מדידת התכונות המכניות של למינטים פולימריים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית המתקבלים בתהליכי ייצור שונים

Summary

מאמר זה מתאר תהליך ייצור עבור ציפויים מרוכבים של מטריצת פולימר מחוזקת בסיבים המתקבלים בשיטת הנחת יד רטובה/שקית ואקום.

Abstract

תהליך הנחת היד הרטוב המסורתי (WL) יושם באופן נרחב בייצור למינטים מרוכבים של סיבים. עם זאת, בשל חוסר בלחץ היצירה, חלק המסה של סיבים מופחת והרבה בועות אוויר נלכדות בפנים, וכתוצאה מכך ציפויים באיכות נמוכה (קשיחות וחוזק נמוכים). תהליך הנחת יד רטובה / שקית ואקום (WLVB) לייצור למינטים מרוכבים מבוסס על תהליך הנחת היד הרטוב המסורתי, באמצעות שקית ואקום כדי להסיר בועות אוויר ולספק לחץ, ולאחר מכן ביצוע תהליך החימום והריפוי.

בהשוואה לתהליך הנחת היד המסורתי, ציפויים המיוצרים בתהליך WLVB מראים תכונות מכניות מעולות, כולל חוזק וקשיחות טובים יותר, מקטע נפח סיבים גבוה יותר ומקטע נפח חלל נמוך יותר, שכולם יתרונות עבור למינטים מרוכבים. תהליך זה הוא ידני לחלוטין, והוא מושפע מאוד מכישוריהם של אנשי ההכנה. לכן, המוצרים מועדים לפגמים כגון חללים ועובי לא אחיד, מה שמוביל לאיכויות לא יציבות ותכונות מכניות של הלמינציה. לפיכך, יש צורך לתאר בעדינות את תהליך WLVB, לשלוט בשלבים עדינים ולכמת יחסי חומרים, על מנת להבטיח את התכונות המכניות של למינטים.

מאמר זה מתאר את התהליך הקפדני של תהליך WLVB להכנת ציפויים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית ארוגים בדוגמה רגילה (GFRPs). תכולת נפח הסיבים של ציפויים חושבה בשיטת הנוסחה, והתוצאות המחושבות הראו כי תכולת נפח הסיבים של ציפויי WL הייתה 42.04%, בעוד זו של ציפויי WLVB הייתה 57.82%, עלייה של 15.78%. התכונות המכניות של הלמינטים אופיינו באמצעות בדיקות מתיחה והשפעה. תוצאות הניסוי הראו כי בתהליך WLVB, החוזק והמודולוס של הרבדים השתפרו ב -17.4% ו -16.35%, בהתאמה, והאנרגיה הנספגת הספציפית הוגדלה ב -19.48%.

Introduction

פולימר מרוכב מחוזק בסיבים (FRP) הוא סוג של חומר בעל חוזק גבוה המיוצר על ידי ערבוב חיזוק סיבים ומטריצות פולימר ^1,2,3. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיות התעופה והחלל ^4,5,6, בנייה ^7,8, רכב 9 וים^10,11 בשל צפיפותו הנמוכה, קשיחות וחוזק ספציפיים גבוהים^, תכונות עייפות ועמידות בפני קורוזיה מעולה. סיבים סינתטיים נפוצים כוללים סיבי פחמן, סיבי זכוכית וסיבי ארמיד¹². סיבי זכוכית נבחרו לחקירה במאמר זה. בהשוואה לפלדה מסורתית, ציפויים מרוכבים לחיזוק סיבי זכוכית (GFRPs) קלים יותר, עם פחות משליש מהצפיפות, אך יכולים להשיג חוזק סגולי גבוה יותר מפלדה.

תהליך ההכנה של FRP כולל יציקת העברת שרף בסיוע ואקום (VARTM) ¹³, פיתול נימה (FW)14 ודפוס prepreg, בנוסף לתהליכי ייצור מתקדמים רבים אחרים 15,16,17,18. בהשוואה לתהליכי הכנה אחרים, לתהליך הנחת יד רטובה / שקית ואקום (WLVB) יש מספר יתרונות, כולל דרישות ציוד פשוטות וטכנולוגיית תהליך לא מסובכת, והמוצרים אינם מוגבלים בגודל ובצורה. תהליך זה יש רמה גבוהה של חופש והוא יכול להיות משולב עם מתכת, עץ, פלסטיק, או קצף.

העיקרון של תהליך WLVB הוא להחיל לחץ יוצר גדול יותר באמצעות שקיות ואקום כדי לשפר את התכונות המכניות של למינטים מוכנים; טכנולוגיית הייצור של תהליך זה קל לשלוט, מה שהופך אותו חסכוני ופשוט תהליך הכנת חומר מרוכב. תהליך זה הוא ידני לחלוטין, והוא מושפע מאוד על ידי מיומנויות של אנשי הכנה. לכן, המוצרים מועדים לפגמים כגון חללים ועובי לא אחיד, מה שמוביל לאיכויות לא יציבות ותכונות מכניות של הלמינציה. לפיכך, יש צורך לתאר את תהליך WLVB בפירוט, שלבי בקרה עדינים, ולכמת את פרופורציית החומר, על מנת להשיג יציבות גבוהה של תכונות מכניות של למינטים.

רוב החוקרים חקרו את ההתנהגות הכמו-סטטית 19,20,21,22,23 ואת ההתנהגות הדינמית 24,25,26,27,28, כמו גם את שינוי התכונות ^29,30 של חומרים מרוכבים. יחס שבר הנפח של סיב למטריצה ממלא תפקיד מכריע בתכונות מכניות של למינציה FRP. בטווח מתאים, חלק נפח גבוה יותר של סיבים יכול לשפר את החוזק והנוקשות של למינציה FRP. אנדרו ועמיתיו ³¹ חקרו את ההשפעה של חלק נפח סיבים על התכונות המכניות של דגימות שהוכנו על ידי תהליך הייצור של תוספי תצהיר התכה (FDM). התוצאות הראו כי כאשר חלק נפח הסיבים היה 22.5%, יעילות חוזק המתיחה הגיעה למקסימום, ונצפה שיפור קל בחוזק כאשר חלק נפח הסיבים הגיע ל -33%. Khalid et ^al.32 חקרו את התכונות המכניות של חומרים מרוכבים מודפסים בתלת-ממד מחוזקים בסיבי פחמן רציפים (CF) עם שברים מגוונים בנפח הסיבים, והתוצאות הראו כי הן חוזק המתיחה והן הקשיחות השתפרו עם העלייה בתכולת הסיבים. Uzay et ^al.33 חקרו את ההשפעות של שלוש שיטות ייצור - הנחת יד, דפוס דחיסה ושקית ואקום - על התכונות המכניות של פולימר מחוזק בסיבי פחמן (CFRP). נמדדו חלק נפח הסיבים והריק של הלמינטים, נערכו בדיקות מתיחה וכיפוף. הניסויים הראו כי ככל שחלק נפח הסיבים גבוה יותר, כך התכונות המכניות טובות יותר.

חללים הם אחד הפגמים הנפוצים ביותר ברבד FRP. חללים מפחיתים את התכונות המכניות של חומרים מרוכבים, כגון חוזק, קשיחות ועמידות בפני עייפות³⁴. ריכוז המתח שנוצר סביב החללים מקדם התפשטות של מיקרו-סדקים ומקטין את חוזק הממשק בין החיזוק למטריצה. חללים פנימיים גם מאיצים את ספיגת הלחות של למינציה FRP, וכתוצאה מכך ניתוק ממשק ופגיעה בביצועים. לכן, קיומם של חללים פנימיים משפיע על אמינות המרוכבים ומגביל את היישום הרחב שלהם. Zhu et ^al.35 חקרו את ההשפעה של תכולת חלל על תכונות חוזק הגזירה הבין-למינרית הסטטית של למינטים מרוכבים CFRP, ומצאו כי עלייה של 1% בתכולת הריק שנעה בין 0.4% ל-4.6% הובילה להידרדרות של 2.4% בחוזק הגזירה הבין-למינרית. Scott et ^al.36 הציגו את ההשפעה של חללים על מנגנון נזק בציפויים מרוכבים CFRP תחת עומס הידרוסטטי באמצעות טומוגרפיה ממוחשבת (CT), ומצאו כי מספר החללים הוא פי 2.6-5 ממספר הסדקים המפוזרים באופן אקראי.

ניתן לייצר ציפויי FRP איכותיים ואמינים באמצעות אוטוקלאב. אברהם ואחרים ³⁷ ייצרו ציפויים בעלי נקבוביות נמוכה, תכולת סיבים גבוהה על ידי הצבת מכלול WLVB באוטוקלאבה בלחץ של 1.2 מגפ"ס לריפוי. עם זאת, autoclave הוא חתיכת ציוד גדול ויקר, וכתוצאה מכך עלויות ייצור ניכרות. למרות שתהליך העברת שרף בסיוע ואקום (VARTM) נמצא בשימוש מזה זמן רב, יש לו מגבלה מבחינת עלות הזמן, תהליך הכנה מסובך יותר, וחומרים מתכלים חד פעמיים יותר כגון צינורות הסחה ואמצעי הסחה. בהשוואה לתהליך WL, תהליך WLVB מפצה על לחץ יציקה לא מספיק דרך שקית ואקום בעלות נמוכה, סופג עודף שרף מהמערכת כדי להגדיל את חלק נפח הסיבים ולהפחית את תכולת הנקבוביות הפנימיות, ובכך לשפר מאוד את התכונות המכניות של הלמינציה.

מחקר זה בוחן את ההבדלים בין תהליך WL לתהליך WLVB, ומפרט את התהליך הקפדני של תהליך WLVB. תכולת נפח הסיבים של ציפויים חושבה בשיטת הנוסחה, והתוצאות הראו כי תכולת נפח הסיבים של ציפויי WL הייתה 42.04%, בעוד זו של ציפויי WLVB הייתה 57.82%, עלייה של 15.78%. התכונות המכניות של למינטים התאפיינו בבדיקות מתיחה והשפעה. תוצאות הניסוי הראו כי בתהליך WLVB, החוזק והמודולוס של הרבדים השתפרו ב -17.4% ו -16.35%, בהתאמה, והאנרגיה הנספגת הספציפית הוגדלה ב -19.48%.

Protocol

1. הכנת החומר

1. חותכים שמונה חתיכות של בד סיבי זכוכית ארוגים 300 מ"מ x 300 מ"מ עם מספריים. הדביקו תחילה את החתך כדי למנוע את נפילת חוטי הסיבים.
   הערה: יש לעטות מסכה וכפפות כדי למנוע דקירות אצבע ושאיפת חוט להט בעת חיתוך הבד. לא רק בד סיבי זכוכית ארוגים, אלא בד חד כיווני וסוגים אחרים של סיבים, כגון סיבי פחמן וסיבי ארמיד, זמינים גם.
2. שוקלים 260 גרם של שרף אפוקסי ו 78 גרם של hardener על פי יחס מסה של 10: 3.
   הערה: היחס בין בד סיבים למערכת שרף מומלץ להיות 360 גרם של מערכת שרף אפוקסי למטר רבוע של בד סיבים חד-שכבתי.

2. תהליך הייצור

הערה: איור 1 מציג את סכמת הייצור של למינציה מרוכבת עבור תהליך הנחת היד, המוצגת בסעיף 2.

1. WLVB
   1. מכניסים את הבד לתנור ב-60°C למשך 8 שעות.
   2. הדביקו סרט בידוד על יריעת האקריליק כדי למנוע מהשרף להידבק.
   3. מניחים את התבנית על אזור ההנחת.
   4. מערבבים את השרף והקשיח באיטיות במשך 5 דקות, ואז מכניסים אותו לתא ואקום כדי למשוך את בועות האוויר שבתוכו.
   5. הניחו את סרט השחרור הלא נקבובי על התבנית וקבעו אותו עם סרט סביבו.
   6. הניחו רובד קליפה אחד על סרט השחרור הלא נקבובי.
   7. יוצקים פנימה את שרף האפוקסי ומשתמשים במגרד כדי לפזר את השרף באופן שווה לאורך הסרט.
   8. רובצים את בד הסיבים הראשון, מגלגלים עם רולר עירום כדי לוודא שהשרף חודר במלואו לבד והבועות נמתחות, ואז יוצקים את השרף, באמצעות מגרד כדי לגרד את השרף באופן שווה.
   9. חזור על שלבים 2.1.7 ו- 2.1.8 עד לשימוש בכל הבד.
   10. הניחו רובד קילוף אחד על הבד וסחטו את בועות האוויר באופן ידני.
   11. הניחו סרט שחרור מחורר אחד ובד נשימה אחד ברצף.
   12. הניחו את תעלת היניקה ואת כרית הנשימה בצד אחד.
   13. הדביקו עיגול של סרט עמיד בחום עם יריעת אקריליק מחוץ לתבנית וחברו את שקית הוואקום מסביב עם הסרט ליצירת חלל סגור.
   14. הפעל את משאבת הוואקום כדי ללחוץ על 1 בר לחץ למשך 10 שעות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, סגור את משאבת הוואקום ושמור על שקט במשך 14 שעות.
   15. מכניסים את הרבדים לתנור ב 80 מעלות צלזיוס במשך 16 שעות כדי לרפא לחלוטין.
   16. מדוד את שבר נפח הסיב באמצעות משוואות (1-3)^38,39.
       (1)
       (2)
       (3)
       n הוא מספר השכבות של הלמינציה, סיב ρ הוא צפיפות האריאל של בד הסיבים מהיצרן, סיב A הוא שטח הלמינציה, _סיב m הוא המסה של בד הסיבים, m סה"כ הוא המסה של הלמינציה, ρ אפוקסי הוא צפיפות האפוקסי, V _אפוקסי ו- V_{סה" כ} הם הכרכים של אפוקסי ולמינציה, בהתאמה, והוא חלק נפח הסיבים.
2. WL
   1. מכניסים את הבד לתנור ב-60°C למשך 8 שעות.
   2. מערבבים את השרף והקשיח באיטיות במשך 5 דקות ואז מכניסים אותו לתא ואקום כדי למשוך את בועות האוויר שבתוכו.
   3. הניחו את סרט השחרור הלא נקבובי על התבנית וקבעו אותו עם סרט סביבו.
   4. הניחו רובד קליפה אחד על סרט השחרור הלא נקבובי.
   5. יוצקים פנימה את שרף האפוקסי ומשתמשים במגרד כדי לפזר את השרף באופן שווה לאורך הסרט.
   6. רובצים את בד הסיבים הראשון, מגלגלים עם רולר עירום כדי לוודא שהשרף חודר במלואו לבד והבועות נמתחות, ואז יוצקים את השרף, באמצעות מגרד כדי לגרד את השרף באופן שווה.
   7. חזור על שלבים 2.2.5 ו- 2.2.6 עד לשימוש בכל הבד.
   8. הניחו רובד קילוף אחד על הבד וסחטו את בועות האוויר באופן ידני.
   9. הניחו סרט שחרור מחורר אחד, בד נושם אחד וסרט שחרור לא נקבובי אחד ברצף.
   10. הניחו צלחת אלומיניום אחת בגודל זהה לזה של בד הסיבים.
   11. שמרו על שקט בטמפרטורת החדר למשך 14 שעות.
   12. מכניסים את הרבדים לתנור ב 80 מעלות צלזיוס במשך 16 שעות כדי לרפא לחלוטין.

3. אפיון מאפייני אימפקט

הערה: ישנן שיטות רבות לבדיקת השפעה של למינטים מרוכבים. בתנאי פגיעה במהירות נמוכה, השיטה הנפוצה היא מבחן פגיעת משקל הנפילה, בעוד שבתנאי פגיעה במהירות גבוהה או במהירות גבוהה במיוחד, השיטה הנפוצה היא שיטת פגיעת הקליע. במחקר זה יושם מבחן ההשפעה על משקל הירידה. הציוד מוצג באיור 2.

1. גזור קבוצה של דגימות 150 מ"מ x 100 מ"מ מ- GFRP לבדיקת פגיעה, על פי ASTM D7136, באמצעות מכונת חיתוך דיוק גבוהה.
2. מדוד את המשקל והגודל של כל דגימה.
3. קבע את מיקומי הדגימות באמצעות מסמרי מיקום במרכזי הדגימות שהמשפיע יכול ליצור איתם קשר בכל בדיקה.
4. תקן את הדגימה על מתקן התמיכה בהשפעה עם ארבעה קצוות גומי.
5. בצע את מבחן ההשפעה באמצעות מגדל השפעה במשקל טיפה ברמת האנרגיה של 10 J. הפעל את המכשיר לבדיקת פטיש נפילה ולחץ על התחבר כדי לחבר את הבקר לרשימה הנפתחת, ולאחר מכן לחץ על בית | לפני הבדיקה. הגדר את אנרגיית ההשפעה ל- 10 J ואת המסה הנוספת ל- 2 ק"ג. הזן את עובי המדידה, 2.1 מ"מ עבור דגימות WLVB ו- 2.5 מ"מ עבור דגימות WL, כדי לקבוע את גובה המשפיע, ולחץ על התחל כדי להתחיל את הניסוי.
6. תעד את נתוני תגובת ההשפעה, כולל כוח, סטייה והיסטוריה של אנרגיה.
7. הוציאו את הדגימה. רשום את המורפולוגיה של הדגימה לאחר הפגיעה.
8. חזור על מבחן ההשפעה חמש פעמים כדי להבטיח את חזרתיות התוצאות.
9. חשב והשווה את נתוני הדגימות.

4. אפיון תכונות מתיחה

1. חתכו סט של דגימות 250 מ"מ x 25 מ"מ מהלמינטים לבדיקת מתיחה, על פי ASTM D3039, באמצעות מכונת חיתוך מדויקת עם חותך יהלום.
2. מדוד את הגודל של כל דגימה עם קליפר ורנייר.
3. השתמש בדבק אפוקסי כדי לחבר ארבע טבליות אלומיניום בגודל 50 מ"מ x 25 מ"מ x 2 מ"מ בשני קצוות הדגימה כדי למנוע ריכוז מתח.
4. רססו שכבה דקה של צבע לבן על חזית הדגימה, ולאחר מכן רססו כתמים שחורים.
5. הניחו את הדגימה במרכז המהדקים של מכונת בדיקת המתיחה והגדירו את מערכת רכישת התמונה, כפי שמוצג באיור 3.
6. כדי להבטיח את דיוק נתוני המאמץ, שנה את מיקום הדגימה כך שתהיה במרכז אזור הצילום של המצלמה ובמצב אנכי. בנוסף, כוונן את אורך המוקד של המצלמה ואת קצב החשיפה כדי להבטיח שהכתמים על הדגימה יצולמו בבירור.
7. בצע את בדיקת המתיחה. לחץ על קביעת תצורה של בדיקה. הגדר את מהירות הבדיקה ל - 0.5 מ"מ/דקה. לחץ על Specimen data. הזן את רוחב המדידה והעובי של הדגימות. לחץ על התחל ולאחר מכן לחץ על קבל את המיקום הנוכחי. הקלט את נתוני זמן הטעינה.
8. הוציאו את הדגימה. רשום את המורפולוגיה של המדגם לאחר בדיקת המתיחה.
9. חזור על בדיקת המתיחה חמש פעמים כדי להבטיח את חזרתיות התוצאות.
10. השתמש בתוכנת מתאם תמונה דיגיטלית (DIC) כדי למדוד את המאמץ הנומינלי של הדגימה במהלך בדיקת המתיחה.
11. לחצו על 'גודל גודל גודל של תמונה ' כדי לכייל את אורך הפיקסלים, לחצו על 'תמונת הפניה' ובחרו בתמונה הראשונה כתמונת הפנייה. לחצו על ' תמונה מעוותת' ובחרו בשאר התמונות כתמונות המעוותות. לחץ על כלי ציור | בחרו 'מלבן' לבחירת אזור המידה. לחץ על Extensometer והגדר את אורך ה-extensometer ל-100 מ"מ, ולאחר מכן לחץ על עיבוד | התחל קורלציה.
12. חלק את העומס באזור החתך כדי לקבל את הלחץ הנומינלי.
13. שלב את המתח הנומינלי ממדידת DIC ואת הלחץ הנומינלי ממכונת בדיקת המתיחה.
14. בחר את השיפוע של המקטע הליניארי של עקומת המתח-מאמץ כמודולוס האלסטי. בחר את ערך השיא של עקומת זמן כוח המתיחה כחוזק.
15. השווה את המודולוס האלסטי ואת חוזק הדגימות.

תוצאות

טבלה 1 מציגה את חלק נפח הסיבים, העובי הממוצע ותהליך הייצור של הדגימות. ה- G8-WLVB וה- G8-WL מייצגים את הרבדים המורכבים מבד זכוכית 8 רובדי המיוצר על ידי הנחת יד רטובה עם ובלי תהליך שקית ואקום, בהתאמה. ברור, עם סיוע שקית ואקום, למינציות יש עלייה של 15.78% בחלק נפח הסיבים, כמו גם ירידה של 16.27% בעובי ...

Discussion

מאמר זה מתמקד בשני תהליכי הייצור השונים עבור שיטת הנחת היד בעלות נמוכה. לכן, נבחרו שני תהליכי ייצור שיתוארו בקפידה במאמר זה, שהם פשוטים יותר, קלים יותר לשליטה, נמוכים יותר בעלות ההשקעה, ומתאימים לייצור עם שינוי חומרים במעבדות ובמפעלים בקנה מידה קטן. במהלך הריפוי של למינטים, לחץ איחוד גבוה מ?...

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