Пустота (композиты)

A Пустота - это поры, которые остаются незаполненными полимером и волокнами в композитном материале. Пустоты обычно возникают в результате плохого изготовления материала и обычно считаются нежелательными. Пустоты могут повлиять на механические свойства и срок службы композита. Они ухудшают в основном свойства матрицы, такие как прочность на межслойный сдвиг, продольную прочность на сжатие и поперечную прочность на разрыв. Пустоты могут действовать как места зарождения трещин, а также позволяют влаге проникать в композит и вносить вклад в анизотропию композитного материала. Для аэрокосмических применений содержание пустот около 1% все еще приемлемо, в то время как для менее чувствительных приложений предел допуска составляет 3-5%. Хотя может показаться, что небольшое увеличение содержания пустот не вызывает серьезных проблем, увеличение содержания пустот в композите, армированном углеродным волокном, на 1-3% может снизить механические свойства до 20%. Содержание пустот в композитах представлено как соотношение, также называется коэффициент пустотности, где учитываются объем пустот, твердого материала и объемный объем. Коэффициент пустотности можно рассчитать по формуле ниже, где e - коэффициент пустотности композита, V v - объем пустот, а V t - объем сыпучего материала..

$Коэффициент\; пустот\; (e)\; =\; V\; v\; V\; t\; -\; V\; v\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{Void\; Ratio\}\}\; (e)\; =\; \{\backslash \; frac\; \{V\_\; \{v\}\}\; \{V\_\; \{t\}\; -V\_\; \{v\}\; \}\}\}$

Пустоты считаются дефектами в композитных структурах, и существует несколько типов пустот, которые могут образовываться в композитах в зависимости от маршрута изготовления и типа матрицы. Среди других факторов, которые могут влиять на количество и расположение пустот, являются пропитка препрега, морфология поверхности, параметры отверждения, давление уплотнения, образование перемычек между волокнами, чрезмерное вытекание смолы и толщина укладка.

Смола с высокой вязкостью, вероятно, будет 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 появления этих пустот становится более сложной задачей, когда волокна плотно упакованы вместе в композит

. 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, полная дегазация 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. Например, если ламинатный композит отверждается при температуре, слишком низкой для конкретной используемой матрицы, вязкость смолы может оставаться высокой и препятствовать удалению пустот между отдельными слоями. Некоторые смолы могут отверждаться при комнатной температуре, в то время как другие смолы требуют повышения температуры. до 200 ° C, но отверждение при температуре выше или ниже требуемой для конкретной матрицы может увеличить количество пустот в композите. Если давление впрыска в процессе инжекции смолы пултрузии недостаточно высокое, смола или матрица не смогут проникнуть в слой волокна, чтобы полностью смачивать волокна без пустот. 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. Если эти пузырьки не удалить до смачивания волокон или отверждения композита, пузырьки могут превратиться в пустоты, которые можно найти по всей конечной структуре композита.

Потому что пустоты рассматриваются как дефекты в композитных материалах, многие методы применяются для уменьшения пустот в композитах. Традиционно использование системы вакуумной упаковки в мешки и автоклава под давлением и при нагревании сводит к минимуму 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 возбуждающего количества 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 помощи вакуумированию в удалении захваченного воздуха и избытка смолы, в то же время предотвращая выход летучих веществ из смолы при высоких температурах.

Оптимизация скорости потока 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)

$V\; 1\; =\; -\; 32,28\; -\; 11,8\; \cdot \; log\; \; (v)\; \{\; \backslash \; Displaystyle\; V\_\; \{1\}\; =\; -\; 32,28-11,8\; \backslash \; cdot\; \backslash \; log\; (v)\}$

$V\; 2\; =\; 6,35\; +\; 2,35\; \cdot \; журнал\; \; (v)\; \{\backslash \; displaystyle\; V\_\; \{2\}\; =\; 6,35\; +\; 2,35\; \backslash \; cdot\; \backslash \; log\; (\; v)\}$

может быть получена оптимизированная скорость, а пустоты в композитах RTM и VARI могут быть уменьшены, тем самым улучшив свойства композита.