Messung der mechanischen Eigenschaften von glasfaserverstärkten Polymer-Verbundlaminaten, die durch verschiedene Herstellungsverfahren erhalten werden

Faserverstärkter Polymerverbundwerkstoff (FVK) ist eine Art hochfestes Material, das durch Mischen von Faserverstärkung und Polymermatrizen^{hergestellt wird 1,2,3}. Es wird aufgrund seiner geringen Dichte, seiner hohen spezifischen Steifigkeit und Festigkeit, seiner Ermüdungseigenschaften und seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt ^4,5,6, im Bauwesen^7,8, in der Automobilindustrie ⁹ und in der Schifffahrt^10,11 eingesetzt. Zu den gängigen synthetischen Fasern gehören Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern¹². Glasfaser wurde für die Untersuchung in dieser Arbeit ausgewählt. Im Vergleich zu herkömmlichem Stahl sind glasfaserverstärkte Verbundlaminate (GFK) leichter, mit weniger als einem Drittel der Dichte, können aber eine höhere spezifische Festigkeit als Stahl erreichen.

Der Herstellungsprozess von GFK umfasst vakuumunterstütztes Harztransferformen (VARTM)13, Filament Winding (FW)¹⁴ und Prepreg-Molding sowie viele andere fortschrittliche Fertigungsverfahren^15,16,17,18. Im Vergleich zu anderen Aufbereitungsverfahren hat das WLVB-Verfahren (Wet Hand Lay-up/Vacuum Bag) mehrere Vorteile, darunter einfache Anlagenanforderungen und unkomplizierte Verfahrenstechnik, und die Produkte sind nicht durch Größe und Form eingeschränkt. Dieses Verfahren hat einen hohen Freiheitsgrad und kann mit Metall, Holz, Kunststoff oder Schaumstoff integriert werden.

Das Prinzip des WLVB-Verfahrens besteht darin, einen höheren Formdruck durch Vakuumbeutel auszuüben, um die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Laminate zu verbessern. Die Produktionstechnologie dieses Verfahrens ist leicht zu beherrschen, was es zu einem wirtschaftlichen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen macht. Dieser Prozess ist vollständig manuell und wird stark von den Fähigkeiten des Vorbereitungspersonals beeinflusst. Daher sind die Produkte anfällig für Defekte wie Hohlräume und ungleichmäßige Dicke, was zu instabilen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften des Laminats führt. Daher ist es notwendig, den WLVB-Prozess detailliert zu beschreiben, die Schritte fein zu kontrollieren und den Materialanteil zu quantifizieren, um eine hohe Stabilität der mechanischen Eigenschaften von Laminaten zu erhalten.

Die meisten Forscher haben das quasi-statische 19,20,21,22,23 und das dynamische Verhalten 24,25,26,27,28 sowie die Eigenschaftsmodifikation ^29,30 von Verbundwerkstoffen untersucht. Das Verhältnis von Volumenanteil von Faser zu Matrix spielt eine entscheidende Rolle für die mechanischen Eigenschaften von FVK-Laminat. In einem geeigneten Bereich kann ein höherer Volumenanteil der Faser die Festigkeit und Steifigkeit von GFK-Laminat verbessern. Andrew et ^al.31 untersuchten den Einfluss des Faservolumenanteils auf die mechanischen Eigenschaften von Proben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem Faservolumenanteil von 22,5 % die Zugfestigkeitseffizienz ihr Maximum erreichte und eine leichte Verbesserung der Festigkeit beobachtet wurde, als der Faservolumenanteil 33 % erreichte. Khalid et ^al.32 untersuchten die mechanischen Eigenschaften von endlosen kohlenstofffaserverstärkten 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen mit verschiedenen Faservolumenanteilen, und die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Zugfestigkeit als auch die Steifigkeit mit dem Anstieg des Fasergehalts verbessert wurden. Uzay et ^al.33 untersuchten die Auswirkungen von drei Herstellungsmethoden – Handlaminieren, Formpressen und Vakuumbeuteln – auf die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Der Faservolumenanteil und der Hohlraum der Laminate wurden gemessen, Zug- und Biegeversuche durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass die mechanischen Eigenschaften umso besser sind, je höher der Faservolumenanteil ist.

Hohlräume sind einer der häufigsten Defekte bei GFK-Laminat. Hohlräume verringern die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen, wie z. B. Festigkeit, Steifigkeit und Ermüdungsbeständigkeit³⁴. Die um die Hohlräume herum erzeugte Spannungskonzentration fördert die Ausbreitung von Mikrorissen und verringert die Grenzflächenfestigkeit zwischen Bewehrung und Matrix. Interne Hohlräume beschleunigen auch die Feuchtigkeitsaufnahme von GFK-Laminat, was zu einer Grenzflächenablösung und Leistungseinbußen führt. Daher beeinträchtigt das Vorhandensein von inneren Hohlräumen die Zuverlässigkeit von Verbundwerkstoffen und schränkt ihre breite Anwendung ein. Zhu et ^al.35 untersuchten den Einfluss des Hohlraumgehalts auf die statischen interlaminaren Scherfestigkeitseigenschaften von CFK-Verbundlaminaten und stellten fest, dass eine Erhöhung des Hohlraumgehalts um 1 % im Bereich von 0,4 % bis 4,6 % zu einer Verschlechterung der interlaminaren Scherfestigkeit um 2,4 % führte. Scott et ^al.36 stellten den Einfluss von Hohlräumen auf den Schädigungsmechanismus in CFK-Verbundlaminaten unter hydrostatischer Belastung mittels Computertomographie (CT) dar und stellten fest, dass die Anzahl der Hohlräume das 2,6-5-fache der Anzahl der zufällig verteilten Risse beträgt.

Hochwertige und zuverlässige GFK-Laminate können mit einem Autoklaven hergestellt werden. Abraham et ^al.37 stellten Laminate mit geringer Porosität und hohem Fasergehalt her, indem sie eine WLVB-Baugruppe zum Aushärten in einen Autoklaven mit einem Druck von 1,2 MPa legten. Dennoch ist der Autoklav ein großes und teures Gerät, was zu erheblichen Herstellungskosten führt. Obwohl das vakuumgestützte Harztransferverfahren (VARTM) schon seit langem im Einsatz ist, hat es eine Grenze in Bezug auf den Zeitaufwand, einen komplizierteren Präparationsprozess und mehr Einweg-Verbrauchsmaterialien wie Umleitungsröhrchen und Umleitungsmedien. Im Vergleich zum WL-Verfahren kompensiert das WLVB-Verfahren einen unzureichenden Formdruck durch einen kostengünstigen Vakuumbeutel, der überschüssiges Harz aus dem System absorbiert, um den Faservolumenanteil zu erhöhen und den inneren Porengehalt zu reduzieren, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Laminats erheblich verbessert werden.

Diese Studie untersucht die Unterschiede zwischen dem WL-Prozess und dem WLVB-Prozess und beschreibt den akribischen Prozess des WLVB-Prozesses. Der Faservolumengehalt von Laminaten wurde nach der Formelmethode berechnet, und die Ergebnisse zeigten, dass der Faservolumengehalt von WL-Laminaten 42,04 % betrug, während der von WLVB-Laminaten 57,82 % betrug und um 15,78 % zunahm. Die mechanischen Eigenschaften von Laminaten wurden durch Zug- und Schlagversuche charakterisiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass mit dem WLVB-Verfahren die Festigkeit und der Modul der Laminate um 17,4 % bzw. 16,35 % erhöht und die spezifische absorbierte Energie um 19,48 % erhöht wurde.