Summary
Este trabalho descreve um processo de fabricação de laminados compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras obtidos usando o método wet hand lay-up/vacuum bag.
Abstract
O tradicional processo de lay-up manual úmido (WL) tem sido amplamente aplicado na fabricação de laminados compósitos de fibra. No entanto, devido à insuficiência na pressão de formação, a fração de massa da fibra é reduzida e muitas bolhas de ar ficam presas no interior, resultando em laminados de baixa qualidade (baixa rigidez e resistência). O processo WLVB (wet hand lay-up/vacuum bag) para a fabricação de laminados compostos é baseado no processo tradicional de lay-up de mão úmida, usando um saco de vácuo para remover bolhas de ar e fornecer pressão e, em seguida, realizando o processo de aquecimento e cura.
Em comparação com o processo tradicional de lay-up manual, os laminados fabricados pelo processo WLVB apresentam propriedades mecânicas superiores, incluindo melhor resistência e rigidez, maior fração de volume de fibra e menor fração de volume vazio, que são todos benefícios para laminados compostos. Este processo é completamente manual, e é muito influenciado pelas habilidades do pessoal de preparação. Portanto, os produtos são propensos a defeitos como vazios e espessura irregular, levando a qualidades instáveis e propriedades mecânicas do laminado. Assim, é necessário descrever finamente o processo de WLVB, controlar finamente as etapas e quantificar as proporções de materiais, a fim de garantir as propriedades mecânicas dos laminados.
Este trabalho descreve o processo meticuloso do processo WLVB para a preparação de laminados compósitos de reforço de fibra de vidro (GFRPs) com padrões planos. O teor volumétrico de fibra dos laminados foi calculado pelo método da fórmula, e os resultados calculados mostraram que o teor volumétrico de fibra dos laminados WL foi de 42,04%, enquanto o dos laminados WLVB foi de 57,82%, aumentando em 15,78%. As propriedades mecânicas dos laminados foram caracterizadas por meio de ensaios de tração e impacto. Os resultados experimentais revelaram que, com o processo WVB, a resistência e o módulo de elasticidade dos laminados foram aumentados em 17,4% e 16,35%, respectivamente, e a energia absorvida específica foi aumentada em 19,48%.
Introduction
O compósito polimérico reforçado com fibras (FRP) é um tipo de material de alta resistência fabricado pela mistura de reforço de fibras e matrizes poliméricas 1,2,3. É amplamente utilizado nas indústrias aeroespacial 4,5,6, construção7,8, automotiva 9 e naval10,11 devido à sua baixa densidade, alta rigidez e resistência específicas, propriedades de fadiga e excelente resistência à corrosão. As fibras sintéticas comuns incluem fibras de carbono, fibras de vidro e fibras de aramida12. A fibra de vidro foi escolhida para investigação neste trabalho. Em comparação com o aço tradicional, os laminados compósitos de reforço de fibra de vidro (GFRPs) são mais leves, com menos de um terço da densidade, mas podem atingir uma resistência específica maior do que o aço.
O processo de preparação do FRP inclui moldagem por transferência de resina assistida a vácuo (VARTM)13, enrolamento filamentar (FW)14 e moldagem de prepreg, além de muitos outros processos avançados de fabricação15,16,17,18. Em comparação com outros processos de preparação, o processo de lay-up/vacuum bag (WLVB) tem várias vantagens, incluindo requisitos de equipamento simples e tecnologia de processo descomplicada, e os produtos não são limitados por tamanho e forma. Este processo tem um alto grau de liberdade e pode ser integrado com metal, madeira, plástico ou espuma.
O princípio do processo WLVB é aplicar maior pressão de conformação através de sacos a vácuo para melhorar as propriedades mecânicas dos laminados preparados; A tecnologia de produção deste processo é fácil de dominar, tornando-o um processo de preparação de material compósito simples e econômico. Este processo é completamente manual, e é muito influenciado pelas habilidades do pessoal de preparação. Portanto, os produtos são propensos a defeitos como vazios e espessura irregular, levando a qualidades instáveis e propriedades mecânicas do laminado. Assim, é necessário descrever detalhadamente o processo de VVE, controlar finamente as etapas e quantificar a proporção do material, a fim de obter uma alta estabilidade das propriedades mecânicas dos laminados.
A maioria dos pesquisadores tem estudado o comportamento quase-estático 19,20,21,22,23 e dinâmico 24,25,26,27,28, bem como a modificação da propriedade 29,30 de materiais compósitos. A razão da fração volumétrica da fibra para a matriz desempenha um papel crucial nas propriedades mecânicas do laminado FRP. Em uma faixa apropriada, uma fração de maior volume de fibra pode melhorar a resistência e a rigidez do laminado FRP. Andrew et al.31 investigaram o efeito da fração volumétrica da fibra nas propriedades mecânicas de corpos de prova preparados pelo processo de fabricação aditiva com modelagem de deposição fundida (FDM). Os resultados mostraram que, quando a fração volumétrica da fibra foi de 22,5%, a eficiência da resistência à tração atingiu seu máximo, e uma pequena melhora na resistência foi observada quando a fração volumétrica da fibra atingiu 33%. Khalid et al.32 estudaram as propriedades mecânicas de compósitos impressos em 3D reforçados com fibra de carbono (CF) com diversas frações volumétricas de fibra, e os resultados mostraram que tanto a resistência à tração quanto a rigidez foram melhoradas com o aumento do teor de fibras. Uzay et al.33 investigaram os efeitos de três métodos de fabricação - lay up manual, moldagem por compressão e ensacamento a vácuo - sobre as propriedades mecânicas do polímero reforçado com fibra de carbono (PRFC). A fração volumétrica e a nulidade dos laminados foram mensuradas, e ensaios de tração e flexão foram realizados. Os experimentos mostraram que quanto maior a fração volumétrica da fibra, melhores as propriedades mecânicas.
Os vazios são um dos defeitos mais comuns no laminado de FRP. Os vazios reduzem as propriedades mecânicas dos materiais compósitos, como resistência, rigidez e resistência à fadiga34. A concentração de tensões geradas ao redor dos vazios promove a propagação de micro-fissuras e reduz a resistência de interface entre armadura e matriz. Os vazios internos também aceleram a absorção de umidade do laminado FRP, resultando em descolamento da interface e degradação do desempenho. Portanto, a existência de vazios internos afeta a confiabilidade dos compósitos e restringe sua ampla aplicação. Zhu et al.35 investigaram a influência do conteúdo de vazios nas propriedades estáticas de resistência ao cisalhamento interlaminar de laminados compósitos CFRP, e verificaram que um aumento de 1% no teor de vazios, variando de 0,4% a 4,6%, levou a uma deterioração de 2,4% na resistência ao cisalhamento interlaminar. Scott et al.36 apresentaram o efeito dos vazios no mecanismo de dano em laminados compósitos de PRFC sob carregamento hidrostático usando tomografia computadorizada (TC), e verificaram que o número de vazios é 2,6-5 vezes o número de fissuras distribuídas aleatoriamente.
Laminados FRP confiáveis e de alta qualidade podem ser fabricados usando uma autoclave. Abraham et al.37 fabricaram laminados de baixa porosidade e alto teor de fibras, colocando um conjunto WLVB em autoclave com pressão de 1,2 MPa para cura. No entanto, a autoclave é um equipamento grande e caro, resultando em custos consideráveis de fabricação. Embora o processo de transferência de resina assistida a vácuo (VARTM) esteja em uso há muito tempo, ele tem um limite em termos de custo de tempo, um processo de preparação mais complicado e consumíveis mais descartáveis, como tubos de desvio e meios de desvio. Em comparação com o processo WL, o processo WLVB compensa a pressão de moldagem insuficiente através de um saco de vácuo de baixo custo, absorvendo o excesso de resina do sistema para aumentar a fração de volume de fibra e reduzir o teor de poros internos, melhorando assim consideravelmente as propriedades mecânicas do laminado.
Este estudo explora as diferenças entre o processo de CT e o processo de VVE e detalha o processo meticuloso do processo de LVVE. O volume de fibra dos laminados foi calculado pelo método da fórmula, e os resultados mostraram que o teor volumétrico de fibra dos laminados WL foi de 42,04%, enquanto o dos laminados WLVB foi de 57,82%, aumentando em 15,78%. As propriedades mecânicas dos laminados foram caracterizadas por ensaios de tração e impacto. Os resultados experimentais revelaram que, com o processo WVB, a resistência e o módulo de elasticidade dos laminados foram aumentados em 17,4% e 16,35%, respectivamente, e a energia absorvida específica foi aumentada em 19,48%.
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Protocol
1. Preparação do material
- Corte oito peças de tecido de fibra de vidro de 300 mm x 300 mm com tesoura. Tape o corte primeiro para evitar que os filamentos de fibra caiam.
OBS: Use máscara e luvas para evitar picadas nos dedos e inalação de filamentos ao cortar o tecido. Não só o tecido de fibra de vidro, mas tecido unidirecional e outros tipos de fibra, como fibra de carbono e fibra de aramida, também estão disponíveis. - Pesar 260 g de resina epóxi e 78 g de endurecedor de acordo com a relação mássica de 10:3.
NOTA: A proporção de tecido de fibra e sistema de resina é recomendada para ser de 360 g de sistema de resina epóxi por metro quadrado de tecido de fibra de camada única.
2. Processo de fabricação
NOTA: A Figura 1 mostra o esquema de fabricação de laminado composto para o processo de lay-up manual, que é mostrado na seção 2.
- WLVB
- Leve o tecido ao forno a 60 °C por 8 h.
- Colar filme isolante sobre a folha de acrílico para evitar a colagem da resina.
- Coloque o molde sobre a área de assentamento.
- Misture a resina e o endurecedor lentamente por 5 min e, em seguida, coloque-o em uma câmara de vácuo para retirar as bolhas de ar dentro.
- Coloque a película de liberação não porosa no molde e fixe-a com fita adesiva ao redor.
- Coloque uma casca no filme de lançamento não poroso.
- Despeje a resina epóxi e use um raspador para distribuir a resina uniformemente por todo o filme.
- Enrole o primeiro tecido de fibra, enrole com um rolo nu para garantir que a resina se infiltre totalmente no tecido e as bolhas sejam extrusadas e, em seguida, despeje a resina, usando um raspador para raspar a resina uniformemente.
- Repita as etapas 2.1.7 e 2.1.8 até que todo o tecido tenha sido usado.
- Coloque uma camada de casca no tecido e esprema as bolhas de ar manualmente.
- Coloque um filme de liberação perfurado e um tecido de respiro sucessivamente.
- Coloque o canal de sucção e a almofada respirável de um lado.
- Cole um círculo de fita resistente ao calor com uma folha de acrílico fora do molde e prenda o saco de vácuo com a fita para formar um espaço fechado.
- Ligue a bomba de vácuo para pressionar 1 bar de pressão durante 10 h à temperatura ambiente. Em seguida, feche a bomba de vácuo e mantenha a inatividade por 14 h.
- Coloque os laminados no forno a 80 °C por 16 h para curar completamente.
- Medir a fração volumétrica da fibra utilizando equações (1-3)38,39.
(1º)
(2º)
(3º)
n é o número de camadas do laminado, ρ fibra é a densidade areal do tecido de fibra do fabricante, A fibra é a área do laminado, m fibra é a massa do tecido de fibra, m total é a massa do laminado, ρepóxi é a densidade do epóxi, v epóxi e vtotal são os volumes de epóxi e laminado, respectivamente, e é a fração de volume de fibra.
- WL
- Leve o tecido ao forno a 60 °C por 8 h.
- Misture a resina e o endurecedor lentamente por 5 min e, em seguida, coloque-o em uma câmara de vácuo para retirar as bolhas de ar dentro.
- Coloque a película de liberação não porosa no molde e fixe-a com fita adesiva ao redor.
- Coloque uma casca no filme de lançamento não poroso.
- Despeje a resina epóxi e use um raspador para distribuir a resina uniformemente por todo o filme.
- Enrole o primeiro tecido de fibra, enrole com um rolo nu para garantir que a resina se infiltre totalmente no tecido e as bolhas sejam extrusadas e, em seguida, despeje a resina, usando um raspador para raspar a resina uniformemente.
- Repita as etapas 2.2.5 e 2.2.6 até que todo o tecido tenha sido usado.
- Coloque uma camada de casca no tecido e esprema as bolhas de ar manualmente.
- Coloque um filme de lançamento perfurado, um tecido de respiro e um filme de lançamento não poroso sucessivamente.
- Coloque uma placa de alumínio com o mesmo tamanho do tecido de fibra por cima.
- Manter a quiescência à temperatura ambiente por 14 h.
- Coloque os laminados no forno a 80 °C por 16 h para curar completamente.
(1º)
(2º)
(3º)3. Caracterização das propriedades de impacto
NOTA: Existem muitos métodos para testes de impacto de laminados compósitos. Em condições de impacto de baixa velocidade, o método comumente usado é o teste de impacto de peso de queda, enquanto em condições de impacto de alta velocidade ou ultra alta velocidade, o método frequentemente usado é o método de impacto de bala. Neste estudo, aplicou-se o teste de impacto do peso de queda. O equipamento é mostrado na Figura 2.
- Corte um conjunto de amostras de 150 mm x 100 mm de GFRP para um teste de impacto, de acordo com a norma ASTM D7136, usando uma máquina de corte de alta precisão.
- Meça o peso e o tamanho de cada amostra.
- Fixar as posições das amostras usando pregos de posicionamento nos centros das amostras que o pêndulo pode contatar para cada teste.
- Fixe a amostra no dispositivo de suporte de impacto com quatro pontas de borracha.
- Realizar o teste de impacto usando uma torre de impacto de peso de queda no nível de energia de 10 J. Ligue a máquina de teste de martelo de queda e clique em Conectar para conectar o controlador com a lista suspensa e, em seguida, clique em Página Inicial | Antes do teste. Ajuste a energia de impacto para 10 J e a massa adicional para 2 kg. Insira a espessura de medição, 2,1 mm para as amostras WLVB e 2,5 mm para as amostras WL, para determinar a altura do impactor, e clique em Iniciar para iniciar o experimento.
- Registre os dados de resposta ao impacto, incluindo força, deflexão e histórico de energia.
- Retire a amostra. Registrar a morfologia da amostra após o impacto.
- Repita o teste de impacto cinco vezes para garantir a repetibilidade dos resultados.
- Calcular e comparar os dados das amostras.
4. Caracterização das propriedades de tração
- Corte um conjunto de amostras de 250 mm x 25 mm dos laminados para um ensaio de tração, de acordo com a norma ASTM D3039, usando uma máquina de corte de alta precisão com um cortador de diamante.
- Meça o tamanho de cada amostra com um paquímetro vernier.
- Use adesivo epóxi para colar quatro abas de alumínio de 50 mm x 25 mm x 2 mm em ambas as extremidades da amostra para evitar a concentração de tensões.
- Borrife uma fina camada de tinta branca na frente da amostra e, em seguida, borrife manchas pretas.
- Colocar a amostra no centro das abraçadeiras da máquina de ensaio de tração e montar o sistema de aquisição de imagens, como mostra a Figura 3.
- Para garantir a precisão dos dados de deformação, varie a posição da amostra para que ela fique no meio da área de captura da câmera e em uma posição vertical. Além disso, ajuste a distância focal da câmera e a taxa de exposição para garantir que os pontos na amostra sejam claramente registrados.
- Realizar o ensaio de tração. Clique em CONFIGURAR TESTE. Ajuste a velocidade de teste para 0,5 mm/min. Clique em Dados do espécime. Insira a largura de medição e espessura das amostras. Clique em Iniciar e, em seguida, clique em Aceitar posição atual. Registre os dados de tempo de carregamento.
- Retire a amostra. Registar a morfologia da amostra após o ensaio de tração.
- Repetir o ensaio de tração cinco vezes para garantir a repetibilidade dos resultados.
- Utilizar software de correlação digital de imagens (CIVD) para medir a deformação nominal da amostra durante o ensaio de tração.
- Clique em Imagem em Escala de Comprimento para calibrar o comprimento dos pixels, clique em Imagem de Referência e escolha a primeira imagem como imagem de referência. Clique em Imagem deformada e escolha as imagens restantes como as imagens deformadas. Clique em Ferramentas de desenho | Selecione o retângulo para selecionar a área de medição. Clique em Extensômetro e defina o comprimento do extensômetro para 100 mm e, em seguida, clique em Processamento | Inicie a correlação.
- Divida a carga pela área de secção transversal para obter a tensão nominal.
- Combine a deformação nominal da medição DIC e a tensão nominal da máquina de ensaio de tração.
- Escolha a inclinação do segmento linear da curva deformação-tensão como módulo elástico. Escolha o valor de pico da curva força-tempo de tração como a resistência.
- Comparar o módulo de elasticidade e a resistência das amostras.
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Representative Results
A Tabela 1 mostra a fração volumétrica de fibra, espessura média e processo de fabricação das amostras. O G8-WLVB e o G8-WL representam os laminados constituídos por tecido de vidro de 8 camadas fabricado por lay-up manual úmido com e sem o processo de saco a vácuo, respectivamente. Obviamente, com o auxílio do saco a vácuo, os laminados têm um aumento de 15,78% na fração volumétrica da fibra, além de uma redução de 16,27% na espessura média.
As curvas de tensão obtidas pelo ensaio de tração das amostras de BVE e VE são mostradas na Figura 4. O eixo vertical mostra a tensão nominal, obtida a partir da força dividida pela área de secção transversal, e o eixo horizontal mostra a deformação nominal, calculada pelo software DIC. Observa-se que a perfeita repetibilidade é obtida na curva experimental, sejam elas amostras de LE ou de vee. As duas primeiras amostras e as três últimas amostras não são fabricadas no mesmo laminado, mas estão no mesmo estado fabricado; Portanto, é importante controlar finamente as etapas e quantificar a proporção do material.
Os resultados dos ensaios de tração das amostras de VVE e de LE estão indicados na Tabela 2 e na Tabela 3, respectivamente. A não linearidade foi observada na curva de tração. A inclinação do segmento linear da curva tensão-tensão representa o módulo de elasticidade, e o ponto de valor máximo no eixo vertical da curva deformação-tensão representa a resistência. Como mostrado na Tabela 2, a resistência à tração e o módulo de tração médios de cinco amostras de VVE são de 431,79 MPa e 19,14 GPa, respectivamente. Os desvios-padrão da resistência à tração e do módulo de tração são de 17,81 e 0,52, respectivamente. Como mostrado na Tabela 3, a resistência à tração média e o módulo de tração médio de cinco amostras WL são de 367,8 MPa e 16,45 GPa, respectivamente. Os desvios-padrão da resistência à tração e do módulo de tração são de 11,63 e 0,43, respectivamente.
A Tabela 4 mostra a resistência à tração e a rigidez dos laminados. Os resultados indicam que a resistência à tração e o módulo de elasticidade dos laminados são extremamente melhorados com o uso do processo WVB. Os laminados fabricados pelo processo WLVB apresentam aumento de 17,4% e 16,35% na resistência à tração e no módulo, respectivamente. Consequentemente, o processo WLVB tem um excelente efeito na fabricação de laminados, melhorando as propriedades de tração dos laminados.
A Figura 5 mostra o módulo de tração e a resistência com a barra de erro das amostras G8-WLVB e G8-WL. O módulo de tração e a resistência dos laminados fabricados pelo processo WLVB são superiores aos fabricados pelo processo WL. Quanto menor a barra de erros, maior a estabilidade do processo; em outras palavras, o processo WLVB é mais estável do que o processo WL. A Figura 6 mostra a fratura das amostras de BVE e LE após o ensaio de tração; A localização da fratura das amostras é próxima ao meio, o que é aceitável. A Figura 7 mostra a visão lateral das amostras de VVE e WL após o ensaio de tração. Quer as amostras sejam fabricadas pelos processos de fabricação WLVB ou WL, os modos de fratura por tração das amostras incluem quebra de fibra, fratura de matriz e delaminação. Como mostrado na Figura 7, o comprimento de delaminação da amostra WL é maior do que o da amostra WLVB. As amostras WL apresentam maior fração volumétrica de resina do que as amostras WLVB, resultando em resina mais espessa entre as camadas. Como resultado, uma fissura de delaminação mais longa pode ser observada nas amostras de WL.
As curvas de histórico de força e energia absorvida obtidas pelo ensaio de impacto das amostras de VSVE e LE são mostradas na Figura 8. Há grande repetibilidade demonstrada no ensaio de impacto. A forma da curva força-tempo das amostras de VVE e LEO é semelhante a uma onda senoidal, que é representada como uma curva típica não perfurante. A Figura 8C,D representa o valor de absorção de energia em tempo real. O valor de energia absorvida aumentou primeiro e depois diminuiu ao longo do tempo. No estágio inicial de ascensão, o laminado gradualmente absorveu toda a energia cinética do pêndulo e a converteu em sua energia interna. Atrás do ponto máximo, o laminado liberou energia elástica para recuperar o impactor. A energia absorvida dos laminados foi obtida pelo valor final da curva.
Foi realizada análise estatística dos dados experimentais40. Os resultados dos testes de impacto das amostras de VSVE e CE são mostrados na Tabela 5 e na Tabela 6, respectivamente. Como mostrado na Tabela 5, a média da energia absorvida específica e o desvio padrão de cinco amostras de BVE são de 0,092 J/g e 0,0024, respectivamente. Como mostrado na Tabela 6, a média da energia absorvida específica e o desvio padrão de cinco amostras de LE são de 0,077 J/g e 0,0021, respectivamente.
A Tabela 7 mostra as propriedades de impacto dos laminados e o aumento percentual na absorção de energia específica dos laminados fabricados pelo processo WLVB. Sob a mesma energia de impacto de 10 J, o mesmo modo de dano é observado para os laminados fabricados pelos processos WLVB e WL. Os resultados mostram que os laminados fabricados pelo processo WLVB apresentam um aumento de 19,48% na absorção de energia específica. Assim, um efeito maravilhoso na fabricação de laminados pelo processo WLVB pode ser observado com o aumento das propriedades de impacto dos laminados.
A Figura 9 mostra a energia absorvida específica com barras de erro das amostras G8-WLVB e G8-WL. Devido aos diferentes valores de espessura dos laminados fabricados pelos dois processos, a absorção de energia específica é utilizada para caracterizar o desempenho de absorção de energia dos laminados. Os resultados mostram que a energia absorvida específica da amostra de VVE é maior do que a da amostra de LE. As barras de erro da amostra de WLVB e da amostra de WL são semelhantes no teste de impacto. A Figura 10 mostra as superfícies superior e inferior das amostras de VSVE e WL após o ensaio de impacto. Pode-se observar claramente que a área lesada da amostra de LE é maior que a amostra de VVE. Conclui-se que a capacidade de absorção de energia de impacto das amostras fabricadas pelo processo WLVB é maior do que a das amostras fabricadas pelo processo WL.
Figura 1: Esquema simplificado do processo de WLVB. (1) Filme de vácuo, (2) parte superior da válvula de vácuo, (3) pilhas de descascamento, (4) filme de liberação não porosa, (5) torneira resistente ao calor, (6) placa de acrílico, (7) parte inferior da válvula de vácuo, (8) almofada respirável, (9) canal de sucção, (10) molde de alumínio, (11) tecido, (12) filme de liberação perfurada, (13) tecido de respiração. Abreviação: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Máquina de ensaio de martelo de queda. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Sistema de medição de deformação por correlação de imagem digital e máquina de ensaio de tração Zwick. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Curva tensão-deformação obtida pelo ensaio de tração das cinco amostras. a) WLVB; (B) WL. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Módulo de tração e resistência da amostra G8-WLVB e G8-WL. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Vista frontal das amostras de VVE e LE após o ensaio de tração. As ovais tracejadas amarelas mostram o local da fratura. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Vista lateral das amostras de VSVE e LE após o ensaio de tração . (A) amostra WL, (B) amostra WLVB. Barras de escala = 6 mm. As ovais tracejadas amarelas mostram o local da fratura e as ovais azuis mostram delaminação. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Curva de história de força e energia absorvida pelo ensaio de impacto das cinco amostras. (A) Curva de histórico de força das amostras de VVE. (B) Curva de histórico de força das amostras de WL. (C) Curva de histórico de energia absorvida das amostras de VVE. (D) Curva de histórico de energia absorvida das amostras de WL. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Energia absorvida específica da amostra G8-WLVB e G8-WL. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: Superfícies superior e inferior das amostras de VVE e LE após o ensaio de impacto. Barras de escala = 20 mm. Os ovais tracejados amarelos mostram regiões danificadas. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Amostra | Fração volumétrica da fibra (%) | Aumento da fração volumétrica da fibra (%) | Espessura média (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabela 1: Fração volumétrica de fibra, aumento da fração volumétrica de fibra e espessura média dos laminados fabricados pelos processos WLVB e WL. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo.
| Amostra 1 | Amostra 2 | Amostra 3 | Amostra 4 | Amostra 5 | |||
| Resistência à tração (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Resistência média à tração (MPa) | 431.79 | ||||||
| Desvio padrão para resistência à tração (MPa) | 17.81 | ||||||
| Módulo de tração (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Módulo de tração médio (GPa) | 19.14 | ||||||
| Desvio padrão do módulo de tração (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabela 2: Resultados dos ensaios de tração das amostras de VVE. Abreviação: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Amostra 1 | Amostra 2 | Amostra 3 | Amostra 4 | Amostra 5 | |||
| Resistência à tração (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Resistência média à tração (MPa) | 367.8 | ||||||
| Desvio padrão para resistência à tração (MPa) | 11.63 | ||||||
| Módulo de tração (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Módulo de tração médio (GPa) | 16.45 | ||||||
| Desvio padrão do módulo de tração (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabela 3: Resultados dos ensaios de tração das amostras de WL. Abreviação: WL = mão molhada.
| Amostra | Resistência à tração (MPa) | Aumento da resistência à tração (%) | Módulo de tração (GPa) | Aumento do módulo de tração (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabela 4: Resistência média à tração e módulo de elasticidade dos laminados fabricados pelos processos WLVB e WL e aumento percentual das propriedades de tração. Abreviação: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Amostra 1 | Amostra 2 | Amostra 3 | Amostra 4 | Amostra 5 | |||
| Massa (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Força de Espreita (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Energia absorvida (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Energia absorvida específica (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Energia específica absorvida média (J/g) | 0.092 | ||||||
| Desvio padrão (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabela 5: Resultados dos ensaios de impacto das amostras de VVEB. Abreviação: WLVB: wet hand lay-up/vacuum bag.
| Amostra 1 | Amostra 2 | Amostra 3 | Amostra 4 | Amostra 5 | ||||
| Massa (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Força de Espreita (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Energia absorvida (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Energia absorvida específica (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Energia específica absorvida média (J/g) | 0.077 | |||||||
| Desvio padrão (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabela 6: Resultado do ensaio de impacto das amostras de WL. Abreviação: WL = mão molhada.
| Amostra | Energia de impacto (J) | Força de espiada média (N) | Energia específica absorvida média (J/g) | Aumento da energia específica absorvida média (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabela 7: Energia média de impacto, força de pico e energia absorvida específica dos laminados fabricados pelos processos WLVB e WL e aumento percentual nas propriedades de impacto. Abreviações: WL = wet hand lay-up; WLVB: mão molhada lay-up/saco de vácuo.
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Discussion
Este artigo enfoca os dois diferentes processos de fabricação para o método de lay-up manual com baixo custo. Portanto, foram selecionados dois processos de fabricação para serem cuidadosamente descritos neste artigo, que são mais simples, mais fáceis de dominar, de menor custo de investimento e adequados para produção com modificação de material em laboratórios e fábricas de pequena escala. Durante a cura de laminados, a alta pressão de consolidação desempenha um papel importante na fabricação de laminados com alta qualidade. A adoção do processo tradicional de WL sem pressão externa suficiente pode levar a uma alta fração volumétrica de resina. O alto volume de resina é um dos principais fatores que reduzem as propriedades mecânicas dos laminados. Neste trabalho, um processo de fabricação baseado no processo tradicional WL usando um saco de vácuo para remover bolhas de ar e fornecer pressão é descrito. Nesse processo de fabricação, é importante controlar a proporção de materiais e a sequência de etapas. Os principais fatores que afetam as propriedades mecânicas dos laminados são a fração volumétrica e os vazios das fibras; Portanto, as etapas de protocolo para remover bolhas, conforme descrito nas etapas 2.1.4, 2.1.8 e 2.1.13, são críticas.
Para comparar as propriedades mecânicas de laminados fabricados por diferentes processos de fabricação, são realizados os ensaios de tração e de impacto de baixa velocidade. Neste estudo, os laminados fabricados pelo processo WLVB apresentam melhores propriedades mecânicas, incluindo resistência à tração, módulo de tração e absorção de energia de impacto. Os resultados ilustram que os laminados fabricados pelo processo WLVB apresentam um aumento de 18,3% na absorção de energia específica, bem como um aumento de 16,3% e 14,6% na resistência à tração e no módulo, respectivamente.
Em comparação com o processo WL, o processo WLVB compensa a pressão de moldagem insuficiente através de um saco de vácuo de baixo custo, absorvendo o excesso de resina do sistema para aumentar a fração de volume de fibra e reduzir o teor de poros internos, melhorando consideravelmente as propriedades mecânicas do laminado. A qualidade dos laminados fabricados pelo processo WLVB é melhor. Devido à pressão exercida pelo saco de vácuo ser mais uniforme, a espessura do laminado fabricado pelo processo WLVB também é mais uniforme. A espessura do laminado preparado pelo processo WL utilizando apenas o peso para fornecer pressão é desigual, resultando em qualidade instável dos laminados. Os resultados dos ensaios mostram que as barras de erro das propriedades de tração e impacto das amostras de WLVB são menores. É crucial para a estabilidade da qualidade do laminado aplicar uma pressão uniforme durante a cura.
O processo WLVB tem importante importância motriz para o campo de produção de materiais compósitos com pequeno investimento de capital. Em comparação com outros processos de preparação, o processo WLVB tem várias vantagens, incluindo requisitos de equipamento simples e tecnologia de processo descomplicada, e os produtos não são limitados por tamanho e forma. Este processo tem um alto grau de liberdade e pode ser integrado com metal, madeira, plástico ou espuma. No entanto, o processo de BVE também apresenta algumas limitações, como sua baixa eficiência e longo ciclo. De notar, porque é principalmente adequado para a produção de pequenos lotes, e os desempenhos dos laminados estão intimamente relacionados com o nível de habilidade dos operadores e as condições de construção, é necessário projetar e otimizar o processo de fabricação quantitativamente para alcançar um alto rendimento.
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Disclosures
Os autores não têm conflitos de interesse.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer às bolsas do Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China (No. 2022YFB3706503) e do Programa de Plano de Apoio Estável do Shenzhen Natural Science Fund (No. 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 |
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