12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Защо познаването на анизотропията е от решаващо значение при проектирането на високопроизводителни композитни части
Композитните материали, подсилени с влакна, които съчетават свойствата на влакна и полимерна матрица, съществуват от десетилетия. Съществуват различни начини за включване на влакната в термопластичната матрица - произволно ориентирани влакна, еднопосочни непрекъснати влакна или многопосочна тъкан. Ориентацията на добавените влакна играе важна роля, когато става въпрос за свойствата на детайла. Научете защо анизотропното поведение на композита е благоприятно и как да го измервате с изданието на TMA 402 F3 Hyperion® Polymer.
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 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 увеличаване на пробега на електрическите автомобили. Друго предимство, което прави композитите с влакнеста матрица много 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 са на много по-ниска цена, което е важен фактор за автомобилната индустрия. Полипропиленът (PP) в чист вид, но също така и с армировка от къси и непрекъснати влакна, се използва широко за автомобилни части поради изключителните си механични свойства, възможност за формоване и ниска цена. Приложенията са, например, куфари и табла, брони, облицовки на калници, вътрешни облицовки, инструментални панели и облицовки на врати. Други положителни характеристики на РР 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 коравината в сравнение с чистия полимер, добавянето на ориентирани в преференциална посока влакна значително увеличава характеристиките в това направление на частта. 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 свойствата на матрицата са по-силно изразени. Познаването на това анизотропно поведение е необходимо 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 даден материал е пренебрегната или не е известна, това може да доведе до сериозни проблеми в крайния продукт. Например равнинните повърхности могат да се огънат или дори по-лошо - да образуват пукнатини или да се счупят.
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 обемни процента, локалните вариации в плочата бяха измерени между 40-50 обемни процента 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° по посока на влакната и 90° спрямо посоката на влакната.
Пробите бяха измерени с новия TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. След първоначална стъпка на охлаждане, температурата е увеличена от -70 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), който изчислява наклона между две точки с данни. Всички условия на измерване са обобщени в следната таблица:
Таблица 1: Условия на измерване
| Държач на образеца | Разширение, изработено от SiO2 |
| Натоварване на образеца | 50 mN |
| Атмосфера | N2 |
| Дебит на газа | 50 ml/min |
| Температурен диапазон | -70...300°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 смес между матрицата и съдържащите се в нея влакна. Следователно СТЕ на тези материали се различават значително в зависимост от посоката. Резултатите от измерването на СТЕ за PP-GF в двете различни посоки на влакната са показани на графиката по-долу. 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 на червената крива.
В матрицата доминиращата посока на СТЕ на даден композит 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 и СТЕ на полипропиленовата матрица, αm= 1,6×10-4K-1 (не е измерено тук), обемната част на стъклените влакна в измерения композит се изчислява по следния начин.
Проучването показва важността на анализа на коефициента на термично разширение на висококачествени композитни материали в зависимост от посоката на влакната.
Ако се интересувате да научите повече за термомеханичния анализ и областите му на приложение, посетете www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
За Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH е неакадемична изследователска компания, която разработва различни нови материали за леки конструкции - от полимери и композитни материали, подсилени с влакна, до метали, включително и за обработка. Те предлагат ориентирани към приложението решения чрез оптимизиране на наличните материали и производствени процеси.
