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

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%.