Fiberförstärkt polymerkomposit (FRP) är en typ av höghållfast material som tillverkas genom att blanda fiberförstärkning och polymermatriser ^1,2,3. Det används ofta inom flygindustrin 4,5,6, konstruktion ^7,8, fordon⁹ och marin^10,11 på grund av dess låga densitet^, höga specifika styvhet och styrka, utmattningsegenskaper och utmärkta korrosionsbeständighet. Vanliga syntetiska fibrer inkluderar kolfibrer, glasfibrer och aramidfibrer¹². Glasfiber valdes för undersökning i denna uppsats. Jämfört med traditionellt stål är glasfiberkompositlaminat (GFRP) lättare, med mindre än en tredjedel av densiteten, men kan uppnå en högre specifik hållfasthet än stål.

Beredningsprocessen för FRP inkluderar vakuumassisterad hartsöverföringsgjutning (VARTM)13, filamentlindning (FW)¹⁴ och prepreggjutning, förutom många andra avancerade tillverkningsprocesser^15,16,17,18. Jämfört med andra beredningsprocesser har processen med våt handuppläggning/vakuumpåse (WLVB) flera fördelar, inklusive enkla utrustningskrav och okomplicerad processteknik, och produkterna är inte begränsade av storlek och form. Denna process har en hög frihetsgrad och kan integreras med metall, trä, plast eller skum.

Principen för WLVB-processen är att applicera större formningstryck genom vakuumpåsar för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos de preparerade laminaten; Produktionstekniken för denna process är lätt att behärska, vilket gör den till en ekonomisk och enkel process för beredning av kompositmaterial. Denna process är helt manuell och påverkas i hög grad av förberedelsepersonalens kompetens. Därför är produkterna utsatta för defekter som hålrum och ojämn tjocklek, vilket leder till instabila egenskaper och mekaniska egenskaper hos laminatet. Därför är det nödvändigt att beskriva WLVB-processen i detalj, finjustera steg och kvantifiera materialproportioner för att erhålla en hög stabilitet av mekaniska egenskaper hos laminat.

De flesta forskare har studerat det kvasistatiska 19,20,21,22,23 och dynamiska beteendet 24,25,26,27,28, samt egenskapsmodifieringen ^29,30 av kompositmaterial. Volymfraktionsförhållandet mellan fiber och matris spelar en avgörande roll för de mekaniska egenskaperna hos FRP-laminat. I ett lämpligt intervall kan en högre volymfraktion av fiber förbättra styrkan och styvheten hos FRP-laminat. Andrew et ^al.31 undersökte effekten av fibervolymfraktion på de mekaniska egenskaperna hos prover framställda med den additiva tillverkningsprocessen fused deposition modeling (FDM). Resultaten visade att när fibervolymfraktionen var 22,5 % nådde draghållfasthetseffektiviteten sitt maximum, och en liten förbättring av hållfastheten observerades när fibervolymfraktionen nådde 33 %. Khalid et ^al.32 studerade de mekaniska egenskaperna hos kontinuerliga kolfiberförstärkta (CF)-förstärkta 3D-printade kompositer med olika fibervolymfraktioner, och resultaten visade att både draghållfasthet och styvhet förbättrades med ökningen av fiberinnehållet. Uzay et ^al.33 undersökte effekterna av tre tillverkningsmetoder – handuppläggning, formpressning och vakuumpåsning – på de mekaniska egenskaperna hos kolfiberförstärkt polymer (CFRP). Fibervolymfraktionen och hålrummet i laminaten mättes, drag- och böjtester utfördes. Experimenten visade att ju högre fibervolymfraktion, desto bättre är de mekaniska egenskaperna.

Tomrum är en av de vanligaste defekterna i FRP-laminat. Hålrum minskar de mekaniska egenskaperna hos kompositmaterial, såsom styrka, styvhet och utmattningsbeständighet³⁴. Spänningskoncentrationen som genereras runt hålrummen främjar utbredningen av mikrosprickor och minskar gränsytan mellan armering och matris. Invändiga hålrum påskyndar också fuktabsorptionen av FRP-laminat, vilket resulterar i avbindning av gränssnitt och prestandaförsämring. Därför påverkar förekomsten av inre hålrum kompositens tillförlitlighet och begränsar deras breda tillämpning. Zhu et ^al.35 undersökte inverkan av hålrumsinnehåll på de statiska interlaminära skjuvhållfasthetsegenskaperna hos CFRP-kompositlaminat och fann att en ökning av hålrumsinnehållet med 1 % från 0,4 % till 4,6 % ledde till en försämring av den interlaminära skjuvhållfastheten med 2,4 %. Scott et ^al.36 presenterade effekten av hålrum på skademekanismen i CFRP-kompositlaminat under hydrostatisk belastning med hjälp av datortomografi (CT), och fann att antalet hålrum är 2,6-5 gånger antalet slumpmässigt fördelade sprickor.

Högkvalitativa och pålitliga FRP-laminat kan tillverkas med hjälp av en autoklav. Abraham et ^al.37 tillverkade laminat med låg porositet och högt fiberinnehåll genom att placera en WLVB-enhet i en autoklav med ett tryck på 1,2 MPa för härdning. Ändå är autoklaven en stor och dyr utrustning, vilket resulterar i betydande tillverkningskostnader. Även om den vakuumassisterade hartsöverföringsprocessen (VARTM) har använts under lång tid, har den en gräns när det gäller tidskostnaden, en mer komplicerad beredningsprocess och fler engångsförbrukningsvaror som avledningsrör och avledningsmedier. Jämfört med WL-processen kompenserar WLVB-processen för otillräckligt formningstryck genom en billig vakuumpåse, absorberar överflödigt harts från systemet för att öka fibervolymfraktionen och minska det inre porinnehållet, vilket avsevärt förbättrar laminatets mekaniska egenskaper.

Denna studie undersöker skillnaderna mellan WL-processen och WLVB-processen, och beskriver den noggranna processen i WLVB-processen. Fibervolymhalten i laminat beräknades med formelmetoden, och resultaten visade att fibervolymhalten i WL-laminat var 42,04 %, medan den för WLVB-laminat var 57,82 %, en ökning med 15,78 %. De mekaniska egenskaperna hos laminat kännetecknades av drag- och slagtester. De experimentella resultaten visade att med WLVB-processen förbättrades laminatens styrka och modul med 17,4 % respektive 16,35 %, och den specifika absorberade energin ökade med 19,48 %.