Измерение механических свойств армирующих стекловолокно полимерных композиционных ламинатов, полученных различными технологическими процессами

Армированный волокном полимерный композит (FRP) представляет собой разновидность высокопрочного материала, изготовленного путем смешивания волокнистого армирования и полимерных матриц ^1,2,3. Он широко используется в аэрокосмической промышленности ^4,5,6, конструкции^7,8, автомобилестроении 9 и морской промышленности^10,11 благодаря своей низкой плотности, высокой удельной жесткости и прочности^, усталостным свойствам и отличной коррозионной стойкости. К распространенным синтетическим волокнам относятся углеродные волокна, стекловолокна и арамидные волокна¹². Для исследования в данной работе было выбрано стекловолокно. По сравнению с традиционной сталью, композитные ламинаты из стекловолокна (GFRP) легче, имеют менее одной трети плотности, но могут достигать более высокой удельной прочности, чем сталь.

Процесс подготовки стеклопластика включает в себя вакуумное формование смолы (VARTM)¹³, намотку нити (FW)14 и формование препрега, в дополнение ко многим другим передовым производственным процессам^15,16,17,18. По сравнению с другими процессами подготовки, процесс влажной ручной укладки/вакуумных пакетов (WLVB) имеет ряд преимуществ, включая простые требования к оборудованию и несложную технологию процесса, а продукты не ограничены размером и формой. Этот процесс имеет высокую степень свободы и может быть интегрирован с металлом, деревом, пластиком или пенопластом.

Принцип процесса WLVB заключается в приложении большего формовочного давления через вакуумные мешки для улучшения механических свойств подготовленных слоистых материалов; Технология производства этого процесса проста в освоении, что делает его экономичным и простым процессом подготовки композитных материалов. Этот процесс полностью ручной, и на него большое влияние оказывают навыки подготовки персонала. Поэтому изделия подвержены таким дефектам, как пустоты и неравномерная толщина, что приводит к нестабильным качествам и механическим свойствам ламината. Следовательно, необходимо детально описать процесс WLVB, точно контролировать этапы и количественно определить пропорции материала, чтобы получить высокую стабильность механических свойств ламинатов.

Большинство исследователей изучали квазистатическое поведение 29,20,21,22,23 и динамическое поведение 24,25,26,27,28, а также модификацию свойств ^29,30 композиционных материалов. Отношение объемной доли волокна к матрице играет решающую роль в механических свойствах ламината FRP. В соответствующем диапазоне более высокая объемная доля волокна может повысить прочность и жесткость ламината FRP. Andrew et ^al.31 исследовали влияние объемной доли волокон на механические свойства образцов, полученных с помощью процесса моделирования методом наплавления (FDM). Результаты показали, что когда объемная доля волокна составляла 22,5%, эффективность прочности на растяжение достигала своего максимума, и наблюдалось небольшое улучшение прочности, когда объемная доля волокна достигала 33%. Khalid et al.32 изучили механические свойства композитов, армированных непрерывным углеродным волокном (CF), напечатанных на 3D-принтере, с различными объемными долями волокон, и результаты показали, что как прочность на растяжение, так и жесткость улучшались с увеличением содержания волокна. Uzay et ^al.33 исследовали влияние трех методов изготовления — ручной укладки, компрессионного формования и вакуумной упаковки — на механические свойства армированного углеродным волокном полимера (CFRP). Измеряли объемную долю волокон и пустоты ламинатов, проводили испытания на растяжение и изгиб. Эксперименты показали, что чем выше объемная доля волокна, тем лучше механические свойства.

Пустоты являются одним из наиболее распространенных дефектов ламината FRP. Пустоты снижают механические свойства композиционных материалов, такие как прочность, жесткость и усталостное сопротивление³⁴. Концентрация напряжений, возникающих вокруг пустот, способствует распространению микротрещин и снижает прочность границы раздела между арматурой и матрицей. Внутренние пустоты также ускоряют поглощение влаги ламинатом из стеклопластика, что приводит к разрыву межфазных соединений и ухудшению эксплуатационных характеристик. Поэтому наличие внутренних пустот влияет на надежность композитов и ограничивает их широкое применение. Zhu et ^al.35 исследовали влияние содержания пустот на статические междуслойные прочностные свойства композитных ламинатов из углепластика и обнаружили, что увеличение содержания пустот на 1% в диапазоне от 0,4% до 4,6% приводит к ухудшению междуслойной прочности на сдвиг на 2,4%. Scott et ^al.36 представили влияние пустот на механизм повреждения в композитных ламинатах углепластика при гидростатическом нагружении с помощью компьютерной томографии (КТ) и обнаружили, что количество пустот в 2,6-5 раз превышает количество случайно распределенных трещин.

Высококачественные и надежные ламинаты FRP могут быть изготовлены с использованием автоклава. Abraham et ^al.37 изготовили ламинаты с низкой пористостью и высоким содержанием волокон путем помещения узла WLVB в автоклав с давлением 1,2 МПа для отверждения. Тем не менее, автоклав является большим и дорогостоящим оборудованием, что приводит к значительным производственным затратам. Несмотря на то, что процесс вакуумного переноса смолы (VARTM) используется уже давно, он имеет ограничения с точки зрения временных затрат, более сложный процесс подготовки и большее количество одноразовых расходных материалов, таких как отводные трубки и отводящие среды. По сравнению с процессом WL, процесс WLVB компенсирует недостаточное давление формования с помощью недорогого вакуумного мешка, поглощая излишки смолы из системы для увеличения объемной доли волокон и уменьшения содержания внутренних пор, тем самым значительно улучшая механические свойства ламината.

В этом исследовании исследуются различия между процессом WL и процессом WLVB, а также подробно описывается кропотливый процесс процесса WLVB. Объемное содержание волокон в ламинатах было рассчитано формульным методом, и результаты показали, что объемная доля волокон в ламинатах WL составила 42,04%, а в ламинатах WLVB — 57,82%, увеличившись на 15,78%. Механические свойства ламинатов характеризовались испытаниями на растяжение и удар. Результаты эксперимента показали, что при использовании процесса WLVB прочность и модуль упругости ламинатов были увеличены на 17,4% и 16,35% соответственно, а удельная поглощенная энергия увеличилась на 19,48%.