Medición de las propiedades mecánicas de laminados compuestos de polímeros de refuerzo de fibra de vidrio obtenidos mediante diferentes procesos de fabricación

El compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) es un tipo de material de alta resistencia fabricado mezclando refuerzo de fibra y matrices poliméricas ^1,2,3. Es ampliamente utilizado en las industrias aeroespacial ^4,5,6, construcción^7,8, automotriz 9 y marina^10,11 debido a su baja densidad^, alta rigidez y resistencia específicas, propiedades de fatiga y excelente resistencia a la corrosión. Las fibras sintéticas comunes incluyen fibras de carbono, fibras de vidrio y fibras de aramida¹². La fibra de vidrio fue elegida para la investigación en este trabajo. En comparación con el acero tradicional, los laminados compuestos de refuerzo de fibra de vidrio (GFRP) son más livianos, con menos de un tercio de la densidad, pero pueden lograr una mayor resistencia específica que el acero.

El proceso de preparación de FRP incluye el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM)¹³, el bobinado de filamentos (FW)14 y el moldeo preimpregnado, además de muchos otros procesos de fabricación avanzados 15,16,17,18. En comparación con otros procesos de preparación, el proceso de colocación manual húmeda / bolsa de vacío (WLVB) tiene varias ventajas, incluidos los requisitos simples del equipo y la tecnología de proceso sin complicaciones, y los productos no están limitados por el tamaño y la forma. Este proceso tiene un alto grado de libertad y se puede integrar con metal, madera, plástico o espuma.

El principio del proceso WLVB es aplicar una mayor presión de formación a través de bolsas de vacío para mejorar las propiedades mecánicas de los laminados preparados; La tecnología de producción de este proceso es fácil de dominar, lo que lo convierte en un proceso de preparación de materiales compuestos económico y sencillo. Este proceso es completamente manual y está muy influenciado por las habilidades del personal de preparación. Por lo tanto, los productos son propensos a defectos como vacíos y espesores desiguales, lo que conduce a cualidades y propiedades mecánicas inestables del laminado. Por lo tanto, es necesario describir el proceso WLVB en detalle, controlar con precisión los pasos y cuantificar la proporción de material, para obtener una alta estabilidad de las propiedades mecánicas de los laminados.

La mayoría de los investigadores han estudiado el comportamiento cuasiestático 19,20,21,22,23 y dinámico 24,25,26,27,28, así como la modificación de propiedades ^29,30 de los materiales compuestos. La relación entre la fracción de volumen de la fibra y la matriz juega un papel crucial en las propiedades mecánicas del laminado de FRP. En un rango apropiado, una fracción de mayor volumen de fibra puede mejorar la resistencia y rigidez del laminado FRP. Andrew et ^al.31 investigaron el efecto de la fracción de volumen de fibra sobre las propiedades mecánicas de probetas preparadas mediante el proceso de fabricación aditiva de modelado por deposición fundida (FDM). Los resultados mostraron que cuando la fracción de volumen de fibra fue de 22.5%, la eficiencia de resistencia a la tracción alcanzó su máximo, y se observó una ligera mejora en la resistencia ya que la fracción de volumen de fibra alcanzó el 33%. Khalid et ^al.32 estudiaron las propiedades mecánicas de compuestos impresos en 3D reforzados con fibra de carbono continua (CF) con diversas fracciones de volumen de fibra, y los resultados mostraron que tanto la resistencia a la tracción como la rigidez mejoraron con el aumento del contenido de fibra. Uzay et ^al.33 investigaron los efectos de tres métodos de fabricación (laminado manual, moldeo por compresión y embolsado al vacío) sobre las propiedades mecánicas del polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Se midió la fracción de volumen de fibra y el vacío de los laminados, se realizaron pruebas de tracción y flexión. Los experimentos demostraron que cuanto mayor es la fracción de volumen de fibra, mejores son las propiedades mecánicas.

Los huecos son uno de los defectos más comunes en el laminado de FRP. Los huecos reducen las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, como la resistencia, la rigidez y la resistencia a la fatiga³⁴. La concentración de tensiones generada alrededor de los huecos promueve la propagación de microfisuras y reduce la resistencia de la interfaz entre el refuerzo y la matriz. Los huecos internos también aceleran la absorción de humedad del laminado FRP, lo que resulta en el desprendimiento de la interfaz y la degradación del rendimiento. Por lo tanto, la existencia de vacíos internos afecta la confiabilidad del compuesto y restringe su amplia aplicación. Zhu et ^al.35 investigaron la influencia del contenido de vacíos en las propiedades estáticas de resistencia al cizallamiento interlaminar de los laminados compuestos de CFRP, y encontraron que un aumento del 1% en el contenido de vacíos que oscilaba entre el 0,4% y el 4,6% condujo a un deterioro del 2,4% en la resistencia al cizallamiento interlaminar. Scott et ^al.36 presentaron el efecto de los vacíos sobre el mecanismo de daño en laminados compuestos de CFRP bajo carga hidrostática utilizando tomografía computarizada (TC), y encontraron que el número de huecos es de 2,6 a 5 veces el número de grietas distribuidas aleatoriamente.

Los laminados de FRP confiables y de alta calidad se pueden fabricar utilizando un autoclave. Abraham et ^al.37 fabricaron laminados de baja porosidad y alto contenido de fibra colocando un conjunto WLVB en un autoclave con una presión de 1,2 MPa para su curado. Sin embargo, el autoclave es un equipo grande y costoso, lo que resulta en costos de fabricación considerables. Aunque el proceso de transferencia de resina asistida por vacío (VARTM) se ha utilizado durante mucho tiempo, tiene un límite en términos de costo de tiempo, un proceso de preparación más complicado y más consumibles desechables, como tubos de desvío y medios de desvío. En comparación con el proceso WL, el proceso WLVB compensa la presión de moldeo insuficiente a través de una bolsa de vacío de bajo costo, absorbiendo el exceso de resina del sistema para aumentar la fracción de volumen de fibra y reducir el contenido de poros internos, mejorando así en gran medida las propiedades mecánicas del laminado.

Este estudio explora las diferencias entre el proceso WL y el proceso WLVB, y detalla el meticuloso proceso del proceso WLVB. El contenido de volumen de fibra de los laminados se calculó por el método de la fórmula, y los resultados mostraron que el contenido de volumen de fibra de los laminados WL fue de 42,04%, mientras que el de los laminados WLVB fue de 57,82%, aumentando en un 15,78%. Las propiedades mecánicas de los laminados se caracterizaron mediante ensayos de tracción e impacto. Los resultados experimentales revelaron que con el proceso WLVB, la resistencia y el módulo de los laminados aumentaron en un 17,4% y 16,35%, respectivamente, y la energía específica absorbida se incrementó en un 19,48%.