Misurazione delle proprietà meccaniche di laminati compositi polimerici di rinforzo in fibra di vetro ottenuti da diversi processi di fabbricazione

Il composito polimerico rinforzato con fibre (FRP) è un tipo di materiale ad alta resistenza prodotto mescolando il rinforzo in fibra e le matrici polimeriche ^1,2,3. È ampiamente utilizzato nei settori aerospaziale ^4,5,6, edile^7,8, automobilistico 9 e marino^10,11 grazie alla sua bassa densità, all’elevata rigidità e resistenza specifiche^, alle proprietà di fatica e all’eccellente resistenza alla corrosione. Le fibre sintetiche più comuni includono fibre di carbonio, fibre di vetro e fibre aramidiche¹². La fibra di vetro è stata scelta per l’indagine in questo articolo. Rispetto all’acciaio tradizionale, i laminati compositi di rinforzo in fibra di vetro (GFRP) sono più leggeri, con meno di un terzo della densità, ma possono raggiungere una resistenza specifica più elevata rispetto all’acciaio.

Il processo di preparazione dell’FRP include lo stampaggio a trasferimento di resina assistito dal vuoto (VARTM)¹³, l’avvolgimento del filamento (FW)14 e lo stampaggio preimpregnato, oltre a molti altri processi di fabbricazione avanzati 15,16,17,18. Rispetto ad altri processi di preparazione, il processo di laminazione a mano bagnata/sacchetto sottovuoto (WLVB) presenta diversi vantaggi, tra cui requisiti di apparecchiature semplici e tecnologia di processo semplice, e i prodotti non sono limitati da dimensioni e forma. Questo processo ha un alto grado di libertà e può essere integrato con metallo, legno, plastica o schiuma.

Il principio del processo WLVB è quello di applicare una maggiore pressione di formatura attraverso sacchi sottovuoto per migliorare le proprietà meccaniche dei laminati preparati; La tecnologia di produzione di questo processo è facile da padroneggiare, il che lo rende un processo di preparazione del materiale composito economico e semplice. Questo processo è completamente manuale ed è fortemente influenzato dalle competenze del personale addetto alla preparazione. Pertanto, i prodotti sono soggetti a difetti come vuoti e spessori irregolari, che portano a qualità e proprietà meccaniche instabili del laminato. Pertanto, è necessario descrivere in dettaglio il processo WLVB, controllare con precisione le fasi e quantificare la proporzione del materiale, al fine di ottenere un’elevata stabilità delle proprietà meccaniche dei laminati.

La maggior parte dei ricercatori ha studiato il comportamento quasi-statico 19,20,21,22,23 e dinamico 24,25,26,27,28, nonché la modifica delle proprietà ^29,30 dei materiali compositi. Il rapporto di frazione di volume tra fibra e matrice svolge un ruolo cruciale nelle proprietà meccaniche del laminato FRP. In un intervallo appropriato, una frazione di volume più elevata di fibra può migliorare la resistenza e la rigidità del laminato FRP. Andrew et ^al.31 hanno studiato l’effetto della frazione di volume delle fibre sulle proprietà meccaniche dei campioni preparati dal processo di produzione additiva di modellazione a deposizione fusa (FDM). I risultati hanno mostrato che quando la frazione di volume della fibra era del 22,5%, l’efficienza della resistenza alla trazione ha raggiunto il suo massimo ed è stato osservato un leggero miglioramento della resistenza quando la frazione di volume della fibra ha raggiunto il 33%. Khalid et al.32 hanno studiato le proprietà meccaniche dei compositi stampati in ^3D rinforzati con fibra di carbonio continua (CF) con diverse frazioni di volume delle fibre e i risultati hanno mostrato che sia la resistenza alla trazione che la rigidità sono migliorate con l’aumento del contenuto di fibre. Uzay et ^al.33 hanno studiato gli effetti di tre metodi di fabbricazione – laminazione manuale, stampaggio a compressione e insaccamento sottovuoto – sulle proprietà meccaniche del polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP). Sono stati misurati la frazione di volume delle fibre e il vuoto dei laminati, sono state condotte prove di trazione e flessione. Gli esperimenti hanno dimostrato che maggiore è la frazione di volume della fibra, migliori sono le proprietà meccaniche.

I vuoti sono uno dei difetti più comuni nel laminato FRP. I vuoti riducono le proprietà meccaniche dei materiali compositi, come la resistenza, la rigidità e la resistenza alla fatica³⁴. La concentrazione delle sollecitazioni generate intorno ai vuoti favorisce la propagazione delle microfessure e riduce la resistenza dell’interfaccia tra armatura e matrice. I vuoti interni accelerano anche l’assorbimento di umidità del laminato FRP, con conseguente distacco dell’interfaccia e degrado delle prestazioni. Pertanto, l’esistenza di vuoti interni influisce sull’affidabilità del composito e ne limita l’ampia applicazione. Zhu et ^al.35 hanno studiato l’influenza del contenuto di vuoti sulle proprietà statiche di resistenza al taglio interlaminare dei laminati compositi CFRP e hanno scoperto che un aumento dell’1% del contenuto di vuoti compreso tra lo 0,4% e il 4,6% ha portato a un deterioramento del 2,4% della resistenza al taglio interlaminare. Scott et ^al.36 hanno presentato l’effetto dei vuoti sul meccanismo di danneggiamento nei laminati compositi CFRP sotto carico idrostatico utilizzando la tomografia computerizzata (CT) e hanno scoperto che il numero di vuoti è 2,6-5 volte il numero di cricche distribuite in modo casuale.

I laminati FRP di alta qualità e affidabili possono essere prodotti utilizzando un’autoclave. Abraham et ^al.37 hanno prodotto laminati a bassa porosità e ad alto contenuto di fibre posizionando un gruppo WLVB in un’autoclave con una pressione di 1,2 MPa per l’indurimento. Tuttavia, l’autoclave è un’apparecchiatura grande e costosa, che comporta costi di produzione considerevoli. Sebbene il processo di trasferimento della resina assistito dal vuoto (VARTM) sia in uso da molto tempo, ha un limite in termini di costo in termini di tempo, un processo di preparazione più complicato e un maggior numero di materiali di consumo monouso come tubi di deviazione e mezzi di deviazione. Rispetto al processo WL, il processo WLVB compensa l’insufficiente pressione di stampaggio attraverso un sacchetto sottovuoto a basso costo, assorbendo la resina in eccesso dal sistema per aumentare la frazione di volume della fibra e ridurre il contenuto di pori interni, migliorando così notevolmente le proprietà meccaniche del laminato.

Questo studio esplora le differenze tra il processo WL e il processo WLVB e descrive in dettaglio il processo meticoloso del processo WLVB. Il contenuto di volume di fibre dei laminati è stato calcolato con il metodo della formula e i risultati hanno mostrato che il contenuto di volume di fibre dei laminati WL era del 42,04%, mentre quello dei laminati WLVB era del 57,82%, con un aumento del 15,78%. Le proprietà meccaniche dei laminati sono state caratterizzate da prove di trazione e di impatto. I risultati sperimentali hanno rivelato che con il processo WLVB, la resistenza e il modulo dei laminati sono stati aumentati rispettivamente del 17,4% e del 16,35% e l’energia specifica assorbita è aumentata del 19,48%.