Summary
Dette papir beskriver en fremstillingsproces for fiberforstærkede polymermatrixkompositlaminater opnået ved hjælp af vådhåndlægnings-/vakuumposemetoden.
Abstract
Den traditionelle våde håndlægningsproces (WL) er blevet anvendt i vid udstrækning til fremstilling af fiberkompositlaminater. På grund af mangel i formningstrykket reduceres massefraktionen af fiber, og masser af luftbobler fanges inde, hvilket resulterer i laminater af lav kvalitet (lav stivhed og styrke). WLVB-processen (wet hand lay-up/vacuum bag) til fremstilling af kompositlaminater er baseret på den traditionelle våde håndlægningsproces, hvor der anvendes en vakuumpose til at fjerne luftbobler og give tryk, hvorefter opvarmnings- og hærdningsprocessen udføres.
Sammenlignet med den traditionelle håndlægningsproces viser laminater fremstillet ved WLVB-processen overlegne mekaniske egenskaber, herunder bedre styrke og stivhed, højere fibervolumenfraktion og lavere hulvolumenfraktion, som alle er fordele for kompositlaminater. Denne proces er helt manuel, og den er stærkt påvirket af forberedelsespersonalets færdigheder. Derfor er produkterne tilbøjelige til defekter som hulrum og ujævn tykkelse, hvilket fører til ustabile kvaliteter og mekaniske egenskaber ved laminatet. Derfor er det nødvendigt at finbeskrive WLVB-processen, finjustere kontroltrin og kvantificere materialeforhold for at sikre laminaternes mekaniske egenskaber.
Dette papir beskriver den omhyggelige proces i WLVB-processen til fremstilling af vævede almindeligt mønstrede glasfiberarmeringskompositlaminater (GFRP'er). Fibervolumenindholdet i laminater blev beregnet ved hjælp af formelmetoden, og de beregnede resultater viste, at fibervolumenindholdet i WL-laminater var 42,04%, mens WLVB-laminater var 57,82%, hvilket steg med 15,78%. Laminaternes mekaniske egenskaber blev karakteriseret ved anvendelse af træk- og slagtest. De eksperimentelle resultater afslørede, at med WLVB-processen blev laminaternes styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den specifikke absorberede energi blev øget med 19,48%.
Introduction
Fiberforstærket polymerkomposit (FRP) er en type højstyrkemateriale fremstillet ved blanding af fiberforstærkning og polymermatrixer 1,2,3. Det er meget udbredt i luftfartsindustrien 4,5,6, konstruktion 7,8, bilindustrien 9 og marine10,11 på grund af dens lave densitet, høje specifikke stivhed og styrke, træthedsegenskaber og fremragende korrosionsbestandighed. Almindelige syntetiske fibre omfatter kulfibre, glasfibre og aramidfibre12. Glasfiber blev valgt til undersøgelse i dette papir. Sammenlignet med traditionelt stål er glasfiberarmeringskompositlaminater (GFRP'er) lettere med mindre end en tredjedel af densiteten, men kan opnå en højere specifik styrke end stål.
Forberedelsesprocessen for FRP inkluderer vakuumassisteret harpiksoverførselsstøbning (VARTM)13, filamentvikling (FW)14 og prepreg-støbning ud over mange andre avancerede fabrikationsprocesser15,16,17,18. Sammenlignet med andre forberedelsesprocesser har vådhåndlægnings-/vakuumposeprocessen (WLVB) flere fordele, herunder enkle udstyrskrav og ukompliceret procesteknologi, og produkterne er ikke begrænset af størrelse og form. Denne proces har en høj grad af frihed og kan integreres med metal, træ, plast eller skum.
Princippet i WLVB-processen er at anvende større formningstryk gennem vakuumposer for at forbedre de mekaniske egenskaber af de forberedte laminater; Produktionsteknologien i denne proces er let at mestre, hvilket gør det til en økonomisk og enkel kompositmaterialeforberedelsesproces. Denne proces er helt manuel, og den er stærkt påvirket af forberedelsespersonalets færdigheder. Derfor er produkterne tilbøjelige til defekter som hulrum og ujævn tykkelse, hvilket fører til ustabile kvaliteter og mekaniske egenskaber ved laminatet. Derfor er det nødvendigt at beskrive WLVB-processen i detaljer, finkontroltrin og kvantificere materialeforhold for at opnå en høj stabilitet af mekaniske egenskaber af laminater.
De fleste forskere har studeret den kvasi-statiske 19,20,21,22,23 og dynamiske adfærd 24,25,26,27,28 samt egenskabsmodifikation 29,30 af kompositmaterialer. Volumenfraktionsforholdet mellem fiber og matrix spiller en afgørende rolle i mekaniske egenskaber af FRP-laminat. I et passende område kan en fraktion af fiber med højere volumen forbedre styrken og stivheden af FRP-laminat. Andrew et al.31 undersøgte effekten af fibervolumenfraktion på de mekaniske egenskaber af prøver fremstillet ved den smeltede aflejringsmodellering (FDM) additivfremstillingsproces. Resultaterne viste, at når fibervolumenfraktionen var 22,5%, nåede trækstyrkeeffektiviteten sit maksimum, og der blev observeret en lille forbedring i styrke, da fibervolumenfraktionen nåede 33%. Khalid et al.32 studerede de mekaniske egenskaber ved kontinuerlige kulfiberforstærkede (CF) -forstærkede 3D-printede kompositter med forskellige fibervolumenfraktioner, og resultaterne viste, at både trækstyrke og stivhed blev forbedret med stigningen i fiberindhold. Uzay et al.33 undersøgte virkningerne af tre fabrikationsmetoder - håndlægning, kompressionsstøbning og vakuumposering - på de mekaniske egenskaber af kulfiberforstærket polymer (CFRP). Fibervolumenfraktionen og tomrummet af laminaterne blev målt, træk- og bøjningstest blev udført. Eksperimenterne viste, at jo højere fibervolumenfraktionen er, desto bedre er de mekaniske egenskaber.
Hulrum er en af de mest almindelige defekter i FRP-laminat. Hulrum reducerer kompositmaterialernes mekaniske egenskaber, såsom styrke, stivhed og træthedsbestandighed34. Spændingskoncentrationen, der genereres omkring hulrummene, fremmer udbredelsen af mikrorevner og reducerer grænsefladestyrken mellem armering og matrix. Indvendige hulrum fremskynder også fugtabsorptionen af FRP-laminat, hvilket resulterer i interface-debonding og ydelsesforringelse. Derfor påvirker eksistensen af interne hulrum pålideligheden af komposit og begrænser deres brede anvendelse. Zhu et al.35 undersøgte indflydelsen af hulrumsindhold på de statiske interlaminære forskydningsstyrkeegenskaber af CFRP-kompositlaminater og fandt, at en stigning på 1% i hulrumsindhold fra 0,4% til 4,6% førte til en 2,4% forringelse af interlaminær forskydningsstyrke. Scott et al.36 præsenterede effekten af hulrum på skademekanismen i CFRP-kompositlaminater under hydrostatisk belastning ved hjælp af computertomografi (CT) og fandt, at antallet af hulrum er 2,6-5 gange antallet af tilfældigt fordelte revner.
Højkvalitets og pålidelige FRP-laminater kan fremstilles ved hjælp af en autoklave. Abraham et al.37 fremstillede laminater med lav porøsitet og højt fiberindhold ved at placere en WLVB-enhed i en autoklave med et tryk på 1,2 MPa til hærdning. Ikke desto mindre er autoklaven et stort og dyrt udstyr, hvilket resulterer i betydelige produktionsomkostninger. Selvom den vakuumassisterede harpiksoverførselsproces (VARTM) har været i brug i lang tid, har den en grænse med hensyn til tidsomkostningerne, en mere kompliceret forberedelsesproces og flere engangsforbrugsvarer såsom omdirigeringsrør og omdirigeringsmedier. Sammenlignet med WL-processen kompenserer WLVB-processen for utilstrækkeligt støbetryk gennem en billig vakuumpose, absorberer overskydende harpiks fra systemet for at øge fibervolumenfraktionen og reducere det indre poreindhold og derved forbedre laminatets mekaniske egenskaber betydeligt.
Denne undersøgelse undersøger forskellene mellem WL-processen og WLVB-processen og beskriver den omhyggelige proces i WLVB-processen. Fibervolumenindholdet i laminater blev beregnet ved formelmetoden, og resultaterne viste, at fibervolumenindholdet i WL-laminater var 42,04%, mens WLVB-laminater var 57,82%, hvilket steg med 15,78%. Laminaternes mekaniske egenskaber var kendetegnet ved træk- og slagtest. De eksperimentelle resultater afslørede, at med WLVB-processen blev laminaternes styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den specifikke absorberede energi blev øget med 19,48%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Materiale forberedelse
- Skær otte stykker 300 mm x 300 mm vævet glasfiberstof med saks. Tape snittet først for at forhindre, at fiberfilamenterne falder af.
BEMÆRK: Brug maske og handsker for at forhindre fingerstik og filamentindånding, når du skærer stoffet. Ikke kun det vævede glasfiberstof, men ensrettet stof og andre typer fibre, såsom kulfiber og aramidfiber, er også tilgængelige. - Afvej 260 g epoxyharpiks og 78 g hærder i henhold til masseforholdet 10: 3.
BEMÆRK: Forholdet mellem fiberstof og harpikssystem anbefales at være 360 g epoxyharpikssystem pr. Kvadratmeter enkeltlags fiberstof.
2. Fabrikation proces
BEMÆRK: Figur 1 viser skemaet for fremstilling af kompositlaminat til håndlægningsprocessen, som er vist i afsnit 2.
- WLVB
- Sæt stoffet i en ovn ved 60 °C i 8 timer.
- Indsæt isolationsfilm på akrylpladen for at forhindre, at harpiksen binder.
- Placer formen på lægningsområdet.
- Bland harpiksen og hærderen langsomt i 5 min, og sæt den derefter i et vakuumkammer for at trække luftboblerne ud indeni.
- Læg den ikke-porøse frigørelsesfilm på formen og fastgør den med tape omkring den.
- Læg et skrællag på den ikke-porøse frigørelsesfilm.
- Hæld epoxyharpiksen i, og brug en skraber til at fordele harpiksen jævnt i hele filmen.
- Læg det første fiberstof, rul med en nøgen rulle for at sikre, at harpiksen infiltrerer stoffet fuldt ud, og boblerne ekstruderes, og hæld derefter harpiksen ved hjælp af en skraber for at skrabe harpiksen jævnt.
- Gentag trin 2.1.7 og 2.1.8, indtil alt stoffet er brugt.
- Læg et skrællag på stoffet og pres luftboblerne manuelt ud.
- Læg en perforeret frigørelsesfilm og et udluftningsstof successivt.
- Placer sugekanalen og den åndbare pude på den ene side.
- Sæt en cirkel af varmebestandig tape med en akrylplade uden for formen og fastgør vakuumposen rundt med båndet for at danne et lukket rum.
- Tænd vakuumpumpen for at trykke på 1 bar tryk i 10 timer ved stuetemperatur. Luk derefter vakuumpumpen, og hold den i stilstand i 14 timer.
- Sæt laminaterne i ovnen ved 80 °C i 16 timer for at hærde helt.
- Mål fibervolumenfraktionen ved hjælp af ligningerne (1-3)38,39.
(1)
(2)
(3)
n er antallet af lag af laminatet, ρ fiber er arealtætheden af fiberstoffet fra producenten, En fiber er laminatets areal, m fiber er massen af fiberstof, m total er laminatets masse, ρ epoxy er densiteten af epoxy, v epoxy og v totaler mængderne af henholdsvis epoxy og laminat og er fibervolumenfraktionen.
- WL
- Sæt stoffet i en ovn ved 60 °C i 8 timer.
- Bland harpiksen og hærderen langsomt i 5 minutter, og sæt den derefter i et vakuumkammer for at trække luftboblerne ud indeni.
- Læg den ikke-porøse frigørelsesfilm på formen og fastgør den med tape omkring den.
- Læg et skrællag på den ikke-porøse frigørelsesfilm.
- Hæld epoxyharpiksen i, og brug en skraber til at fordele harpiksen jævnt i hele filmen.
- Læg det første fiberstof, rul med en nøgen rulle for at sikre, at harpiksen infiltrerer stoffet fuldt ud, og boblerne ekstruderes, og hæld derefter harpiksen ved hjælp af en skraber for at skrabe harpiksen jævnt.
- Gentag trin 2.2.5 og 2.2.6, indtil alt stoffet er brugt.
- Læg et skrællag på stoffet og pres luftboblerne manuelt ud.
- Læg en perforeret frigørelsesfilm, et udluftningsstof og en ikke-porøs frigørelsesfilm successivt.
- Placer en aluminiumsplade med samme størrelse som fiberstoffet ovenpå.
- Oprethold hviletilstand ved stuetemperatur i 14 timer.
- Sæt laminaterne i ovnen ved 80 °C i 16 timer for at hærde helt.
(1)
(2)
(3)3. Karakterisering af slagegenskaber
BEMÆRK: Der findes mange metoder til slagprøvning af kompositlaminater. Under anslagsbetingelser med lav hastighed er den almindeligt anvendte metode faldvægtsslagtesten, mens den hyppigt anvendte metode under anslagsbetingelser med høj hastighed eller ultrahøj hastighed er kuglepåvirkningsmetoden. I denne undersøgelse blev faldvægtstesten anvendt. Udstyret er vist i figur 2.
- Skær et sæt 150 mm x 100 mm prøver fra glasfiber til en slagtest i henhold til ASTM D7136 ved hjælp af en skæremaskine med høj præcision.
- Mål vægten og størrelsen af hver prøve.
- Fastgør prøvernes positioner ved hjælp af placeringssøm i midten af prøverne, som slaglegemet kan kontakte for hver test.
- Fastgør prøven på slagstøttearmaturet med fire gummispidser.
- Udfør slagtesten ved hjælp af et slagtårn på 10 J ved 10 J energiniveau. Tænd for faldhammertestmaskinen, klik på Opret forbindelse for at forbinde controlleren med rullemenuen, og klik derefter på Hjem | Før test. Indstil slagenergien til 10 J og den ekstra masse til 2 kg. Indtast måletykkelsen, 2,1 mm for WLVB-prøverne og 2,5 mm for WL-prøverne for at bestemme slaglegemets højde, og klik på Start for at starte eksperimentet.
- Registrer data om påvirkningsrespons, herunder kraft, afbøjning og energihistorik.
- Tag prøven ud. Prøvens morfologi registreres efter stød.
- Slagprøven gentages fem gange for at sikre, at resultaterne kan gentages.
- Beregn og sammenlign dataene for prøver.
4. Karakterisering af trækegenskaber
- Skær et sæt 250 mm x 25 mm prøver fra laminaterne til en træktest i henhold til ASTM D3039 ved hjælp af en skæremaskine med høj præcision med en diamantskærer.
- Mål størrelsen af hver prøve med en vernier caliper.
- Brug epoxyklæbemiddel til at binde fire 50 mm x 25 mm x 2 mm aluminiumsfaner i begge ender af prøven for at undgå spændingskoncentration.
- Sprøjt et tyndt lag hvid maling på forsiden af prøven, og sprøjt derefter sorte pletter.
- Placer prøven i midten af trækprøvningsmaskinens klemmer, og opsæt billedoptagelsessystemet som vist i figur 3.
- For at sikre nøjagtigheden af belastningsdataene skal du variere prøvens position, så den er midt i kameraets optagelsesområde og lodret. Derudover skal du justere kameraets brændvidde og eksponeringshastighed for at sikre, at pletterne på prøven registreres tydeligt.
- Udfør trækprøven. Klik på KONFIGURER TEST. Indstil testhastigheden til 0,5 mm/min. Klik på Eksempel på data. Indtast målebredden og tykkelsen af prøverne. Klik på Start, og klik derefter på Acceptér aktuel position. Registrer data om indlæsningstid.
- Tag prøven ud. Prøvens morfologi registreres efter trækprøven.
- Gentag trækprøven fem gange for at sikre, at resultaterne kan repeteres.
- Brug DIC-software (Digital Image Correlation Technology) til at måle prøvens nominelle belastning under trækprøven.
- Klik på Længdeskaleringsbillede for at kalibrere længden af pixelene, klik på Referencebillede, og vælg det første billede som referencebillede. Klik på Deformeret billede , og vælg de resterende billeder som de deformerede billeder. Klik på Tegnefunktioner | Vælg rektangel for at vælge måleområdet. Klik på Extensometer, indstil extensometerets længde til 100 mm, og klik derefter på Behandling | Start korrelation.
- Opdel belastningen med tværsnitsarealet for at få den nominelle spænding.
- Kombiner den nominelle belastning fra DIC-målingen og den nominelle spænding fra trækprøvningsmaskinen.
- Vælg hældningen af det lineære segment af belastningsspændingskurven som det elastiske modul. Vælg topværdien af trækkrafttidskurven som styrke.
- Sammenlign det elastiske modul og styrken af prøver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabel 1 viser fibervolumenfraktionen, gennemsnitstykkelsen og fremstillingsprocessen for prøverne. G8-WLVB og G8-WL repræsenterer laminaterne, der består af 8-lags glasstof fremstillet ved våd håndlægning med henholdsvis og uden vakuumposeprocessen. Med vakuumposehjælp har laminater naturligvis en stigning på 15.78% i fibervolumenfraktion samt en reduktion på 16.27% i gennemsnitstykkelse.
Belastningsspændingskurver opnået ved trækprøvning af WLVB- og WL-prøver er vist i figur 4. Den lodrette akse viser den nominelle spænding, opnået fra kraft divideret med tværsnitsareal, og den vandrette akse viser den nominelle belastning, beregnet af DIC-software. Det kan ses, at perfekt repeterbarhed opnås i eksperimentkurven, uanset om de er WL-prøver eller WLVB-prøver. De to første prøver og de sidste tre prøver er ikke fremstillet i samme laminat, men er i samme fremstillede tilstand. Derfor er det vigtigt at finkontrollere trin og kvantificere materialeforhold.
Trækprøvningsresultaterne for WLVB-prøver og WL-prøver er angivet i henholdsvis tabel 2 og tabel 3. Nlinearitet blev observeret i trækkurven. Hældningen af det lineære segment af trækbelastningsspændingskurven repræsenterer det elastiske modul, og det maksimale værdipunkt på den lodrette akse af trækbelastningsspændingskurven repræsenterer styrken. Som vist i tabel 2 er den gennemsnitlige trækstyrke og modul for fem WLVB-prøver henholdsvis 431,79 MPa og 19,14 GPa. Standardafvigelserne for trækstyrken og trækmodulet er henholdsvis 17, 81 og 0, 52. Som vist i tabel 3 er den gennemsnitlige trækstyrke og det gennemsnitlige trækmodul for fem WL-prøver henholdsvis 367,8 MPa og 16,45 GPa. Standardafvigelserne for trækstyrken og trækmodulet er henholdsvis 11, 63 og 0, 43.
Tabel 4 viser laminaternes trækstyrke og stivhed. Resultaterne indikerer, at trækstyrken og modulet for laminater forbedres ekstremt ved hjælp af WLVB-processen. Laminater fremstillet ved hjælp af WLVB-processen har en stigning på henholdsvis 17,4% og 16,35% i trækstyrken og modulet. Derfor har WLVB-processen en fremragende effekt på laminatfremstilling ved at forbedre laminaternes trækegenskaber.
Figur 5 viser trækmodulet og styrken med fejllinjen for G8-WLVB- og G8-WL-prøver. Trækmodulet og styrken af laminater fremstillet ved WLVB-processen er højere end dem, der fremstilles ved hjælp af WL-processen. Jo mindre fejllinjen er, desto større er stabiliteten i processen; med andre ord er WLVB-processen mere stabil end WL-processen. Figur 6 viser bruddet af WLVB- og WL-prøver efter trækprøven; Frakturplaceringen af prøver er nær midten, hvilket er acceptabelt. Figur 7 viser sidebilledet af WLVB- og WL-prøver efter trækprøvningen. Uanset om prøverne fremstilles ved WLVB- eller WL-fremstillingsprocesserne, inkluderer prøvernes trækfrakturtilstande fiberbrud, matrixbrud og delaminering. Som vist i figur 7 er delamineringslængden af WL-prøven længere end WLVB-prøven. WL-prøverne har en højere harpiksvolumenfraktion end WLVB-prøverne, hvilket resulterer i tykkere harpiks mellem lagene. Som et resultat kan der observeres en længere delamineringsrevne i WL-prøverne.
Kurver for kraft og absorberet energihistorie opnået ved kollisionsprøvningen af WLVB- og WL-prøver er vist i figur 8. Der er stor repeterbarhed vist i kollisionstesten. Formen af krafttidskurven for WLVB- og WL-prøverne ligner en sinusbølge, der er repræsenteret som en typisk ikke-piercingkurve. Figur 8C,D viser energiabsorptionsværdien i realtid. Den absorberede energiværdi steg først og faldt derefter over tid. I det indledende stigende trin absorberede laminatet gradvist al slaglegemets kinetiske energi og konverterede den til sin indre energi. Bag det maksimale punkt frigav laminatet elastisk energi til at rebound slaglegemet. Den absorberede energi af laminaterne blev opnået ved den endelige kurveværdi.
Statistisk analyse blev udført på de eksperimentelle data40. Resultaterne af slagprøvningen af WLVB- og WL-prøverne er vist i henholdsvis tabel 5 og tabel 6. Som vist i tabel 5 er den gennemsnitlige specifikke absorberede energi og standardafvigelse for fem WLVB-prøver henholdsvis 0,092 J/g og 0,0024. Som vist i tabel 6 er den gennemsnitlige specifikke absorberede energi og standardafvigelse for fem WL-prøver henholdsvis 0,077 J/g og 0,0021.
Tabel 7 viser laminaters påvirkningsegenskaber og den procentvise stigning i den specifikke energiabsorption af laminater fremstillet ved WLVB-processen. Under den samme slagenergi på 10 J observeres den samme skadetilstand for laminater fremstillet af WLVB- og WL-processerne. Resultaterne viser, at laminater fremstillet ved WLVB-processen har en stigning på 19,48% i specifik energiabsorption. Således kan en fantastisk effekt i laminatfremstilling ved WLVB-processen observeres med forbedring af laminaters slagegenskaber.
Figur 9 viser den specifikke absorberede energi med fejlbjælker i G8-WLVB- og G8-WL-prøverne. På grund af de forskellige tykkelsesværdier for laminaterne fremstillet ved de to processer anvendes den specifikke energiabsorption til at karakterisere laminaternes energiabsorptionsevne. Resultaterne viser, at den specifikke absorberede energi i WLVB-prøven er større end WL-prøven. Fejlbjælkerne i WLVB-prøven og WL-prøven er ens i slagtesten. Figur 10 viser den øvre og nederste overflade af WLVB- og WL-prøverne efter kollisionstesten. Det ses tydeligt, at det beskadigede område af WL-prøven er større end WLVB-prøven. Det følger heraf, at slagenergiabsorptionsevnen for prøver fremstillet ved WLVB-processen er større end for de prøver, der fremstilles ved WL-processen.
Figur 1: Et forenklet skema over WLVB-processen. (1) Vakuumfilm, (2) øverste del af vakuumventilen, (3) skrælpæle, (4) ikke-porøs udløserfilm, (5) varmebestandig hane, (6) akrylplade, (7) nederste del af vakuumventilen, (8) åndbar pude, (9) sugekanal, (10) aluminiumsform, (11) stof, (12) perforeret frigørelsesfilm, (13) udluftningsstof. Forkortelse: WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Faldhammer testmaskine. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Digitalt billedkorrelationsbelastningsmålesystem og Zwick trækprøvningsmaskine. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Spændings-belastningskurve opnået ved trækprøvningen af de fem prøver. a) WLVB (B) WL. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Trækmodul og styrke af G8-WLVB- og G8-WL-prøven. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Set forfra af WLVB- og WL-prøverne efter trækprøvningen. De gule stiplede ovaler viser brudstedet. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Set fra siden af WLVB- og WL-prøverne efter trækprøvningen. A) WL-prøve, B) WLVB-prøve. Skalastænger = 6 mm. De gule stiplede ovaler viser brudstedet, og de blå ovaler viser delaminering. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Kurve for kraft og absorberet energihistorie ved kollisionsprøvning af de fem prøver. A) Kurve for krafthistorik for WLVB-prøverne. B) WL-prøvernes forcehistoriekurve. C) Kurven for absorberet energihistorie for WLVB-prøverne. D) WL-prøvernes kurve over absorberet energihistorie. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Specifik absorberet energi i G8-WLVB- og G8-WL-prøven. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 10: Øvre og nederste overflade af WLVB- og WL-prøverne efter slagprøven. Skalastænger = 20 mm. De gule stiplede ovaler viser beskadigede områder. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Prøve | Fibervolumenfraktion (%) | Stigning i fibervolumenfraktion (%) | Gennemsnitlig tykkelse (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabel 1: Fibervolumenfraktion, stigning i fibervolumenfraktion og gennemsnitlig tykkelse af laminater fremstillet ved WLVB- og WL-processerne. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose.
| Prøve 1 | Prøve 2 | Prøve 3 | Prøve 4 | Prøve 5 | |||
| Trækstyrke (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Gennemsnitlig trækstyrke (MPa) | 431.79 | ||||||
| Standardafvigelse for trækstyrke (MPa) | 17.81 | ||||||
| Trækmodul (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Gennemsnitligt trækmodul (GPa) | 19.14 | ||||||
| Standardafvigelse for trækmodul (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabel 2: Trækprøvningsresultater af WLVB-prøverne. Forkortelse: WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose.
| Prøve 1 | Prøve 2 | Prøve 3 | Prøve 4 | Prøve 5 | |||
| Trækstyrke (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Gennemsnitlig trækstyrke (MPa) | 367.8 | ||||||
| Standardafvigelse for trækstyrke (MPa) | 11.63 | ||||||
| Trækmodul (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Gennemsnitligt trækmodul (GPa) | 16.45 | ||||||
| Standardafvigelse for trækmodul (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabel 3: Trækprøvningsresultater af WL-prøverne. Forkortelse: WL = våd hånd lay-up.
| Prøve | Trækstyrke (MPa) | Forøgelse af trækstyrke (%) | Trækmodul (GPa) | Stigning i trækmodul (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabel 4: Gennemsnitlig trækstyrke og modul for laminater fremstillet ved WLVB- og WL-processen og den procentvise stigning i trækegenskaber. Forkortelse: WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose.
| Prøve 1 | Prøve 2 | Prøve 3 | Prøve 4 | Prøve 5 | |||
| Masse (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Kig kraft (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Absorberet energi (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Specifik absorberet energi (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Gennemsnitlig specifik absorberet energi (J/g) | 0.092 | ||||||
| Standardafvigelse (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabel 5: Resultater af slagprøvning af WLVB-prøverne. Forkortelse: WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose.
| Prøve 1 | Prøve 2 | Prøve 3 | Prøve 4 | Prøve 5 | ||||
| Masse (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Kig kraft (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Absorberet energi (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Specifik absorberet energi (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Gennemsnitlig specifik absorberet energi (J/g) | 0.077 | |||||||
| Standardafvigelse (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabel 6: Resultat af slagprøvning af WL-prøverne. Forkortelse: WL = våd hånd lay-up.
| Prøve | Slagenergi (J) | Gennemsnitlig kigkraft (N) | Gennemsnitlig specifik absorberet energi (J/g) | Stigning i gennemsnitlig specifik absorberet energi (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabel 7: Gennemsnitlig slagenergi, spidskraft og specifik absorberet energi for laminater fremstillet ved WLVB- og WL-processerne og procentvis stigning i slagegenskaber. Forkortelser: WL = våd håndlægning; WLVB: våd hånd lay-up / vakuumpose.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette papir fokuserer på de to forskellige fremstillingsprocesser til håndlægningsmetoden med lave omkostninger. Derfor blev to fabrikationsprocesser udvalgt til at blive omhyggeligt beskrevet i dette papir, som er enklere, lettere at mestre, lavere investeringsomkostninger og egnet til produktion med materialemodifikation i laboratorier og små fabrikker. Under hærdningen af laminater spiller højt konsolideringstryk en vigtig rolle i fremstillingen af laminater af høj kvalitet. Vedtagelsen af den traditionelle WL-proces uden tilstrækkeligt eksternt tryk kan føre til en høj harpiksvolumenfraktion. Højt harpiksvolumen er en af de vigtigste faktorer, der reducerer laminaternes mekaniske egenskaber. I dette arbejde beskrives en fabrikationsproces baseret på den traditionelle WL-proces ved hjælp af en vakuumpose til at fjerne luftbobler og give tryk. I denne fremstillingsproces er det vigtigt at kontrollere andelen af materialer og rækkefølgen af trin. De vigtigste faktorer, der påvirker laminaternes mekaniske egenskaber, er fibervolumenfraktion og hulrum; Derfor er protokoltrin til fjernelse af bobler, som beskrevet i trin 2.1.4, 2.1.8 og 2.1.13, kritiske.
For at sammenligne de mekaniske egenskaber ved laminater fremstillet ved forskellige fremstillingsprocesser udføres træktesten og belastningstest med lav hastighed. I denne undersøgelse viser laminater fremstillet ved WLVB-processen bedre mekaniske egenskaber, herunder trækstyrke, trækmodul og slagenergiabsorption. Resultaterne illustrerer, at laminater fremstillet ved hjælp af WLVB-processen har en stigning på 18,3% i specifik energiabsorption samt en stigning på 16,3% og 14,6% i henholdsvis trækstyrke og modul.
Sammenlignet med WL-processen kompenserer WLVB-processen for det utilstrækkelige støbetryk gennem en billig vakuumpose, der absorberer overskydende harpiks fra systemet for at øge fibervolumenfraktionen og reducere det indre poreindhold og derved forbedre laminatets mekaniske egenskaber betydeligt. Kvaliteten af laminater fremstillet ved WLVB-processen er bedre. På grund af det tryk, der udøves af vakuumposen, er mere ensartet, er tykkelsen af laminatet fremstillet ved WLVB-processen også mere ensartet. Tykkelsen af laminatet, der fremstilles ved WL-processen, hvor vægten kun bruges til at give tryk, er ujævn, hvilket resulterer i ustabil kvalitet af laminater. Testresultaterne viser, at fejlbjælkerne i træk- og slagegenskaberne for WLVB-prøverne er mindre. Det er afgørende for stabiliteten af laminatkvaliteten at anvende ensartet tryk under hærdning.
WLVB-processen har vigtig drivende betydning for produktionsområdet for kompositmaterialer med små kapitalinvesteringer. Sammenlignet med andre forberedelsesprocesser har WLVB-processen flere fordele, herunder enkle udstyrskrav og ukompliceret procesteknologi, og produkterne er ikke begrænset af størrelse og form. Denne proces har en høj grad af frihed og kan integreres med metal, træ, plast eller skum. WLVB-processen har dog også nogle begrænsninger, såsom dens lave effektivitet og lange cyklus. Bemærk, fordi det hovedsageligt er egnet til produktion af små partier, og laminatpræstationer er tæt forbundet med operatørernes færdighedsniveau og konstruktionsforhold, er det nødvendigt at designe og optimere fremstillingsprocessen kvantitativt for at opnå et højt udbytte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne vil gerne takke tilskuddene fra National Key Research and Development Program of China (nr. 2022YFB3706503) og 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).
