12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Hvorfor viden om anisotropi er afgørende, når man designer højtydende kompositdele
Fiberforstærkede kompositmaterialer, som kombinerer fibrenes egenskaber med en polymermatrix, har eksisteret i årtier. Der er forskellige måder at indarbejde fibrene i den termoplastiske matrix på - tilfældigt orienterede fibre, ensrettede kontinuerlige fibre eller stof i flere retninger. Orienteringen af de tilføjede fibre spiller en vigtig rolle, når det drejer sig om delegenskaber. Lær, hvorfor anisotropisk opførsel af kompositten er gunstig, og hvordan man måler den med TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 metaldele. 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 det er vigtigt at reducere vægten for at forbedre brændstofeffektiviteten eller forlænge rækkevidden for elbiler. En anden fordel, der gør fibermatrixkompositter 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) i ren form, men også med korte og kontinuerlige fiberforstærkninger, bruges i vid udstrækning til bildele på grund af dets fremragende mekaniske egenskaber, formbarhed og lave omkostninger. Anvendelsesområder er f.eks. kasser og bakker, 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.
Quasi-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 tilsatte 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 delretning betydeligt. Denne præferentielle orientering giver kompositten anisotrope egenskaber, dvs. at egenskaberne i fiberretningen domineres af fiberegenskaberne, og vinkelret på den er matrixegenskaberne mere udprægede. Viden om denne anisotrope opførsel er nødvendig 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 anisotropien i et materiale overses eller ikke kendes, kan det give store problemer i det endelige produkt. F.eks. kan plane overflader bøje, eller endnu værre, danne revner eller gå i stykker.
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 er 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 fiberretningen og 90° i forhold til fiberretningen.
Prøverne blev målt med den nye TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Efter et indledende afkølingstrin blev temperaturen øget fra -70 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), som beregner hældningen mellem to datapunkter. Alle målebetingelser er opsummeret i følgende tabel:
Tabel 1: Målebetingelser
| Prøveholder | Ekspansion, lavet af SiO2 |
| Belastning af prøve | 50 mN |
| Atmosfære | N2 |
| Gasstrømningshastighed | 50 ml/min |
| Temperaturområde | -70...300°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 blanding af matrixen og fibrene i den. Derfor varierer CTE for disse materialer betydeligt afhængigt af retningen. Måleresultaterne af CTE for PP-GF i de to forskellige fiberretninger er vist i diagrammet nedenfor. Den røde kurve viser målingen i fiberretningen 0°. Den lave 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. Det viser en meget højere CTE og udviser den kendte GlasovergangstemperaturGlasovergangen er en af de vigtigste egenskaber ved amorfe og semikrystallinske materialer, f.eks. uorganiske glas, amorfe metaller, polymerer, lægemidler og fødevareingredienser osv. og beskriver det temperaturområde, hvor materialernes mekaniske egenskaber ændres fra hårde og sprøde til mere bløde, deformerbare eller gummiagtige.glasovergang (Tg) for polypropylen ved -7 °C, som ikke kan observeres i den røde kurve.
I matricen følger den dominerede retning af CTE for en komposit blandingens regel:
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° fiberretning er den samme som αf og CTE for polypropylenmatrixen, αm= 1,6×10-4K-1 (ikke målt her), beregnes glasfibervolumenfraktionen i den målte komposit som.
Undersøgelsen viste, hvor vigtigt det er at analysere varmeudvidelseskoefficienten for højtydende kompositmaterialer baseret på fiberretningen.
Hvis du er interesseret i at finde ud af mere om termomekanisk analyse og dens anvendelsesområder, kan du besøge www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
