Summary
Dette papiret beskriver en fabrikasjonsprosess for fiberforsterkede polymermatrikskomposittlaminater oppnådd ved bruk av våt håndopplegg / vakuumposemetode.
Abstract
Den tradisjonelle våthåndsoppleggsprosessen (WL) har blitt mye brukt i produksjonen av fiberkomposittlaminater. På grunn av mangel på formingstrykket reduseres massefraksjonen av fiber og mange luftbobler fanges inne, noe som resulterer i laminater av lav kvalitet (lav stivhet og styrke). WLVB-prosessen (wet hand lay-up/vacuum bag) for fremstilling av komposittlaminater er basert på den tradisjonelle våte håndleggingsprosessen, ved hjelp av en vakuumpose for å fjerne luftbobler og gi trykk, og deretter utføre oppvarmings- og herdeprosessen.
Sammenlignet med den tradisjonelle håndleggingsprosessen, viser laminater produsert av WLVB-prosessen overlegne mekaniske egenskaper, inkludert bedre styrke og stivhet, høyere fibervolumfraksjon og lavere tomromsvolumfraksjon, som alle er fordeler for komposittlaminater. Denne prosessen er helt manuell, og den er sterkt påvirket av ferdighetene til forberedelsespersonellet. Derfor er produktene utsatt for defekter som hulrom og ujevn tykkelse, noe som fører til ustabile egenskaper og mekaniske egenskaper av laminatet. Derfor er det nødvendig å finbeskrive WLVB-prosessen, finkontrolltrinn og kvantifisere materialforhold for å sikre de mekaniske egenskapene til laminater.
Dette papiret beskriver den omhyggelige prosessen med WLVB-prosessen for å forberede vevde vanlige mønstrede glassfiberarmeringskomposittlaminater (GFRP). Fibervoluminnholdet i laminater ble beregnet ved hjelp av formelmetoden, og de beregnede resultatene viste at fibervoluminnholdet i WL-laminater var 42,04%, mens det for WLVB-laminater var 57,82%, og økte med 15,78%. De mekaniske egenskapene til laminatene ble karakterisert ved hjelp av strekk- og slagtester. De eksperimentelle resultatene viste at med WLVB-prosessen ble laminatens styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den spesifikke absorberte energien ble økt med 19,48%.
Introduction
Fiberforsterket polymerkompositt (FRP) er en type høyfast materiale produsert ved å blande fiberarmering og polymermatriser 1,2,3. Det er mye brukt i luftfartsindustrien 4,5,6, konstruksjon7,8, bilindustri 9 og marine10,11 på grunn av lav tetthet, høy spesifikk stivhet og styrke, utmattingsegenskaper og utmerket korrosjonsbestandighet. Vanlige syntetiske fibre inkluderer karbonfibre, glassfibre og aramidfibre12. Glassfiber ble valgt for undersøkelse i denne artikkelen. Sammenlignet med tradisjonelt stål er glassfiberarmeringskomposittlaminater (GFRP) lettere, med mindre enn en tredjedel av tettheten, men kan oppnå en høyere spesifikk styrke enn stål.
Fremstillingsprosessen av FRP inkluderer vakuumassistert harpiksoverføringsstøping (VARTM)13, filamentvikling (FW)14 og prepregstøping, i tillegg til mange andre avanserte fabrikasjonsprosesser15,16,17,18. Sammenlignet med andre prepareringsprosesser har våthåndsopplegg/vakuumposeprosessen (WLVB) flere fordeler, inkludert enkle utstyrskrav og ukomplisert prosessteknologi, og produktene er ikke begrenset av størrelse og form. Denne prosessen har en høy grad av frihet og kan integreres med metall, tre, plast eller skum.
Prinsippet for WLVB-prosessen er å påføre større formingstrykk gjennom vakuumposer for å forbedre de mekaniske egenskapene til de fremstilte laminatene; Produksjonsteknologien i denne prosessen er lett å mestre, noe som gjør den til en økonomisk og enkel komposittmaterialepreparasjonsprosess. Denne prosessen er helt manuell, og den er sterkt påvirket av ferdighetene til forberedelsespersonell. Derfor er produktene utsatt for defekter som hulrom og ujevn tykkelse, noe som fører til ustabile egenskaper og mekaniske egenskaper av laminatet. Derfor er det nødvendig å beskrive WLVB-prosessen i detalj, finkontrolltrinn og kvantifisere materialandel for å oppnå høy stabilitet av mekaniske egenskaper til laminater.
De fleste forskere har studert kvasi-statisk 19,20,21,22,23 og dynamisk oppførsel 24,25,26,27,28, samt egenskapsendringen 29,30 av komposittmaterialer. Volumfraksjonsforholdet mellom fiber og matrise spiller en avgjørende rolle i mekaniske egenskaper til FRP-laminat. I et passende område kan en høyere volumfraksjon av fiber forbedre styrken og stivheten til FRP-laminat. Andrew et al.31 undersøkte effekten av fibervolumfraksjon på de mekaniske egenskapene til prøver fremstilt av FDM-additiv produksjonsprosess for smeltet avsetningsmodellering (FDM). Resultatene viste at når fibervolumfraksjonen var 22,5%, nådde strekkfasthetseffektiviteten sitt maksimum, og en liten forbedring i styrke ble observert da fibervolumfraksjonen nådde 33%. Khalid et al.32 studerte de mekaniske egenskapene til kontinuerlig karbonfiber (CF) -forsterkede 3D-printede kompositter med forskjellige fibervolumfraksjoner, og resultatene viste at både strekkfasthet og stivhet ble forbedret med økningen i fiberinnhold. Uzay et al.33 undersøkte effekten av tre fabrikasjonsmetoder - håndopplag, kompresjonsstøping og vakuumposering - på de mekaniske egenskapene til karbonfiberforsterket polymer (CFRP). Fibervolumfraksjonen og tømmingen av laminatene ble målt, strekk- og bøyetester ble utført. Forsøkene viste at jo høyere fibervolumfraksjonen er, desto bedre er de mekaniske egenskapene.
Tomrom er en av de vanligste feilene i FRP-laminat. Hulrom reduserer de mekaniske egenskapene til komposittmaterialer, som styrke, stivhet og utmattingsmotstand34. Spenningskonsentrasjonen som genereres rundt hulrommene fremmer forplantningen av mikrosprekker og reduserer grensestyrken mellom forsterkning og matrise. Interne hulrom akselererer også fuktighetsabsorpsjonen av FRP-laminat, noe som resulterer i grensesnittavbinding og ytelsesforringelse. Derfor påvirker eksistensen av indre hulrom påliteligheten til kompositt og begrenser deres brede anvendelse. Zhu et al.35 undersøkte påvirkningen av voidinnhold på de statiske interlaminære skjærfasthetsegenskapene til CFRP-komposittlaminater, og fant at en 1% økning i tomrominnhold fra 0,4% til 4,6% førte til en 2,4% forverring i interlaminær skjærstyrke. Scott et al.36 presenterte effekten av hulrom på skademekanismen i CFRP-komposittlaminater under hydrostatisk belastning ved bruk av computertomografi (CT), og fant at antall hulrom er 2,6-5 ganger antall tilfeldig fordelte sprekker.
Høykvalitets og pålitelige FRP-laminater kan produseres ved hjelp av en autoklav. Abraham et al.37 produserte laminater med lav porøsitet og høyt fiberinnhold ved å plassere en WLVB-enhet i en autoklav med et trykk på 1,2 MPa for herding. Likevel er autoklaven et stort og dyrt utstyr, noe som resulterer i betydelige produksjonskostnader. Selv om den vakuumassisterte harpiksoverføringsprosessen (VARTM) har vært i bruk i lang tid, har den en grense når det gjelder tidskostnad, en mer komplisert forberedelsesprosess og mer engangsforbruksvarer som avledningsrør og avledningsmedier. Sammenlignet med WL-prosessen kompenserer WLVB-prosessen for utilstrekkelig støpetrykk gjennom en billig vakuumpose, og absorberer overflødig harpiks fra systemet for å øke fibervolumfraksjonen og redusere det indre poreinnholdet, og forbedrer dermed laminatets mekaniske egenskaper.
Denne studien utforsker forskjellene mellom WL-prosessen og WLVB-prosessen, og beskriver den grundige prosessen med WLVB-prosessen. Fibervoluminnholdet i laminater ble beregnet ved formelmetoden, og resultatene viste at fibervoluminnholdet i WL-laminater var 42,04%, mens det for WLVB-laminater var 57,82%, og økte med 15,78%. De mekaniske egenskapene til laminater ble preget av strekk- og slagtester. De eksperimentelle resultatene viste at med WLVB-prosessen ble laminatens styrke og modul forbedret med henholdsvis 17,4% og 16,35%, og den spesifikke absorberte energien ble økt med 19,48%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Materiell forberedelse
- Klipp åtte stykker 300 mm x 300 mm vevd glassfiberstoff med saks. Teip kuttet først for å forhindre at fiberfilamentene faller av.
NOTAT: Bruk maske og hansker for å forhindre fingerstikk og innånding av filament når du skjærer stoffet. Ikke bare det vevde glassfiberstoffet, men ensrettet stoff og andre typer fiber, som karbonfiber og aramidfiber, er også tilgjengelige. - Vei ut 260 g epoksyharpiks og 78 g herder i henhold til masseforholdet på 10: 3.
MERK: Forholdet mellom fiberstoff og harpikssystem anbefales å være 360 g epoksyharpikssystem per kvadratmeter enkeltlags fiberstoff.
2. Fabrikasjon prosess
MERK: Figur 1 viser skjematisk fremstilling av komposittlaminat for håndleggingsprosessen, som er vist i avsnitt 2.
- WLVB
- Sett stoffet i en ovn på 60 °C i 8 timer.
- Lim isolasjonsfilm på akrylplaten for å forhindre at harpiksen binder seg.
- Plasser formen på leggingsområdet.
- Bland harpiksen og herderen sakte i 5 minutter, og sett den deretter inn i et vakuumkammer for å trekke ut luftboblene inni.
- Legg den ikke-porøse frigjøringsfilmen på formen og fest den med tape rundt den.
- Legg en peeling-lag på den ikke-porøse frigjøringsfilmen.
- Hell i epoksyharpiksen og bruk en skrape for å fordele harpiksen jevnt gjennom hele filmen.
- Lag det første fiberstoffet, rull med en naken rulle for å sikre at harpiksen fullstendig infiltrerer stoffet og boblene ekstruderes, og hell deretter harpiksen ved hjelp av en skrape for å skrape harpiksen jevnt.
- Gjenta trinn 2.1.7 og 2.1.8 til alt stoffet er brukt.
- Legg ett peelingslag på stoffet og klem ut luftboblene manuelt.
- Legg en perforert utgivelsesfilm og ett pustestoff suksessivt.
- Plasser sugekanalen og den pustende puten på den ene siden.
- Fest en sirkel av varmebestandig tape med et akrylark utenfor formen og fest vakuumposen rundt med båndet for å danne et lukket rom.
- Slå på vakuumpumpen for å trykke 1 bar trykk i 10 timer ved romtemperatur. Lukk deretter vakuumpumpen og oppretthold hvilemodus i 14 timer.
- Sett laminatene inn i ovnen ved 80 °C i 16 timer for å herde helt.
- Mål fibervolumfraksjonen ved hjelp av ligninger (1-3):38,39.
(1)
(2)
(3)
n er antall lag av laminatet, ρ fiber er arealtettheten til fiberstoffet fra produsenten, En fiber er laminatets område, m fiber er massen av fiberstoff, m totalt er massen av laminatet, ρ epoksy er tettheten av epoksyet, v epoksy og v totalt er volumene av henholdsvis epoksy og laminat, og er fibervolumfraksjonen.
- WL
- Sett stoffet i en ovn på 60 °C i 8 timer.
- Bland harpiksen og herderen sakte i 5 minutter og sett den deretter inn i et vakuumkammer for å trekke ut luftboblene inni.
- Legg den ikke-porøse frigjøringsfilmen på formen og fest den med tape rundt den.
- Legg en peeling-lag på den ikke-porøse frigjøringsfilmen.
- Hell i epoksyharpiksen og bruk en skrape for å fordele harpiksen jevnt gjennom hele filmen.
- Lag det første fiberstoffet, rull med en naken rulle for å sikre at harpiksen fullstendig infiltrerer stoffet og boblene ekstruderes, og hell deretter harpiksen ved hjelp av en skrape for å skrape harpiksen jevnt.
- Gjenta trinn 2.2.5 og 2.2.6 til alt stoffet er brukt.
- Legg ett peelingslag på stoffet og klem ut luftboblene manuelt.
- Legg en perforert utgivelsesfilm, ett pustestoff og en ikke-porøs utgivelsesfilm suksessivt.
- Legg en aluminiumsplate med samme størrelse som fiberduken på toppen.
- Oppretthold hvile ved romtemperatur i 14 timer.
- Sett laminatene inn i ovnen ved 80 °C i 16 timer for å herde helt.
(1)
(2)
(3)3. Karakterisering av slagegenskaper
MERK: Det finnes mange metoder for støttesting av komposittlaminater. Under lavhastighets kollisjonsforhold er den vanlige metoden fallvektkollisjonstesten, mens under høyhastighets- eller ultrahøyhastighetskollisjonsforhold er den ofte brukte metoden kulekollisjonsmetoden. I denne studien ble drop-weight impact test brukt. Utstyret er vist i figur 2.
- Klipp et sett med 150 mm x 100 mm prøver fra GFRP for en slagtest, i henhold til ASTM D7136, ved hjelp av en høypresisjons skjæremaskin.
- Mål vekten og størrelsen på hver prøve.
- Fest posisjonene til prøvene ved hjelp av posisjonering av negler i midten av prøvene som kollisjonsrøret kan kontakte for hver test.
- Fest prøven på støtstøttearmaturen med fire gummispisser.
- Utfør slagtesten ved hjelp av et fallvektstårn på 10 J energinivå. Slå på dråpehammertestmaskinen og klikk Koble til for å koble kontrolleren til rullegardinmenyen, og klikk deretter Hjem | Før test. Sett kollisjonsenergien til 10 J og tilleggsmassen til 2 kg. Skriv inn måletykkelsen, 2,1 mm for WLVB-prøvene og 2,5 mm for WL-prøvene, for å bestemme høyden på kollisjonen, og klikk Start for å starte eksperimentet.
- Registrer innvirkningsresponsdataene, inkludert kraft-, avbøynings- og energihistorikk.
- Ta ut prøven. Registrer morfologien til prøven etter støt.
- Gjenta slagtesten fem ganger for å sikre repeterbarhet av resultatene.
- Beregn og sammenlign dataene for prøver.
4. Karakterisering av strekkegenskaper
- Klipp et sett med 250 mm x 25 mm prøver fra laminatene for en strekkprøve, i henhold til ASTM D3039, ved hjelp av en høypresisjons skjæremaskin med diamantkutter.
- Mål størrelsen på hver prøve med en vernier tykkelse.
- Bruk epoksylim til å binde fire 50 mm x 25 mm x 2 mm aluminiumsfliker i begge ender av prøven for å unngå stresskonsentrasjon.
- Spray et tynt lag med hvit maling på forsiden av prøven, og spray deretter svarte flekker.
- Plasser prøven i midten av klemmene på strekkprøvemaskinen og sett opp bildeinnsamlingssystemet, som vist i figur 3.
- For å sikre nøyaktigheten av belastningsdataene må du variere posisjonen til prøven slik at den er midt i kameraets opptaksområde og i vertikal stilling. I tillegg må du justere kameraets brennvidde og eksponeringsfrekvens for å sikre at flekkene på prøven registreres tydelig.
- Utfør strekkprøven. Klikk på KONFIGURER TEST. Sett testhastigheten til 0,5 mm/min. Klikk på Prøvedata. Skriv inn målebredden og tykkelsen på prøvene. Klikk Start, og klikk deretter Godta gjeldende posisjon. Registrer lastetidsdataene.
- Ta ut prøven. Registrer morfologien til prøven etter strekkprøven.
- Gjenta strekkprøven fem ganger for å sikre repeterbarhet av resultatene.
- Bruk programvare for digital bildekorrelasjon (DIC) for å måle den nominelle belastningen til prøven under strekkprøven.
- Klikk Lengdeskaleringsbilde for å kalibrere lengden på bildepunktene, klikk Referansebilde og velg det første bildet som referansebilde. Klikk Deformert bilde, og velg de gjenværende bildene som deformerte bilder. Klikk Tegneverktøy | Velg rektangel for å velge måleområdet. Klikk på Ekstensometer og sett lengden på ekstensometeret til 100 mm, og klikk deretter Behandling | Start korrelasjon.
- Del belastningen med tverrsnittsarealet for å få den nominelle spenningen.
- Kombiner den nominelle belastningen fra DIC-målingen og den nominelle spenningen fra strekkprøvingsmaskinen.
- Velg helningen til det lineære segmentet av tøyningsspenningskurven som den elastiske modulen. Velg toppverdien for strekkkraft-tid-kurven som styrke.
- Sammenlign den elastiske modulen og styrken på prøvene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabell 1 viser fibervolumfraksjonen, gjennomsnittlig tykkelse og fabrikasjonsprosessen til prøvene. G8-WLVB og G8-WL representerer laminatene som består av 8-lags glassstoff produsert ved henholdsvis våt håndopplegg med og uten vakuumposeprosessen. Åpenbart, med vakuumposeassistansen, har laminater en økning på 15,78% i fibervolumfraksjon, samt en reduksjon på 16,27% i gjennomsnittlig tykkelse.
Belastningsspenningskurver oppnådd ved strekkprøving av WLVB- og WL-prøver er vist i figur 4. Den vertikale aksen viser den nominelle spenningen, oppnådd fra kraft delt på tverrsnittsareal og den horisontale aksen viser den nominelle belastningen, beregnet av DIC-programvare. Det kan sees at perfekt repeterbarhet oppnås i eksperimentkurven, enten de er WL-prøver eller WLVB-prøver. De to første prøvene og de tre siste prøvene er ikke fremstilt i samme laminat, men er i samme fabrikkerte tilstand; Derfor er det viktig å finkontrollere trinn og kvantifisere materialandel.
Strekkprøveresultatene for WLVB-prøver og WL-prøver er angitt i henholdsvis tabell 2 og tabell 3. Ikke-linearitet ble observert i strekkkurven. Hellingen til det lineære segmentet av strekkbelastningsspenningskurven representerer den elastiske modulen, og det maksimale verdipunktet på den vertikale aksen til strekkbelastningsspenningskurven representerer styrken. Som vist i tabell 2 er gjennomsnittlig strekkfasthet og modul for fem WLVB-prøver henholdsvis 431,79 MPa og 19,14 GPa. Standardavvikene til strekkfastheten og strekkmodulen er henholdsvis 17,81 og 0,52. Som vist i tabell 3 er gjennomsnittlig strekkfasthet og gjennomsnittlig strekkmodul for fem WL-prøver henholdsvis 367,8 MPa og 16,45 GPa. Standardavvikene til strekkfastheten og strekkmodulen er henholdsvis 11,63 og 0,43.
Tabell 4 viser laminaters strekkfasthet og stivhet. Resultatene indikerer at strekkfastheten og modulen til laminater forbedres ekstremt ved å bruke WLVB-prosessen. Laminater produsert ved hjelp av WLVB-prosessen har en økning på 17, 4% og 16, 35% i henholdsvis strekkfasthet og modul. Følgelig har WLVB-prosessen en utmerket effekt på laminatfabrikasjon, ved å forbedre strekkegenskapene til laminater.
Figur 5 viser strekkmodulen og styrken med feillinjen til G8-WLVB- og G8-WL-prøver. Strekkmodulen og styrken til laminater produsert av WLVB-prosessen er høyere enn de som produseres ved hjelp av WL-prosessen. Jo mindre feillinjen er, desto større er stabiliteten i prosessen; WLVB-prosessen er med andre ord mer stabil enn WL-prosessen. Figur 6 viser brudd i WLVB- og WL-prøver etter strekkprøven; Bruddplasseringen av prøvene er nær midten, noe som er akseptabelt. Figur 7 viser sidevisningen av WLVB- og WL-prøver etter strekkprøven. Enten prøvene er produsert av WLVB- eller WL-fabrikasjonsprosessene, inkluderer prøvenes strekkbruddmoduser fiberbrudd, matriksbrudd og delaminering. Som vist i figur 7 er delamineringslengden til WL-prøven lengre enn WLVB-prøven. WL-prøvene har en høyere harpiksvolumfraksjon enn WLVB-prøvene, noe som resulterer i tykkere harpiks mellom lagene. Som et resultat kan en lengre delamineringssprekk observeres i WL-prøvene.
Kraft- og absorbert energihistoriekurver oppnådd ved påvirkningstest av WLVB- og WL-prøver er vist i figur 8. Det er stor repeterbarhet vist i slagtesten. Formen på krafttidskurven til WLVB- og WL-prøvene ligner en sinusbølge, som er representert som en typisk ikke-piercingkurve. Figur 8C, D representerer sanntids energiabsorpsjonsverdi. Den absorberte energiværdien økte først og sank deretter over tid. I det første stigende trinnet absorberte laminatet gradvis all den kinetiske energien til slagoren og konverterte den til sin indre energi. Bak maksimumspunktet frigjorde laminatet elastisk energi for å gjenopprette kollisjonen. Den absorberte energien til laminatene ble oppnådd ved den endelige kurveverdien.
Statistisk analyse ble utført på eksperimentelle data40. Resultatene fra kollisjonstestene i WLVB- og WL-prøvene er vist i henholdsvis tabell 5 og tabell 6. Som vist i tabell 5 er gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi og standardavvik for fem WLVB-prøver henholdsvis 0,092 J/g og 0,0024. Som vist i tabell 6 er gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi og standardavvik for fem WL-prøver henholdsvis 0,077 J/g og 0,0021.
Tabell 7 viser virkningsegenskapene til laminater og den prosentvise økningen i den spesifikke energiabsorpsjonen av laminater produsert av WLVB-prosessen. Under samme slagenergi på 10 J observeres samme skademodus for laminater produsert av WLVB- og WL-prosessene. Resultatene viser at laminater produsert av WLVB-prosessen har en økning på 19,48% i spesifikk energiabsorpsjon. Dermed kan en fantastisk effekt i laminatfremstilling ved WLVB-prosessen observeres ved forbedring av laminatens slagegenskaper.
Figur 9 viser den spesifikke absorberte energien med feilstenger i G8-WLVB- og G8-WL-prøvene. På grunn av de forskjellige tykkelsesverdiene til laminatene produsert av de to prosessene, brukes den spesifikke energiabsorpsjonen til å karakterisere laminatets energiabsorpsjonsevne. Resultatene viser at den spesifikke absorberte energien til WLVB-prøven er større enn WL-prøven. Feilfeltene i WLVB-prøven og WL-prøven er like i slagtesten. Figur 10 viser den øvre og nedre overflaten av WLVB- og WL-prøvene etter slagtesten. Det kan ses tydelig at det skadede området av WL-prøven er større enn WLVB-prøven. Det følger at virkningsenergiabsorpsjonskapasiteten til prøver produsert av WLVB-prosessen er større enn for prøvene produsert av WL-prosessen.
Figur 1: Et forenklet skjema over WLVB-prosessen. (1) Vakuumfilm, (2) øvre del av vakuumventilen, (3) peelpeler, (4) ikke-porøs frigjøringsfilm, (5) varmebestandig trykk, (6) akrylplate, (7) nederste del av vakuumventilen, (8) pustende pute, (9) sugekanal, (10) aluminiumsform, (11) stoff, (12) perforert frigjøringsfilm, (13) pustestoff. Forkortelse: WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Testmaskin for fallhammer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Målesystem for digital bildekorrelasjonsbelastning og Zwick strekkprøvingsmaskin. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Spenning-tøyningskurve oppnådd ved strekkprøving av de fem prøvene. (A) WLVB; (B) WL. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Strekkmodul og styrke på G8-WLVB- og G8-WL-prøven. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Sett forfra av WLVB- og WL-prøvene etter strekkprøven. De gule stiplede ovalene viser bruddstedet. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Sett fra siden av WLVB- og WL-prøvene etter strekktesten . (A) WL-prøve, (B) WLVB-prøve. Skalastenger = 6 mm. De gule stiplede ovalene viser bruddstedet og de blå ovalene viser delaminering. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Kraft- og absorbert energihistoriekurve ved påvirkningstest av de fem prøvene. (A) Krafthistoriekurve for WLVB-prøvene. (B) Krafthistorikkkurve for WL-prøvene. (C) Absorbert energihistoriekurve for WLVB-prøvene. (D) Absorbert energihistoriekurve for WL-prøvene. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Spesifikk absorbert energi fra G8-WLVB- og G8-WL-prøven. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Øvre og nedre overflater av WLVB- og WL-prøvene etter slagtesten. Skalastenger = 20 mm. De gule stiplede ovalene viser skadede områder. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Eksempel | Fibervolumfraksjon (%) | Økning i fibervolumfraksjon (%) | Gjennomsnittlig tykkelse (mm) |
| G8-WLVB | 57.82 | 15.78 | 2.11 |
| G8-WL | 42.04 | - | 2.52 |
Tabell 1: Fibervolumfraksjon, økning i fibervolumfraksjon og gjennomsnittlig tykkelse på laminater produsert av WLVB- og WL-prosessene. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose.
| Eksempel 1 | Eksempel 2 | Eksempel 3 | Eksempel 4 | Eksempel 5 | |||
| Strekkfasthet (MPa) | 400.68 | 432.61 | 440.1 | 430.41 | 455.15 | ||
| Gjennomsnittlig strekkfasthet (MPa) | 431.79 | ||||||
| Standardavvik for strekkfasthet (MPa) | 17.81 | ||||||
| Strekkmodul (GPa) | 19.64 | 18.95 | 18.47 | 18.79 | 19.85 | ||
| Gjennomsnittlig strekkmodul (GPa) | 19.14 | ||||||
| Standardavvik for strekkmodul (GPa) | 0.52 | ||||||
Tabell 2: Strekkprøveresultater for WLVB-prøvene. Forkortelse: WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose.
| Eksempel 1 | Eksempel 2 | Eksempel 3 | Eksempel 4 | Eksempel 5 | |||
| Strekkfasthet (MPa) | 344.89 | 375.48 | 374.51 | 369.7 | 374.4 | ||
| Gjennomsnittlig strekkfasthet (MPa) | 367.8 | ||||||
| Standardavvik for strekkfasthet (MPa) | 11.63 | ||||||
| Strekkmodul (GPa) | 17.19 | 16.61 | 16.27 | 15.89 | 16.31 | ||
| Gjennomsnittlig strekkmodul (GPa) | 16.45 | ||||||
| Standardavvik for strekkmodul (GPa) | 0.43 | ||||||
Tabell 3: Strekkprøveresultater for WL-prøvene. Forkortelse: WL = våt håndopplegg.
| Eksempel | Strekkfasthet (MPa) | Økning i strekkfasthet (%) | Strekkmodul (GPa) | Økning i strekkmodul (%) |
| G8-WLVB | 431.79 | 17.4 | 19.14 | 16.35 |
| G8-WL | 367.8 | - | 16.45 | - |
Tabell 4: Gjennomsnittlig strekkfasthet og modul av laminater produsert av WLVB- og WL-prosessen og prosentvis økning i strekkegenskaper. Forkortelse: WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose.
| Eksempel 1 | Eksempel 2 | Eksempel 3 | Eksempel 4 | Eksempel 5 | |||
| Masse (g) | 49.52 | 49.34 | 49.52 | 49.05 | 49.88 | ||
| Peek Force (J) | 2847 | 2872 | 2854 | 2831 | 2866 | ||
| Absorbert energi (J) | 4.65 | 4.36 | 4.67 | 4.63 | 4.55 | ||
| Spesifikk absorbert energi (J/g) | 0.094 | 0.088 | 0.094 | 0.094 | 0.091 | ||
| Gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi (J/g) | 0.092 | ||||||
| Standardavvik (J/g) | 0.0024 | ||||||
Tabell 5: Effekttestresultater for WLVB-prøvene. Forkortelse: WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose.
| Eksempel 1 | Eksempel 2 | Eksempel 3 | Eksempel 4 | Eksempel 5 | ||||
| Masse (g) | 62.83 | 62.02 | 60.07 | 61.82 | 61.4 | |||
| Peek Force (J) | 3018 | 3017 | 2905 | 2999 | 2949 | |||
| Absorbert energi (J) | 4.66 | 4.63 | 4.74 | 4.69 | 4.83 | |||
| Spesifikk absorbert energi (J/g) | 0.074 | 0.075 | 0.079 | 0.076 | 0.079 | |||
| Gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi (J/g) | 0.077 | |||||||
| Standardavvik (J/g) | 0.0021 | |||||||
Tabell 6: Slagtestresultat for WL-prøvene. Forkortelse: WL = våt håndopplegg.
| Eksempel | Påvirkningsenergi (J) | Gjennomsnittlig kikkkraft (N) | Gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi (J/g) | Økning i gjennomsnittlig spesifikk absorbert energi (%) |
| G8-WLVB | 10J | 2854 | 0.092 | 19.48 |
| G8-WL | 10J | 2978 | 0.077 | - |
Tabell 7: Gjennomsnittlig slagenergi, toppkraft og spesifikk absorbert energi av laminater produsert av WLVB- og WL-prosessene, og prosentvis økning i slagegenskaper. Forkortelser: WL = våt hånd lay-up; WLVB: våt hånd lay-up / vakuumpose.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette papiret fokuserer på de to forskjellige fabrikasjonsprosessene for håndleggingsmetoden med lave kostnader. Derfor ble to fabrikasjonsprosesser valgt for å bli nøye beskrevet i dette papiret, som er enklere, lettere å mestre, lavere i investeringskostnader og egnet for produksjon med materialmodifisering i laboratorier og småskala fabrikker. Under herding av laminater spiller høyt konsolideringstrykk en viktig rolle i produksjon av laminater med høy kvalitet. Vedtakelsen av den tradisjonelle WL-prosessen uten nok eksternt trykk kan føre til en høy harpiksvolumfraksjon. Høyt harpiksvolum er en av de viktigste faktorene som reduserer de mekaniske egenskapene til laminater. I dette arbeidet beskrives en fabrikasjonsprosess basert på den tradisjonelle WL-prosessen ved hjelp av en vakuumpose for å fjerne luftbobler og gi trykk. I denne fabrikasjonsprosessen er det viktig å kontrollere andelen materialer og trinnsekvens. De viktigste faktorene som påvirker de mekaniske egenskapene til laminater er fibervolumfraksjon og hulrom; Derfor er protokolltrinn for å fjerne bobler, som beskrevet i trinn 2.1.4, 2.1.8 og 2.1.13, kritiske.
For å sammenligne de mekaniske egenskapene til laminater produsert av forskjellige fabrikasjonsprosesser, utføres strekkprøving og lavhastighetskollisjonstester. I denne studien viser laminater produsert av WLVB-prosessen bedre mekaniske egenskaper, inkludert strekkfasthet, strekkmodul og støtenergiabsorpsjon. Resultatene illustrerer at laminater produsert ved hjelp av WLVB-prosessen har en økning på 18,3% i spesifikk energiabsorpsjon, samt en økning på 16,3% og 14,6% i henholdsvis strekkfasthet og modul.
Sammenlignet med WL-prosessen kompenserer WLVB-prosessen for det utilstrekkelige støpetrykket gjennom en billig vakuumpose, og absorberer overflødig harpiks fra systemet for å øke fibervolumfraksjonen og redusere det indre poreinnholdet, og forbedrer dermed laminatets mekaniske egenskaper. Kvaliteten på laminater produsert av WLVB-prosessen er bedre. På grunn av at trykket som utøves av vakuumposen er mer jevn, er tykkelsen på laminatet produsert av WLVB-prosessen også mer jevn. Tykkelsen på laminatet fremstilt av WL-prosessen ved bruk av bare vekten for å gi trykk er ujevn, noe som resulterer i ustabil kvalitet på laminater. Testresultatene viser at feilfeltene til strekk- og støtegenskapene til WLVB-prøvene er mindre. Det er avgjørende for laminatkvalitetens stabilitet å påføre jevnt trykk under herding.
WLVB-prosessen har viktig drivende betydning for produksjonsfeltet komposittmateriale med små kapitalinvesteringer. Sammenlignet med andre forberedelsesprosesser har WLVB-prosessen flere fordeler, inkludert enkle utstyrskrav og ukomplisert prosessteknologi, og produktene er ikke begrenset av størrelse og form. Denne prosessen har en høy grad av frihet og kan integreres med metall, tre, plast eller skum. WLVB-prosessen har imidlertid også noen begrensninger, for eksempel lav effektivitet og lang syklus. Verdt å merke seg, fordi det hovedsakelig er egnet for produksjon av små batcher, og laminatytelsen er nært knyttet til ferdighetsnivået til operatører og konstruksjonsforhold, er det nødvendig å designe og optimalisere produksjonsprosessen kvantitativt for å oppnå et høyt utbytte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne vil 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).
