Farklı İmalat İşlemleri ile Elde Edilen Cam Elyaf Takviyeli Polimer Kompozit Laminatların Mekanik Özelliklerinin Ölçülmesi

Bu makale, ıslak el yatırma/vakum torbası yöntemi kullanılarak elde edilen elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit laminatlar için bir üretim sürecini açıklamaktadır.

Geleneksel ıslak el yatırma işlemi (WL), fiber kompozit laminatların imalatında yaygın olarak uygulanmaktadır. Bununla birlikte, şekillendirme basıncındaki yetersizlik nedeniyle, elyafın kütle oranı azalır ve içeride çok sayıda hava kabarcığı hapsolur, bu da düşük kaliteli laminatlara (düşük sertlik ve mukavemet) neden olur. Kompozit laminatların imalatı için ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, hava kabarcıklarını gidermek ve basınç sağlamak için bir vakum torbası kullanan ve ardından ısıtma ve kürleme işlemini gerçekleştiren geleneksel ıslak el yatırma işlemine dayanır.

Geleneksel el yatırma işlemiyle karşılaştırıldığında, WLVB işlemiyle üretilen laminatlar, kompozit laminatlar için tüm faydalar olan daha iyi mukavemet ve sertlik, daha yüksek elyaf hacmi fraksiyonu ve daha düşük boşluk hacmi fraksiyonu dahil olmak üzere üstün mekanik özellikler gösterir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerini sağlamak için WLVB sürecini hassas bir şekilde tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranlarını ölçmek gerekir.

Bu makale, dokuma düz desenli cam elyaf takviyeli kompozit laminatların (GFRP'ler) hazırlanması için WLVB sürecinin titiz sürecini açıklamaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi kullanılarak hesaplanmış ve hesaplanan sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri kullanılarak karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.

Elyaf takviyeli polimer kompozit (FRP), elyaf takviyesi ve polimer matrislerin ^1,2,3 karıştırılmasıyla üretilen yüksek mukavemetli bir malzeme türüdür. Düşük yoğunluğu, yüksek özgül sertliği ve mukavemeti, yorulma özellikleri ve mükemmel korozyon direnci nedeniyle havacılık ^4,5,6, inşaat^7,8, otomotiv 9 ve denizcilik ^10,11 endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın sentetik lifler arasında karbon lifleri, cam lifleri ve aramid lifleri bulunur¹². Bu çalışmada araştırma için cam elyaf seçilmiştir. Geleneksel çelikle karşılaştırıldığında, cam elyaf takviyeli kompozit laminatlar (GFRP'ler) daha hafiftir, yoğunluğun üçte birinden daha azdır, ancak çelikten daha yüksek bir özgül mukavemet elde edebilir.

FRP'nin hazırlama süreci, diğer birçok gelişmiş imalat işlemine 15,16,17,18 ek olarak vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM)^13, filament sarma (FW)¹⁴ ve prepreg kalıplamayı içerir. Diğer hazırlama işlemleriyle karşılaştırıldığında, ıslak el yatırma/vakum torbası (WLVB) işlemi, basit ekipman gereksinimleri ve karmaşık olmayan işlem teknolojisi dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir ve ürünler boyut ve şekil ile sınırlı değildir. Bu işlem yüksek derecede serbestliğe sahiptir ve metal, ahşap, plastik veya köpük ile entegre edilebilir.

WLVB işleminin prensibi, hazırlanan laminatların mekanik özelliklerini geliştirmek için vakum torbaları aracılığıyla daha fazla şekillendirme basıncı uygulamaktır; Bu işlemin üretim teknolojisinde ustalaşmak kolaydır, bu da onu ekonomik ve basit bir kompozit malzeme hazırlama işlemi haline getirir. Bu süreç tamamen manueldir ve hazırlık personelinin becerilerinden büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, ürünler boşluklar ve düzensiz kalınlık gibi kusurlara eğilimlidir, bu da laminatın dengesiz niteliklerine ve mekanik özelliklerine yol açar. Bu nedenle, laminatların mekanik özelliklerinde yüksek bir stabilite elde etmek için WLVB sürecini ayrıntılı olarak tanımlamak, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranını ölçmek gerekir.

Çoğu araştırmacı, kompozit malzemelerin yarı statik 19,20,21,22,23 ve dinamik davranışı^{24,25,26,27,28'in} yanı sıra özellik modifikasyonu ^29,30'u incelemiştir. Elyafın matrise hacim fraksiyon oranı, FRP laminatın mekanik özelliklerinde çok önemli bir rol oynar. Uygun bir aralıkta, daha yüksek hacimli bir lif fraksiyonu, FRP laminatın mukavemetini ve sertliğini artırabilir. Andrew ve ^ark.31, lif hacmi fraksiyonunun, kaynaşmış biriktirme modellemesi (FDM) eklemeli üretim süreci ile hazırlanan numunelerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı. Sonuçlar, lif hacmi fraksiyonu %22,5 olduğunda, çekme mukavemeti verimliliğinin maksimuma ulaştığını ve lif hacmi fraksiyonu %33'e ulaştığında mukavemette hafif bir iyileşme gözlendiğini gösterdi. Khalid ve ark.32, çeşitli lif hacmi fraksiyonlarına sahip sürekli karbon lif (CF) takviyeli ^3D baskılı kompozitlerin mekanik özelliklerini inceledi ve sonuçlar, lif içeriğindeki artışla hem çekme mukavemetinin hem de sertliğin iyileştiğini gösterdi. Uzay ve ^ark.33, üç üretim yönteminin (elle yatırma, sıkıştırma kalıplama ve vakumlu torbalama) karbon fiber takviyeli polimerin (CFRP) mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini araştırdı. Laminatların lif hacim fraksiyonu ve boşluğu ölçüldü, çekme ve eğilme testleri yapıldı. Deneyler, lif hacmi fraksiyonu ne kadar yüksek olursa, mekanik özelliklerin o kadar iyi olduğunu gösterdi.

Boşluklar, FRP laminattaki en yaygın kusurlardan biridir. Boşluklar, kompozit malzemelerin mukavemet, sertlik ve yorulma direnci gibi mekanik özelliklerini azaltır³⁴. Boşlukların etrafında oluşan stres konsantrasyonu, mikro çatlakların yayılmasını teşvik eder ve donatı ile matris arasındaki arayüz mukavemetini azaltır. İç boşluklar ayrıca FRP laminatın nem emilimini hızlandırarak arayüzün ayrılması ve performans düşüşüne neden olur. Bu nedenle, iç boşlukların varlığı kompozitin güvenilirliğini etkiler ve geniş uygulamalarını kısıtlar. Zhu ve ^ark.35 , boşluk içeriğinin CFRP kompozit laminatların statik katmanlar arası kesme mukavemeti özellikleri üzerindeki etkisini araştırdı ve boşluk içeriğinde %0,4 ila %4,6 arasında değişen %1'lik bir artışın, katmanlar arası kesme mukavemetinde %2,4'lük bir bozulmaya yol açtığını buldu. Scott ve ^ark.36 bilgisayarlı tomografi (BT) kullanarak hidrostatik yükleme altında CFRP kompozit laminatlarda boşlukların hasar mekanizması üzerindeki etkisini sunmuşlar ve boşluk sayısının rastgele dağılmış çatlak sayısının 2.6-5 katı olduğunu bulmuşlardır.

Yüksek kaliteli ve güvenilir FRP laminatlar bir otoklav kullanılarak üretilebilir. Abraham ve ^ark.37 , kürleme için 1.2 MPa basınçla bir otoklava bir WLVB düzeneği yerleştirerek düşük gözeneklilik, yüksek lif içerikli laminatlar üretti. Bununla birlikte, otoklav büyük ve pahalı bir ekipman parçasıdır ve bu da önemli üretim maliyetlerine neden olur. Vakum destekli reçine transfer işlemi (VARTM) uzun süredir kullanımda olmasına rağmen, zaman maliyeti, daha karmaşık bir hazırlama süreci ve saptırma tüpleri ve saptırma ortamı gibi daha tek kullanımlık sarf malzemeleri açısından bir sınırı vardır. WL işlemi ile karşılaştırıldığında, WLVB işlemi, düşük maliyetli bir vakum torbası aracılığıyla yetersiz kalıplama basıncını telafi eder, elyaf hacmi fraksiyonunu artırmak ve iç gözenek içeriğini azaltmak için sistemden fazla reçineyi emer, böylece laminatın mekanik özelliklerini büyük ölçüde iyileştirir.

Bu çalışma, BE süreci ile WLVB süreci arasındaki farkları araştırmakta ve WLVB sürecinin titiz sürecini detaylandırmaktadır. Laminatların lif hacmi içeriği formül yöntemi ile hesaplanmış ve sonuçlar, WL laminatların lif hacmi içeriğinin %42.04 olduğunu, WLVB laminatlarınkinin ise %15.78 artarak %57.82 olduğunu göstermiştir. Laminatların mekanik özellikleri, çekme ve darbe testleri ile karakterize edildi. Deneysel sonuçlar, WLVB işlemi ile laminatların mukavemet ve modülünün sırasıyla %17.4 ve %16.35 oranında arttırıldığını ve özgül emilen enerjinin %19.48 oranında arttığını ortaya koymuştur.

1. Malzeme hazırlığı

1. Sekiz adet 300 mm x 300 mm dokuma cam elyaf kumaşı makasla kesin. Fiber filamentlerin düşmesini önlemek için önce kesimi bantlayın.
   NOT: Kumaşı keserken parmak batmasını ve filament solunmasını önlemek için maske ve eldiven takın. Sadece dokuma cam elyaf kumaş değil, tek yönlü kumaş ve karbon elyaf ve aramid elyaf gibi diğer elyaf türleri de mevcuttur.
2. 260 g epoksi reçine ve 78 g sertleştiriciyi 10:3 kütle oranına göre tartın.
   NOT: Elyaf kumaş ve reçine sistemi oranının, tek kat elyaf kumaşın metrekaresi başına 360 g epoksi reçine sistemi olması tavsiye edilir.

2. Üretim süreci

NOT: Şekil 1 , bölüm 2'de gösterilen elle yatırma işlemi için kompozit laminatın imalat şemasını göstermektedir.

1. WLVB (WLVB)
   1. Kumaşı 60 °C'de 8 saat fırına koyun.
   2. Reçinenin yapışmasını önlemek için akrilik levha üzerine izolasyon filmi yapıştırın.
   3. Kalıbı döşeme alanına yerleştirin.
   4. Reçineyi ve sertleştiriciyi 5 dakika yavaşça karıştırın ve ardından içindeki hava kabarcıklarını çıkarmak için bir vakum odasına koyun.
   5. Gözeneksiz ayırma filmini kalıba yerleştirin ve etrafına bantla sabitleyin.
   6. Gözeneksiz serbest bırakma filminin üzerine bir kabuk tabakası yerleştirin.
   7. Epoksi reçineyi dökün ve reçineyi film boyunca eşit olarak dağıtmak için bir kazıyıcı kullanın.
   8. İlk elyaf kumaşı katlayın, reçinenin kumaşa tamamen sızdığından ve kabarcıkların ekstrüde edildiğinden emin olmak için çıplak bir rulo ile yuvarlayın ve ardından reçineyi eşit şekilde kazımak için bir kazıyıcı kullanarak reçineyi dökün.
   9. Tüm kumaş kullanılana kadar 2.1.7 ve 2.1.8 adımlarını tekrarlayın.
   10. Kumaşın üzerine bir soyma katı koyun ve hava kabarcıklarını manuel olarak sıkın.
   11. Art arda bir delikli serbest bırakma filmi ve bir havalandırma kumaşı döşeyin.
   12. Emme kanalını ve nefes alabilen pedi bir tarafa yerleştirin.
   13. Kalıbın dışına akrilik bir tabaka ile ısıya dayanıklı banttan bir daire yapıştırın ve kapalı bir alan oluşturmak için vakum torbasını bantla etrafına takın.
   14. Oda sıcaklığında 10 saat boyunca 1 bar basınca basmak için vakum pompasını açın. Ardından vakum pompasını kapatın ve 14 saat sessiz kalın.
   15. Laminatları tamamen kürlenmesi için 80 °C'de 16 saat fırına koyun.
   16. (1-3)^38,39 denklemlerini kullanarak lif hacmi fraksiyonunu ölçün.
       (1)
       (2)
       (3)
       n laminatın katman sayısıdır, ρ elyaf üreticiden gelen elyaf kumaşın alan yoğunluğudur, A elyaf laminatın alanıdır, m _elyaf kumaşın kütlesidir, m_toplam laminatın kütlesidir, ρ epoksi epoksinin yoğunluğudur, v _epoksi ve v_toplamıdır sırasıyla epoksi ve laminat hacimleridir ve elyaf hacmi fraksiyonudur.
2. WL
   1. Kumaşı 60 °C'de 8 saat fırına koyun.
   2. Reçine ve sertleştiriciyi 5 dakika boyunca yavaşça karıştırın ve ardından içindeki hava kabarcıklarını çıkarmak için bir vakum odasına koyun.
   3. Gözeneksiz ayırma filmini kalıba yerleştirin ve etrafına bantla sabitleyin.
   4. Gözeneksiz serbest bırakma filminin üzerine bir kabuk tabakası yerleştirin.
   5. Epoksi reçineyi dökün ve reçineyi film boyunca eşit olarak dağıtmak için bir kazıyıcı kullanın.
   6. İlk elyaf kumaşı katlayın, reçinenin kumaşa tamamen sızdığından ve kabarcıkların ekstrüde edildiğinden emin olmak için çıplak bir rulo ile yuvarlayın ve ardından reçineyi eşit şekilde kazımak için bir kazıyıcı kullanarak reçineyi dökün.
   7. Tüm kumaş kullanılana kadar 2.2.5 ve 2.2.6 adımlarını tekrarlayın.
   8. Kumaşın üzerine bir soyma katı koyun ve hava kabarcıklarını manuel olarak sıkın.
   9. Art arda bir delikli serbest bırakma filmi, bir havalandırma kumaşı ve bir gözeneksiz serbest bırakma filmi döşeyin.
   10. Üstüne fiber kumaşla aynı boyutta bir alüminyum plaka yerleştirin.
   11. Oda sıcaklığında 14 saat sessizliği koruyun.
   12. Laminatları tamamen kürlenmesi için 80 °C'de 16 saat fırına koyun.

3. Darbe özelliklerinin karakterizasyonu

NOT: Kompozit laminatların darbe testi için birçok yöntem vardır. Düşük hızlı darbe koşulları altında yaygın olarak kullanılan yöntem ağırlık düşürme darbe testi iken, yüksek hızlı veya ultra yüksek hızlı darbe koşullarında sıklıkla kullanılan yöntem mermi darbe yöntemidir. Bu çalışmada ağırlık düşürme darbe testi uygulanmıştır. Ekipman Şekil 2'de gösterilmiştir.

1. Yüksek hassasiyetli bir kesme makinesi kullanarak ASTM D7136'ya göre darbe testi için GFRP'den 150 mm x 100 mm'lik bir numune seti kesin.
2. Her numunenin ağırlığını ve boyutunu ölçün.
3. Çarpma tertibatının her test için temas edebileceği numunelerin merkezlerine yerleştirme çivileri kullanarak numunelerin konumlarını sabitleyin.
4. Numuneyi dört lastik uçla darbe destek fikstürüne sabitleyin.
5. Darbe testini, 10 J enerji seviyesinde bir düşme ağırlığı darbe kulesi kullanarak gerçekleştirin. Çekiç test makinesini açın ve denetleyiciyi açılır menüye bağlamak için Bağlan'a tıklayın, ardından Ana Sayfa | Testten önce. Darbe enerjisini 10 J'ye ve ek kütleyi 2 kg'a ayarlayın. Çarpma tertibatının yüksekliğini belirlemek için WLVB numuneleri için 2,1 mm ve WL numuneleri için 2,5 mm olmak üzere ölçüm kalınlığını girin ve deneyi başlatmak için Başlat'a tıklayın.
6. Kuvvet, sapma ve enerji geçmişi dahil olmak üzere darbe tepkisi verilerini kaydedin.
7. Numuneyi çıkarın. Darbeden sonra numunenin morfolojisini kaydedin.
8. Sonuçların tekrarlanabilirliğini sağlamak için darbe testini beş kez tekrarlayın.
9. Örneklerin verilerini hesaplayın ve karşılaştırın.

4. Çekme özelliklerinin karakterizasyonu

1. ASTM D3039'a göre, elmas kesicili yüksek hassasiyetli bir kesme makinesi kullanarak çekme testi için laminatlardan 250 mm x 25 mm'lik bir numune seti kesin.
2. Her numunenin boyutunu sürmeli bir kumpas ile ölçün.
3. Stres konsantrasyonunu önlemek için numunenin her iki ucuna dört adet 50 mm x 25 mm x 2 mm alüminyum tırnağı yapıştırmak için epoksi yapıştırıcı kullanın.
4. Numunenin önüne ince bir beyaz boya tabakası püskürtün, ardından siyah benekler püskürtün.
5. Numuneyi çekme test makinesinin kelepçelerinin ortasına yerleştirin ve Şekil 3'te gösterildiği gibi görüntü alma sistemini kurun.
6. Gerinim verilerinin doğruluğunu sağlamak için, numunenin konumunu kamera çekim alanının ortasında ve dikey konumda olacak şekilde değiştirin. Ek olarak, numune üzerindeki noktaların net bir şekilde kaydedildiğinden emin olmak için kamera odak uzaklığını ve pozlama oranını ayarlayın.
7. Çekme testini gerçekleştirin. TESTİ YAPILANDIR'a tıklayın. Test hızını 0,5 mm/dak olarak ayarlayın. Numune verileri'ne tıklayın. Numunelerin ölçüm genişliğini ve kalınlığını girin. Başlat'ı tıklayın, sonra Geçerli konumu kabul et'i tıklayın. Yükleme süresi verilerini kaydedin.
8. Numuneyi çıkarın. Çekme testinden sonra numunenin morfolojisini kaydedin.
9. Sonuçların tekrarlanabilirliğini sağlamak için çekme testini beş kez tekrarlayın.
10. Çekme testi sırasında numunenin nominal gerinimini ölçmek için dijital görüntü korelasyonu (DIC) yazılımını kullanın.
11. Piksellerin uzunluğunu kalibre etmek için Uzunluk Ölçeği Görüntüsü'nü tıklatın, Referans Görüntü'yü tıklatın ve ilk görüntüyü referans görüntü olarak seçin. Deforme Görüntü'ye tıklayın ve deforme olmuş görüntüler olarak kalan görüntüleri seçin. Çizim Araçları | Ölçüm alanını seçmek için dikdörtgeni seçin . Ekstansometre'ye tıklayın ve ekstansometrenin uzunluğunu 100 mm'ye ayarlayın, ardından İşleme | Korelasyonu başlatın.
12. Nominal gerilimi elde etmek için yükü kesit alanına bölün.
13. DIC ölçümünden elde edilen nominal gerilimi ve çekme test makinesinden alınan nominal gerilimi birleştirin.
14. Elastik modül olarak gerinim-gerilme eğrisinin doğrusal segmentinin eğimini seçin. Mukavemet olarak çekme kuvveti-zaman eğrisinin tepe değerini seçin.
15. Elastik modülü ve numunelerin gücünü karşılaştırın.

Tablo 1 , numunelerin lif hacmi fraksiyonunu, ortalama kalınlığını ve üretim sürecini göstermektedir. G8-WLVB ve G8-WL, sırasıyla vakumlu torba işlemi ile ve vakumsuz ıslak elle yatırılarak üretilen 8 katlı cam kumaştan oluşan laminatları temsil eder. Açıkçası, vakum torbası yardımıyla, laminatlar elyaf hacmi fraksiyonunda %15.78'lik bir artışa ve ortalama kalınlıkta %16.27'lik bir azalmaya sahiptir.

WLVB ve WL numunelerinin çekme testi ile elde edilen gerinim-gerilme eğrileri Şekil 4'te gösterilmektedir. Dikey eksen, kuvvetin kesit alanına bölünmesiyle elde edilen nominal gerilimi gösterir ve yatay eksen, DIC yazılımı tarafından hesaplanan nominal gerilimi gösterir. İster WL numuneleri ister WLVB numuneleri olsun, deney eğrisinde mükemmel tekrarlanabilirliğin elde edildiği görülebilir. İlk iki numune ve son üç numune aynı laminatta imal edilmemiştir, ancak aynı fabrikasyon durumdadır; Bu nedenle, adımları hassas bir şekilde kontrol etmek ve malzeme oranını ölçmek önemlidir.

WLVB numunelerinin ve WL numunelerinin çekme testi sonuçları sırasıyla Tablo 2 ve Tablo 3'te belirtilmiştir. Çekme eğrisinde doğrusal olmama gözlendi. Çekme gerinim-gerilme eğrisinin doğrusal segmentinin eğimi, elastik modülü temsil eder ve çekme gerinim-gerilme eğrisinin dikey eksenindeki maksimum değer noktası, mukavemeti temsil eder. Tablo 2'de gösterildiği gibi, beş WLVB numunesinin ortalama çekme mukavemeti ve modülü sırasıyla 431.79 MPa ve 19.14 GPa'dır. Çekme mukavemeti ve çekme modülünün standart sapmaları sırasıyla 17.81 ve 0.52'dir. Tablo 3'te gösterildiği gibi, beş WL numunesinin ortalama çekme mukavemeti ve ortalama çekme modülü sırasıyla 367.8 MPa ve 16.45 GPa'dır. Çekme mukavemetinin ve çekme modülünün standart sapmaları sırasıyla 11.63 ve 0.43'tür.

Tablo 4 , laminatların çekme mukavemetini ve sertliğini göstermektedir. Sonuçlar, laminatların gerilme mukavemetinin ve modülünün WLVB işlemi kullanılarak son derece iyileştirildiğini göstermektedir. WLVB işlemi kullanılarak üretilen laminatlar, çekme mukavemeti ve modülünde sırasıyla% 17.4 ve% 16.35'lik bir artışa sahiptir. Sonuç olarak, WLVB işlemi, laminatların gerilme özelliklerini artırarak laminat üretimi üzerinde mükemmel bir etkiye sahiptir.

Şekil 5 , G8-WLVB ve G8-WL örneklerinin hata çubuğu ile çekme modülünü ve mukavemetini göstermektedir. WLVB işlemi ile üretilen laminatların çekme modülü ve mukavemeti, WL işlemi kullanılarak üretilenlerden daha yüksektir. Hata çubuğu ne kadar küçük olursa, işlemin kararlılığı o kadar büyük olur; başka bir deyişle, WLVB işlemi BE işleminden daha kararlıdır. Şekil 6 , çekme testinden sonra WLVB ve WL numunelerinin kırılmasını göstermektedir; Numunelerin kırılma yeri ortaya yakındır ve bu kabul edilebilir. Şekil 7 , çekme testinden sonra WLVB ve WL numunelerinin yandan görünümünü göstermektedir. Numuneler ister WLVB ister WL üretim süreçleri ile üretilsin, numunelerin çekme kırılma modları arasında elyaf kırılması, matris kırılması ve delaminasyon bulunur. Şekil 7'de gösterildiği gibi, WL numunesinin delaminasyon uzunluğu, WLVB numunesininkinden daha uzundur. WL numuneleri, WLVB numunelerinden daha yüksek bir reçine hacim fraksiyonuna sahiptir, bu da katmanlar arasında daha kalın reçine ile sonuçlanır. Sonuç olarak, BE örneklerinde daha uzun bir delaminasyon çatlağı gözlemlenebilir.

WLVB ve WL numunelerinin darbe testi ile elde edilen kuvvet ve soğurulan enerji geçmişi eğrileri Şekil 8'de gösterilmektedir. Darbe testinde gösterilen büyük tekrarlanabilirlik vardır. WLVB ve WL örneklerinin kuvvet-zaman eğrisinin şekli, tipik bir delici olmayan eğri olarak temsil edilen bir sinüs dalgasına benzer. Şekil 8C,D, gerçek zamanlı enerji absorpsiyon değerini temsil eder. Emilen enerji değeri önce arttı ve zamanla azaldı. İlk yükselme aşamasında, laminat yavaş yavaş çarpma tertibatının tüm kinetik enerjisini emdi ve onu iç enerjisine dönüştürdü. Maksimum noktanın arkasında, laminat, çarpma tertibatını geri tepmek için elastik enerjiyi serbest bıraktı. Laminatların emilen enerjisi, son eğri değeri ile elde edildi.

Deneysel veriler üzerinde istatistiksel analiz yapılmıştır⁴⁰. WLVB ve WL numunelerinin darbe testi sonuçları sırasıyla Tablo 5 ve Tablo 6'da gösterilmektedir. Tablo 5'te gösterildiği gibi, beş WLVB örneğinin ortalama özgül emilen enerjisi ve standart sapması sırasıyla 0,092 J/g ve 0,0024'tür. Tablo 6'da gösterildiği gibi, beş WL örneğinin ortalama özgül emilen enerjisi ve standart sapması sırasıyla 0.077 J/g ve 0.0021'dir.

Tablo 7 , laminatların darbe özelliklerini ve WLVB işlemi ile üretilen laminatların özgül enerji absorpsiyonundaki yüzde artışı göstermektedir. 10 J'lik aynı darbe enerjisi altında, WLVB ve WL prosesleri tarafından üretilen laminatlar için aynı hasar modu gözlenir. Sonuçlar, WLVB işlemiyle üretilen laminatların özgül enerji emiliminde %19,48'lik bir artışa sahip olduğunu göstermektedir. Böylece, WLVB işlemi ile laminat imalatında harika bir etki, laminatların darbe özelliklerinin arttırılmasıyla gözlemlenebilir.

Şekil 9, G8-WLVB ve G8-WL örneklerinin hata çubuklarıyla özgül emilen enerjiyi göstermektedir. İki işlemle üretilen laminatların farklı kalınlık değerleri nedeniyle, laminatların enerji absorpsiyon performansını karakterize etmek için özgül enerji absorpsiyonu kullanılır. Sonuçlar, WLVB örneğinin özgül emilen enerjisinin, WL örneğininkinden daha büyük olduğunu göstermektedir. WLVB örneğinin ve WL örneğinin hata çubukları darbe testinde benzerdir. Şekil 10 , darbe testinden sonra WLVB ve WL numunelerinin üst ve alt yüzeyini göstermektedir. WL örneğinin hasarlı alanının WLVB örneğinden daha büyük olduğu açıkça görülebilir. WLVB prosesi tarafından üretilen numunelerin darbe enerjisi absorpsiyon kapasitesinin, WL prosesi tarafından üretilen numunelerinkinden daha büyük olduğu sonucu çıkar.

Şekil 1: WLVB işleminin basitleştirilmiş bir şeması. (1) Vakum filmi, (2) vakum valfinin üst kısmı, (3) soyma yığınları, (4) gözeneksiz serbest bırakma filmi, (5) ısıya dayanıklı musluk, (6) akrilik plaka, (7) vakum valfinin alt kısmı, (8) nefes alabilen ped, (9) emme kanalı, (10) alüminyum kalıp, (11) kumaş, (12) delikli ayırma filmi, (13) havalandırma kumaşı. Kısaltma: WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Çekiç test makinesi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Dijital görüntü korelasyon gerinim ölçüm sistemi ve Zwick çekme test cihazı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Beş numunenin çekme testi ile elde edilen gerilme-gerinim eğrisi. (a) WLVB; (B) WL. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: G8-WLVB ve G8-WL numunesinin çekme modülü ve mukavemeti. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Çekme testinden sonra WLVB ve WL örneklerinin önden görünümü. Sarı kesikli ovaller kırık yerini gösterir. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Çekme testinden sonra WLVB ve WL örneklerinin yandan görünümü . (A) WL örneği, (B) WLVB örneği. Ölçek çubukları = 6 mm. Sarı kesikli ovaller kırılma yerini, mavi ovaller ise delaminasyonu gösterir. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Beş numunenin darbe testi ile kuvvet ve emilen enerji geçmişi eğrisi. (A) WLVB örneklerinin kuvvet geçmişi eğrisi. (B) BE örneklerinin geçmiş eğrisini zorlayın. (C) WLVB örneklerinin absorbe edilen enerji geçmişi eğrisi. (D) WL örneklerinin absorbe edilen enerji geçmişi eğrisi. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: G8-WLVB ve G8-WL örneğinin özgül emilen enerjisi. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 10: Darbe testinden sonra WLVB ve WL numunelerinin üst ve alt yüzeyleri. Ölçek çubukları = 20 mm. Sarı kesikli ovaller hasarlı bölgeleri gösterir. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 1: Elyaf hacmi fraksiyonu, elyaf hacmi fraksiyonundaki artış ve WLVB ve WL prosesleri ile üretilen laminatların ortalama kalınlığı. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası.

Tablo 2: WLVB numunelerinin çekme testi sonuçları. Kısaltma: WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası.

Tablo 3: WL numunelerinin çekme testi sonuçları. Kısaltma: WL = ıslak el yatırma.

Tablo 4: WLVB ve WL prosesi ile üretilen laminatların ortalama çekme mukavemeti ve modülü, çekme özelliklerindeki yüzde artıştır. Kısaltma: WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası.

Tablo 5: WLVB numunelerinin darbe testi sonuçları. Kısaltma: WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası.

Tablo 6: BE numunelerinin darbe testi sonucu. Kısaltma: WL = ıslak el yatırma.

Tablo 7: WLVB ve WL prosesleri tarafından üretilen laminatların ortalama darbe enerjisi, tepe kuvveti ve özgül emilen enerjisi ve darbe özelliklerinde yüzde artış. Kısaltmalar: WL = ıslak el yatırma; WLVB: ıslak el yatırma/vakum torbası.

Bu makale, düşük maliyetli el yatırma yöntemi için iki farklı üretim sürecine odaklanmaktadır. Bu nedenle, bu yazıda dikkatlice anlatılmak üzere daha basit, ustalaşması daha kolay, yatırım maliyeti daha düşük, laboratuvarlarda ve küçük ölçekli fabrikalarda malzeme modifikasyonu ile üretime uygun iki fabrikasyon süreci seçilmiştir. Laminatların kürlenmesi sırasında, yüksek konsolidasyon basıncı, yüksek kalitede laminatların üretilmesinde önemli bir rol oynar. Yeterli dış basınç olmadan geleneksel BE işleminin benimsenmesi, yüksek bir reçine hacmi fraksiyonuna yol açabilir. Yüksek reçine hacmi, laminatların mekanik özelliklerini azaltan en önemli faktörlerden biridir. Bu çalışmada, hava kabarcıklarını gidermek ve basınç sağlamak için bir vakum torbası kullanan geleneksel BE işlemine dayanan bir üretim süreci anlatılmaktadır. Bu üretim sürecinde, malzemelerin oranını ve adımların sırasını kontrol etmek önemlidir. Laminatların mekanik özelliklerini etkileyen ana faktörler lif hacmi, fraksiyon ve boşluklardır; Bu nedenle, 2.1.4, 2.1.8 ve 2.1.13 adımlarında açıklandığı gibi kabarcıkları kaldırmaya yönelik protokol adımları kritik öneme sahiptir.

Farklı imalat süreçleriyle üretilen laminatların mekanik özelliklerini karşılaştırmak için çekme testi ve düşük hızlı darbe testleri yapılır. Bu çalışmada, WLVB işlemiyle üretilen laminatlar, çekme mukavemeti, çekme modülü ve darbe enerjisi emilimi dahil olmak üzere daha iyi mekanik özellikler göstermektedir. Sonuçlar, WLVB işlemi kullanılarak üretilen laminatların özgül enerji emiliminde %18,3'lük bir artışın yanı sıra çekme mukavemeti ve modülünde sırasıyla %16,3 ve %14,6'lık bir artışa sahip olduğunu göstermektedir.

WL işlemi ile karşılaştırıldığında, WLVB işlemi, düşük maliyetli bir vakum torbası aracılığıyla yetersiz kalıplama basıncını telafi eder, elyaf hacmi fraksiyonunu artırmak ve iç gözenek içeriğini azaltmak için sistemden fazla reçineyi emer, böylece laminatın mekanik özelliklerini büyük ölçüde iyileştirir. WLVB işlemi ile üretilen laminatların kalitesi daha iyidir. Vakum torbası tarafından uygulanan basıncın daha homojen olması nedeniyle, WLVB işlemi ile üretilen laminatın kalınlığı da daha homojendir. WL işlemi ile sadece basınç sağlamak için ağırlık kullanılarak hazırlanan laminatın kalınlığı eşit değildir ve bu da laminatların dengesiz kalitesine neden olur. Test sonuçları, WLVB numunelerinin çekme ve darbe özelliklerinin hata çubuklarının daha küçük olduğunu göstermektedir. Kürlenme sırasında homojen basınç uygulamak laminat kalitesinin stabilitesi için çok önemlidir.

WLVB süreci, küçük sermaye yatırımı ile kompozit malzeme üretim alanı için önemli bir itici öneme sahiptir. Diğer hazırlama işlemleriyle karşılaştırıldığında, WLVB işlemi, basit ekipman gereksinimleri ve karmaşık olmayan işlem teknolojisi dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir ve ürünler boyut ve şekil ile sınırlı değildir. Bu işlem yüksek derecede serbestliğe sahiptir ve metal, ahşap, plastik veya köpük ile entegre edilebilir. Bununla birlikte, WLVB işleminin düşük verimliliği ve uzun döngüsü gibi bazı sınırlamaları da vardır. Not olarak, esas olarak küçük seri üretim için uygun olduğundan ve laminat performansları operatörlerin beceri düzeyi ve inşaat koşulları ile yakından ilişkili olduğundan, yüksek verim elde etmek için üretim sürecini nicel olarak tasarlamak ve optimize etmek gerekir.

Yazarların herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Yazarlar, Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı'ndan (No. 2022YFB3706503) ve Shenzhen Doğa Bilimleri Fonu'nun (No. 20220815133826001) İstikrarlı Destek Planı Programından alınan hibelere teşekkür eder.