Het meten van de mechanische eigenschappen van glasvezelversterkingspolymeercomposietlaminaten verkregen door verschillende fabricageprocessen

Vezelversterkt polymeercomposiet (FRP) is een soort zeer sterk materiaal dat wordt vervaardigd door vezelversterking en polymeermatrixen ^1,2,3 te mengen. Het wordt veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart ^4,5,6, bouw^7,8, automotive⁹ en marine ^10,11 industrieën vanwege de lage dichtheid, hoge specifieke stijfheid en sterkte^, vermoeiingseigenschappen en uitstekende corrosieweerstand. Veel voorkomende synthetische vezels zijn koolstofvezels, glasvezels en aramidevezels¹². In dit artikel is gekozen voor glasvezel als onderzoeker. In vergelijking met traditioneel staal zijn glasvezelversterkingscomposietlaminaten (GFRP’s) lichter, met minder dan een derde van de dichtheid, maar kunnen ze een hogere specifieke sterkte bereiken dan staal.

Het voorbereidingsproces van FRP omvat vacuümondersteund harstransfergieten (VARTM)13, filamentwikkelen (FW)¹⁴ en prepreg-gieten, naast vele andere geavanceerde fabricageprocessen^15,16,17,18. In vergelijking met andere bereidingsprocessen heeft het natte hand lay-up/vacuümzak (WLVB) proces verschillende voordelen, waaronder eenvoudige apparatuurvereisten en ongecompliceerde procestechnologie, en de producten worden niet beperkt door grootte en vorm. Dit proces heeft een hoge mate van vrijheid en kan worden geïntegreerd met metaal, hout, kunststof of schuim.

Het principe van het WLVB-proces is om een grotere vormdruk uit te oefenen door middel van vacuümzakken om de mechanische eigenschappen van de voorbereide laminaten te verbeteren; De productietechnologie van dit proces is gemakkelijk onder de knie te krijgen, waardoor het een economisch en eenvoudig voorbereidingsproces voor composietmateriaal is. Dit proces is volledig handmatig en wordt sterk beïnvloed door de vaardigheden van het voorbereidend personeel. Daarom zijn de producten gevoelig voor defecten zoals holtes en ongelijke diktes, wat leidt tot onstabiele eigenschappen en mechanische eigenschappen van het laminaat. Daarom is het noodzakelijk om het WLVB-proces in detail te beschrijven, de stappen nauwkeurig te controleren en de materiaalverhouding te kwantificeren om een hoge stabiliteit van de mechanische eigenschappen van laminaten te verkrijgen.

De meeste onderzoekers hebben het quasi-statische 19,20,21,22,23 en dynamisch gedrag 24,25,26,27,28 bestudeerd, evenals de eigenschapswijziging ^29,30 van composietmaterialen. De verhouding tussen de volumefractie van vezel en matrix speelt een cruciale rol in de mechanische eigenschappen van FRP-laminaat. In een geschikt bereik kan een vezelfractie met een hoger volume de sterkte en stijfheid van FRP-laminaat verbeteren. Andrew et ^al.31 onderzochten het effect van vezelvolumefractie op de mechanische eigenschappen van monsters die zijn voorbereid door het additieve productieproces van fused deposition modeling (FDM). De resultaten toonden aan dat wanneer de vezelvolumefractie 22,5% was, de treksterkte-efficiëntie zijn maximum bereikte, en een lichte verbetering van de sterkte werd waargenomen toen de vezelvolumefractie 33% bereikte. Khalid et ^al.32 bestudeerden de mechanische eigenschappen van met continue koolstofvezel (CF) versterkte 3D-geprinte composieten met diverse vezelvolumefracties, en de resultaten toonden aan dat zowel de treksterkte als de stijfheid verbeterden met de stijging van het vezelgehalte. Uzay et ^al.33 onderzochten de effecten van drie fabricagemethoden – handlay-up, compressiegieten en vacuümzakken – op de mechanische eigenschappen van met koolstofvezel versterkt polymeer (CFRP). De vezelvolumefractie en de holte van de laminaten werden gemeten, trek- en buigproeven werden uitgevoerd. De experimenten toonden aan dat hoe hoger de vezelvolumefractie, hoe beter de mechanische eigenschappen.

Holtes zijn een van de meest voorkomende defecten in FRP-laminaat. Holtes verminderen de mechanische eigenschappen van composietmaterialen, zoals sterkte, stijfheid en weerstand tegen vermoeidheid³⁴. De spanningsconcentratie die rond de holtes wordt gegenereerd, bevordert de voortplanting van microscheuren en vermindert de grensvlaksterkte tussen wapening en matrix. Interne holtes versnellen ook de vochtopname van FRP-laminaat, wat resulteert in onthechting van de interface en prestatievermindering. Daarom beïnvloedt het bestaan van interne holtes de betrouwbaarheid van composiet en beperkt het de brede toepassing ervan. Zhu et ^al.35 onderzochten de invloed van holte-inhoud op de statische interlaminaire afschuifsterkte-eigenschappen van CFRP-composietlaminaten, en ontdekten dat een toename van 1% in het holte-gehalte, variërend van 0,4% tot 4,6%, leidde tot een verslechtering van 2,4% van de interlaminaire afschuifsterkte. Scott et ^al.36 presenteerden het effect van holtes op het schademechanisme in CFRP-composietlaminaten onder hydrostatische belasting met behulp van computertomografie (CT), en ontdekten dat het aantal holtes 2,6-5 keer het aantal willekeurig verdeelde scheuren is.

Hoogwaardige en betrouwbare FRP-laminaten kunnen worden vervaardigd met behulp van een autoclaaf. Abraham et ^al.37 vervaardigden laminaten met een lage porositeit en een hoog vezelgehalte door een WLVB-assemblage in een autoclaaf te plaatsen met een druk van 1,2 MPa voor uitharding. Toch is de autoclaaf een groot en duur apparaat, wat resulteert in aanzienlijke productiekosten. Hoewel het vacuümondersteunde harsoverdrachtsproces (VARTM) al heel lang in gebruik is, heeft het een limiet in termen van tijdskosten, een ingewikkelder voorbereidingsproces en meer wegwerpverbruiksartikelen zoals afleidingsbuizen en omleidingsmedia. In vergelijking met het WL-proces compenseert het WLVB-proces onvoldoende vormdruk door middel van een goedkope vacuümzak, waarbij overtollige hars uit het systeem wordt geabsorbeerd om de vezelvolumefractie te vergroten en de interne poriëninhoud te verminderen, waardoor de mechanische eigenschappen van het laminaat aanzienlijk worden verbeterd.

Deze studie verkent de verschillen tussen het WL-proces en het WLVB-proces, en beschrijft het nauwgezette proces van het WLVB-proces. Het vezelvolumegehalte van laminaten werd berekend met behulp van de formulemethode en de resultaten toonden aan dat het vezelvolumegehalte van WL-laminaten 42,04% bedroeg, terwijl dat van WLVB-laminaten 57,82% bedroeg, een stijging van 15,78%. De mechanische eigenschappen van laminaten werden gekenmerkt door trek- en impacttests. De experimentele resultaten toonden aan dat met het WLVB-proces de sterkte en modulus van de laminaten met respectievelijk 17,4% en 16,35% werden verbeterd en dat de specifieke geabsorbeerde energie met 19,48% werd verhoogd.