Introduktion
Fiberforstærkede kompositmaterialer, som kombinerer fibrenes egenskaber med en polymermatrix, har eksisteret i årtier. Fiber-matrix-kompositter er stivere, har en fantastisk styrke-til-vægt-ydelse og har en meget lavere massefylde end deres modstykker af metal. Det gør dem op til 60 % lettere end f.eks. stål; en meget ønskelig egenskab, når det drejer sig om komponenter til mobilitetssektoren og især bilindustrien, hvor vægtreduktion er vigtig for at forbedre brændstofeffektiviteten eller forlænge elbilers rækkevidde. En anden fordel ved fibermatrixkompositter, som gør dem meget interessante for bilindustrien, er deres modstandsdygtighed over for korrosion. Termoplastiske matrixkompositter forstærket med glasfibre har en højere massefylde og et lavere modul end kulfiberforstærkede kompositter, men har en meget lavere pris, hvilket er en vigtig faktor for bilindustrien. Polypropylen (PP) som et rent materiale, men også med korte og kontinuerlige fiberforstærkninger, bruges i vid udstrækning til bildele på grund af dets fremragende mekaniske egenskaber, formbarhed og lave omkostninger. Anvendelsesområderne omfatter kasser og rum, kofangere, skærmforinger, indvendig beklædning, instrumentpaneler og dørbeklædninger. Andre positive egenskaber ved PP er høj kemisk resistens, god vejrbestandighed, bearbejdelighed og balance mellem slagstyrke og stivhed, hvilket forklarer, hvorfor det er en af de mest anvendte polymerer på markedet.
Kvasi-isotrope og anisotrope kompositter
Der er forskellige måder at indarbejde fibrene i den termoplastiske matrix på - tilfældigt orienterede fibre, ensrettede kontinuerlige fibre eller stof i flere retninger; se figur 1. Orienteringen af de tilføjede fibre spiller en vigtig rolle, når det gælder delens egenskaber.
Mens tilfældigt orienterede fibre øger styrken og stivheden i forhold til den rene polymer til en vis grad, øger tilføjelsen af orienterede fibre i en præferentiel retning ydeevnen i denne retning af delen betydeligt. Denne præferentielle orientering giver kompositten anisotrope egenskaber, dvs. at egenskaberne i fiberretningen domineres af fiberegenskaberne, og vinkelret på dette er matrixegenskaberne mere udtalte. Viden om denne anisotropiske opførsel er en forudsætning for design og produktion af disse kompositkomponenter. Selvom anisotropien i de mekaniske egenskaber er det første, alle tænker på, er materialets ekspansionsadfærd også forskellig afhængigt af fiberretningen. Når et materiales anisotropi overses eller ikke kendes, kan det give store problemer i det endelige produkt. For eksempel kan plane overflader bøje, eller endnu værre, der kan opstå revner eller brud.
Termomekanisk analyse - en metode til at bestemme anisotropi i kompositter
Ved hjælp af metoden termomekanisk analyse (TMA) kan dimensionsændringer og dermed Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for fiberforstærkede polymerer bestemmes i forskellige materialeretninger. Til denne undersøgelse blev der fremstillet prøver hos Neue Materialien Bayreuth. Tre lag af et PP-GF UD-bånd blev stablet oven på hinanden og forkonsolideret i en dobbelt båndpresse i tre varmezoner fra 180-190 °C. Emnet blev derefter forvarmet i en konvektionsovn i 10 minutter og overført til en varmpresse med en formtemperatur på 80 °C. Her blev der anvendt et tryk på 10 bar i 5 minutter under størkningen. Den resulterende tykkelse var 1 mm. Mens båndet har et gennemsnitligt fibervolumenindhold på 45 vol%, blev de lokale variationer i pladen målt til mellem 40-50 vol% GF. Til TMA-målingerne på NETZSCH Analyzing & Testing blev der skåret prøver på 25 x 5 mm fra pladen i to forskellige retninger: 0° i forhold til fiberretningen og 90° i forhold til fiberretningen.
Prøverne blev målt med den nye TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figur 2). Efter et indledende afkølingstrin blev temperaturen øget fra -70 °C til 140 °C med en opvarmningshastighed på 5 K/min. Den termiske udvidelseskoefficient blev beregnet ved hjælp af den gennemsnitlige Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-analyse (m. Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE i analysesoftwaren NETZSCH ), som beregner hældningen mellem to datapunkter. Alle målebetingelser er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Prøveholder | Ekspansion, fremstillet af SiO2 |
| Belastning af prøve | 50 mN |
| Atmosfære | N2 |
| Gasstrømningshastighed | 50 ml/min |
| Temperaturområde | -70°C ... 140°C ved en opvarmningshastighed på 5 K/min |
Eksempel: Anisotropi i PP-GF-UD
Dette materiale udviser forskellige Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE'er afhængigt af den retning, materialet måles i. Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for den slags kompositter er en kombination af matrixens Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE og Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for de fibre, der indgår i den. Det er grunden til, at Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for sådanne materialer varierer betydeligt afhængigt af retningen. Måleresultaterne for Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE for PP-GF i de to forskellige fiberretninger er vist i figur 3. Den røde kurve viser målingen i fiberretningen 0°. Den lave Koefficient for lineær termisk ekspansion (CLTE/CTE)Den lineære varmeudvidelseskoefficient (CLTE) beskriver længdeændringen af et materiale som en funktion af temperaturen.CTE-værdi ligger i området for CTE for glas og viser, at denne måleretning er domineret af glasfibrenes lave varmeudvidelse. Det samme materiale målt 90° i forhold til fiberretningen (sort kurve) er domineret af polypropylenmatrixen. Den viser en meget højere CTE og udviser den kendte glasovergang (Tg) for polypropylen ved -7 °C, som ikke kan observeres i den røde kurve.
I matricen følger den dominerende retning for CTE i et kompositmateriale reglen om blanding:
Hvor α er den lineære varmeudvidelseskoefficient (CTE), v er volumenfraktionen, og indeksene f og m betegner henholdsvis fibrene og matricen. Hvis man antager, at den målte CTE i 0° fiberretningen er den samme som αf, og CTE for polypropylenmatrixen svarer til αm= 1,6 - 10-4K-1 (ikke målt her), beregnes glasfibervolumenfraktionen i den målte komposit som:
Sammenfatning
Undersøgelsen viste vigtigheden af at analysere den termiske udvidelseskoefficient for højtydende kompositmaterialer baseret på fiberretningen.
Anerkendelse
Vi vil gerne takke Neue Materialien Bayreuth GmbH for at stille prøverne til rådighed.
Om Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH er en ikke-akademisk forskningsvirksomhed, der udvikler forskellige nye materialer til letvægtskonstruktioner, fra polymerer og fiberforstærkede kompositter til metaller, herunder også forarbejdningen. De leverer anvendelsesorienterede løsninger ved at optimere tilgængelige materialer og produktionsprocesser.