異なる製造プロセスで得られたガラス繊維強化ポリマー複合積層物の機械的特性の測定

繊維強化ポリマー複合材料(FRP)は、繊維強化材とポリマーマトリックス^1,2,3を混合して製造される高強度材料の一種です。低密度、高い比剛性と強度、疲労特性、および優れた耐食性により、航空宇宙^4,5,6、建設^7,8、自動車9、および海洋^10,11産業で広く使用されています。一般的な合成繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などがある¹²。この論文では、ガラス繊維を調査対象として選択しました。従来の鋼と比較して、ガラス繊維強化複合積層板(GFRP)は軽量で、密度は3分の1未満ですが、鋼よりも高い比強度を達成できます。

FRPの製造工程には、真空アシスト樹脂トランスファー成形(VARTM)¹³、フィラメントワインディング(FW)14、プリプレグ成形のほか、多くの高度な製造工程^15,16,17,18がある。ウェットハンドレイアップ/真空バッグ(WLVB)プロセスは、他の準備プロセスと比較して、簡単な機器要件と複雑なプロセス技術など、いくつかの利点があり、製品はサイズや形状に制限されません。このプロセスは自由度が高く、金属、木材、プラスチック、または発泡体と統合できます。

WLVBプロセスの原理は、真空バッグを介してより大きな成形圧力を適用して、準備された積層物の機械的特性を向上させることです。このプロセスの製造技術は習得が容易であり、経済的でシンプルな複合材料調製プロセスになります。この工程は完全に手作業で行われており、準備担当者のスキルに大きく影響されます。そのため、ボイドや厚みムラなどの欠陥が発生しやすく、ラミネートの品質や機械的特性が不安定になります。したがって、積層板の機械的特性の高い安定性を得るためには、WLVBプロセスを詳細に記述し、ステップを細かく制御し、材料比率を定量化する必要があります。

ほとんどの研究者は、複合材料の準静的19,20,21,22,23と動的挙動^{24,25,26,27,28}、および特性変更^29,30を研究してきました。繊維とマトリックスの体積分率比は、FRPラミネートの機械的特性に重要な役割を果たします。適切な範囲では、繊維の体積分率が高いほど、FRPラミネートの強度と剛性を向上させることができます。Andrew et ^al.31は、溶融堆積モデリング(FDM)積層造形プロセスによって作製された試料の機械的特性に対する繊維体積分率の影響を調査しました。その結果、繊維体積分率が22.5%のとき、引張強度効率が最大に達し、繊維体積分率が33%に達すると、強度のわずかな改善が観察された。Khalid et ^al.32は、多様な繊維体積分率を持つ連続炭素繊維(CF)強化3Dプリント複合材料の機械的特性を研究し、その結果、繊維含有量の増加に伴い、引張強度と剛性の両方が向上することを示しました。Uzay et ^al.33は、炭素繊維強化ポリマー(CFRP)の機械的特性に対する3つの製造方法(ハンドレイアップ、圧縮成形、真空バギング)の影響を調査しました。積層体の繊維体積分率とボイドを測定し、引張試験と曲げ試験を実施した。実験は、繊維体積分率が高いほど、機械的特性が優れていることを示しました。

ボイドは、FRPラミネートの最も一般的な欠陥の1つです。ボイドは、強度、剛性、耐疲労性などの複合材料の機械的特性を低下させる³⁴。ボイドの周囲に発生する応力集中は、マイクロクラックの伝播を促進し、鉄筋と母材の間の界面強度を低下させます。また、内部の空隙はFRPラミネートの吸湿を促進し、界面の剥離や性能低下を引き起こします。したがって、内部ボイドの存在は複合材の信頼性に影響を与え、それらの幅広い用途を制限します。Zhu et ^al.35 は、CFRP複合積層板の静的層間せん断強度特性に対するボイド含有量の影響を調査し、0.4%から4.6%の範囲でボイド含有量が1%増加すると、層間せん断強度が2.4%悪化することを発見しました。Scottら³⁶ は、コンピュータ断層撮影(CT)を用いて、静水圧荷重下でのCFRP複合積層板の損傷メカニズムに対するボイドの影響を提示し、ボイドの数がランダムに分布する亀裂の数の2.6〜5倍であることを発見しました。

オートクレーブを使用することで、高品質で信頼性の高いFRPラミネートを製造できます。Abrahamら³⁷ は、WLVBアセンブリを1.2MPaの圧力でオートクレーブに入れて硬化させることにより、低多孔率、高繊維含有量の積層板を製造しました。それにもかかわらず、オートクレーブは大型で高価な機器であり、かなりの製造コストがかかります。真空アシスト樹脂転写プロセス(VARTM)は古くから使用されていますが、時間的コスト、準備工程の複雑化、迂回チューブや迂回媒体などの使い捨て消耗品の増加などの点で限界がありました。WLプロセスと比較して、WLVBプロセスは、低コストの真空バッグを介して不十分な成形圧力を補正し、システムから余分な樹脂を吸収して繊維体積分率を高め、内部細孔含有量を減らし、それによって積層体の機械的特性を大幅に改善します。

本研究では、WLプロセスとWLVBプロセスの違いを探り、WLVBプロセスの緻密なプロセスについて詳述する。積層板の繊維体積含有量を式法で計算したところ、WL積層板の繊維体積率は42.04%であったのに対し、WLVB積層板の繊維体積率は57.82%で、15.78%増加した。ラミネートの機械的特性は、引張試験と衝撃試験によって特徴付けられました。実験の結果、WLVB法では積層板の強度が17.4%、弾性率が16.35%向上し、比吸収エネルギーが19.48%増加した。