 mm x 300 mm vävd glasfiberväv med en sax. Tejpa snittet först för att förhindra att fiberfilamenten faller av.
OBS: Använd en mask och handskar för att förhindra fingerstick och inandning av filament när du klipper tyget. Inte bara det vävda glasfibertyget, utan enkelriktat tyg och andra typer av fibrer, såsom kolfiber och aramidfiber, finns också. - Väg upp 260 g epoxiharts och 78 g härdare enligt massförhållandet 10:3.
OBS: Förhållandet mellan fibertyg och hartssystem rekommenderas att vara 360 g epoxihartssystem per kvadratmeter enskiktsfibertyg.
2. Tillverkningsprocess
ANM.: Figur 1 visar schemat för tillverkning av kompositlaminat för handuppläggningsprocessen, som visas i avsnitt 2.
- WLVB
- Sätt in tyget i en ugn på 60 °C i 8 timmar.
- Klistra in isoleringsfilm på akrylskivan för att förhindra att hartset fäster.
- Placera formen på läggningsområdet.
- Blanda hartset och härdaren långsamt i 5 minuter och lägg det sedan i en vakuumkammare för att dra ut luftbubblorna inuti.
- Lägg den icke-porösa släppfilmen på formen och fixera den med tejp runt den.
- Lägg ett skalskikt på den icke-porösa släppfilmen.
- Häll i epoxihartset och använd en skrapa för att fördela hartset jämnt över hela filmen.
- Applicera det första fibertyget, rulla med en naken rulle för att se till att hartset helt infiltrerar tyget och bubblorna extruderas, och häll sedan hartset med en skrapa för att skrapa hartset jämnt.
- Upprepa steg 2.1.7 och 2.1.8 tills allt tyg har använts.
- Lägg ett lager på tyget och pressa ut luftbubblorna manuellt.
- Lägg en perforerad släppfilm och en avluftningsduk i tur och ordning.
- Placera sugkanalen och andningsdynan på ena sidan.
- Fäst en cirkel av värmebeständig tejp med en akrylskiva utanför formen och fäst vakuumpåsen runt med tejpen för att bilda ett slutet utrymme.
- Slå på vakuumpumpen för att trycka på 1 bar tryck i 10 timmar vid rumstemperatur. Stäng sedan vakuumpumpen och behåll passiviteten i 14 timmar.
- Sätt in laminaten i ugnen på 80 °C i 16 timmar för att härda helt.
- Mät fibervolymfraktionen med ekvationerna (1-3)38,39.
Nej (1)
Nej (2)
Nej (3)
n är antalet lager av laminatet, ρ fiber är fibertygets ytdensitet från tillverkaren, A fiber är laminatets yta, m fiber är massan av fibertyg, m totalt är laminatets massa, ρ epoxi är densiteten hos epoxin, v epoxi och v totalt är volymerna av epoxi respektive laminat och är fibervolymfraktionen.
- WL
- Sätt in tyget i en ugn på 60 °C i 8 timmar.
- Blanda hartset och härdaren långsamt i 5 minuter och lägg det sedan i en vakuumkammare för att dra ut luftbubblorna inuti.
- Lägg den icke-porösa släppfilmen på formen och fixera den med tejp runt den.
- Lägg ett skalskikt på den icke-porösa släppfilmen.
- Häll i epoxihartset och använd en skrapa för att fördela hartset jämnt över hela filmen.
- Applicera det första fibertyget, rulla med en naken rulle för att se till att hartset helt infiltrerar tyget och bubblorna extruderas, och häll sedan hartset med en skrapa för att skrapa hartset jämnt.
- Upprepa steg 2.2.5 och 2.2.6 tills allt tyg har använts.
- Lägg ett lager på tyget och pressa ut luftbubblorna manuellt.
- Lägg en perforerad släppfilm, ett andningstyg och en icke-porös släppfilm i följd.
- Lägg en aluminiumplatta med samma storlek som fibertyget ovanpå.
- Håll passiviteten vid rumstemperatur i 14 timmar.
- Sätt in laminaten i ugnen på 80 °C i 16 timmar för att härda helt.
Nej (1)
Nej (2)
Nej (3)3. Karakterisering av slagegenskaper
OBS: Det finns många metoder för slagprovning av kompositlaminat. Under kollisionsförhållanden med låg hastighet är den vanligaste metoden fallviktstestet, medan den ofta använda metoden under kollisionsförhållanden med hög hastighet eller ultrahög hastighet är kulslagsmetoden. I denna studie tillämpades fallviktstestet. Utrustningen visas i figur 2.
- Skär en uppsättning 150 mm x 100 mm prover från GFRP för ett slagtest, enligt ASTM D7136, med hjälp av en skärmaskin med hög precision.
- Mät vikten och storleken på varje prov.
- Fixera provexemplarens positioner med hjälp av positioneringsspikar i mitten av provexemplaren som provkroppen kan komma i kontakt med vid varje provning.
- Fäst sample på slagstödsfixturen med fyra gummispetsar.
- Utför slagtestet med hjälp av ett fallviktstorn vid energinivån 10 J. Slå på testmaskinen för fallhammare och klicka på Anslut för att ansluta styrenheten till rullgardinsmenyn och klicka sedan på Hem | Före testet. Ställ in slagenergin på 10 J och tilläggsvikten på 2 kg. Ange mättjockleken, 2,1 mm för WLVB-proverna och 2,5 mm för WL-proverna, för att bestämma höjden på provkroppen och klicka på Start för att starta experimentet.
- Registrera data om stötrespons, inklusive kraft, avböjning och energihistorik.
- Ta ut provet. Anteckna provets morfologi efter islag.
- Upprepa slagtestet fem gånger för att säkerställa att resultaten kan upprepas.
- Beräkna och jämför data från prover.
4. Karakterisering av dragegenskaper
- Skär en uppsättning 250 mm x 25 mm prover från laminaten för ett dragtest, enligt ASTM D3039, med hjälp av en högprecisionskärmaskin med diamantskärare.
- Mät storleken på varje prov med ett skjutmått.
- Använd epoxilim för att fästa fyra 50 mm x 25 mm x 2 mm aluminiumflikar i båda ändarna av provet för att undvika spänningskoncentration.
- Spraya ett tunt lager vit färg på framsidan av provet och spraya sedan svarta fläckar.
- Placera sample i mitten av clamps på dragprovningsmaskinen och ställ in bildinsamlingssystemet, som visas i figur 3.
- För att säkerställa noggrannheten i töjningsdata, variera provets position så att den är i mitten av kamerans fotograferingsområde och i vertikalt läge. Justera dessutom kamerans brännvidd och exponeringshastighet för att säkerställa att fläckarna på sample registreras tydligt.
- Utför dragprovet. Klicka på KONFIGURERA TEST. Ställ in testhastigheten på 0.5 mm/min. Klicka på Provdata. Mata in mätbredden och tjockleken på proverna. Klicka på Start och sedan på Acceptera aktuell position. Registrera inläsningstidsdata.
- Ta ut provet. Anteckna provets morfologi efter dragprovet.
- Upprepa dragprovet fem gånger för att säkerställa resultatens repeterbarhet.
- Använd programvara för digital bildkorrelation (DIC) för att mäta provets nominella töjning under dragprovet.
- Klicka på Längdskala bild för att kalibrera längden på pixlarna, klicka på Referensbild och välj den första bilden som referensbild. Klicka på Deformerad bild och välj de återstående bilderna som deformerade bilder. Klicka på Ritverktyg | Välj rektangel för att välja mätområde. Klicka på Extensometer och ställ in längden på extensometern till 100 mm och klicka sedan på Bearbetning | Starta korrelation.
- Dela lasten med tvärsnittsarean för att få den nominella spänningen.
- Kombinera den nominella töjningen från DIC-mätningen och den nominella spänningen från dragprovningsmaskinen.
- Välj lutningen på det linjära segmentet av töjningsspänningskurvan som elasticitetsmodul. Välj toppvärdet för dragkraft-tid-kurvan som styrka.
- Jämför elasticitetsmodulen och styrkan hos prover.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabell 1 visar fibervolymfraktionen, medeltjockleken och tillverkningsprocessen för proverna. G8-WLVB och G8-WL representerar laminaten som består av 8-lagers glasväv tillverkad genom våt handuppläggning med respektive utan vakuumpåsprocessen. Uppenbarligen, med hjälp av vakuumpåsen, har laminat en ökning med 15,78 % i fibervolymfraktion, samt en minskning med 16,27 % i genomsnittlig tjocklek.
Töjningsspänningskurvor erhållna genom dragprovning av WLVB- och WL-prover visas i figur 4. Den vertikala axeln visar den nominella spänningen, erhållen från kraften dividerad med tvärsnittsarealen, och den horisontella axeln visar den nominella töjningen, beräknad med DIC-programvara. Man kan se att perfekt repeterbarhet erhålls i experimentkurvan, oavsett om det är WL-prover eller WLVB-prover. De två första proverna och de tre sista proverna är inte tillverkade i samma laminat, utan är i samma tillverkade skick; Därför är det viktigt att finjustera stegen och kvantifiera materialandelen.
Dragprovsresultaten för WLVB-prover och WL-prover anges i tabell 2 respektive tabell 3. Olinjäritet observerades i dragkurvan. Lutningen på det linjära segmentet av dragtöjningsspänningskurvan representerar elasticitetsmodulen, och den maximala värdepunkten på den vertikala axeln på dragtöjningsspänningskurvan representerar styrkan. Som visas i tabell 2 är den genomsnittliga draghållfastheten och modulen för fem WLVB-prover 431,79 MPa respektive 19,14 GPa. Standardavvikelserna för draghållfastheten och dragmodulen är 17,81 respektive 0,52. Som visas i tabell 3 är den genomsnittliga draghållfastheten och den genomsnittliga dragmodulen för fem WL-prover 367,8 MPa respektive 16,45 GPa. Standardavvikelserna för draghållfastheten och dragmodulen är 11,63 respektive 0,43.
Tabell 4 visar draghållfasthet och styvhet hos laminat. Resultaten indikerar att draghållfastheten och modulen hos laminat förbättras extremt genom att använda WLVB-processen. Laminat tillverkade med WLVB-processen har en ökning med 17,4 % och 16,35 % i draghållfasthet respektive modul. Följaktligen har WLVB-processen en utmärkt effekt på laminattillverkning genom att förbättra dragegenskaperna hos laminat.
Figur 5 visar dragmodulen och hållfastheten med felstapeln för G8-WLVB och G8-WL samples. Dragmodulen och hållfastheten hos laminat som tillverkas med WLVB-processen är högre än de som tillverkas med WL-processen. Ju mindre felstapeln är, desto större är processens stabilitet; med andra ord är WLVB-processen mer stabil än WL-processen. Figur 6 visar frakturen på WLVB- och WL-prover efter dragprovet; Sprickplatsen för proverna är nära mitten, vilket är acceptabelt. Figur 7 visar sidan view av WLVB- och WL-prover efter dragprovet. Oavsett om proverna tillverkas av WLVB- eller WL-tillverkningsprocesserna, inkluderar provernas dragbrottslägen fiberbrott, matrisbrott och delaminering. Som visas i figur 7 är delamineringslängden för WL-provet längre än för WLVB-provet. WL-proverna har en högre hartsvolymfraktion än WLVB-proverna, vilket resulterar i tjockare harts mellan lagren. Som ett resultat kan en längre delamineringsspricka observeras i WL-proverna.
Kraft- och absorberade energihistorikkurvor erhållna genom slagprovning av WLVB- och WL-prover visas i figur 8. Det finns stor repeterbarhet i slagtestet. Formen på kraft-tid-kurvan för WLVB- och WL-proverna liknar en sinusvåg, som representeras som en typisk icke-genomträngande kurva. Figur 8C,D representerar energiabsorptionsvärdet i realtid. Det absorberade energivärdet ökade först och minskade sedan med tiden. I det inledande stigningssteget absorberade laminatet gradvis all kinetisk energi från slagkroppen och omvandlade den till sin inre energi. Bakom maxpunkten frigjorde laminatet elastisk energi för att studsa tillbaka slaganordningen. Den absorberade energin från laminaten erhölls genom det slutliga kurvvärdet.
Statistisk analys utfördes på experimentella data40. Resultaten av slagprovningen av WLVB- och WL-proverna visas i tabell 5 respektive tabell 6. Som framgår av tabell 5 är den genomsnittliga specifika absorberade energin och standardavvikelsen för fem WLVB-prover 0,092 J/g respektive 0,0024. Som framgår av tabell 6 är den genomsnittliga specifika absorberade energin och standardavvikelsen för fem WL-prover 0,077 J/g respektive 0,0021.
Tabell 7 visar slagegenskaperna hos laminat och den procentuella ökningen av den specifika energiabsorptionen hos laminat som tillverkas genom WLVB-processen. Under samma slagenergi på 10 J observeras samma skadeläge för laminat tillverkade med WLB- och WL-processerna. Resultaten visar att laminat tillverkade med WLVB-processen har en ökning på 19,48 % i specifik energiabsorption. Således kan en fantastisk effekt vid laminattillverkning med WLVB-processen observeras med förbättring av slagegenskaperna hos laminat.
Figur 9 visar den specifika absorberade energin med felstaplar för G8-WLVB- och G8-WL-proverna. På grund av de olika tjockleksvärdena för laminaten som tillverkas av de två processerna, används den specifika energiabsorptionen för att karakterisera laminatens energiabsorptionsprestanda. Resultaten visar att den specifika absorberade energin i WLVB-provet är större än i WL-provet. Felstaplarna för WLVB-provet och WL-provet är likartade i slagtestet. Figur 10 visar den övre och nedre ytan av WLVB- och WL-proverna efter slagprovningen. Det kan tydligt ses att det skadade området av WL-provet är större än WLVB-provet. Av detta följer att förmågan att absorbera slagenergin hos prover som tillverkats med hjälp av WLVB-processen är större än hos prover som tillverkats med hjälp av WL-processen.
Figur 1: En förenklad schematisk bild av WLVB-processen. (1) Vakuumfilm, (2) övre delen av vakuumventilen, (3) avdragshögar, (4) icke-porös släppfilm, (5) värmebeständig kran, (6) akrylplatta, (7) nedre delen av vakuumventilen, (8) andningsdyna, (9) sugkanal, (10) aluminiumform, (11) tyg, (12) perforerad släppfilm, (13) andningsduk. Förkortning: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Testmaskin för fallhammare. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Digitalt bildkorrelationstöjningssystem och Zwick dragprovningsmaskin. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Spännings-töjningskurva erhållen genom dragprov av de fem provexemplaren. a) WLVB. b) WL. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Dragmodul och hållfasthet för G8-WLVB- och G8-WL-provet. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Framifrån view av WLVB- och WL-proverna efter dragprovet. De gula streckade ovalerna visar frakturplatsen. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Sidovy av WLVB- och WL-proverna efter dragprovet . (A) WL-prov, (B) WLVB-prov. Skalstreck = 6 mm. De gula streckade ovalerna visar frakturplatsen och de blå ovalerna visar delaminering. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Kurvan för kraft- och absorberad energi genom slagprovningen av de fem provexemplaren . (A) Krafthistorikkurva för WLVB-proverna. (B) Krafthistorikkurva för WL-proverna. (C) Historikkurva för absorberad energi för WLVB-proverna. (D) Historikkurva för absorberad energi för WL-proverna. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 9: Specifik absorberad energi i G8-WLVB- och G8-WL-provet. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 10: Övre och nedre ytor på WLVB- och WL-provexemplaren efter islagsprovningen. Skalstänger = 20 mm. De gula streckade ovalerna visar skadade områden. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse. Klicka här för att se en större version av denna figur.
| Prov | Fibervolymfraktion (%) | Ökning av fibervolymfraktion (%) | Genomsnittlig tjocklek (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabell 1: Fibervolymfraktion, ökning av fibervolymfraktion och genomsnittlig tjocklek på laminat tillverkade med WLB- och WL-processerna. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse.
| Exempel 1 | Exempel 2 | Exempel 3 | Exempel 4 | Exempel 5 | |||
| Draghållfasthet (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Genomsnittlig draghållfasthet (MPa) | 431.79 | ||||||
| Standardavvikelse för draghållfasthet (MPa) | 17.81 | ||||||
| Dragmodul (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Genomsnittlig dragmodul (GPa) | 19.14 | ||||||
| Standardavvikelse för dragmodul (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabell 2: Dragprovningsresultat från WLVB-proverna. Förkortning: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Exempel 1 | Exempel 2 | Exempel 3 | Exempel 4 | Exempel 5 | |||
| Draghållfasthet (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Genomsnittlig draghållfasthet (MPa) | 367.8 | ||||||
| Standardavvikelse för draghållfasthet (MPa) | 11.63 | ||||||
| Dragmodul (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Genomsnittlig dragmodul (GPa) | 16.45 | ||||||
| Standardavvikelse för dragmodul (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabell 3: Dragprovningsresultat för WL-proverna. Förkortning: WL = wet hand lay-up.
| Prov | Draghållfasthet (MPa) | Ökning av draghållfasthet (%) | Dragmodul (GPa) | Ökning av dragmodul (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabell 4: Genomsnittlig draghållfasthet och modul för laminat som tillverkas med WLVB- och WL-processerna och den procentuella ökningen av dragegenskaperna. Förkortning: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Exempel 1 | Exempel 2 | Exempel 3 | Exempel 4 | Exempel 5 | |||
| Vikt (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Peek Force (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Absorberad energi (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Specifik absorberad energi (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Genomsnittlig specifik absorberad energi (J/g) | 0.092 | ||||||
| Standardavvikelse (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabell 5: Resultat från kollisionsprovning av WLVB-proverna. Förkortning: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Exempel 1 | Exempel 2 | Exempel 3 | Exempel 4 | Exempel 5 | ||||
| Vikt (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Peek Force (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Absorberad energi (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Specifik absorberad energi (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Genomsnittlig specifik absorberad energi (J/g) | 0.077 | |||||||
| Standardavvikelse (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabell 6: Resultat av kollisionsprovning av WL-proverna. Förkortning: WL = wet hand lay-up.
| Prov | Slagenergi (J) | Genomsnittlig peek-kraft (N) | Genomsnittlig specifik absorberad energi (J/g) | Ökning av genomsnittlig specifik absorberad energi (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabell 7: Genomsnittlig slagenergi, toppkraft och specifik absorberad energi för laminat tillverkade med WLB- och WL-processerna, och procentuell ökning av slagegenskaper. Förkortningar: WL = wet hand lay-up; WLVB: våt handuppläggning/vakuumpåse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna uppsats fokuserar på de två olika tillverkningsprocesserna för handuppläggningsmetoden med låg kostnad. Därför valdes två tillverkningsprocesser ut för att noggrant beskrivas i denna artikel, som är enklare, lättare att bemästra, lägre i investeringskostnad och lämpliga för produktion med materialmodifiering i laboratorier och småskaliga fabriker. Under härdning av laminat spelar högt konsolideringstryck en viktig roll vid tillverkning av laminat med hög kvalitet. Antagandet av den traditionella WL-processen utan tillräckligt externt tryck kan leda till en hög hartsvolymfraktion. Hög hartsvolym är en av de viktigaste faktorerna som minskar laminatens mekaniska egenskaper. I detta arbete beskrivs en tillverkningsprocess baserad på den traditionella WL-processen med en vakuumpåse för att avlägsna luftbubblor och ge tryck. I denna tillverkningsprocess är det viktigt att kontrollera andelen material och sekvensen av steg. De viktigaste faktorerna som påverkar de mekaniska egenskaperna hos laminat är fibervolymfraktion och hålrum; Därför är protokollsteg för att ta bort bubblor, som beskrivs i steg 2.1.4, 2.1.8 och 2.1.13, kritiska.
För att jämföra de mekaniska egenskaperna hos laminat tillverkade genom olika tillverkningsprocesser utförs dragprov och slagtester med låg hastighet. I denna studie visar laminat tillverkade med WLVB-processen bättre mekaniska egenskaper, inklusive draghållfasthet, dragmodul och slagenergiabsorption. Resultaten visar att laminat tillverkade med WLVB-processen har en ökning med 18,3 % i specifik energiabsorption, samt en ökning med 16,3 % och 14,6 % i draghållfasthet respektive modul.
Jämfört med WL-processen kompenserar WLVB-processen för det otillräckliga formningstrycket genom en billig vakuumpåse, som absorberar överflödigt harts från systemet för att öka fibervolymfraktionen och minska det inre porinnehållet, vilket avsevärt förbättrar laminatets mekaniska egenskaper. Kvaliteten på laminat som tillverkas med WLVB-processen är bättre. På grund av att trycket som utövas av vakuumpåsen är mer enhetligt, är tjockleken på laminatet som tillverkas av WLVB-processen också mer enhetlig. Tjockleken på laminatet som framställs genom WL-processen med endast vikten för att ge tryck är ojämn, vilket resulterar i instabil kvalitet på laminaten. Testresultaten visar att felstaplarna för drag- och slagegenskaperna hos WLVB-proverna är mindre. Det är avgörande för laminatkvalitetens stabilitet att applicera jämnt tryck under härdningen.
WLVB-processen har en viktig drivande betydelse för produktionen av kompositmaterial med små kapitalinvesteringar. Jämfört med andra beredningsprocesser har WLVB-processen flera fördelar, inklusive enkla utrustningskrav och okomplicerad processteknik, och produkterna är inte begränsade av storlek och form. Denna process har en hög frihetsgrad och kan integreras med metall, trä, plast eller skum. WLVB-processen har dock också vissa begränsningar, såsom dess låga effektivitet och långa cykel. Att notera, eftersom den huvudsakligen är lämplig för produktion av små serier, och laminatprestanda är nära relaterade till operatörernas kompetensnivå och byggförhållanden, är det nödvändigt att designa och optimera tillverkningsprocessen kvantitativt för att uppnå ett högt utbyte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna vill tacka bidragen från National Key Research and Development Program of China (nr 2022YFB3706503) och Stable Support Plan Program of Shenzhen Natural Science Fund (nr 20220815133826001).
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).
