En jämförelse av användningen av konvektionsvärme och infraröd uppvärmning vid autoklavhärdning av kolfiberkompositer

En jämförelse av användningen av konvektionsvärme och infraröd uppvärmning vid autoklavhärdning av kolfiberkompositer

Sammanfattning

Detta dokument beskriver den systematiska undersökningen av jämförelserna mellan en traditionell konvektionsugn och en ny infraröd (IR) uppvärmningskonstruktion när den appliceras på härdning av ett ur autoklav kolfiber / epoxilaminat. Två kolfiberpaneler i rymdkuren härdades, en med användning av IR-uppvärmning och en med en konvektionsugn. IR-härdningsprofilen följde det avsedda härdningsschemat mycket mer exakt än konvektionshärdningen med god temperaturreglering av genomgående tjocklek, vilket visar att standardkonvektionsugnshärdning inte är ett passande och glömmande förfarande som vanligtvis tros. Prover skars av vattenstråle och utvärderades med användning av dynamisk mekanisk analys och böjningstest för att göra jämförelser i fysiska egenskaper. Glasövergångstemperaturen och böjmodulen för det konvektionshärdade provet visade sig vara högre (medelvärde för 7.36 ° C respektive 3.72GPa): det föreslås att detta beror på en förlängd härdningstid för konvektionsmetoden (ytterligare 70 minuter) och potentiellt beroende på fuktvariation i proverna under testning. IR-provernas böjhållfasthet var 57MPa högre (medelvärde) på grund av höga porositetsnivåer i konvektionsprovet, återigen på grund av en lång period med låg hartsviskositet associerad med den dåliga kontrollen i en konvektionsugn. IR har således visat mycket god förmåga att noggrant kontrollera härdningen av kolfiberkompositer.

Ceramicx vill tacka Kemfast PASS och Cytec för att tillhandahålla material för detta test.

Beskrivning

Behovet av att röra sig från de allmänt dokumenterade nackdelarna med användningen av autoklaver för härdning av sammansatt harts har sett ett ökat fokus på out of autoclave (OOA) metoder och material, särskilt inom rymdsektorn under de senaste åren. Hittills använder majoriteten av OOA-hartssystem någon form av konvektionsugn för härdning och uppnående av de erforderliga materialegenskaperna. Illusionen av ett sådant tillvägagångssätt är att det här är en "pass och glöm" -teknik där en önskad ramphastighet och härdningstemperatur programmeras in i regulatorn och processen slutförs.

Många ingenjörer styr från ett försenande termoelement, vanligtvis beläget under delen eller ett svårare att värma området och denna avläsning tenderar att vara anmärkningsvärt olika från lufttemperatur, temperaturer på materialytan och temperaturer belägna i hela tjockleken. Medan den eventuella uppehållstemperaturen för detta släpande termoelement på delen kan nå den avsedda härdningstemperaturen, tenderar uppvärmningshastigheten som delen utsätts för att skilja sig väsentligt från den programmerade uppvärmningshastigheten. Dessa avvikelser kan resultera i överdrivna / otillräckliga hartsflödesperioder som leder till torra laminat) eller överdriven / otillräcklig tid vid härdningstemperaturen. För att bekämpa detta justeras ofta härdningsscheman baserat på en delmaterial / massa, verktygsmaterial / massa och påsararrangemang och offset som är inbyggda i systemet. Även om detta är ett helt acceptabelt sätt att uppnå ett bra botemedel kan det ta en utvecklingsperiod att upprätta offset.

Infraröd härdning (IR) har visat förmågan att snabbt och exakt värma ett brett spektrum av material genom att använda energin för att direkt värma upp en målinriktad del och begränsa energineffektivitet. Även om IR-härdning kommer att kräva en del arbete initialt för att ställa in parametrarna för processen, har det antagits att detta inte skiljer sig från exakt kontroll av konvektionshärdning, som föreslagits ovan. Denna studie försökte därför jämföra användningen av konvektion och IR vid härdning av ett OOA-kolfiber / epoxilaminat. Intressant nog har det länge misstänkts att IR-härdning också erbjuder en förbättrad förmåga att avlägsna porositet från ett laminat på grund av den vibrativa naturen hos energiöverföringen när den anländer till ett material, men detta är inte en del av ramen för denna första undersökning. Studiens omfattning är att påbörja jämförelser mellan de två härdningsmetoderna i syfte att bygga initial data om de resulterande materialegenskaperna. Man förstod från början att detta inte skulle vara ett uttömmande testschema.

Välja utvärderingskriterier

Ett brett spektrum av metoder kan potentiellt användas för att utvärdera de fysikaliska egenskaperna som härrör från de två härdningsmetoderna, men eftersom den primära funktionen med uppvärmning är att initiera polymertvärbindning, skulle det vara förnuftigt att fokusera tester på hartsdominerade egenskaper. Följaktligen valdes dynamisk mekanisk analys (DMA) och böjningstestning vid de primära metoderna för att fysiskt testa materialen med en efterföljande jämförelse av resultat med data som loggats under botningarna. DMA-test ger en god förståelse av glasövergångstemperaturen (Tg) för polymerer och en liknande Tg skulle indikera en liknande grad av härdning. Böjprovning valdes som en enkel metod för att inducera drag-, tryck- och skjuvkrafter till prover och skulle ge en indikation på hur botningen bidrar till belastning av flera lägen. Majoriteten av matrisbedömningstester i kompositer är subjektiva i viss utsträckning och inte helt kvantifierbara i förhållande till resultaten av ett test, därför är likhet i metod det primära sättet för vilket en jämförelse kan göras.

Metod

Den föreslagna testvägen skulle ge en indikation på jämförelser av IR-härdning kontra konvektiv härdning och de resulterande materialegenskaperna. Metoden skulle bara försöka ge en grundläggande jämförelse och det förstodes från början att analysen inte skulle vara omfattande - bara ett sätt på vilket en informerad diskussion skulle kunna inledas. Den använda metoden var:

1. Laminera två kolfiber / epoxipaneler
2. Bota en panel med IR
3. Bota en panel med konvektionsvärme
4. Prover med vattenstrålesnitt
5. Utför dynamisk mekanisk analys (DMA) -test
6. Utför böjningstest
7. Analysera resultaten

Laminatberedning

Verktyg

Eftersom de fysiska testerna kräver platta prover tillverkades en platt panel med både metoder och samma verktyg. En 12mm tjock Invar-platta användes för testningen för att replikera material som användes inom flygindustrin. Figur 2.1 visar invarverktyget före laminering.

Material

Denna studie försökte analysera användningen av IR-härdning jämfört med konvektiv härdning.

Syftet med denna studie var att bevisa att IR-härdning kan erbjuda potentiella förbättringar i bearbetningen av kompositer med högt värde jämfört med konvektiv värme. Utifrån autoklaver (OOA) riktades förpregs som applikationen som mest troligt gynnades av detta.

Ett antal vanliga OOA-förkroppar listades kort som potentiella material som skulle kunna användas för testprogrammet, vilket framhölls i tabell 2.1. Denna tabell är inte uttömmande men visar ett prov av härdning av pre-pregs som är tillgängliga för OOA tillämpningar.

Flera 120 ° C-härdning av pre-pre-system är tillgängliga för OOA-applikationer, men antalet lätt tillgängliga pre-pre-system som härdar vid 180 ° C reduceras kraftigt. Sådana förkroppar tenderar att vara reserverade för flyg- och rymdapplikationer och har följaktligen tillgänglighet och minsta orderkvantiteter som betyder att många är olämpliga för småskaliga tester. Det antogs att 180 ° C skulle vara en mer utmanande temperatur för att uppnå enhetlighet i temperaturen genom komponenter än 120 ° C och därmed, om god utjämning av temperaturer kan bevisas vid detta värde, skulle lägre temperaturer vara ännu mer rakt fram. (120 ° C-härdning har faktiskt sedan testats och visat sig vara extremt exakt med användning av IR-uppvärmning liknande de metoder som beskrivs i denna rapport.)

Cytec MTM 44-1 valdes som förpreg för detta projekt på grund av dess högpresterande natur och typiska flyg- och rymdapplikationer. Dessutom erbjöd Cytec provmaterial till projektet genom Kemfast PASS och Ceramicx är tacksamma för denna generositet. Pre-preg levererades i twillväv vid 285g / m².

Lay-Up och De-bulking

Varje skikt för de föreslagna laminaten skars med mått 250mm x 130mm och placerades på verktyget.

2-ark placerades initialt på verktyget, följt av en 30-minuters debulk. Ytterligare 5-skivor placerades följt av en 30-minuters debulk. De återstående 7-skikten placerades sedan ned (vändes över för att upprätthålla ett balanserat laminat) och en sista 30-minuters avböjning utfördes innan slutlig påsättning och härdning.

Bagging Layout

Vakuumpåse-sekvensen definierades för att maximera effektiviteten hos IR-härdningen. Eftersom IR är en riktningsenergi uppstår förluster när någon artikel placeras mellan värmekällan och det riktade materialet. Därför uppstår förluster på grund av vakuumpåsar, släppfilmer, skalskivor, andningsdukar osv. Och detta är verkligen sant för varje metod för härdning eftersom sådana material fungerar som isolatorer för det riktade hartset. Ceramicx har omfattande uppgifter om de isolerande effekterna av varje material som används vid kompositbearbetning, inklusive variationer i tillverkare, produktfärg, temperaturtolerans, etc. Följaktligen beslutades att uppläggningen skulle utnyttja kantandning med endast släppfilmen och vakuum väska på plats mellan värmekällan och pre-preg. I detta fall rekommenderas också en icke-perforerad släppfilm av pre-pre-tillverkaren men detta är inte alltid fallet.

Laminatet förseglades med tätningstejp täckt i släppfilm som fungerade som en kantdamm som omger pre-preg, som rekommenderats av pre-preg-tillverkaren. Skalskydd som fungerar när det andningsmedium som kantade överlappade det laminerade med 5mm och anslutes via luftningstyg till vakuumkällan.

Material som användes var:

• Vakuumpåse - Vac Innovation VACleaseR1.2
• Icke-perforerad släppfilm - Vac Innovation VACleaseR1.2 • Breather Fabric - Vac Innovation VACB4 polyester
• Skalskikt - Nylon
• Tätningsband - Vac Innovation VACsealY-40

Uppsättningen av vakuumpåsar konstruerades som rekommenderat i pre-preg-tillverkarens tekniska datablad, av vilka ett extrakt kan ses i figur 2.2. Detta upprepades för båda metoderna för att säkerställa konsistens.

Cure schema

Det riktade botningsschemat för MTM 44-1 kan ses i tabell 2.2. Det kan ses att den rekommenderade ramphastigheten är 1-2 ° C per minut. 1.5 ° C per minut valdes därför som ett medianvärde inom detta intervall.

Bota uppsättning

Uppsättningen som användes för att härda IR-proverna utnyttjade en kombination av ihåliga keramiska element och kvartshalogenrör för att säkerställa optimal temperaturutjämning genom kolfiberprovet, såsom framgår av figur 2.3. De exakta detaljerna i detta härdningsschema förblir Ceramicx immateriella egendom och avslöjas därför inte; grafiska utgångar av inspelade temperaturer kan emellertid ses i figur 3.1.

Det konvektiva provet botades i en liten konvektionsugn vid Ulster University och grafiska utgångar visas i figur 3.2. (P7)

Resultat

Resultaten som erhölls under utredningen är detaljerade i detta avsnitt. Resultaten presenteras för härdningsprocessen i avsnitt 3.1, dynamisk mekanisk analys (DMA) i avsnitt 3.2 och böjningstest i avsnitt 3.3.

Härdning

Figur 3.1 visar härdningsprofilen associerad med IR-panelen och figur 3.2 visar inspelningarna från konvektionsugnen.
Figur 3.3 överlägger IR-temperaturerna (Internt taget som ett ungefärligt genomsnitt av båda avläsningarna) med de konvektiva temperaturerna. Det kan tydligt noteras att det finns stora skillnader i avläsningar i konvektionsprovet på grund av indirekt applicering av värme jämfört med IR.

DMA-testning

Testning av dynamisk mekanisk analys (DMA) används regelbundet för att karakterisera profilen för polymerer när de utsätts för värme och belastning.

Testet genomfördes i enlighet med ASTM D7028-07 'glasövergångstemperatur (DMA Tg) av polymermatriskompositer genom dynamisk mekanisk analys (DMA). Maskinen som användes var en TA Instruments Q800, som ses i figur 3.4. Tabell 3.1 belyser de viktigaste testvillkoren som utförs på TA Instruments Q800 DMA-maskin.

Figur 3.5 visar en grafisk utgång av de typiska DMA-resultaten där lagringsmodulkurvan (E ') kan ses i grönt, förlustmodulen i blått och Tan Delta i rött. Tabell 3.2 visar sedan de numeriska utgångarna från analysen, med Tg-siffror citerade från Storage Modulus Onset och Tan Delta-toppen.

Flexural Testing

3 Point Bending (3PB) enligt ASTM D7264 'Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials' genomfördes för att identifiera fysiska viktiga egenskaper hos de härdade produkterna. Testningen genomfördes vid Ulster University med hjälp av en Instron 5500R. Ett exempel på uppsättningen före testning kan ses i figur 3.6.

Data genererade från 5-prover av konvektiva curried kompositer och 5-prover av IR-härdad komposit kompilerades till en stress-stam-kurva och kan ses i figurerna 3.2 respektive 3.3. (P7)

Efter analys filtrerades data för att beräkna modulen från den rätlinjiga delen av Stress - Strain-kurvan. Kurvens lutning extraherades mellan 150MPa och 500MPa. Tabell 3.1 visar Modulus och Flexural Stress för båda metoderna.

Det är viktigt att notera att det fanns mindre skillnader mellan exemplen som troligen var orsaken till dessa avvikelser och diskuteras mer detaljerat i avsnitt 4.0.

De trasiga proverna kan ses i figur 3.9.

Diskussion

Värmeprofilen noggrannhet

Från figur 3.3 framgår att det fanns anmärkningsvärda skillnader i härdningsschemat som utan tvekan ledde till skillnaderna i fysiska egenskaper. Exempelvis förblev det konvektiva provet i ugnen 70 minuter längre än IR-provet och har uppenbara effekter på inte bara den totala bearbetningstiden utan också egenskaper såsom fibervolymfraktion (FVF) och Tg. Vidare, på det konvektiva provet, placerades termoelementet i påsen vid sidan av verktyget och kan eventuellt ha isolerats något av andningsventilen, vilket ledde till att högre temperaturer upplevdes (t.ex. vid 180 ° C) i något längre tid än data indikerar - återigen kan detta påverka värden som Tg.

Konvektion som en Fit & Forget-metod

Ingenjörer tenderar att märka konvektionsugnar som en "fit and glöm" -teknologi där varje harts effektivt skulle kunna botas. Även om detta till viss del är sant, är det mycket tydligt att den avsedda härdningsprofilen inte är densamma som den härdningsprofil som upplevs av delen, vilket framgår av figur 3.3 IR-härdningen har visat mycket god noggrannhet i kontrollen av temperaturer under laminatet (dvs på verktyget), mitt i laminatet och på den övre ytan. Detta var imponerande med en snabb installation och bidrar verkligen till att avbunka illusionen att kompositkomponenter lätt kan härdas i en konvektionsugn.

Utan tvekan skulle de avvikelser som upplevdes inom konvektionsugnen kunna minskas och en mer representativ härdningsprofil upprättas, men det skulle fortfarande finnas kompensationer att programmeras i och betydande förseningar jämfört med IR-härdning. IR-härdning har ett mycket snabbare svar på dessa variationer eftersom det är en direkt uppvärmningsmetod, vilket reducerar den totala bearbetningstiden och den använda energin.

Det är också viktigt att notera att betydligt snabbare uppvärmningshastigheter skulle kunna uppnås med IR än med konvektion och begränsas i denna studie av den rekommenderade hastigheten för borttagning av tomt från pre-pre-tillverkaren. Ceramicx har uppgifter om uppvärmningshastigheter för olika verktyg för luftfartygsverktyg och är ordningsföljd större än rekommenderade hastigheter för detta hartssystem.

exoterm

Kontroll av exoterm är ett annat potentiellt användbart attribut till användningen av IR vid härdning av kompositer. När man använder pyrometrar på kompositens yta för att kontrollera härdningstemperaturer, kan kvartshalogenvärmaren snabbt stänga av eller begränsa kraften om hartsexoterm ökar härdningstemperaturen utöver det rekommenderade härdningsschemat. Detta skulle vara betydligt snabbare än någon temperatursänkning som kan uppnås med en konvektionsugn, men effekten är okänd i detta test.

Hartsinnehåll

Efter härdning av båda panelerna kunde man tydligt se att för mycket harts dras från provet som härdades i konvektionsugnen, trots att båda laminaten avpumpades och påsattes på samma sätt, med fast frigöringsfilm och kontrollerad kantandning med hjälp av skal - enkelt och andas. Det resulterande torrare laminatet från konvektionsugnen beror sannolikt på olika flödesegenskaper under uppvärmningsfasen av härdningen. Även om konversationer med pre-pre-tillverkaren inte har genomförts är det troligt att hartsflödet är kritiskt under uppvärmningsfasen till 130 ° C innan 2-timmars vistelse vid denna temperatur. Den dåliga kontrollen av konvektionsugnen hindrade förmågan att kontrollera hartset i båda laminaten och följaktligen de högre porositetsnivåerna som ses i figur 4.1

DMA och glasövergångstemperatur

Jämförelse av Tg i IR & konvektionsprover

Den genomsnittliga Tg som uppnåtts med IR-prover var 175 ° C och 182 ° C med konvektionsprover. Även om en lägre Tg i detta experiment skulle kunna indikera ett ofullständigt botemedel, är det mycket osannolikt med tanke på de uppmätta temperaturerna inom IR-uppläggningen. Därför kan man med säkerhet säga att denna skillnad beror på den utökade ugnshärdningstiden förknippad med det konvektiva provet och spikningstemperaturerna i det. Som nämnts i avsnitt 4.1 var härdningstiden för konvektionsprovet 70 minuter längre än IR och det är känt att Tg påverkas av härdningstemperatur och tid vid den härdningstemperaturen, därför kan skillnaden mellan 7 ° C tydligt redovisas. Dessutom kan den korta tiden mellan skärning av vattenstråle och potentiellt inneboende fuktnivåer lätt förklara variationen i proverna. Typiskt skulle ett 48-timmars torkningsförfarande användas för prov, men detta genomfördes inte för dessa prover, såsom beskrivs i 4.3.2.

Skillnad i uppmätt Tg och datablad Tg

MTM 44-1 datablad föreskriver att Dry Tg vid E 'Onset är 190 ° C och från diskussioner med Cytec förstås denna parti vara 194 ° C. Prover som härdats inom denna experimentrapport uppnådde ett genomsnitt av 175 ° C (IR) och 182 ° C (konvektion), som fortfarande är lägre än referensen 190 ° C. Ändå uppfattas detta inte vara ett problem eftersom det är känt att många faktorer påverkar glasövergångstemperaturen inom DMA-testning. Det inses att Cytec-referens SACMA SRM 18R-94-metod för DMA-analys, vilket förstås föreslår en uppvärmningshastighet av 5 ° C / min - värmningshastigheten som också används inom denna metod. Därför kan primära skillnader ha uppstått från bristen på konditionering av prover. Proverna konditionerades inte som tidigare angivits, eftersom detta främst är en jämförande studie. Vanligtvis kan detta ta 48 timmar i en varm, torr miljö och det är allmänt känt att fukt kan sänka Tg av kompositer. En liten skillnad i massa observerades i alla prover efter testning (ungefär 0.12 - 0.15%) och det är oklart om detta skulle ha en sådan märkbar förändring från det angivna databladsvärdet.

DMA-testavvikelser

Eventuella anmärkningsvärda utelämnanden från proceduren som krävs för ASTM D7028 bör noteras och därför är det viktigt att känna igen en avvikelse från avsnitt 10, "Konditionering" av prover. Den rekommenderade proceduren är att konditionera i upp till 48 timmar och sedan försegla proverna i en fuktsäker behållare. Eftersom syftet med denna analys var att tillhandahålla jämförande resultat istället för absoluta resultat, ansågs detta inte nödvändigt. Proverna skars av vattenstråle, handtorkades och fick sedan torka i ett varmt soligt område under 3 timmar. Prover vägdes före och efter test som rekommenderat, sedan testades ett prov från varje parti på ett förändrande sätt så att alla effekter av fukt från den omgivande miljön skulle delas i resultaten. En skillnad på 0.006g noterades före och efter provning av prover men denna variation togs över en kort tidsperiod i motsats till den rekommenderade 48 timmars konditioneringen.

Flexural Testing

Från tabell 3.1 framgår det att det finns skillnader i modul och styrka mellan båda partierna av prover. Modulen är högre i konvektiva prover med 3.8GPa i genomsnitt. Även om detta ännu inte har bekräftats med materialleverantören beror det troligen på den ökade tiden vid höga temperaturer som diskuterats i avsnitt 4.3.

Det är allmänt känt att porositetsnivåer kan ha ett märkbart inflytande på prestanda hos kompositmaterial, särskilt de egenskaper som är matris / off-axel dominerade, såsom böjningstestning (även om effekterna potentiellt kan begränsas av det vävda materialet som används). Därför har troligen högre porositetsnivåer bidragit till den konvektiva provens lägre styrka med en genomsnittlig reduktion av 57MPa.

Med beaktande av alla dessa aspekter är skillnaderna mellan proverna sannolikt minimala eller obefintliga om en exakt jämförelse genomfördes varigenom komponentuppvärmningshastigheterna är identiska.

Avvikelser i flexibilitetstest

Det gjordes små förändringar i stödområdet under testningen av båda partierna från ett span: tjocklek för 32 för de konvektiva proverna till 30.8 för IR-proverna. Detta skulle innebära en liten minskning av böjhållfasthet för IR-proverna, men effekten är liten och böjhållfastheten för IR-proverna skulle fortfarande förbli anmärkningsvärt högre. I själva verket ledde det högre hartsinnehållet i IR-proverna till ett större antal hartsryggar på ytan och därmed en potentiellt större uppmätt tjocklek (med Vernier-bromsok) än vad som representerades i de torrare konvektionsproven. Som ett resultat kan denna ökade tjocklek minska böjhållfastheten och modulen något (eftersom den är kvadratisk vid beräkningen av spänning) och bringa den mycket nära de konvektiva proverna.

Slutsatser

Slutsatserna från denna studie är:

• En jämförelse i materialegenskaper kan bevisas mellan IR och konvektionshärdning eftersom små skillnader inom detta test kan redovisas:
• Även om Tg och böjningsmodul för de konvektiva proverna är högre (medelvärdet av 7.36 ° C och 3.72GPa) beror detta sannolikt på en lång tid vid förhöjd temperatur jämfört med IR-provet och potentiella fuktvariationer i proverna.
• Även om IR-provernas flexuralstyrka är högre (medelvärdet av 57MPa) beror det sannolikt på en högre tomrumsnivå i jämförande konvektionsprover.
• IR-härdning har visat en förmåga att noggrant kontrollera temperaturer inom ett OOA-kolfiberlaminat med luftkvalitet med ungefär 4.5mm tjocklek.
• Det har visats att härdning med användning av en konvektionsugn inte är en passform och glömmetod med programmerade uppvärmningshastigheter som inte är representativa för den uppvärmningshastighet som delen upplever. IR: s förmåga att reagera snabbt på temperaturvariation säkerställer en kraftigt förbättrad förmåga att matcha deltemperatur till avsedd temperatur.

Villkor

Denna information är baserad på tekniska data som Ceramicx anser vara tillförlitliga just nu. Det är föremål för revidering när ytterligare kunskap och erfarenhet uppnås. Ceramicx ansvarar inte för noggrannhet, fullständighet eller användning av tredje part eller resultaten av information, apparater, produkter eller processer som avslöjas.