Въведение
Композитните материали, подсилени с влакна, които съчетават свойствата на влакна и полимерна матрица, съществуват от десетилетия. Композитните материали с влакнеста матрица са по-твърди, имат отлично съотношение между якост и тегло и са с много по-ниска плътност от металните си аналози. Това ги прави с до 60% по-леки от стоманата например; много желана характеристика, когато става въпрос за компоненти за сектора на мобилността и по-специално за автомобилната индустрия, където намаляването на теглото е важно за подобряване на горивната ефективност или за удължаване на пробега на електрическите автомобили. Друго предимство на композитите с влакнеста матрица, което ги прави изключително интересни за автомобилната индустрия, е тяхната устойчивост на корозия. Композитите с термопластична матрица, подсилени със стъклени влакна, имат по-висока плътност и по-нисък модул от композитите, подсилени с въглеродни влакна, но се предлагат на много по-ниска цена, което е важен фактор за автомобилната индустрия. Полипропиленът (PP) като чист материал, но също така с къси и непрекъснати армирани влакна, се използва широко за автомобилни части поради изключителните си механични свойства, възможност за формоване и ниска цена. Приложенията включват кухини и отделения, брони, облицовки на калници, вътрешни облицовки, инструментални панели и облицовки на врати. Други положителни характеристики на PP са високата химическа устойчивост, добрата устойчивост на атмосферни влияния, обработваемостта и балансът между удар и твърдост, което обяснява защо той е един от най-широко използваните полимери на пазара.
Квазиизотропни и анизотропни композити
Съществуват различни начини за вграждане на влакната в термопластичната матрица - произволно ориентирани влакна, еднопосочни непрекъснати влакна или многопосочна тъкан; вж. фигура 1. Ориентацията на добавените влакна играе важна роля, когато става въпрос за свойствата на детайла.
Докато произволно ориентираните влакна увеличават до известна степен якостта и твърдостта в сравнение с чистия полимер, добавянето на ориентирани в преференциална посока влакна значително повишава характеристиките на детайла в тази посока. Тази преференциална ориентация придава на композита анизотропни свойства, т.е. свойствата в ориентацията на влакната са доминирани от свойствата на влакната, а перпендикулярно на нея са по-силно изразени свойствата на матрицата. Познаването на това анизотропно поведение е предпоставка за проектирането и производството на тези композитни компоненти. Въпреки че анизотропията на механичните свойства е първото нещо, за което всеки се сеща, поведението на материала при разширяване също се различава в зависимост от посоката на влакната. Когато анизотропията на материала се пренебрегва или не се знае, това може да доведе до сериозни проблеми в крайния продукт. Например, равнинните повърхности могат да се огънат или дори по-лошо, да се образуват пукнатини или счупвания.
Термомеханичен анализ - метод за определяне на анизотропията в композитите
С помощта на метода на термомеханичния анализ (ТМА) могат да се определят промените в размерите и следователно СТЕ на полимери, подсилени с влакна, в различни направления на материала. За целите на това изследване бяха подготвени образци в Neue Materialien Bayreuth. Три слоя от PP-GF UD лента бяха подредени един върху друг и предварително консолидирани в двойна лентова преса в три нагревателни зони от 180-190°C. След това заготовката беше предварително загрята в конвекционна пещ за 10 min и прехвърлена в гореща преса с температура на формата 80°C. Там се прилага налягане от 10 bar за 5 min по време на втвърдяването. Получената дебелина е 1 mm. Въпреки че лентата има средно обемно съдържание на влакна от 45 об. %, локалните вариации в плочата бяха измерени в границите между 40-50 об. % GF. За измерванията на TMA в NETZSCH Analyzing & Testing от пластината бяха изрязани проби с размери 25 x 5 mm в две различни посоки: 0° спрямо посоката на влакната и 90° спрямо посоката на влакната.
Пробите бяха измерени с новия TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (фигура 2). След първоначална стъпка на охлаждане, температурата беше увеличена от -70°C до 140°C при скорост на нагряване 5 K/min. Коефициентът на термично разширение беше изчислен с помощта на средния анализ на СТЕ (m. Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE в софтуера за анализ NETZSCH ), който изчислява наклона между две точки с данни. Всички условия на измерване са обобщени в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Държач на пробата | Разширение, изработено от SiO2 |
| Натоварване на образеца | 50 mN |
| Атмосфера | N2 |
| Дебит на газа | 50 ml/min |
| Температурен диапазон | -70°C ... 140°C при скорост на нагряване 5 K/min |
Пример: Анизотропия в PP-GF-UD
Този материал показва различни стойности на Коефициент на линейно топлинно разширение (CLTE/CTE)Коефициентът на линейно термично разширение (КЛТЕ) описва изменението на дължината на даден материал като функция на температурата.CTE в зависимост от посоката на измерване на материала. СТЕ на тези видове композити е комбинация между тази на матрицата и тази на съдържащите се в нея влакна. Ето защо СТЕ на такива материали се различава значително в зависимост от посоката. Резултатите от измерването на СТЕ на PP-GF в двете различни посоки на влакната са показани на фигура 3. Червената крива изобразява измерването в посока на влакната 0°. Ниската стойност на СТЕ е в диапазона на СТЕ на стъклото и показва, че тази посока на измерване е доминирана от ниското термично разширение на стъклените влакна. Същият материал, измерен на 90° спрямо посоката на влакната (черна крива), е доминиран от полипропиленовата матрица. Тя показва много по-висока СТЕ и показва известния стъклен преход (Tg) на полипропилена при -7°C, който не се наблюдава в червената крива.
В матрицата доминиращата посока на СТЕ на композита следва правилото за смесване:
Където α е коефициентът на линейно термично разширение (КТЕ), v е обемната част, а индексите f и m означават съответно влакната и матрицата. Ако приемем, че измереното СТЕ в посока 0° на влакната е същото като αf, а СТЕ на полипропиленовата матрица съответства на αm= 1,6 - 10-4K-1 (не е измерено тук), обемната част на стъклените влакна в измерения композит се изчислява по следния начин:
Резюме
Проучването показа важността на анализа на коефициента на термично разширение за високопроизводителни композитни материали в зависимост от посоката на влакната.
Потвърждение
Бихме искали да благодарим на Neue Materialien Bayreuth GmbH за предоставянето на пробите.
За Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH е неакадемична изследователска компания, която разработва различни нови материали за леки конструкции - от полимери и композити, подсилени с влакна, до метали, включително и обработката им. Те предлагат ориентирани към приложението решения чрез оптимизиране на наличните материали и производствени процеси.