Boşluk (kompozitler) - Void (composites)

Bir geçersiz polimer ve liflerle doldurulmamış bir gözenektir. kompozit malzeme. Boşluklar tipik olarak malzemenin zayıf imalatının bir sonucudur ve genellikle istenmeyen olarak kabul edilir. Boşluklar, kompozitin mekanik özelliklerini ve ömrünü etkileyebilir. [1] Esas olarak, laminer kayma mukavemeti, uzunlamasına gibi matris ağırlıklı özellikleri bozarlar. basınç dayanımı ve enine gerilme direnci.[2] Boşluklar, çatlak başlatma yerleri olarak hareket edebilir ve nemin kompozite nüfuz etmesine ve anizotropi kompozit.[3][4] Havacılık uygulamaları için, yaklaşık% 1'lik bir boşluk içeriği hala kabul edilebilirken, daha az hassas uygulamalar için izin sınırı% 3-5'tir. Boşluk içeriğindeki küçük bir artış, önemli sorunlara neden gibi görünmese de, karbon fiber takviyeli kompozitin boşluk içeriğindeki% 1-3 artış, mekanik özellikleri% 20'ye kadar azaltabilir [5] Kompozitlerdeki boşluk içeriği bir oran olarak temsil edilir, aynı zamanda boşluk oranı boşluk hacmi, katı malzeme ve yığın hacmi hesaba katıldığında. Boşluk oranı aşağıdaki formülle hesaplanabilir, burada e, kompozitin boşluk oranıdır, Vv boşlukların hacmidir ve Vt dökme malzemenin hacmidir.

Boşlukların Oluşumu

Boşluklar, kompozit yapılardaki kusurlar olarak kabul edilir ve fabrikasyon rotasına ve matris tipine bağlı olarak kompozitlerde oluşabilen birkaç tip boşluk vardır.[5] Boşlukların miktarını ve yerini etkileyebilecek diğer faktörler arasında şunlar vardır: pre-preg emprenye, yüzey morfolojisi, kürleme parametreleri, sıkıştırma basıncı, fiber köprüleme, aşırı reçine kanama ve yerleştirme kalınlığı.[6]

Yüksek bir reçine viskozite muhtemelen bir bileşikte boşluklar oluşturacaktır. Yüksek viskoziteye sahip bir reçine veya matrisin bitişik lifler arasındaki orijinal boşluklara nüfuz etmesi zordur. Bu, elyaf yüzeyinin yakınında boşlukların oluşmasına neden olacaktır. Bu boşlukların önlenmesi, lifler bir kompozit içinde sıkıca sarıldığında daha göz korkutucu bir görev haline gelir. [7]

İşlemdeki hatalar nedeniyle bir kompozitte yüksek bir boşluk oranı elde edilebilir. Kürleme için kullanılan sıcaklık, kullanılan belirli matris için çok düşükse, gazdan arındırma gerçekleşmeyebilir. Bununla birlikte, kürleme için kullanılan sıcaklık belirli bir matris için çok yüksekse, jelleşme çok hızlı meydana gelebilir ve yine de boşluklar olabilir.[8] Örneğin, bir laminat kompozit, kullanılan belirli matris için çok düşük bir sıcaklıkta kürlenirse, reçine viskozitesi yüksek kalabilir ve tek tek katlar arasındaki boşlukların kaldırılmasını engelleyebilir. [9] Bazı reçineler oda sıcaklığında kürlenebilirken, diğer reçineler 200 ° C'ye kadar sıcaklıklar gerektirir, ancak belirli bir matris için gerekli sıcaklığın üstünde veya altında kürleme, bir kompozitte bulunan boşluk miktarını artırabilir. Reçine enjeksiyonundaki enjeksiyon basıncı pultrüzyon işlem yeterince yüksek değilse reçine veya matris, elyafları boşluksuz olarak tamamen ıslatmak için elyaf yatağına nüfuz edemeyebilir.[7] Reçine karıştırma sırasında veya lifli takviyelerde çift ölçekli parmakla mekanik gaz tutmanın bir sonucu olarak reçinede sıkışmış hava veya kabarcıklar oluşabilir.[10]. Bu kabarcıklar, liflerin ıslatılmasından veya kompozitin iyileştirilmesinden önce çıkarılmazsa, kabarcıklar, nihai bileşik yapı boyunca bulunabilen boşluklar haline gelebilir.[9]

Boşlukların Azaltılması

Boşluklar kompozit malzemelerdeki kusurlar olarak görüldüğünden, kompozitlerdeki boşlukları azaltmak için birçok yöntem uygulanır. Geleneksel olarak, vakum torbalama sistemi ve basınç ve ısı altında otoklav kullanılması boşlukların oluşmasını en aza indirecek veya önleyecektir.

Vakumlu torbalama sistemi ile birlikte otoklav termoset kompozitler için düşük boşluk içeriği elde etmek için endüstriyel işlemlerde kullanılan yaygın bir yöntemdir. Vakumla boşaltma, boşlukları reçine ve fiber ağdan vakum hatları aracılığıyla fiziksel olarak taşıyarak heyecan verici boşluk miktarını azaltma yoludur ve reçinenin viskozitesinden etkilenir. Otoklav basıncı, sıkışmış havanın ve fazla reçinenin uzaklaştırılmasında vakuma yardımcı olurken aynı zamanda uçucuların yüksek sıcaklıklarda reçineden dışarı çıkmasını önlemek için kullanılır. [11].

Enjeksiyon akış hızının optimizasyonu genellikle Reçine Transfer Kalıplı (RTM) veya Vakum Yardımlı Reçine İnfüzyonu (VARI) kompozitlerinde boşlukları en aza indirmek için hesaplanır. Enjeksiyon aşaması sırasında, bir sıvı reçine sertleştirmeden ve katılaşmadan önce elyafları emprenye eder ve genellikle enjeksiyon sırasında parçada boşluklar oluşturur. Sıvı akış hızı (v) ve makro boşlukların yüzdeleri (V1) ve mikro boşluklar (V2)

Optimize edilmiş bir hız elde edilebilir ve RTM ve VARI kompozitlerindeki boşluklar azaltılabilir, böylece kompozitin özellikleri iyileştirilebilir [12][13].

Referanslar

  1. ^ ASTM D2734-09, Güçlendirilmiş Plastiklerin Boşluk İçeriği için Standart Test Yöntemleri, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009, www.astm.org
  2. ^ Mehdikhani, M; Gorbatikh, L; Verpoest, I; Lomov, S (2018). "Elyaf takviyeli polimer kompozitlerde boşluklar: Oluşumları, özellikleri ve mekanik performans üzerindeki etkileri üzerine bir inceleme". Kompozit Malzemeler Dergisi. 53 (12): 1579–1669. doi:10.1177/0021998318772152.
  3. ^ Mehdikhani, M; Çelikler, E; Standaert, A; Vallons, K; Gorbatikh, L; Lomov, S (2018). "Kür döngüsü tarafından kontrol edilen boşlukların yokluğunda ve varlığında karbon fiber kompozit laminatlarda matris çatlaklarının tespiti ve nicelendirilmesi için çok ölçekli dijital görüntü korelasyonu". Kompozitler Bölüm B: Mühendislik. 154: 138–147. doi:10.1016 / j.compositesb.2018.07.006.
  4. ^ Hull, D. ve Clyne, T. (1996). Fiber Mimarisi - Boşluklar. Kompozit malzemelere giriş (2. baskı, s. 55-56). Cambridge: Cambridge University Press.
  5. ^ a b Lacovara Bob (2013). "Otoklav dışında İşleme Neden Kompozit Endüstrisi için İyi?". Yüksek Performanslı Kompozitler. 23 (4): 261–265. doi:10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X.
  6. ^ Hayes, B. ve Gammon, L. (2004). Kompozit Malzemelerin Boşluk Analizi. ASM El Kitabı, Cilt 9: Metalografi ve Mikroyapılarda (Cilt 9). ASM Uluslararası. http://products.asminternational.org.prox.lib.ncsu.edu/hbk/do/highlight/content/V09_2004/D07/A09/s0504737.htm
  7. ^ a b Shakya, N .; Roux, J .; Jeswani, A. (2013). "Reçine Enjeksiyon Pultrüzyon İşleminde Fiber Takviye Sıkıştırmasında Reçine Viskozitesinin Etkisi". Uygulamalı Kompozit Malzemeler. 20 (6): 1173–1193. Bibcode:2013ApCM ... 20.1173S. doi:10.1007 / s10443-013-9320-0.
  8. ^ M. J. Yokota, Reçine matris kompozitlerinin proses kontrollü kürlenmesi, SAMPE J., I4 (4), (1978).
  9. ^ a b Harper, J. F .; Miller, N. A .; Yap, S. C. (1993). "Prepreg Karbon Fiber Epoksi Reçinenin Kürlenmesi Sırasında Sıcaklık ve Basıncın Etkisi". Polimer-Plastik Teknolojisi ve Mühendisliği. 32 (4): 269–275. doi:10.1080/03602559308019234.
  10. ^ LeBel, F .; Fanaei, A. E .; Ruiz, E .; Trochu, F. (2014). "Çift ölçekli lifli takviyelerde boşluk oluşumunu en aza indirmek için optimum akış ön hızının tahmini". International Journal of Material Forming. 7: 93–116. doi:10.1007 / s12289-012-1111-x.
  11. ^ Boey, F.Y.C; Lye, SW (1992). "Termoset kompozitlerin otoklav işlemesinde boşluk azalması: Bölüm 1: Boşluk azaltmada yüksek basınç etkileri". Kompozitler. 23 (4): 261–265. doi:10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X.
  12. ^ Ruiz, E; Achim, V; Soukane, S; Trochu, F; Bréard, J (2006). "Reçine transfer kalıplı kompozitlerde mikro / makro boşluk oluşumunu en aza indirmek için enjeksiyon akış hızının optimizasyonu". Kompozitler Bilimi ve Teknolojisi. 66 (3): 475–486. doi:10.1016 / j.compscitech.2005.06.013.
  13. ^ Almazán-Lázaro, J.A .; López-Alba, E .; Díaz-Garrido, F.A. (2018). "Bilgisayarla Görme Akış Kontrolü Yaklaşımına Dayalı Reçine İnfüzyonu Sırasında Kompozit Gerilme Özelliklerinin İyileştirilmesi". Malzemeler. 11 (12): 2469. doi:10.3390 / ma11122469.