Farklı İmalat İşlemleri ile Elde Edilen Cam Elyaf Takviyeli Polimer Kompozit Laminatların Mekanik Özelliklerinin Ölçülmesi

Özet

Bu makale, ıslak el yatırma/vakum torbası yöntemi kullanılarak elde edilen elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit laminatlar için bir üretim sürecini açıklamaktadır.

Özet

Geleneksel ıslak el yatırma işlemi (WL), fiber kompozit laminatların imalatında yaygın olarak uygulanmaktadır. Bununla birlikte, şekillendirme basıncındaki yetersizlik nedeniyle, elyafın kütle oranı azalır ve içeride çok sayıda hava kabarcığı hapsolur, bu da düşük kaliteli laminatlara (düşük sertlik ve mukavemet) neden olur. Kompozit laminatların imalatı için ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, hava kabarcıklarını gidermek ve basınç sağlamak için bir vakum torbası kullanan ve ardından ısıtma ve kürleme işlemini gerçekleştiren geleneksel ıslak el yatırma işlemine dayanır.

Geleneksel el yatırma işlemiyle karşılaştırıldığında, WLVB işlemiyle üretilen laminatlar, kompozit laminatlar için tüm faydalar olan daha iyi mukavemet ve sertlik, daha yüksek elyaf hacmi fraksiyonu ve daha düşük boşluk hacmi fraksiyonu dahil olmak üzere üstün mekanik özellikler gösterir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerini sağlamak için WLVB sürecini hassas bir şekilde tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranlarını ölçmek gerekir.

Bu makale, dokuma düz desenli cam elyaf takviyeli kompozit laminatların (GFRP'ler) hazırlanması için WLVB sürecinin titiz sürecini açıklamaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi kullanılarak hesaplanmış ve hesaplanan sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri kullanılarak karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.

Giriş

Elyaf takviyeli polimer kompozit (FRP), elyaf takviyesi ve polimer matrislerin ^1,2,3 karıştırılmasıyla üretilen yüksek mukavemetli bir malzeme türüdür. Düşük yoğunluğu, yüksek özgül sertliği ve mukavemeti, yorulma özellikleri ve mükemmel korozyon direnci nedeniyle havacılık ^4,5,6, inşaat^7,8, otomotiv 9 ve denizcilik ^10,11 endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın sentetik lifler arasında karbon lifleri, cam lifleri ve aramid lifleri bulunur¹². Bu çalışmada araştırma için cam elyaf seçilmiştir. Geleneksel çelikle karşılaştırıldığında, cam elyaf takviyeli kompozit laminatlar (GFRP'ler) daha hafiftir, yoğunluğun üçte birinden daha azdır, ancak çelikten daha yüksek bir özgül mukavemet elde edebilir.

FRP'nin hazırlama süreci, diğer birçok gelişmiş imalat işlemine 15,16,17,18 ek olarak vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM)^13, filament sarma (FW)¹⁴ ve prepreg kalıplamayı içerir. Diğer hazırlama işlemleriyle karşılaştırıldığında, ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, basit ekipman gereksinimleri ve karmaşık olmayan işlem teknolojisi dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir ve ürünler boyut ve şekil ile sınırlı değildir. Bu işlem yüksek derecede serbestliğe sahiptir ve metal, ahşap, plastik veya köpük ile entegre edilebilir.

WLVB işleminin prensibi, hazırlanan laminatların mekanik özelliklerini geliştirmek için vakum torbaları aracılığıyla daha fazla şekillendirme basıncı uygulamaktır; Bu işlemin üretim teknolojisinde ustalaşmak kolaydır, bu da onu ekonomik ve basit bir kompozit malzeme hazırlama işlemi haline getirir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerinde yüksek bir stabilite elde etmek için WLVB sürecini ayrıntılı olarak tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranını ölçmek gerekir.

Çoğu araştırmacı, kompozit malzemelerin yarı statik 19,20,21,22,23 ve dinamik davranışı^{24,25,26,27,28'in} yanı sıra özellik modifikasyonu ^29,30'u incelemiştir. Elyafın matrise hacim fraksiyon oranı, FRP laminatın mekanik özelliklerinde çok önemli bir rol oynar. Uygun bir aralıkta, daha yüksek hacimli bir lif fraksiyonu, FRP laminatın mukavemetini ve sertliğini artırabilir. Andrew ve ^ark.31, lif hacmi fraksiyonunun, kaynaşmış biriktirme modellemesi (FDM) eklemeli üretim süreci ile hazırlanan numunelerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı. Sonuçlar, lif hacmi fraksiyonu %22,5 olduğunda, çekme mukavemeti verimliliğinin maksimuma ulaştığını ve lif hacmi fraksiyonu %33'e ulaştığında mukavemette hafif bir iyileşme gözlendiğini gösterdi. Khalid ve ark.32, çeşitli lif hacmi fraksiyonlarına sahip sürekli karbon lif (CF) takviyeli ^3D baskılı kompozitlerin mekanik özelliklerini inceledi ve sonuçlar, lif içeriğindeki artışla hem çekme mukavemetinin hem de sertliğin iyileştiğini gösterdi. Uzay ve ^ark.33, üç üretim yönteminin (elle yatırma, sıkıştırma kalıplama ve vakumlu torbalama) karbon fiber takviyeli polimerin (CFRP) mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini araştırdı. Laminatların lif hacim fraksiyonu ve boşluğu ölçüldü, çekme ve eğilme testleri yapıldı. Deneyler, lif hacmi fraksiyonu ne kadar yüksek olursa, mekanik özelliklerin o kadar iyi olduğunu gösterdi.

Boşluklar, FRP laminattaki en yaygın kusurlardan biridir. Boşluklar, kompozit malzemelerin mukavemet, sertlik ve yorulma direnci gibi mekanik özelliklerini azaltır³⁴. Boşlukların etrafında oluşan stres konsantrasyonu, mikro çatlakların yayılmasını teşvik eder ve donatı ile matris arasındaki arayüz mukavemetini azaltır. İç boşluklar ayrıca FRP laminatın nem emilimini hızlandırarak arayüzün ayrılması ve performans düşüşüne neden olur. Bu nedenle, iç boşlukların varlığı kompozitin güvenilirliğini etkiler ve geniş uygulamalarını kısıtlar. Zhu ve ^ark.35 , boşluk içeriğinin CFRP kompozit laminatların statik katmanlar arası kesme mukavemeti özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı ve boşluk içeriğinde %0,4 ila %4,6 arasında değişen %1'lik bir artışın, katmanlar arası kesme mukavemetinde %2,4'lük bir bozulmaya yol açtığını buldu. Scott ve ^ark.36 bilgisayarlı tomografi (BT) kullanarak hidrostatik yükleme altında CFRP kompozit laminatlarda boşlukların hasar mekanizması üzerindeki etkisini sunmuşlar ve boşluk sayısının rastgele dağılmış çatlak sayısının 2.6-5 katı olduğunu bulmuşlardır.

Yüksek kaliteli ve güvenilir FRP laminatlar bir otoklav kullanılarak üretilebilir. Abraham ve ^ark.37 , kürleme için 1.2 MPa basınçla bir otoklava bir WLVB düzeneği yerleştirerek düşük gözeneklilik, yüksek lif içerikli laminatlar üretti. Bununla birlikte, otoklav büyük ve pahalı bir ekipman parçasıdır ve bu da önemli üretim maliyetlerine neden olur. Vakum destekli reçine transfer işlemi (VARTM) uzun süredir kullanımda olmasına rağmen, zaman maliyeti, daha karmaşık bir hazırlama süreci ve saptırma tüpleri ve saptırma ortamı gibi daha tek kullanımlık sarf malzemeleri açısından bir sınırı vardır. WL işlemi ile karşılaştırıldığında, WLVB işlemi, düşük maliyetli bir vakum torbası aracılığıyla yetersiz kalıplama basıncını telafi eder, elyaf hacmi fraksiyonunu artırmak ve iç gözenek içeriğini azaltmak için sistemden fazla reçineyi emer, böylece laminatın mekanik özelliklerini büyük ölçüde iyileştirir.

Bu çalışma, BE süreci ile WLVB süreci arasındaki farkları araştırmakta ve WLVB sürecinin titiz sürecini detaylandırmaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi ile hesaplanmış ve sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri ile karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.

Protokol

1. Malzeme hazırlığı

1. Sekiz adet 300 mm x 300 mm dokuma cam elyaf kumaşı makasla kesin. Fiber filamentlerin düşmesini önlemek için önce kesimi bantlayın.
   NOT: Kumaşı keserken parmak batmasını ve filament solunmasını önlemek için maske ve eldiven takın. Sadece dokuma cam elyaf kumaş değil, tek yönlü kumaş ve karbon elyaf ve aramid elyaf gibi diğer elyaf türleri de mevcuttur.
2. 260 g epoksi reçine ve 78 g sertleştiriciyi 10:3 kütle oranına göre tartın.
   NOT: Elyaf kumaş ve reçine sistemi oranının, tek kat elyaf kumaşın metrekaresi başına 360 g epoksi reçine sistemi olması tavsiye edilir.

2. Üretim süreci

NOT: Şekil 1 , bölüm 2'de gösterilen elle yatırma işlemi için kompozit laminatın imalat şemasını göstermektedir.

1. WLVB (WLVB)
   1. Kumaşı 60 °C'de 8 saat fırına koyun.
   2. Reçinenin yapışmasını önlemek için akrilik levha üzerine izolasyon filmi yapıştırın.
   3. Kalıbı döşeme alanına yerleştirin.
   4. Reçineyi ve sertleştiriciyi 5 dakika yavaşça karıştırın ve ardından içindeki hava kabarcıklarını çıkarmak için bir vakum odasına koyun.
   5. Gözeneksiz ayırma filmini kalıba yerleştirin ve etrafına bantla sabitleyin.
   6. Gözeneksiz serbest bırakma filminin üzerine bir kabuk tabakası yerleştirin.
   7. Epoksi reçineyi dökün ve reçineyi film boyunca eşit olarak dağıtmak için bir kazıyıcı kullanın.
   8. İlk elyaf kumaşı katlayın, reçinenin kumaşa tamamen sızdığından ve kabarcıkların ekstrüde edildiğinden emin olmak için çıplak bir rulo ile yuvarlayın ve ardından reçineyi eşit şekilde kazımak için bir kazıyıcı kullanarak reçineyi dökün.
   9. Tüm kumaş kullanılana kadar 2.1.7 ve 2.1.8 adımlarını tekrarlayın.
   10. Kumaşın üzerine bir soyma katı koyun ve hava kabarcıklarını manuel olarak sıkın.
   11. Art arda bir delikli serbest bırakma filmi ve bir havalandırma kumaşı döşeyin.
   12. Emme kanalını ve nefes alabilen pedi bir tarafa yerleştirin.
   13. Kalıbın dışına akrilik bir tabaka ile ısıya dayanıklı banttan bir daire yapıştırın ve kapalı bir alan oluşturmak için vakum torbasını bantla etrafına takın.
   14. Oda sıcaklığında 10 saat boyunca 1 bar basınca basmak için vakum pompasını açın. Ardından vakum pompasını kapatın ve 14 saat sessiz kalın.
   15. Laminatları tamamen kürlenmesi için 80 °C'de 16 saat fırına koyun.
   16. (1-3)^38,39 denklemlerini kullanarak lif hacmi fraksiyonunu ölçün.
       (1)
       (2)
       (3)
       n laminatın katman sayısıdır, ρ elyaf üreticiden gelen elyaf kumaşın alan yoğunluğudur, A elyaf laminatın alanıdır, m _elyaf kumaşın kütlesidir, m_toplam laminatın kütlesidir, ρ epoksi epoksinin yoğunluğudur, v _epoksi ve v_toplamıdır sırasıyla epoksi ve laminat hacimleridir ve elyaf hacmi fraksiyonudur.
2. WL
   1. Kumaşı 60 °C'de 8 saat fırına koyun.
   2. Reçine ve sertleştiriciyi 5 dakika boyunca yavaşça karıştırın ve ardından içindeki hava kabarcıklarını çıkarmak için bir vakum odasına koyun.
   3. Gözeneksiz ayırma filmini kalıba yerleştirin ve etrafına bantla sabitleyin.
   4. Gözeneksiz serbest bırakma filminin üzerine bir kabuk tabakası yerleştirin.
   5. Epoksi reçineyi dökün ve reçineyi film boyunca eşit olarak dağıtmak için bir kazıyıcı kullanın.
   6. İlk elyaf kumaşı katlayın, reçinenin kumaşa tamamen sızdığından ve kabarcıkların ekstrüde edildiğinden emin olmak için çıplak bir rulo ile yuvarlayın ve ardından reçineyi eşit şekilde kazımak için bir kazıyıcı kullanarak reçineyi dökün.
   7. Tüm kumaş kullanılana kadar 2.2.5 ve 2.2.6 adımlarını tekrarlayın.
   8. Kumaşın üzerine bir soyma katı koyun ve hava kabarcıklarını manuel olarak sıkın.
   9. Art arda bir delikli serbest bırakma filmi, bir havalandırma kumaşı ve bir gözeneksiz serbest bırakma filmi döşeyin.
   10. Üstüne fiber kumaşla aynı boyutta bir alüminyum plaka yerleştirin.
   11. Oda sıcaklığında 14 saat sessizliği koruyun.
   12. Laminatları tamamen kürlenmesi için 80 °C'de 16 saat fırına koyun.

3. Darbe özelliklerinin karakterizasyonu

NOT: Kompozit laminatların darbe testi için birçok yöntem vardır. Düşük hızlı darbe koşulları altında yaygın olarak kullanılan yöntem ağırlık düşürme darbe testi iken, yüksek hızlı veya ultra yüksek hızlı darbe koşullarında sıklıkla kullanılan yöntem mermi darbe yöntemidir. Bu çalışmada ağırlık düşürme darbe testi uygulanmıştır. Ekipman Şekil 2'de gösterilmiştir.

1. Yüksek hassasiyetli bir kesme makinesi kullanarak ASTM D7136'ya göre darbe testi için GFRP'den 150 mm x 100 mm'lik bir numune seti kesin.
2. Her numunenin ağırlığını ve boyutunu ölçün.
3. Çarpma tertibatının her test için temas edebileceği numunelerin merkezlerine yerleştirme çivileri kullanarak numunelerin konumlarını sabitleyin.
4. Numuneyi dört lastik uçla darbe destek fikstürüne sabitleyin.
5. Darbe testini, 10 J enerji seviyesinde bir düşme ağırlığı darbe kulesi kullanarak gerçekleştirin. Çekiç test makinesini açın ve denetleyiciyi açılır menüye bağlamak için Bağlan'a tıklayın, ardından Ana Sayfa | Testten önce. Darbe enerjisini 10 J'ye ve ek kütleyi 2 kg'a ayarlayın. Çarpma tertibatının yüksekliğini belirlemek için WLVB numuneleri için 2,1 mm ve WL numuneleri için 2,5 mm olmak üzere ölçüm kalınlığını girin ve deneyi başlatmak için Başlat'a tıklayın.
6. Kuvvet, sapma ve enerji geçmişi dahil olmak üzere darbe tepkisi verilerini kaydedin.
7. Numuneyi çıkarın. Darbeden sonra numunenin morfolojisini kaydedin.
8. Sonuçların tekrarlanabilirliğini sağlamak için darbe testini beş kez tekrarlayın.
9. Örneklerin verilerini hesaplayın ve karşılaştırın.

4. Çekme özelliklerinin karakterizasyonu

1. ASTM D3039'a göre, elmas kesicili yüksek hassasiyetli bir kesme makinesi kullanarak çekme testi için laminatlardan 250 mm x 25 mm'lik bir numune seti kesin.
2. Her numunenin boyutunu sürmeli bir kumpas ile ölçün.
3. Stres konsantrasyonunu önlemek için numunenin her iki ucuna dört adet 50 mm x 25 mm x 2 mm alüminyum tırnağı yapıştırmak için epoksi yapıştırıcı kullanın.
4. Numunenin önüne ince bir beyaz boya tabakası püskürtün, ardından siyah benekler püskürtün.
5. Numuneyi çekme test makinesinin kelepçelerinin ortasına yerleştirin ve Şekil 3'te gösterildiği gibi görüntü alma sistemini kurun.
6. Gerinim verilerinin doğruluğunu sağlamak için, numunenin konumunu kamera çekim alanının ortasında ve dikey konumda olacak şekilde değiştirin. Ek olarak, numune üzerindeki noktaların net bir şekilde kaydedildiğinden emin olmak için kamera odak uzaklığını ve pozlama oranını ayarlayın.
7. Çekme testini gerçekleştirin. TESTİ YAPILANDIR'a tıklayın. Test hızını 0,5 mm/dak olarak ayarlayın. Numune verileri'ne tıklayın. Numunelerin ölçüm genişliğini ve kalınlığını girin. Başlat'ı tıklayın, sonra Geçerli konumu kabul et'i tıklayın. Yükleme süresi verilerini kaydedin.
8. Numuneyi çıkarın. Çekme testinden sonra numunenin morfolojisini kaydedin.
9. Sonuçların tekrarlanabilirliğini sağlamak için çekme testini beş kez tekrarlayın.
10. Çekme testi sırasında numunenin nominal gerinimini ölçmek için dijital görüntü korelasyonu (DIC) yazılımını kullanın.
11. Piksellerin uzunluğunu kalibre etmek için Uzunluk Ölçeği Görüntüsü'nü tıklatın, Referans Görüntü'yü tıklatın ve ilk görüntüyü referans görüntü olarak seçin. Deforme Görüntü'ye tıklayın ve deforme olmuş görüntüler olarak kalan görüntüleri seçin. Çizim Araçları | Ölçüm alanını seçmek için dikdörtgeni seçin . Ekstansometre'ye tıklayın ve ekstansometrenin uzunluğunu 100 mm'ye ayarlayın, ardından İşleme | Korelasyonu başlatın.
12. Nominal gerilimi elde etmek için yükü kesit alanına bölün.
13. DIC ölçümünden elde edilen nominal gerilimi ve çekme test makinesinden alınan nominal gerilimi birleştirin.
14. Elastik modül olarak gerinim-gerilme eğrisinin doğrusal segmentinin eğimini seçin. Mukavemet olarak çekme kuvveti-zaman eğrisinin tepe değerini seçin.
15. Elastik modülü ve numunelerin gücünü karşılaştırın.

Sonuçlar

Tablo 1 , numunelerin lif hacmi fraksiyonunu, ortalama kalınlığını ve üretim sürecini göstermektedir. G8-WLVB ve G8-WL, sırasıyla vakumlu torba işlemi ile ve vakumsuz ıslak elle yatırılarak üretilen 8 katlı cam kumaştan oluşan laminatları temsil eder. Açıkçası, vakum torbası yardımıyla, laminatlar elyaf hacmi fraksiyonunda %15.78'lik bir artışa ve ortalama kalınlıkta %16.27'lik bir azalmaya sahiptir.

WLVB ve WL numunelerinin çekme testi ile elde ...

Tartışmalar

Bu makale, düşük maliyetli el yatırma yöntemi için iki farklı üretim sürecine odaklanmaktadır. Bu nedenle, bu yazıda dikkatlice anlatılmak üzere daha basit, ustalaşması daha kolay, yatırım maliyeti daha düşük, laboratuvarlarda ve küçük ölçekli fabrikalarda malzeme modifikasyonu ile üretime uygun iki fabrikasyon süreci seçilmiştir. Laminatların kürlenmesi sırasında, yüksek konsolidasyon basıncı, yüksek kalitede laminatların üretilmesinde önemli bir rol oynar. Yeterli dış basınç ...

Malzemeler

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