Úvod
Kompozitní materiály vyztužené vlákny, které kombinují vlastnosti vláken a polymerní matrice, jsou známy již několik desetiletí. Kompozity s vláknovou matricí jsou tužší, mají skvělý poměr pevnosti a hmotnosti a mnohem nižší hustotu než jejich kovové protějšky. Díky tomu jsou až o 60 % lehčí než například ocel; to je velmi žádoucí vlastnost, pokud jde o součásti pro odvětví mobility, a zejména pro automobilový průmysl, kde je snížení hmotnosti důležité pro zlepšení palivové účinnosti nebo prodloužení dojezdu elektromobilů. Další výhodou kompozitů s vláknovou matricí, díky níž je o ně v automobilovém průmyslu velký zájem, je jejich odolnost vůči korozi. Kompozity s termoplastickou matricí vyztužené skleněnými vlákny mají vyšší hustotu a nižší Modul pružnostiKomplexní modul pružnosti (pružná složka), modul skladování nebo G' je "reálná" část vzorků celkového komplexního modulu pružnosti. Tato pružná složka udává pevnou nebo fázovou odezvu měřeného vzorku. modul pružnosti než kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny, ale mají mnohem nižší cenu, což je pro automobilový průmysl důležitý faktor. Polypropylen (PP) jako čistý materiál, ale také s krátkou a kontinuální vláknovou výztuží, je široce používán pro automobilové díly díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem, tvarovatelnosti a nízké ceně. Mezi aplikace patří skříně a přihrádky, nárazníky, obložení blatníků, obložení interiéru, přístrojové desky a dveřní lišty. Dalšími pozitivními vlastnostmi PP jsou vysoká chemická odolnost, dobrá odolnost proti povětrnostním vlivům, zpracovatelnost a rovnováha mezi rázem a tuhostí, což vysvětluje, proč je jedním z nejpoužívanějších polymerů na trhu.
Kvaziizotropní a anizotropní kompozity
Existují různé způsoby začlenění vláken do termoplastické matrice - náhodně orientovaná vlákna, jednosměrná souvislá vlákna nebo vícesměrná tkanina; viz obrázek 1. Orientace přidaných vláken hraje důležitou roli, pokud jde o vlastnosti dílu.
Zatímco náhodně orientovaná vlákna do určité míry zvyšují pevnost a tuhost oproti čistému polymeru, přídavek orientovaných vláken v preferenčním směru výrazně zvyšuje vlastnosti dílu v tomto směru. Tato preferenční orientace dává kompozitu anizotropní vlastnosti, tj. ve směru orientace vláken převládají vlastnosti vláken a v kolmém směru se více projevují vlastnosti matrice. Znalost tohoto anizotropního chování je nezbytným předpokladem pro návrh a výrobu těchto kompozitních součástí. Ačkoli je anizotropie mechanických vlastností to první, co každého napadne, chování materiálu při roztažnosti se také liší v závislosti na směru vláken. Pokud je anizotropie materiálu přehlížena nebo není známa, může to způsobit velké problémy u konečného výrobku. Například rovinné plochy se mohou prohýbat, nebo ještě hůře, mohou vznikat trhliny nebo zlomy.
Termomechanická analýza - metoda pro stanovení anizotropie kompozitů
Pomocí metody termomechanické analýzy (TMA) lze stanovit rozměrové změny, a tedy i Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE polymerů vyztužených vlákny v různých materiálových směrech. Pro tuto studii byly vzorky připraveny v Neue Materialien Bayreuth. Tři vrstvy PP-GF UD pásky byly naskládány na sebe a předkonsolidovány ve dvojitém pásovém lisu ve třech ohřevných zónách o teplotě 180-190 °C. Poté byl polotovar předehříván v konvekční peci po dobu 10 minut a přenesen do horkého lisu s teplotou formy 80 °C. Tam byl během tuhnutí po dobu 5 min vyvíjen tlak 10 barů. Výsledná tloušťka byla 1 mm. Zatímco páska má průměrný objemový obsah vláken 45 %, lokální odchylky v desce byly naměřeny v rozmezí 40-50 % GF. Pro měření TMA na adrese NETZSCH Analyzing & Testing byly z desky vyříznuty vzorky o rozměrech 25 x 5 mm ve dvou různých směrech: 0° ke směru vláken a 90° ke směru vláken.
Vzorky byly měřeny novým přístrojem TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (obr. 2). Po počátečním ochlazení byla teplota zvýšena z -70 °C na 140 °C při rychlosti ohřevu 5 K/min. Koeficient teplotní roztažnosti byl vypočten pomocí analýzy střední Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE (m. Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE v softwaru pro analýzu NETZSCH ), která počítá sklon mezi dvěma datovými body. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Držák vzorku | Expanzní, vyrobený z SiO2 |
| Zatížení vzorku | 50 mN |
| Atmosféra | N2 |
| Průtok plynu | 50 ml/min |
| Teplotní rozsah | -70 °C ... 140 °C při rychlosti ohřevu 5 K/min |
Příklad: Anizotropie v PP-GF-UD
Tento materiál vykazuje různé hodnoty Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE v závislosti na směru měření. Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE těchto druhů kompozitů je kombinací Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE matrice a Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE vláken v ní obsažených. Proto se Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE těchto materiálů výrazně liší v závislosti na směru. Výsledky měření Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE pro PP-GF ve dvou různých směrech vláken jsou uvedeny na obrázku 3. Červená křivka znázorňuje měření ve směru vláken 0°. Nízká hodnota Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE je v rozsahu CTE skla a ukazuje, že v tomto směru měření převládá nízká tepelná roztažnost skleněných vláken. U stejného materiálu měřeného pod úhlem 90° ve směru vláken (černá křivka) dominuje polypropylenová matrice. Vykazuje mnohem vyšší CTE a vykazuje známý skelný přechod (Tg) polypropylenu při -7 °C, který není pozorovatelný na červené křivce.
V matrici se dominantní směr CTE kompozitu řídí pravidlem směsi:
Kde α je koeficient lineární tepelné roztažnosti (CTE), v je objemový zlomek a indexy f a m označují vlákna a matrici. Za předpokladu, že naměřený CTE ve směru vláken 0° je stejný jako αf a CTE polypropylenové matrice odpovídá αm= 1,6 - 10-4K-1 (zde není měřeno), vypočítá se objemový podíl skleněných vláken v měřeném kompozitu jako:
Souhrn
Studie ukázala důležitost analýzy součinitele tepelné roztažnosti u vysoce výkonných kompozitních materiálů v závislosti na směru vláken.
Potvrzení
Děkujeme společnosti Neue Materialien Bayreuth GmbH za poskytnutí vzorků.
O společnosti Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH je neakademická výzkumná společnost, která vyvíjí různé nové materiály pro lehké konstrukce, od polymerů a kompozitů vyztužených vlákny až po kovy, včetně jejich zpracování. Poskytuje aplikačně orientovaná řešení optimalizací dostupných materiálů a výrobních procesů.