12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Proč je znalost anizotropie klíčová při navrhování vysoce výkonných kompozitních dílů?
Kompozitní materiály vyztužené vlákny, které kombinují vlastnosti vláken a polymerní matrice, jsou známy již několik desetiletí. Existují různé způsoby začlenění vláken do termoplastické matrice - náhodně orientovaná vlákna, jednosměrná souvislá vlákna nebo vícesměrná tkanina. Orientace přidaných vláken hraje důležitou roli, pokud jde o vlastnosti dílů. Zjistěte, proč je anizotropní chování kompozitu příznivé a jak ho měřit pomocí TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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, která činí kompozity s vláknovou matricí velmi zajímavými pro automobilový průmysl, 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 jsou mnohem levnější, což je pro automobilový průmysl důležitý faktor. Polypropylen (PP) v čistém stavu, 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 např. skříně a vaničky, nárazníky, obložení blatníků, obložení interiéru, přístrojové desky a dveřní lišty. Dalšími pozitivními vlastnostmi PP jsou vysoká chemická odolnost, dobrá odolnost vůči povětrnostním vlivům, zpracovatelnost a rovnováha mezi rázem a tuhostí, což vysvětluje, proč je jedním z nejpoužívanějších polymerů na trhu.
Kvazizotropní 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 ve srovnání s čistým polymerem, přídavek vláken orientovaných v preferenčním směru výrazně zvyšuje vlastnosti v tomto směru dílu. Tato preferenční orientace dává kompozitu anizotropní vlastnosti, tj. ve směru orientace vláken převládají vlastnosti vláken a v kolmém směru na ně se výrazněji projevují vlastnosti matrice. Znalost tohoto anizotropního chování je nutná pro návrh a výrobu těchto kompozitních součástí. Ačkoli anizotropie mechanických vlastností je to první, co každého napadne, chování materiálu při roztažnosti se také liší v závislosti na směru vláken.
Pokud se anizotropie materiálu přehlédne nebo není známa, může to způsobit velké problémy v konečném výrobku. Například rovinné plochy se mohou prohýbat, nebo ještě hůře, tvořit trhliny nebo se lámat.
Termomechanická analýza - metoda 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 směrech materiálu. 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 je 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° ve směru vláken a 90° ve směru vláken.
Vzorky byly měřeny novým přístrojem TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Po počátečním ochlazení byla teplota zvýšena z -70 na 140 °C při rychlosti ohřevu 5 K/min. Koeficient tepelné 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), která počítá sklon mezi dvěma datovými body. Všechny podmínky měření jsou shrnuty v následující tabulce:
Tabulka 1: Podmínky měření
| Držák vzorku | Expanzní, vyrobený z SiO2 |
| Zatížení vzorku | 50 mN |
| Atmosféra | N2 |
| Průtok plynu | 50 ml/min |
| Teplotní rozsah | -70...300 °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 směsí mezi matricí a vlákny v ní obsaženými. Proto se Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE těchto materiálů v závislosti na směru značně liší. 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 grafu níže. 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 Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.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 Koeficient lineární tepelné roztažnosti (CLTE/CTE)Koeficient lineární teplotní roztažnosti (CLTE) popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě.CTE a vykazuje známý skelný přechod (Tg) polypropylenu při -7 °C, který není na červené křivce pozorovatelný.
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 αm= 1,6×10-4K-1 (zde není měřeno), vypočítá se objemový podíl skleněných vláken v měřeném kompozitu jako.
Studie ukázala důležitost analýzy součinitele tepelné roztažnosti vysoce výkonných kompozitních materiálů v závislosti na směru vláken.
Pokud máte zájem dozvědět se více o termomechanické analýze a oblastech jejího využití, navštivte www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
