Измерение механических свойств армирующих стекловолокно полимерных композиционных ламинатов, полученных различными технологическими процессами

Резюме

В данной работе описан процесс изготовления композитных ламинатов с полимерной матрицей, армированных волокном, полученных методом мокрой ручной укладки/вакуумного пакета.

Аннотация

Традиционный процесс мокрой ручной укладки (WL) широко применяется в производстве волокнистых композитных ламинатов. Однако из-за недостаточности формовочного давления массовая доля волокна снижается и внутри задерживается большое количество пузырьков воздуха, что приводит к некачественным ламинатам (низкая жесткость и прочность). Процесс мокрой ручной укладки/вакуумного пакета (WLVB) для изготовления композитных ламинатов основан на традиционном процессе мокрой ручной укладки, при котором используется вакуумный мешок для удаления пузырьков воздуха и обеспечения давления, а затем выполняется процесс нагрева и отверждения.

По сравнению с традиционным процессом ручной укладки, ламинаты, изготовленные по процессу WLVB, демонстрируют превосходные механические свойства, включая лучшую прочность и жесткость, более высокую объемную долю волокон и меньшую объемную долю пустот, что является преимуществом композитных ламинатов. Этот процесс полностью ручной, и на него большое влияние оказывают навыки подготовительного персонала. Поэтому изделия подвержены таким дефектам, как пустоты и неравномерная толщина, что приводит к нестабильным качествам и механическим свойствам ламината. Следовательно, необходимо точно описать процесс WLVB, точно контролировать этапы и количественно оценить соотношение материалов, чтобы обеспечить механические свойства ламинатов.

В этом документе описывается кропотливый процесс WLVB для получения тканых композитных композитных материалов (GFRP) с гладким рисунком. Объемное содержание волокон в ламинатах рассчитывалось с помощью формульного метода, и результаты расчетов показали, что объемное содержание волокон в ламинатах WL составило 42,04%, а в ламинатах WLVB – 57,82%, увеличившись на 15,78%. Механические свойства ламинатов были охарактеризованы с помощью испытаний на растяжение и удар. Результаты эксперимента показали, что при использовании процесса WLVB прочность и модуль упругости ламинатов были увеличены на 17,4% и 16,35% соответственно, а удельная поглощенная энергия увеличилась на 19,48%.

Введение

Армированный волокном полимерный композит (FRP) представляет собой разновидность высокопрочного материала, изготовленного путем смешивания волокнистого армирования и полимерных матриц ^1,2,3. Он широко используется в аэрокосмической промышленности ^4,5,6, конструкции^7,8, автомобилестроении 9 и морской промышленности^10,11 благодаря своей низкой плотности, высокой удельной жесткости и прочности^, усталостным свойствам и отличной коррозионной стойкости. К распространенным синтетическим волокнам относятся углеродные волокна, стекловолокна и арамидные волокна¹². Для исследования в данной работе было выбрано стекловолокно. По сравнению с традиционной сталью, композитные ламинаты из стекловолокна (GFRP) легче, имеют менее одной трети плотности, но могут достигать более высокой удельной прочности, чем сталь.

Процесс подготовки стеклопластика включает в себя вакуумное формование смолы (VARTM)¹³, намотку нити (FW)14 и формование препрега, в дополнение ко многим другим передовым производственным процессам^15,16,17,18. По сравнению с другими процессами подготовки, процесс влажной ручной укладки/вакуумных пакетов (WLVB) имеет ряд преимуществ, включая простые требования к оборудованию и несложную технологию процесса, а продукты не ограничены размером и формой. Этот процесс имеет высокую степень свободы и может быть интегрирован с металлом, деревом, пластиком или пенопластом.

Принцип процесса WLVB заключается в приложении большего формовочного давления через вакуумные мешки для улучшения механических свойств подготовленных слоистых материалов; Технология производства этого процесса проста в освоении, что делает его экономичным и простым процессом подготовки композитных материалов. Этот процесс полностью ручной, и на него большое влияние оказывают навыки подготовки персонала. Поэтому изделия подвержены таким дефектам, как пустоты и неравномерная толщина, что приводит к нестабильным качествам и механическим свойствам ламината. Следовательно, необходимо детально описать процесс WLVB, точно контролировать этапы и количественно определить пропорции материала, чтобы получить высокую стабильность механических свойств ламинатов.

Большинство исследователей изучали квазистатическое поведение 29,20,21,22,23 и динамическое поведение 24,25,26,27,28, а также модификацию свойств ^29,30 композиционных материалов. Отношение объемной доли волокна к матрице играет решающую роль в механических свойствах ламината FRP. В соответствующем диапазоне более высокая объемная доля волокна может повысить прочность и жесткость ламината FRP. Andrew et ^al.31 исследовали влияние объемной доли волокон на механические свойства образцов, полученных с помощью процесса моделирования методом наплавления (FDM). Результаты показали, что когда объемная доля волокна составляла 22,5%, эффективность прочности на растяжение достигала своего максимума, и наблюдалось небольшое улучшение прочности, когда объемная доля волокна достигала 33%. Khalid et al.32 изучили механические свойства композитов, армированных непрерывным углеродным волокном (CF), напечатанных на 3D-принтере, с различными объемными долями волокон, и результаты показали, что как прочность на растяжение, так и жесткость улучшались с увеличением содержания волокна. Uzay et ^al.33 исследовали влияние трех методов изготовления — ручной укладки, компрессионного формования и вакуумной упаковки — на механические свойства армированного углеродным волокном полимера (CFRP). Измеряли объемную долю волокон и пустоты ламинатов, проводили испытания на растяжение и изгиб. Эксперименты показали, что чем выше объемная доля волокна, тем лучше механические свойства.

Пустоты являются одним из наиболее распространенных дефектов ламината FRP. Пустоты снижают механические свойства композиционных материалов, такие как прочность, жесткость и усталостное сопротивление³⁴. Концентрация напряжений, возникающих вокруг пустот, способствует распространению микротрещин и снижает прочность границы раздела между арматурой и матрицей. Внутренние пустоты также ускоряют поглощение влаги ламинатом из стеклопластика, что приводит к разрыву межфазных соединений и ухудшению эксплуатационных характеристик. Поэтому наличие внутренних пустот влияет на надежность композитов и ограничивает их широкое применение. Zhu et ^al.35 исследовали влияние содержания пустот на статические междуслойные прочностные свойства композитных ламинатов из углепластика и обнаружили, что увеличение содержания пустот на 1% в диапазоне от 0,4% до 4,6% приводит к ухудшению междуслойной прочности на сдвиг на 2,4%. Scott et ^al.36 представили влияние пустот на механизм повреждения в композитных ламинатах углепластика при гидростатическом нагружении с помощью компьютерной томографии (КТ) и обнаружили, что количество пустот в 2,6-5 раз превышает количество случайно распределенных трещин.

Высококачественные и надежные ламинаты FRP могут быть изготовлены с использованием автоклава. Abraham et ^al.37 изготовили ламинаты с низкой пористостью и высоким содержанием волокон путем помещения узла WLVB в автоклав с давлением 1,2 МПа для отверждения. Тем не менее, автоклав является большим и дорогостоящим оборудованием, что приводит к значительным производственным затратам. Несмотря на то, что процесс вакуумного переноса смолы (VARTM) используется уже давно, он имеет ограничения с точки зрения временных затрат, более сложный процесс подготовки и большее количество одноразовых расходных материалов, таких как отводные трубки и отводящие среды. По сравнению с процессом WL, процесс WLVB компенсирует недостаточное давление формования с помощью недорогого вакуумного мешка, поглощая излишки смолы из системы для увеличения объемной доли волокон и уменьшения содержания внутренних пор, тем самым значительно улучшая механические свойства ламината.

В этом исследовании исследуются различия между процессом WL и процессом WLVB, а также подробно описывается кропотливый процесс процесса WLVB. Объемное содержание волокон в ламинатах было рассчитано формульным методом, и результаты показали, что объемная доля волокон в ламинатах WL составила 42,04%, а в ламинатах WLVB — 57,82%, увеличившись на 15,78%. Механические свойства ламинатов характеризовались испытаниями на растяжение и удар. Результаты эксперимента показали, что при использовании процесса WLVB прочность и модуль упругости ламинатов были увеличены на 17,4% и 16,35% соответственно, а удельная поглощенная энергия увеличилась на 19,48%.

протокол

1. Подготовка материала

1. Отрежьте ножницами восемь кусков тканой стеклоткани размером 300 мм х 300 мм. Сначала заклейте срез скотчем, чтобы волокна не отвалились.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Наденьте маску и перчатки, чтобы предотвратить прокалывание пальца и вдыхание нити при разрезании ткани. Также доступны не только тканая ткань из стекловолокна, но и однонаправленная ткань и другие типы волокон, такие как углеродное волокно и арамидное волокно.
2. Отвесьте 260 г эпоксидной смолы и 78 г отвердителя в массовом соотношении 10:3.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Соотношение волокнистой ткани и системы смолы рекомендуется составлять 360 г системы эпоксидной смолы на квадратный метр однослойной волокнистой ткани.

2. Процесс изготовления

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 1 показана схема изготовления композитного ламината для процесса ручной укладки, которая показана в разделе 2.

1. ВЛВБ
   1. Поставьте ткань в духовку при температуре 60 °C на 8 часов.
   2. Наклейте изоляционную пленку на акриловый лист, чтобы смола не склеивалась.
   3. Поставьте форму на место укладки.
   4. Медленно перемешайте смолу и отвердитель в течение 5 минут, а затем поместите в вакуумную камеру, чтобы вытянуть пузырьки воздуха внутри.
   5. Непористую разделительную пленку постелите на форму и зафиксируйте скотчем вокруг нее.
   6. Положите один слой кожуры на непористую разделительную пленку.
   7. Залейте эпоксидную смолу и с помощью скребка равномерно распределите смолу по всей пленке.
   8. Нанесите первую волокнистую ткань, сверните голым валиком, чтобы убедиться, что смола полностью проникла в ткань и пузырьки выдавлены, а затем вылейте смолу, используя скребок, чтобы равномерно соскоблить смолу.
   9. Повторяйте шаги 2.1.7 и 2.1.8 до тех пор, пока не будет использована вся ткань.
   10. Положите на ткань один слой кожуры и выдавите пузырьки воздуха вручную.
   11. Уложите последовательно одну перфорированную разделительную пленку и одну дышащую ткань.
   12. Поместите всасывающий канал и дышащую прокладку на одну сторону.
   13. Приклейте круг термостойкой ленты с акриловым листом снаружи формы и прикрепите вакуумный пакет вокруг вместе с лентой, чтобы образовалось замкнутое пространство.
   14. Включите вакуумный насос, чтобы выжать давление 1 бар в течение 10 часов при комнатной температуре. Затем закройте вакуумный насос и поддерживайте режим покоя в течение 14 часов.
   15. Поместите ламинат в духовку при температуре 80 °C на 16 часов для полного затвердевания.
   16. Измерьте объемную долю волокна с помощью уравнений (1-3)^38,39.
       (1)
       (2) См.
       (3) См.
       n — количество слоев ламината, ρ волокно — площадная плотность волокнистой ткани от производителя, _{A волокно} — площадь ламината, m _{волокно} — масса _{волокнистой} ткани, m всего — масса ламината, ρ эпоксидная смола — плотность эпоксидной смолы, v _{эпоксидная смола} и v _всего – объемы эпоксидной смолы и ламината соответственно, а также объемная доля волокна.
2. ВЛ
   1. Поставьте ткань в духовку при температуре 60 °C на 8 часов.
   2. Медленно перемешайте смолу и отвердитель в течение 5 минут, а затем поместите его в вакуумную камеру, чтобы вытянуть пузырьки воздуха внутри.
   3. Непористую разделительную пленку постелите на форму и зафиксируйте скотчем вокруг нее.
   4. Положите один слой кожуры на непористую разделительную пленку.
   5. Залейте эпоксидную смолу и с помощью скребка равномерно распределите смолу по всей пленке.
   6. Нанесите первую волокнистую ткань, сверните голым валиком, чтобы убедиться, что смола полностью проникла в ткань и пузырьки выдавлены, а затем вылейте смолу, используя скребок, чтобы равномерно соскоблить смолу.
   7. Повторяйте шаги 2.2.5 и 2.2.6 до тех пор, пока не будет использована вся ткань.
   8. Положите на ткань один слой кожуры и выдавите пузырьки воздуха вручную.
   9. Последовательно уложите одну перфорированную разделительную пленку, одну дышащую ткань и одну непористую разделительную пленку.
   10. Сверху положите одну алюминиевую пластину того же размера, что и волокнистая ткань.
   11. Поддерживать в состоянии покоя при комнатной температуре в течение 14 часов.
   12. Поместите ламинат в духовку при температуре 80 °C на 16 часов для полного затвердевания.

3. Характеристика ударных свойств

ПРИМЕЧАНИЕ: Существует множество методов испытания композитных ламинатов на ударную вязкость. В условиях низкоскоростного удара обычно используется испытание на ударный удар падающим грузом, в то время как в условиях высокоскоростного или сверхскоростного удара часто используемым методом является метод удара пулей. В данном исследовании применялось испытание на ударный удар падающим грузом. Оборудование показано на рисунке 2.

1. Вырежьте набор образцов размером 150 мм x 100 мм из стеклопластика для испытания на удар в соответствии со стандартом ASTM D7136 с помощью высокоточного режущего станка.
2. Измерьте вес и размер каждого образца.
3. Зафиксируйте положение образцов с помощью гвоздей, расположенных в центрах образцов, с которыми ударник может контактировать при каждом испытании.
4. Закрепите образец на ударном креплении с помощью четырех резиновых наконечников.
5. Проведите испытание на удар с использованием ударной башни с падающим грузом на уровне энергии 10 Дж. Включите испытательную машину и нажмите « Подключить », чтобы подключить контроллер к раскрывающемуся списку, затем нажмите «Домой» | Перед тестом. Установите энергию удара на 10 Дж и дополнительную массу на 2 кг. Введите толщину измерения, 2,1 мм для образцов WLVB и 2,5 мм для образцов WL, чтобы определить высоту ударного механизма, и нажмите кнопку Начать , чтобы начать эксперимент.
6. Записывайте данные о реакции на удар, включая историю силы, прогиба и энергии.
7. Выньте образец. Запишите морфологию образца после удара.
8. Повторите испытание на ударную вязкость пять раз, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов.
9. Рассчитайте и сравните данные образцов.

4. Характеристика свойств при растяжении

1. Вырежьте набор образцов размером 250 мм x 25 мм из ламинатов для испытания на растяжение в соответствии с ASTM D3039 с помощью высокоточного режущего станка с алмазной резцой.
2. Измерьте размер каждого образца штангенциркулем.
3. Используйте эпоксидный клей для приклеивания четырех алюминиевых выступов размером 50 мм x 25 мм x 2 мм на обоих концах образца, чтобы избежать концентрации напряжений.
4. Распылите тонкий слой белой краски на лицевую часть образца, затем распылите черные крапинки.
5. Поместите образец в центр зажимов машины для испытания на растяжение и настройте систему получения изображения, как показано на рисунке 3.
6. Чтобы обеспечить точность данных о деформации, изменяйте положение образца так, чтобы он находился в середине зоны съемки камеры и в вертикальном положении. Кроме того, отрегулируйте фокусное расстояние камеры и частоту экспозиции, чтобы убедиться, что пятна на образце четко записаны.
7. Проведите испытание на растяжение. Нажмите кнопку CONFIGURE TEST. Установите скорость испытания на 0,5 мм/мин. Щелкните Данные образца. Введите ширину измерения и толщину образцов. Нажмите «Начать», затем нажмите «Принять текущую позицию». Запишите данные о времени загрузки.
8. Выньте образец. Запишите морфологию образца после испытания на растяжение.
9. Повторите испытание на растяжение пять раз, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов.
10. Используйте программное обеспечение для корреляции цифровых изображений (DIC) для измерения номинальной деформации образца во время испытания на растяжение.
11. Щелкните « Изображение масштаба длины », чтобы откалибровать длину пикселей, нажмите «Эталонное изображение» и выберите первое изображение в качестве эталонного. Нажмите кнопку «Деформированное изображение» и выберите оставшиеся изображения в качестве деформированных. Щелкните Инструменты рисования | Выберите прямоугольник , чтобы выбрать область измерения. Нажмите « Экстензометр » и установите длину экстензометра на 100 мм, затем нажмите «Обработка | Запустите корреляцию.
12. Разделите нагрузку на площадь поперечного сечения, чтобы получить номинальное напряжение.
13. Объедините номинальную деформацию, полученную при измерении DIC, и номинальное напряжение, полученное на испытательной машине на растяжение.
14. В качестве модуля упругости выберите наклон линейного сегмента кривой зависимости деформации от напряжения. В качестве прочности выберите пиковое значение кривой растягивающей силы-времени.
15. Сравните модуль упругости и прочность образцов.

Результаты

В таблице 1 приведена объемная доля волокон, средняя толщина и процесс изготовления образцов. G8-WLVB и G8-WL представляют собой ламинаты, состоящие из 8-слойной стеклоткани, изготовленной методом мокрой ручной укладки с использованием вакуумных пакетов и без него, соответственно. О...

Обсуждение

В этой статье основное внимание уделяется двум различным производственным процессам для метода ручной укладки с низкой стоимостью. Поэтому были выбраны два производственных процесса, которые будут подробно описаны в этой статье, которые являются более простыми, легкими в освоении, ме...

Материалы

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