Εισαγωγή
Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες, τα οποία συνδυάζουν τις ιδιότητες των ινών και μιας πολυμερικής μήτρας, υπάρχουν εδώ και δεκαετίες. Τα σύνθετα υλικά με μήτρα ινών είναι πιο δύσκαμπτα, έχουν μεγάλη απόδοση αντοχής προς βάρος και έχουν πολύ χαμηλότερη πυκνότητα από τα αντίστοιχα μεταλλικά υλικά. Αυτό τα καθιστά έως και 60% ελαφρύτερα από, για παράδειγμα, τον χάλυβα- ένα πολύ επιθυμητό χαρακτηριστικό όταν πρόκειται για εξαρτήματα για τον τομέα της κινητικότητας και ειδικότερα για την αυτοκινητοβιομηχανία, όπου η μείωση του βάρους είναι σημαντική για τη βελτίωση της απόδοσης καυσίμου ή την επέκταση της εμβέλειας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Ένα άλλο πλεονέκτημα των σύνθετων υλικών με μήτρα ινών που τα καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για την αυτοκινητοβιομηχανία είναι η αντοχή τους στη διάβρωση. Τα σύνθετα υλικά θερμοπλαστικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες γυαλιού έχουν υψηλότερη πυκνότητα και χαμηλότερο μέτρο ελαστικότητας από τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, αλλά έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος, γεγονός που αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την αυτοκινητοβιομηχανία. Το πολυπροπυλένιο (ΡΡ) ως καθαρό υλικό, αλλά και με ενίσχυση με κοντές και συνεχείς ίνες, χρησιμοποιείται ευρέως για εξαρτήματα αυτοκινήτων λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων του, της δυνατότητας μορφοποίησης και του χαμηλού κόστους. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν θήκες και διαμερίσματα, προφυλακτήρες, επενδύσεις φτερών, εσωτερικές επενδύσεις, πίνακες οργάνων και επενδύσεις θυρών. Άλλα θετικά χαρακτηριστικά του PP είναι η υψηλή χημική αντοχή, η καλή μετεωρολογία, η δυνατότητα επεξεργασίας και η ισορροπία κρούσης/καμψίας, γεγονός που εξηγεί γιατί είναι ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα πολυμερή στην αγορά.
Οιονεί ισοτροπικά και ανισότροπα σύνθετα υλικά
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ενσωμάτωσης της ίνας στη θερμοπλαστική μήτρα - τυχαία προσανατολισμένες ίνες, συνεχείς ίνες μιας κατεύθυνσης ή ύφασμα πολλαπλών κατευθύνσεων- βλέπε Σχήμα 1. Ο προσανατολισμός των προστιθέμενων ινών παίζει σημαντικό ρόλο όσον αφορά τις ιδιότητες του τεμαχίου.
Ενώ οι τυχαία προσανατολισμένες ίνες αυξάνουν σε κάποιο βαθμό την αντοχή και τη δυσκαμψία σε σχέση με το καθαρό πολυμερές, η προσθήκη προσανατολισμένων ινών σε μια προτιμώμενη κατεύθυνση αυξάνει σημαντικά την απόδοση του τεμαχίου σε αυτή την κατεύθυνση. Αυτός ο προτιμησιακός προσανατολισμός προσδίδει στο σύνθετο υλικό ανισοτροπικές ιδιότητες, δηλαδή οι ιδιότητες κατά τον προσανατολισμό των ινών κυριαρχούνται από τις ιδιότητες των ινών και κάθετα σε αυτόν, οι ιδιότητες της μήτρας είναι πιο έντονες. Η γνώση αυτής της ανισοτροπικής συμπεριφοράς αποτελεί προϋπόθεση για τον σχεδιασμό και την παραγωγή αυτών των σύνθετων στοιχείων. Αν και η ανισοτροπία των μηχανικών ιδιοτήτων είναι το πρώτο πράγμα που όλοι σκέφτονται, η συμπεριφορά διαστολής του υλικού διαφέρει επίσης ανάλογα με τη διεύθυνση των ινών. Όταν η ανισοτροπία ενός υλικού παραβλέπεται ή δεν είναι γνωστή, αυτό μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στο τελικό προϊόν. Για παράδειγμα, οι επίπεδες επιφάνειες μπορεί να λυγίσουν ή, ακόμη χειρότερα, μπορεί να δημιουργηθούν ρωγμές ή σπασίματα.
Θερμομηχανική ανάλυση - Μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της ανισοτροπίας στα σύνθετα υλικά
Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της θερμομηχανικής ανάλυσης (TMA), οι αλλαγές διαστάσεων και, επομένως, η Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE των ινοπλισμένων πολυμερών μπορούν να προσδιοριστούν σε διαφορετικές κατευθύνσεις του υλικού. Για την παρούσα μελέτη, τα δείγματα παρασκευάστηκαν στο Neue Materialien Bayreuth. Τρεις στρώσεις μιας ταινίας PP-GF UD στοιβάχτηκαν η μία πάνω στην άλλη και προ-συμπυκνώθηκαν σε μια πρέσα διπλού ιμάντα σε τρεις ζώνες θέρμανσης από 180-190°C. Στη συνέχεια, το κενό προθερμάνθηκε σε φούρνο συναγωγής για 10 λεπτά και μεταφέρθηκε σε θερμή πρέσα με θερμοκρασία καλουπιού 80°C. Εκεί εφαρμόστηκε πίεση 10 bar για 5 λεπτά κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης. Το πάχος που προέκυψε ήταν 1 mm. Ενώ η ταινία έχει μέση περιεκτικότητα σε όγκο ινών 45 vol%, οι τοπικές διακυμάνσεις στην πλάκα μετρήθηκαν μεταξύ 40-50 vol% GF. Για τις μετρήσεις TMA στο NETZSCH Analyzing & Testing, κόπηκαν από την πλάκα δείγματα 25 x 5 mm σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις: 0° προς τη διεύθυνση της ίνας και 90° προς τη διεύθυνση της ίνας.
Τα δείγματα μετρήθηκαν με το νέο TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (εικόνα 2). Μετά από ένα αρχικό στάδιο ψύξης, η θερμοκρασία αυξήθηκε από τους -70°C στους 140°C με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής υπολογίστηκε με τη χρήση της μέσης ανάλυσης Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE (m. Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE στο λογισμικό ανάλυσης NETZSCH ), η οποία υπολογίζει την κλίση μεταξύ δύο σημείων δεδομένων. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Δοχείο δείγματος | Επέκταση, από SiO2 |
| Φορτίο δείγματος | 50 mN |
| Ατµόσφαιρα | N2 |
| Ροή αερίου | 50 ml/min |
| Εύρος θερμοκρασίας | -70°C ... 140°C με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min |
Παράδειγμα: PP-GF-UD
Αυτό το υλικό παρουσιάζει διαφορετικές CTEs ανάλογα με την κατεύθυνση μέτρησης του υλικού. Το Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE αυτού του είδους των σύνθετων υλικών είναι ένας συνδυασμός μεταξύ του Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE της μήτρας και του CTE των ινών που περιέχονται σε αυτήν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η CTE τέτοιων υλικών διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την κατεύθυνση. Στο σχήμα 3 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων της CTE για το PP-GF στις δύο διαφορετικές κατευθύνσεις των ινών. Η κόκκινη καμπύλη απεικονίζει τη μέτρηση στη διεύθυνση των ινών 0°. Η χαμηλή τιμή CTE βρίσκεται στην περιοχή της CTE του γυαλιού και δείχνει ότι σε αυτή τη διεύθυνση μέτρησης κυριαρχεί η χαμηλή θερμική διαστολή των ινών γυαλιού. Στο ίδιο υλικό, η μέτρηση 90° προς τη διεύθυνση των ινών (μαύρη καμπύλη) κυριαρχείται από τη μήτρα πολυπροπυλενίου. Παρουσιάζει πολύ υψηλότερη CTE και παρουσιάζει τη γνωστή υαλώδη μετάβαση (Tg) του πολυπροπυλενίου στους -7°C, η οποία δεν παρατηρείται στην κόκκινη καμπύλη.
Στη μήτρα, η κυρίαρχη κατεύθυνση της CTE ενός σύνθετου υλικού ακολουθεί τον κανόνα της μίξης:
Όπου α είναι ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CTE), v είναι το κλάσμα όγκου και οι δείκτες f και m υποδηλώνουν τις ίνες και τη μήτρα, αντίστοιχα. Υποθέτοντας ότι ο μετρούμενος CTE στη διεύθυνση των ινών 0° είναι ο ίδιος με το αf και ο CTE της μήτρας πολυπροπυλενίου αντιστοιχεί σε αm= 1,6 - 10-4K-1 (δεν μετράται εδώ), το κλάσμα όγκου ινών γυαλιού στο μετρούμενο σύνθετο υπολογίζεται ως εξής:
Περίληψη
Η μελέτη έδειξε τη σημασία της ανάλυσης του συντελεστή θερμικής διαστολής για σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης με βάση τη διεύθυνση των ινών.
Επιβεβαίωση
Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την Neue Materialien Bayreuth GmbH για την παροχή των δειγμάτων.
Neue Materialien Bayreuth GmbH
ΗNeue Materialien Bayreuth GmbH είναι μια μη ακαδημαϊκή εταιρείαarch που αναπτύσσει διάφορα νέα υλικά για ελαφριές κατασκευές, από πολυμερή και σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες μέχρι μέταλλα, συμπεριλαμβανομένης και της επεξεργασίας. Παρέχει λύσεις προσανατολισμένες στην εφαρμογή, βελτιστοποιώντας τα διαθέσιμα υλικά και τις διαδικασίες παραγωγής.