Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Пустота является порами , который остается незаполненной с полимером и волокон в композиционном материале . Пустоты обычно являются результатом плохого изготовления материала и обычно считаются нежелательными. Пустоты могут повлиять на механические свойства и срок службы композита. [1] Они ухудшают в основном свойства матрицы, такие как прочность на межслойный сдвиг, прочность на продольное сжатие и прочность на поперечное растяжение . [2] Пустоты могут действовать как места зарождения трещин, а также позволяют влаге проникать в композит и вносить свой вклад в анизотропию композита. [3] [4]Для аэрокосмических применений допустимое содержание пустот около 1%, в то время как для менее чувствительных применений допустимый предел составляет 3-5%. Несмотря на то, небольшое увеличение содержания пустот может показаться не вызывает существенных проблем, увеличение в недействительном содержание углеродного волокна 1-3% армированного композита может уменьшить механические свойства до 20% [5] Пустота содержание в композиционных материалах представлена в виде соотношение, также называемое соотношением пустот , где учитываются объем пустот, твердый материал и объемный объем. Коэффициент пустотности можно рассчитать по формуле, приведенной ниже, где e - коэффициент пустотности композита, V v - объем пустот, а V t - объем сыпучего материала.

Формирование пустот [ править ]

Пустоты считаются дефектами в композитных структурах, и существует несколько типов пустот, которые могут образовываться в композитах в зависимости от маршрута изготовления и типа матрицы. [5] Среди других факторов, которые могут повлиять на количество и расположение пустот, являются пропитка пре-прегом , морфология поверхности, параметры отверждения, давление уплотнения, образование перемычек между волокнами, чрезмерное вытекание смолы и толщина укладки. [6]

Смола с высокой вязкостью может образовывать пустоты в композите. Смоле или матрице с высокой вязкостью трудно проникнуть в исходные пустоты между соседними волокнами. Это приведет к образованию пустот, закрывающих поверхность волокна. Предотвращение образования пустот становится более сложной задачей, когда волокна плотно упакованы в композит [7].

Высокая доля пустот может быть получена в композите также из-за ошибок при обработке. Если температура, используемая для отверждения, слишком низкая для конкретной используемой матрицы, полной дегазации может не произойти. Однако, если температура, используемая для отверждения, слишком высока для конкретной матрицы, гелеобразование может происходить слишком быстро, и пустоты могут все еще присутствовать. [8] Например, если ламинатный композит отверждается при температуре, слишком низкой для конкретной используемой матрицы, вязкость смолы может оставаться высокой и затруднять удаление пустот между отдельными слоями [9] Некоторые смолы могут отверждаться при комнатной температуре, в то время как другие смолы требуют температуры до 200 ° C, но отверждение выше или ниже требуемой температуры для конкретной матрицы может увеличить количество пустот, присутствующих в композите. Если давление впрыска в процессе пултрузии с впрыском смолы недостаточно высокое, смола или матрица могут оказаться не в состоянии проникнуть в слой волокна для полного смачивания волокон без пустот. [7] Захваченный воздух или пузырьки могут образовываться в смоле во время смешивания смолы или в результате механического захвата газа за счет двойного проникновения в волокнистую арматуру. [10]Если эти пузыри не удалить до смачивания волокон или отверждения композита, пузыри могут превратиться в пустоты, которые можно найти по всей конечной структуре композита. [9]

Уменьшение пустот [ править ]

Поскольку пустоты рассматриваются как дефекты в композитных материалах, для уменьшения пустот в композитах применяются многие методы. Традиционно использование системы вакуумной упаковки в мешки и автоклава под давлением и при нагревании минимизирует или предотвращает образование пустот.

Система вакуумной упаковки в мешки в сочетании с автоклавом является обычным методом, используемым в промышленных процессах для достижения низкого содержания пустот в термореактивных композитах. Вакуумное вакуумирование - это способ уменьшения количества возбуждающих пустот за счет физической транспортировки пустот из смолы и сети волокон через вакуумные линии, и на это влияет вязкость смолы. Давление в автоклаве используется для того, чтобы помочь вакууму удалить захваченный воздух и избыток смолы, в то же время предотвращая выход летучих веществ из смолы при высоких температурах. [11]

Оптимизация расхода впрыска часто рассчитывается для минимизации пустот в композитах, полученных методом литья под давлением (RTM) или вакуумной инфузии смолы (VARI). Во время фазы впрыска жидкая смола пропитывает волокна перед отверждением и затвердеванием, часто создавая пустоты в детали во время впрыска. Посредством алгоритма между скоростью потока жидкости (v) и процентным содержанием макропустот (V 1 ) и микропустот (V 2 )

может быть получена оптимизированная скорость, а пустоты в композитах RTM и VARI могут быть уменьшены, тем самым улучшая свойства композита. [12] [13]

Ссылки [ править ]

  1. ^ ASTM D2734-09, Стандартные методы испытаний на содержание пустот в армированных пластмассах, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009, www.astm.org
  2. ^ Мехдихани, М; Горбатых, Л; Verpoest, I; Ломов, С (2018). «Пустоты в армированных волокном полимерных композитах: обзор их образования, характеристик и влияния на механические характеристики» . Журнал композитных материалов . 53 (12): 1579–1669. DOI : 10.1177 / 0021998318772152 .
  3. ^ Мехдихани, М; Steensels, E; Standaert, A; Валлоны, К; Горбатых, Л; Ломов, С (2018). «Многоуровневая корреляция цифровых изображений для обнаружения и количественной оценки трещин матрицы в композитных слоистых материалах из углеродного волокна при отсутствии и наличии пустот, контролируемых циклом отверждения». Композиты Часть B: Инженерия . 154 : 138–147. DOI : 10.1016 / j.compositesb.2018.07.006 .
  4. Перейти ↑ Hull, D., & Clyne, T. (1996). Волоконная архитектура - пустоты. В Введение в композиционные материалы (2-е изд., С. 55-56). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
  5. ^ a b Лаковара, Боб (2013). «Почему обработка без автоклава хороша для композитной промышленности». Высокопроизводительные композиты . 23 (4): 261–265. DOI : 10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X .
  6. Перейти ↑ Hayes, B., & Gammon, L. (2004). Анализ пустот в композиционных материалах. В Справочнике ASM, Том 9: Металлография и микроструктуры (Том 9). ASM International. 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 .; Джесвани, А. (2013). «Влияние вязкости смолы на уплотнение армирования волокном в процессе пултрузии с инжекцией смолы». Прикладные композиционные материалы . 20 (6): 1173–1193. Bibcode : 2013ApCM ... 20.1173S . DOI : 10.1007 / s10443-013-9320-0 . S2CID 135758904 . 
  8. ↑ MJ Yokota, Регулируемое отверждение композитов с полимерной матрицей, SAMPE J., I4 (4), (1978).
  9. ^ а б Харпер, JF; Miller, NA; Яп, SC (1993). "Влияние температуры и давления во время отверждения эпоксидной смолы из углеродного волокна препрег". Технология и инженерия полимеров и пластиков . 32 (4): 269–275. DOI : 10.1080 / 03602559308019234 .
  10. ^ LeBel, F .; Fanaei, AE; Ruiz, E .; Трошу, Ф. (2014). «Прогнозирование оптимальной скорости фронта потока для сведения к минимуму образования пустот в волокнистом армировании двойного масштаба» . Международный журнал материаловедения . 7 : 93–116. DOI : 10.1007 / s12289-012-1111-х . S2CID 135644353 . 
  11. ^ Бой, FYC; Лай, SW (1992). «Уменьшение пустот в автоклавной обработке термореактивных композитов: Часть 1: Влияние высокого давления на уменьшение пустот». Композиты . 23 (4): 261–265. DOI : 10.1016 / 0010-4361 (92) 90186-X .
  12. ^ Руис, E; Ахим, V; Soukane, S; Trochu, F; Бреар, Дж (2006). «Оптимизация расхода впрыска для минимизации образования микро / макропустот в композитах, формованных методом переноса смолы». Композиты науки и техники . 66 (3): 475–486. DOI : 10.1016 / j.compscitech.2005.06.013 .
  13. ^ Almazán-Лазаро, JA; López-Alba, E .; Диас-Гарридо, FA (2018). «Улучшение композитных свойств при растяжении во время инфузии смолы на основе подхода компьютерного зрения с контролем потока» . Материалы . 11 (12): 2469. Bibcode : 2018Mate ... 11.2469A . DOI : 10,3390 / ma11122469 . PMC 6317164 . PMID 30563074 .