Пустота (композиты)

Пустота , или пора — это трехмерная область которая остается незаполненной полимером и волокнами в композитном 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 главным образом свойства, в которых преобладает матрица, такие как прочность на межламинарный сдвиг, прочность на продольное сжатие и прочность на поперечное растяжение . ^[2] Пустоты могут выступать в качестве мест зарождения трещин, а также позволять влаге проникать в композит и способствовать анизотропии композита . ^[3]^[4] Для аэрокосмических применений содержание пустот примерно 1% по-прежнему приемлемо, тогда как для менее чувствительных применений предел допуска составляет 3-5%. Хотя небольшое увеличение содержания пустот может показаться не вызывающим серьезных проблем, увеличение содержания пустот на 1-3% в композите, армированном углеродным волокном, может снизить механические свойства до 20%. ^[5]

Количественная оценка

Содержание пустот в композитах представляется в виде отношения, также называемого коэффициентом пустот , где учитываются объем пустот, твердый материал и объемный объем. Коэффициент пустот можно рассчитать по формуле, приведенной ниже, где e — коэффициент пустотности композита, V _v — объем пустот, а V _t — объем сыпучего материала.

{\text{Void Ratio}}(e)={\frac {V_{v}}{V_{t}-V_{v}}}

Формирование

Пустоты считаются дефектами в композитных структурах, и существует несколько типов пустот, которые могут образовываться в композитах в зависимости от способа изготовления и типа матрицы. ^[5] Среди других факторов, которые могут повлиять на количество и расположение пустот, можно назвать пропитку препрега , морфологию поверхности, параметры отверждения, давление уплотнения, образование перемычек волокон, чрезмерное вытекание смолы и толщину укладки. ^[6]

Смола с высокой вязкостью , скорее всего, приведет к образованию пустот в композите. Смоле или матрице с высокой вязкостью трудно проникнуть в исходные пустоты между соседними волокнами. Это приведет к образованию пустот вблизи поверхности волокна. Предотвращение образования пустот становится более сложной задачей, когда волокна плотно упакованы вместе в композите. ^[7]

Высокая доля пустот может быть получена в композите также из-за ошибок в обработке. Если температура, используемая для отверждения, слишком низкая для конкретной используемой матрицы, полная дегазация может не произойти. Однако если температура, используемая для отверждения, слишком высока для конкретной матрицы, гелеобразование может произойти слишком быстро, а пустоты все равно могут присутствовать. ^[8] Например, если ламинированный композит отверждается при температуре, слишком низкой для конкретной используемой матрицы, вязкость смолы может оставаться высокой и препятствовать удалению 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 температуры, необходимой для конкретной матрицы, может увеличить количество пустот, присутствующих в композите. Если давление впрыска в процессе пултрузии с инъекцией смолы недостаточно велико, смола или матрица не смогут проникнуть в волокнистый слой и полностью смочить волокна без пустот. ^[7] Захваченный воздух или пузырьки могут образовываться в смоле во время ее смешивания или в результате механического улавливания газа при двойном накипи в волокнистом армировании. ^[10] Если эти пузырьки не удалить до смачивания волокон или отверждения композита, пузырьки могут превратиться в пустоты, которые можно обнаружить по всей конечной структуре композита. ^[9]

Снижение

Поскольку пустоты рассматриваются как дефекты в композитных материалах, для уменьшения пустот в композитах применяется множество методов. Традиционно использование системы вакуумной упаковки и автоклава под давлением и нагреванием сводит к минимуму или предотвращает образование пустот.

Система вакуумной упаковки в сочетании с автоклавом является распространенным методом, используемым в промышленных процессах для достижения низкого содержания пустот в термореактивных композитах. Вакуумная вакуумация — это способ уменьшения количества образующихся пустот путем физической транспортировки пустот из смолы и волоконной сети 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 скорости инжекционного потока часто рассчитывается для минимизации пустот в композитах, полученных методом трансфертного формования (RTM) или вакуумной инфузии смолы (VARI). На этапе впрыска жидкая смола пропитывает волокна перед отверждением и затвердеванием, часто создавая пустоты в детали во время впрыска. С помощью алгоритма между скоростью потока жидкости (v) и процентным содержанием макропустот (V ₁ ) и микропустот (V ₂ ).

V_{1}=-32.28-11.8\cdot \log(v)

V_{2}=6.35+2.35\cdot \log(v)

можно получить оптимизированную скорость и уменьшить пустоты в композитах RTM и VARI, тем самым улучшая свойства композита. ^[12]^[13]

Ссылки

^ ASTM D2734-09, Стандартные методы испытаний на содержание пустот в армированных пластмассах, ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2009, www.astm.org
^ Мехдихани, М; Горбатых, Л; Верпоест, я; Ломов, С (2018). «Пустоты в полимерных композитах, армированных волокном: обзор их образования, характеристик и влияния на механические характеристики» . Журнал композиционных материалов . 53 (12): 1579–1669. дои : 10.1177/0021998318772152 .
^ Мехдихани, М; Стинселс, Э; Штандарт, А; Валлонс, К; Горбатых, Л; Ломов, С (2018). «Многомасштабная корреляция цифровых изображений для обнаружения и количественной оценки трещин матрицы в композитных ламинатах 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 . S2CID 139188965 .
^ Халл Д. и Клайн Т. (1996). Волокнистая архитектура — пустоты. В книге «Введение в композиционные материалы» (2-е изд., стр. 55-56). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лаковара, Боб (2013). «Почему автоклавная обработка полезна для индустрии композитов». Высокопроизводительные композиты . 23 (4): 261–265. дои : 10.1016/0010-4361(92)90186-X .
^ Хейс, Б., и Гаммон, Л. (2004). Пустотный анализ композиционных материалов. В Справочнике ASM, Том 9: Металлография и микроструктуры (Том 9). АСМ Интернешнл. http://products.asminternational.org.prox.lib.ncsu.edu/hbk/do/highlight/content/V09_2004/D07/A09/s0504737.htm
^ Перейти обратно: ^а ^б Шакья, Н.; Ру, Дж.; Джесвани, А. (2013). «Влияние вязкости смолы на уплотнение армирующего волокна в процессе литья смолы в процесс пултрузии». Прикладные композиционные материалы . 20 (6): 1173–1193. Бибкод : 2013ApCM...20.1173S . дои : 10.1007/s10443-013-9320-0 . S2CID 135758904 .
^ М. Дж. Йокота, Контролируемое процесс отверждения композитов со смоляной матрицей, SAMPE J., I4 (4), (1978).
^ Перейти обратно: ^а ^б Харпер, Дж. Ф.; Миллер, Северная Каролина; Яп, Южная Каролина (1993). «Влияние температуры и давления при отверждении эпоксидной смолы из углеродного волокна препрега». Технология и машиностроение полимерных пластмасс . 32 (4): 269–275. дои : 10.1080/03602559308019234 .
^ ЛеБель, Ф.; Фанаи, А.Е.; Руис, Э.; Трошю, Ф. (2014). «Прогнозирование оптимальной скорости фронта потока для минимизации образования пустот в двухмасштабной волокнистой арматуре» . Международный журнал формования материалов . 7 : 93–116. дои : 10.1007/s12289-012-1111-x . S2CID 135644353 .
^ Бой, FYC; Лай, SW (1992). «Уменьшение пустот при автоклавной обработке термореактивных композитов: Часть 1: Влияние высокого давления на уменьшение пустот». Композиты . 23 (4): 261–265. дои : 10.1016/0010-4361(92)90186-X .
^ Руис, Э; Ахим, В; Сукане, С; Трошю, Ф; Бреар, Дж (2006). «Оптимизация скорости впрыскивания для минимизации образования микро/макропустот в композитах, отлитых методом переноса смолы». Композитные науки и технологии . 66 (3): 475–486. doi : 10.1016/j.compscitech.2005.06.013 .
^ Альмазан-Ласаро, JA; Лопес-Альба, Э.; Диас-Гарридо, ФА (2018). «Улучшение свойств композита на растяжение во время инфузии смолы на основе подхода к управлению потоком с помощью компьютерного зрения» . Материалы . 11 (12): 2469. Бибкод : 2018Mate...11.2469A . дои : 10.3390/ma11122469 . ПМК 6317164 . ПМИД 30563074 .

[1] ASTM D2734-09, Стандартные методы испытаний на содержание пустот в армированных пластмассах, ASTM International, Вест-Коншохокен, Пенсильвания, 2009, www.astm.org

[2] Мехдихани, М; Горбатых, Л; Верпоест, я; Ломов, С (2018). «Пустоты в полимерных композитах, армированных волокном: обзор их образования, характеристик и влияния на механические характеристики» . Журнал композиционных материалов . 53 (12): 1579–1669. дои : 10.1177/0021998318772152 .

[3] Мехдихани, М; Стинселс, Э; Штандарт, А; Валлонс, К; Горбатых, Л; Ломов, С (2018). «Многомасштабная корреляция цифровых изображений для обнаружения и количественной оценки трещин матрицы в композитных ламинатах 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 . S2CID 139188965 .

[4] Халл Д. и Клайн Т. (1996). Волокнистая архитектура — пустоты. В книге «Введение в композиционные материалы» (2-е изд., стр. 55-56). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.

[lacovara-5] Перейти обратно: ^а ^б Лаковара, Боб (2013). «Почему автоклавная обработка полезна для индустрии композитов». Высокопроизводительные композиты . 23 (4): 261–265. дои : 10.1016/0010-4361(92)90186-X .

[6] Хейс, Б., и Гаммон, Л. (2004). Пустотный анализ композиционных материалов. В Справочнике ASM, Том 9: Металлография и микроструктуры (Том 9). АСМ Интернешнл. http://products.asminternational.org.prox.lib.ncsu.edu/hbk/do/highlight/content/V09_2004/D07/A09/s0504737.htm

[shakya-7] Перейти обратно: ^а ^б Шакья, Н.; Ру, Дж.; Джесвани, А. (2013). «Влияние вязкости смолы на уплотнение армирующего волокна в процессе литья смолы в процесс пултрузии». Прикладные композиционные материалы . 20 (6): 1173–1193. Бибкод : 2013ApCM...20.1173S . дои : 10.1007/s10443-013-9320-0 . S2CID 135758904 .

[8] М. Дж. Йокота, Контролируемое процесс отверждения композитов со смоляной матрицей, SAMPE J., I4 (4), (1978).

[harper-9] Перейти обратно: ^а ^б Харпер, Дж. Ф.; Миллер, Северная Каролина; Яп, Южная Каролина (1993). «Влияние температуры и давления при отверждении эпоксидной смолы из углеродного волокна препрега». Технология и машиностроение полимерных пластмасс . 32 (4): 269–275. дои : 10.1080/03602559308019234 .

[LeBel-10] ЛеБель, Ф.; Фанаи, А.Е.; Руис, Э.; Трошю, Ф. (2014). «Прогнозирование оптимальной скорости фронта потока для минимизации образования пустот в двухмасштабной волокнистой арматуре» . Международный журнал формования материалов . 7 : 93–116. дои : 10.1007/s12289-012-1111-x . S2CID 135644353 .

[11] Бой, FYC; Лай, SW (1992). «Уменьшение пустот при автоклавной обработке термореактивных композитов: Часть 1: Влияние высокого давления на уменьшение пустот». Композиты . 23 (4): 261–265. дои : 10.1016/0010-4361(92)90186-X .

[12] Руис, Э; Ахим, В; Сукане, С; Трошю, Ф; Бреар, Дж (2006). «Оптимизация скорости впрыскивания для минимизации образования микро/макропустот в композитах, отлитых методом переноса смолы». Композитные науки и технологии . 66 (3): 475–486. doi : 10.1016/j.compscitech.2005.06.013 .

[13] Альмазан-Ласаро, JA; Лопес-Альба, Э.; Диас-Гарридо, ФА (2018). «Улучшение свойств композита на растяжение во время инфузии смолы на основе подхода к управлению потоком с помощью компьютерного зрения» . Материалы . 11 (12): 2469. Бибкод : 2018Mate...11.2469A . дои : 10.3390/ma11122469 . ПМК 6317164 . ПМИД 30563074 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]