Summary
In diesem Artikel wird ein Herstellungsverfahren für faserverstärkte Polymermatrix-Verbundlaminate beschrieben, die mit dem Nasshandlaminier-/Vakuumbeutelverfahren gewonnen werden.
Abstract
Das traditionelle Nasshand-Lay-up-Verfahren (WL) ist bei der Herstellung von Faserverbundlaminaten weit verbreitet. Aufgrund des unzureichenden Umformdrucks verringert sich jedoch der Massenanteil der Faser und es werden viele Luftblasen im Inneren eingeschlossen, was zu minderwertigen Laminaten (geringe Steifigkeit und Festigkeit) führt. Das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) für die Herstellung von Verbundlaminaten basiert auf dem traditionellen Nass-Hand-Lay-up-Verfahren, bei dem ein Vakuumbeutel verwendet wird, um Luftblasen zu entfernen und Druck zu erzeugen, und dann der Erhitzungs- und Aushärtungsprozess durchgeführt wird.
Im Vergleich zum traditionellen Handlaminierverfahren weisen Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, überlegene mechanische Eigenschaften auf, einschließlich besserer Festigkeit und Steifigkeit, höherer Faservolumenanteil und geringerer Hohlraumvolumenanteil, was alles Vorteile für Verbundlaminate sind. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess genau zu beschreiben, Schritte fein zu steuern und Materialverhältnisse zu quantifizieren, um die mechanischen Eigenschaften von Laminaten sicherzustellen.
Dieser Artikel beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses zur Herstellung von gewebten, glatt gemusterten Glasfaserverstärkungslaminaten (GFKs). Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die berechneten Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften der Laminate wurden mittels Zug- und Schlagversuchen charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.
Introduction
Faserverstärkter Polymerverbundwerkstoff (FVK) ist eine Art hochfestes Material, das durch Mischen von Faserverstärkung und Polymermatrizenhergestellt wird 1,2,3. Es wird aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, seiner Ermüdungseigenschaften und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt 4,5,6, im Bauwesen7,8, in der Automobilindustrie 9 und in der Schifffahrt10,11 eingesetzt. Zu den gängigen synthetischen Fasern gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern12. Glasfaser wurde für die Untersuchung in dieser Arbeit ausgewählt. Im Vergleich zu herkömmlichem Stahl sind glasfaserverstärkte Verbundlaminate (GFK) leichter, mit weniger als einem Drittel der Dichte, können aber eine höhere spezifische Festigkeit als Stahl erreichen.
Der Herstellungsprozess von GFK umfasst vakuumunterstütztes Harztransferformen (VARTM)13, Filament Winding (FW)14 und Prepreg-Molding sowie viele andere fortschrittliche Fertigungsverfahren15,16,17,18. Im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren hat das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) mehrere Vorteile, darunter einfache Anlagenanforderungen und unkomplizierte Verfahrenstechnik, und die Produkte sind nicht durch Größe und Form eingeschränkt. Dieses Verfahren hat einen hohen Freiheitsgrad und kann mit Metall, Holz, Kunststoff oder Schaumstoff integriert werden.
Das Prinzip des WLVB-Verfahrens besteht darin, einen höheren Formdruck durch Vakuumbeutel auszuüben, um die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Laminate zu verbessern. Die Produktionstechnologie dieses Verfahrens ist leicht zu beherrschen, was es zu einem wirtschaftlichen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen macht. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess detailliert zu beschreiben, die Schritte fein zu kontrollieren und den Materialanteil zu quantifizieren, um eine hohe Stabilität der mechanischen Eigenschaften von Laminaten zu erhalten.
Die meisten Forscher haben das quasi-statische 19,20,21,22,23 und das dynamische Verhalten 24,25,26,27,28 sowie die Eigenschaftsmodifikation 29,30 von Verbundwerkstoffen untersucht. Das Verhältnis von Volumenanteil von Faser zu Matrix spielt eine entscheidende Rolle für die mechanischen Eigenschaften von FVK-Laminat. In einem geeigneten Bereich kann ein höherer Volumenanteil der Faser die Festigkeit und Steifigkeit von GFK-Laminat verbessern. Andrew et al.31 untersuchten den Einfluss des Faservolumenanteils auf die mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem Faservolumenanteil von 22,5 % die Zugfestigkeitseffizienz ihr Maximum erreichte und eine leichte Verbesserung der Festigkeit beobachtet wurde, als der Faservolumenanteil 33 % erreichte. Khalid et al.32 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von endlosen kohlenstofffaserverstärkten 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Faservolumenanteilen, und die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Zugfestigkeit als auch die Steifigkeit mit dem Anstieg des Fasergehalts verbessert wurden. Uzay et al.33 untersuchten die Auswirkungen von drei Herstellungsmethoden - Handlaminieren, Formpressen und Vakuumbeuteln - auf die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Der Faservolumenanteil und der Hohlraum der Laminate wurden gemessen, Zug- und Biegeversuche durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die mechanischen Eigenschaften umso besser sind, je höher der Faservolumenanteil ist.
Hohlräume sind einer der häufigsten Defekte bei GFK-Laminat. Hohlräume verringern die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, wie z. B. Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit34. Die um die Hohlräume herum erzeugte Spannungskonzentration fördert die Ausbreitung von Mikrorissen und verringert die Grenzflächenfestigkeit zwischen Bewehrung und Matrix. Interne Hohlräume beschleunigen auch die Feuchtigkeitsaufnahme von GFK-Laminat, was zu einer Grenzflächenablösung und Leistungseinbußen führt. Daher beeinträchtigt das Vorhandensein von inneren Hohlräumen die Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffen und schränkt ihre breite Anwendung ein. Zhu et al.35 untersuchten den Einfluss des Hohlraumgehalts auf die statischen interlaminaren Scherfestigkeitseigenschaften von CFK-Verbundlaminaten und stellten fest, dass eine Erhöhung des Hohlraumgehalts um 1 % im Bereich von 0,4 % bis 4,6 % zu einer Verschlechterung der interlaminaren Scherfestigkeit um 2,4 % führte. Scott et al.36 stellten den Einfluss von Hohlräumen auf den Schädigungsmechanismus in CFK-Verbundlaminaten unter hydrostatischer Belastung mittels Computertomographie (CT) dar und stellten fest, dass die Anzahl der Hohlräume das 2,6-5-fache der Anzahl der zufällig verteilten Risse beträgt.
Hochwertige und zuverlässige GFK-Laminate können mit einem Autoklaven hergestellt werden. Abraham et al.37 stellten Laminate mit geringer Porosität und hohem Fasergehalt her, indem sie eine WLVB-Baugruppe zum Aushärten in einen Autoklaven mit einem Druck von 1,2 MPa legten. Dennoch ist der Autoklav ein großes und teures Gerät, was zu erheblichen Herstellungskosten führt. Obwohl das vakuumgestützte Harztransferverfahren (VARTM) schon seit langem im Einsatz ist, hat es eine Grenze in Bezug auf den Zeitaufwand, einen komplizierteren Präparationsprozess und mehr Einweg-Verbrauchsmaterialien wie Umleitungsröhrchen und Umleitungsmedien. Im Vergleich zum WL-Verfahren kompensiert das WLVB-Verfahren einen unzureichenden Formdruck durch einen kostengünstigen Vakuumbeutel, der überschüssiges Harz aus dem System absorbiert, um den Faservolumenanteil zu erhöhen und den inneren Porengehalt zu reduzieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Laminats erheblich verbessert werden.
Diese Studie untersucht die Unterschiede zwischen dem WL-Prozess und dem WLVB-Prozess und beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses. Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften von Laminaten wurden durch Zug- und Schlagversuche charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.
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Protocol
1. Vorbereitung des Materials
- Schneiden Sie mit einer Schere acht Stücke 300 mm x 300 mm Glasfasergewebe zu. Klebe den Schnitt zuerst mit Klebeband ab, um zu verhindern, dass die Faserfäden abfallen.
HINWEIS: Tragen Sie eine Maske und Handschuhe, um beim Schneiden des Stoffes ein Stechen in den Finger und das Einatmen von Filamenten zu vermeiden. Nicht nur das gewebte Glasfasergewebe, sondern auch unidirektionales Gewebe und andere Faserarten wie Kohlefaser und Aramidfaser sind ebenfalls erhältlich. - 260 g Epoxidharz und 78 g Härter nach dem Massenverhältnis von 10:3 abwiegen.
HINWEIS: Das Verhältnis von Fasergewebe und Harzsystem wird auf 360 g Epoxidharzsystem pro Quadratmeter einlagigem Fasergewebe geschätzt.
2. Herstellungsprozess
ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt das Schema der Herstellung von Verbundlaminat für den Handlaminatprozess, der in Abschnitt 2 dargestellt ist.
- WLVB
- Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.
- Kleben Sie eine Isolierfolie auf die Acrylplatte, um zu verhindern, dass sich das Harz verklebt.
- Stellen Sie die Form auf die Legefläche.
- Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.
- Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.
- Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.
- Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.
- Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.1.7 und 2.1.8, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.
- Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.
- Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie und ein Entlüftungsgewebe aus.
- Platzieren Sie den Saugkanal und das atmungsaktive Pad auf einer Seite.
- Kleben Sie einen Kreis aus hitzebeständigem Klebeband mit einer Acrylplatte außerhalb der Form und befestigen Sie den Vakuumbeutel mit dem Klebeband, um einen geschlossenen Raum zu bilden.
- Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um 1 bar Druck für 10 Stunden bei Raumtemperatur zu drücken. Schließen Sie dann die Vakuumpumpe und lassen Sie sie 14 Stunden lang ruhen.
- Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.
- Messen Sie den Faservolumenanteil mit den Gleichungen (1-3)38,39.
(1)
(2)
(3)
n ist die Anzahl der Schichten des Laminats, ρ Faser ist die Flächendichte des Fasergewebes des Herstellers, AFaser ist die Fläche des Laminats, m Faser ist die Masse des Fasergewebes, m insgesamt ist die Masse des Laminats, ρ Epoxid ist die Dichte des Epoxids, v Epoxid und v insgesamt sind die Volumina von Epoxid bzw. Laminat und ist der Faservolumenanteil.
- WL
- Den Stoff für 8 h bei 60 °C in den Ofen schieben.
- Mischen Sie das Harz und den Härter langsam für 5 Minuten und geben Sie es dann in eine Vakuumkammer, um die Luftblasen im Inneren herauszuziehen.
- Legen Sie die porenfreie Trennfolie auf die Form und fixieren Sie sie mit Klebeband drumherum.
- Legen Sie ein Abreißgewebe auf die nicht poröse Trennfolie.
- Gießen Sie das Epoxidharz hinein und verteilen Sie das Harz mit einem Schaber gleichmäßig in der Folie.
- Legen Sie das erste Fasergewebe auf, rollen Sie es mit einer nackten Walze, um sicherzustellen, dass das Harz vollständig in das Gewebe eindringt und die Blasen extrudiert werden, und gießen Sie dann das Harz mit einem Schaber, um das Harz gleichmäßig abzukratzen.
- Wiederholen Sie die Schritte 2.2.5 und 2.2.6, bis der gesamte Stoff aufgebraucht ist.
- Legen Sie ein Abreißgewebe auf den Stoff und drücken Sie die Luftblasen manuell aus.
- Legen Sie nacheinander eine perforierte Trennfolie, ein Entlüftungsgewebe und eine porenfreie Trennfolie aus.
- Legen Sie eine Aluminiumplatte mit der gleichen Größe wie das Fasergewebe darauf.
- Halten Sie die Ruhe bei Raumtemperatur für 14 Stunden aufrecht.
- Die Laminate für 16 h bei 80 °C in den Ofen geben, damit sie vollständig aushärten.
(1)
(2)
(3)3. Charakterisierung der Schlageigenschaften
HINWEIS: Es gibt viele Methoden für die Schlagprüfung von Verbundlaminaten. Bei Aufprallbedingungen mit niedriger Geschwindigkeit ist die am häufigsten verwendete Methode der Fallgewichtsaufpralltest, während bei Aufprallbedingungen mit hoher Geschwindigkeit oder ultrahoher Geschwindigkeit die häufig verwendete Methode die Geschossaufprallmethode ist. In dieser Studie wurde der Fallgewichts-Aufpralltest angewendet. Die Ausrüstung ist in Abbildung 2 dargestellt.
- Schneiden Sie einen Satz von 150 mm x 100 mm großen Proben aus GFK für einen Schlagversuch gemäß ASTM D7136 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine.
- Messen Sie das Gewicht und die Größe jeder Probe.
- Fixieren Sie die Positionen der Proben mit Positionierungsnägeln in der Mitte der Proben, die der Impaktor bei jedem Test kontaktieren kann.
- Befestigen Sie die Probe mit vier Gummispitzen auf der Schlagstützvorrichtung.
- Führen Sie den Schlagversuch mit einem Fallgewichts-Schlagturm bei einem Energieniveau von 10 J durch. Schalten Sie die Fallhammer-Prüfmaschine ein und klicken Sie auf Verbinden , um den Controller mit der Dropdown-Liste zu verbinden, und klicken Sie dann auf Home | Vor dem Test. Stellen Sie die Schlagenergie auf 10 J und die Zusatzmasse auf 2 kg ein. Geben Sie die Messdicke (2,1 mm für die WLVB-Proben und 2,5 mm für die WL-Proben) ein, um die Höhe des Impaktors zu bestimmen, und klicken Sie auf Start , um das Experiment zu starten.
- Zeichnen Sie die Daten zur Aufprallreaktion auf, einschließlich Kraft, Durchbiegung und Energieverlauf.
- Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Aufprall auf.
- Wiederholen Sie den Schlagtest fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen.
- Berechnen und vergleichen Sie die Daten von Stichproben.
4. Charakterisierung der Zugeigenschaften
- Schneiden Sie einen Satz von 250 mm x 25 mm großen Proben aus den Laminaten für einen Zugversuch gemäß ASTM D3039 mit einer hochpräzisen Schneidemaschine mit einem Diamantschneider.
- Messen Sie die Größe jeder Probe mit einem Messschieber.
- Verwenden Sie Epoxidkleber, um vier 50 mm x 25 mm x 2 mm große Aluminiumlaschen an beiden Enden der Probe zu kleben, um eine Spannungskonzentration zu vermeiden.
- Sprühen Sie eine dünne Schicht weißer Farbe auf die Vorderseite der Probe und sprühen Sie dann schwarze Sprenkel.
- Platzieren Sie die Probe in der Mitte der Klemmen der Zugprüfmaschine und richten Sie das Bilderfassungssystem ein, wie in Abbildung 3 dargestellt.
- Um die Genauigkeit der Dehnungsdaten zu gewährleisten, variieren Sie die Position der Probe so, dass sie sich in der Mitte des Aufnahmebereichs der Kamera und in einer vertikalen Position befindet. Passen Sie außerdem die Brennweite und die Belichtungszeit der Kamera an, um sicherzustellen, dass die Flecken auf der Probe klar erfasst werden.
- Führen Sie den Zugversuch durch. Klicken Sie auf TEST KONFIGURIEREN. Stellen Sie die Prüfgeschwindigkeit auf 0,5 mm/min ein. Klicken Sie auf Beispieldaten. Geben Sie die Messbreite und -dicke der Proben ein. Klicken Sie auf " Start" und dann auf " Aktuelle Position übernehmen". Notieren Sie die Ladezeitdaten.
- Nehmen Sie die Probe heraus. Zeichnen Sie die Morphologie der Probe nach dem Zugversuch auf.
- Wiederholen Sie den Zugversuch fünfmal, um die Wiederholbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.
- Verwenden Sie eine Software zur digitalen Bildkorrelation (DIC), um die Nenndehnung der Probe während des Zugversuchs zu messen.
- Klicken Sie auf Bild mit Längenskala , um die Länge der Pixel zu kalibrieren, klicken Sie auf Referenzbild, und wählen Sie das erste Bild als Referenzbild aus. Klicken Sie auf Deformiertes Bild und wählen Sie die verbleibenden Bilder als deformierte Bilder aus. Klicken Sie auf Zeichentools | Wählen Sie ein Rechteck aus, um den Messbereich auszuwählen. Klicken Sie auf Extensometer, legen Sie die Länge des Extensometers auf 100 mm fest, und klicken Sie dann auf Verarbeitung | Starten Sie die Korrelation.
- Teilen Sie die Last durch die Querschnittsfläche, um die Nennspannung zu erhalten.
- Kombinieren Sie die Nenndehnung aus der DIC-Messung und die Nennspannung aus der Zugprüfmaschine.
- Wählen Sie die Steigung des linearen Segments der Dehnungs-Spannungs-Kurve als Elastizitätsmodul. Wählen Sie den Spitzenwert der Zugkraft-Zeit-Kurve als Festigkeit.
- Vergleichen Sie den Elastizitätsmodul und die Festigkeit von Proben.
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Representative Results
Tabelle 1 zeigt den Faservolumenanteil, die durchschnittliche Dicke und den Herstellungsprozess der Proben. Das G8-WLVB und das G8-WL stellen die Laminate dar, die aus 8-lagigem Glasgewebe bestehen, die im Nasshandlaminierverfahren mit bzw. ohne Vakuumbeutelverfahren hergestellt werden. Offensichtlich haben Laminate mit der Vakuumbeutelunterstützung eine Zunahme des Faservolumenanteils um 15,78 % sowie eine Verringerung der durchschnittlichen Dicke um 16,27 %.
Die Dehnungs-Spannungs-Kurven, die durch den Zugversuch von WLVB- und WL-Proben erhalten wurden, sind in Abbildung 4 dargestellt. Die vertikale Achse zeigt die Nennspannung, die sich aus der Kraft dividiert durch die Querschnittsfläche ergibt, und die horizontale Achse zeigt die Nenndehnung, die von der DIC-Software berechnet wurde. Es ist zu erkennen, dass in der Versuchskurve eine perfekte Wiederholbarkeit erzielt wird, unabhängig davon, ob es sich um WL-Proben oder WLVB-Proben handelt. Die ersten beiden Muster und die letzten drei Muster sind nicht aus demselben Laminat hergestellt, sondern befinden sich im gleichen hergestellten Zustand; Daher ist es wichtig, die Schritte genau zu kontrollieren und den Materialanteil zu quantifizieren.
Die Zugversuchsergebnisse von WLVB- und WL-Proben sind in Tabelle 2 bzw. Tabelle 3 angegeben. In der Zugkurve wurde Nichtlinearität beobachtet. Die Steigung des linearen Segments der Zugdehnungs-Spannungs-Kurve stellt den Elastizitätsmodul dar, und der Maximalwertpunkt auf der vertikalen Achse der Zugdehnungs-Spannungs-Kurve stellt die Festigkeit dar. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, betragen die durchschnittliche Zugfestigkeit und das Modul von fünf WLVB-Proben 431,79 MPa bzw. 19,14 GPa. Die Standardabweichungen der Zugfestigkeit und des Zugmoduls betragen 17,81 bzw. 0,52. Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, betragen die durchschnittliche Zugfestigkeit und der mittlere Zugmodul von fünf WL-Proben 367,8 MPa bzw. 16,45 GPa. Die Standardabweichungen der Zugfestigkeit und des Zugmoduls betragen 11,63 bzw. 0,43.
Tabelle 4 zeigt die Zugfestigkeit und Steifigkeit von Laminaten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zugfestigkeit und der Modul von Laminaten durch den Einsatz des WLVB-Verfahrens extrem verbessert werden. Laminate, die im WLVB-Verfahren hergestellt werden, weisen eine Steigerung der Zugfestigkeit und des Moduls um 17,4 % bzw. 16,35 % auf. Folglich hat das WLVB-Verfahren einen hervorragenden Effekt auf die Laminatherstellung, indem es die Zugeigenschaften von Laminaten verbessert.
Abbildung 5 zeigt den Zugmodul und die Festigkeit mit dem Fehlerbalken von G8-WLVB- und G8-WL-Proben. Der Zugmodul und die Festigkeit von Laminaten, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, sind höher als die mit dem WL-Verfahren hergestellten. Je kleiner der Fehlerbalken ist, desto größer ist die Stabilität des Prozesses. Mit anderen Worten, der WLVB-Prozess ist stabiler als der WL-Prozess. Abbildung 6 zeigt den Bruch von WLVB- und WL-Proben nach dem Zugversuch; Die Bruchstelle der Proben befindet sich in der Nähe der Mitte, was akzeptabel ist. Abbildung 7 zeigt die Seitenansicht von WLVB- und WL-Proben nach dem Zugversuch. Unabhängig davon, ob die Proben mit dem WLVB- oder WL-Herstellungsverfahren hergestellt werden, umfassen die Zugbruchmodi der Proben Faserbruch, Matrixbruch und Delamination. Wie in Abbildung 7 dargestellt, ist die Delaminationslänge der WL-Probe länger als die der WLVB-Probe. Die WL-Proben haben einen höheren Harzvolumenanteil als die WLVB-Proben, was zu einem dickeren Harz zwischen den Schichten führt. Dadurch kann ein längerer Delaminationsriss in den WL-Proben beobachtet werden.
Die Kurven des Kraft- und Energieverlaufs, die durch den Aufprallversuch von WLVB- und WL-Proben erhalten wurden, sind in Abbildung 8 dargestellt. Im Schlagtest zeigt sich eine hohe Wiederholbarkeit. Die Form der Kraft-Zeit-Kurve der WLVB- und WL-Proben ähnelt einer Sinuswelle, die als typische nicht-durchdringende Kurve dargestellt wird. Abbildung 8C,D stellt den Energieabsorptionswert in Echtzeit dar. Der absorbierte Energiewert stieg zuerst an und nahm dann im Laufe der Zeit ab. In der ersten Aufstiegsphase absorbierte das Laminat nach und nach die gesamte kinetische Energie des Impaktors und wandelte sie in seine innere Energie um. Hinter dem Maximalpunkt setzte das Laminat elastische Energie frei, um den Impaktor zurückzuprallen. Die absorbierte Energie der Laminate wurde durch den endgültigen Kurvenwert ermittelt.
Die experimentellen Daten40 wurden statistisch ausgewertet. Die Ergebnisse der Aufpralltests der WLVB- und WL-Proben sind in Tabelle 5 bzw. Tabelle 6 dargestellt. Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, betragen die durchschnittliche spezifische absorbierte Energie und die Standardabweichung von fünf WLVB-Proben 0,092 J/g bzw. 0,0024. Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, betragen die durchschnittliche spezifische absorbierte Energie und die Standardabweichung von fünf WL-Proben 0,077 J/g bzw. 0,0021.
Tabelle 7 zeigt die Schlagzähigkeitseigenschaften von Laminaten und die prozentuale Erhöhung der spezifischen Energieabsorption von Laminaten, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden. Bei gleicher Schlagenergie von 10 J wird die gleiche Schädigungsart für Laminate beobachtet, die mit dem WLVB- und WL-Verfahren hergestellt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, eine Steigerung der spezifischen Energieabsorption um 19,48 % aufweisen. So kann ein wunderbarer Effekt bei der Laminatherstellung durch das WLVB-Verfahren mit der Verbesserung der Schlageigenschaften von Laminaten beobachtet werden.
Abbildung 9 zeigt die spezifische absorbierte Energie mit Fehlerbalken der G8-WLVB- und G8-WL-Proben. Aufgrund der unterschiedlichen Dickenwerte der durch die beiden Verfahren hergestellten Laminate wird die spezifische Energieabsorption verwendet, um die Energieabsorptionsleistung der Laminate zu charakterisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die spezifische absorbierte Energie der WLVB-Probe größer ist als die der WL-Probe. Die Fehlerbalken der WLVB-Probe und der WL-Probe sind im Aufpralltest ähnlich. Abbildung 10 zeigt die Ober- und Unterseite der WLVB- und WL-Proben nach dem Schlagversuch. Es ist deutlich zu erkennen, dass die beschädigte Fläche der WL-Probe größer ist als die der WLVB-Probe. Daraus folgt, dass die Absorptionskapazität der mit dem WLVB-Verfahren hergestellten Proben größer ist als die der mit dem WL-Verfahren hergestellten Proben.
Abbildung 1: Ein vereinfachtes Schema des WLVB-Prozesses. (1) Vakuumfolie, (2) oberer Teil des Vakuumventils, (3) Abziehpfähle, (4) nicht poröse Trennfolie, (5) hitzebeständiger Wasserhahn, (6) Acrylplatte, (7) unterer Teil des Vakuumventils, (8) atmungsaktives Pad, (9) Saugkanal, (10) Aluminiumform, (11) Gewebe, (12) perforierte Trennfolie, (13) Entlüftungsgewebe. Abkürzung: WLVB: Wet Hand Lay-up/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Fallhammer-Prüfmaschine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Digitales Bildkorrelations-Dehnungsmesssystem und Zwick-Zugprüfmaschine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Spannungs-Dehnungs-Kurve, die sich aus dem Zugversuch der fünf Proben ergibt. a) WLVB; (B) WL. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Zugmodul und Festigkeit der G8-WLVB- und G8-WL-Probe. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Vorderansicht der WLVB- und WL-Proben nach dem Zugversuch. Die gelb gestrichelten Ovale zeigen die Bruchstelle. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Seitenansicht der WLVB- und WL-Proben nach dem Zugversuch . (A) WL-Probe, (B) WLVB-Probe. Maßstabsbalken = 6 mm. Die gelb gestrichelten Ovale zeigen die Frakturstelle und die blauen Ovale eine Delamination. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Kurve des Kraft- und Energieverlaufs durch den Aufprallversuch der fünf Proben . (A) Kraftverlaufskurve der WLVB-Proben. (B) Kraftverlaufskurve der WL-Proben. (C) Kurve des Verlaufs der absorbierten Energie der WLVB-Proben. (D) Kurve des Verlaufs der absorbierten Energie der WL-Proben. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Spezifische absorbierte Energie der G8-WLVB- und G8-WL-Probe. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Ober- und Unterseite der WLVB- und WL-Proben nach dem Schlagversuch. Maßstabsleisten = 20 mm. Die gelb gestrichelten Ovale zeigen beschädigte Regionen. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Probe | Faservolumenanteil (%) | Erhöhung des Faservolumenanteils (%) | Durchschnittliche Dicke (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabelle 1: Faservolumenanteil, Erhöhung des Faservolumenanteils und durchschnittliche Dicke von Laminaten, die mit den WLVB- und WL-Verfahren hergestellt werden. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel.
| Beispiel 1 | Beispiel 2 | Beispiel 3 | Beispiel 4 | Beispiel 5 | |||
| Zugfestigkeit (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Mittlere Zugfestigkeit (MPa) | 431.79 | ||||||
| Standardabweichung für die Zugfestigkeit (MPa) | 17.81 | ||||||
| Zugmodul (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Mittlerer Zugmodul (GPa) | 19.14 | ||||||
| Standardabweichung für den Zugmodul (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabelle 2: Zugversuchsergebnisse der WLVB-Proben. Abkürzung: WLVB: Wet Hand Lay-up/Vakuumbeutel.
| Beispiel 1 | Beispiel 2 | Beispiel 3 | Beispiel 4 | Beispiel 5 | |||
| Zugfestigkeit (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Mittlere Zugfestigkeit (MPa) | 367.8 | ||||||
| Standardabweichung für die Zugfestigkeit (MPa) | 11.63 | ||||||
| Zugmodul (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Mittlerer Zugmodul (GPa) | 16.45 | ||||||
| Standardabweichung für den Zugmodul (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabelle 3: Zugversuchsergebnisse der WL-Proben. Abkürzung: WL = Wet Hand Lay-up.
| Probe | Zugfestigkeit (MPa) | Erhöhung der Zugfestigkeit (%) | Zugmodul (GPa) | Erhöhung des Zugmoduls (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabelle 4: Durchschnittliche Zugfestigkeit und Modul von Laminaten, die mit dem WLVB- und WL-Verfahren hergestellt werden, sowie die prozentuale Zunahme der Zugeigenschaften. Abkürzung: WLVB: Wet Hand Lay-up/Vakuumbeutel.
| Beispiel 1 | Beispiel 2 | Beispiel 3 | Beispiel 4 | Beispiel 5 | |||
| Masse (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Peek-Kraft (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Absorbierte Energie (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Spezifische Energieaufnahme (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Durchschnittliche spezifische Energieaufnahme (J/g) | 0.092 | ||||||
| Standardabweichung (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabelle 5: Ergebnisse der Aufpralltests der WLVB-Proben. Abkürzung: WLVB: Wet Hand Lay-up/Vakuumbeutel.
| Beispiel 1 | Beispiel 2 | Beispiel 3 | Beispiel 4 | Beispiel 5 | ||||
| Masse (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Peek-Kraft (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Absorbierte Energie (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Spezifische Energieaufnahme (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Durchschnittliche spezifische Energieaufnahme (J/g) | 0.077 | |||||||
| Standardabweichung (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabelle 6: Ergebnis des Schlagversuchs der WL-Proben. Abkürzung: WL = Wet Hand Lay-up.
| Probe | Aufprallenergie (J) | Durchschnittliche Peek-Kraft (N) | Durchschnittliche spezifische Energieaufnahme (J/g) | Anstieg der durchschnittlichen spezifischen Energieaufnahme (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabelle 7: Durchschnittliche Schlagenergie, Spitzenkraft und spezifische absorbierte Energie von Laminaten, die mit den WLVB- und WL-Verfahren hergestellt werden, sowie prozentuale Steigerung der Schlageigenschaften. Abkürzungen: WL = Wet-Hand-Lay-up; WLVB: nasser Handauflege-/Vakuumbeutel.
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Discussion
Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden unterschiedlichen Herstellungsverfahren für das Handlaminierverfahren mit geringen Kosten. Daher wurden zwei Herstellungsverfahren ausgewählt, die in diesem Artikel sorgfältig beschrieben werden, die einfacher, leichter zu beherrschen und niedrigere Investitionskosten haben und für die Produktion mit Materialmodifikation in Labors und kleinen Fabriken geeignet sind. Bei der Aushärtung von Laminaten spielt ein hoher Verfestigungsdruck eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Laminaten mit hoher Qualität. Die Anwendung des traditionellen WL-Verfahrens ohne ausreichenden externen Druck kann zu einem hohen Harzvolumenanteil führen. Ein hohes Harzvolumen ist einer der Hauptfaktoren, die die mechanischen Eigenschaften von Laminaten beeinträchtigen. In dieser Arbeit wird ein Herstellungsprozess beschrieben, der auf dem traditionellen WL-Verfahren basiert, bei dem ein Vakuumbeutel verwendet wird, um Luftblasen zu entfernen und Druck zu erzeugen. Bei diesem Herstellungsprozess ist es wichtig, das Verhältnis der Materialien und die Reihenfolge der Schritte zu kontrollieren. Die Hauptfaktoren, die die mechanischen Eigenschaften von Laminaten beeinflussen, sind der Faservolumenanteil und Hohlräume; Daher sind Protokollschritte zum Entfernen von Blasen, wie in den Schritten 2.1.4, 2.1.8 und 2.1.13 beschrieben, von entscheidender Bedeutung.
Um die mechanischen Eigenschaften von Laminaten zu vergleichen, die durch verschiedene Herstellungsverfahren hergestellt werden, werden der Zugversuch und der Schlagversuch mit niedriger Geschwindigkeit durchgeführt. In dieser Studie zeigen Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, bessere mechanische Eigenschaften, einschließlich Zugfestigkeit, Zugmodul und Schlagenergieabsorption. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Laminate, die mit dem WLVB-Verfahren hergestellt werden, eine Steigerung der spezifischen Energieaufnahme um 18,3 % sowie eine Steigerung der Zugfestigkeit und des Moduls um 16,3 % bzw. 14,6 % aufweisen.
Im Vergleich zum WL-Verfahren kompensiert das WLVB-Verfahren den unzureichenden Formdruck durch einen kostengünstigen Vakuumbeutel, der überschüssiges Harz aus dem System absorbiert, um den Faservolumenanteil zu erhöhen und den inneren Porengehalt zu reduzieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Laminats erheblich verbessert werden. Die Qualität der mit dem WLVB-Verfahren hergestellten Laminate ist besser. Da der Druck, den der Vakuumbeutel ausübt, gleichmäßiger ist, ist auch die Dicke des mit dem WLVB-Verfahren hergestellten Laminats gleichmäßiger. Die Dicke des Laminats, das mit dem WL-Verfahren hergestellt wird, wobei nur das Gewicht verwendet wird, um Druck zu erzeugen, ist ungleichmäßig, was zu einer instabilen Qualität der Laminate führt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Fehlerbalken der Zug- und Schlageigenschaften der WLVB-Proben kleiner sind. Für die Stabilität der Laminatqualität ist es entscheidend, während der Aushärtung einen gleichmäßigen Druck auszuüben.
Das WLVB-Verfahren hat eine wichtige treibende Bedeutung für den Bereich der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit geringem Kapitaleinsatz. Im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren hat das WLVB-Verfahren mehrere Vorteile, darunter einfache Anlagenanforderungen und unkomplizierte Verfahrenstechnik, und die Produkte sind nicht durch Größe und Form eingeschränkt. Dieses Verfahren hat einen hohen Freiheitsgrad und kann mit Metall, Holz, Kunststoff oder Schaumstoff integriert werden. Das WLVB-Verfahren hat jedoch auch einige Einschränkungen, wie z. B. seinen geringen Wirkungsgrad und seinen langen Zyklus. Da es hauptsächlich für die Kleinserienproduktion geeignet ist und die Laminatleistung eng mit dem Qualifikationsniveau der Bediener und den Konstruktionsbedingungen zusammenhängt, ist es notwendig, den Herstellungsprozess quantitativ zu gestalten und zu optimieren, um eine hohe Ausbeute zu erzielen.
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Disclosures
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Die Autoren bedanken sich für die Zuschüsse aus dem National Key Research and Development Program of China (Nr. 2022YFB3706503) und dem Stable Support Plan Program des 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 |
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