12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Γιατί η γνώση για την ανισοτροπία είναι κρίσιμη κατά το σχεδιασμό σύνθετων εξαρτημάτων υψηλής απόδοσης
Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες, τα οποία συνδυάζουν τις ιδιότητες των ινών και μιας πολυμερικής μήτρας, υπάρχουν εδώ και δεκαετίες. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι ενσωμάτωσης των ινών στη θερμοπλαστική μήτρα - τυχαία προσανατολισμένες ίνες, μονοκατευθυντικές συνεχείς ίνες ή πολυκατευθυντικό ύφασμα. Ο προσανατολισμός των προστιθέμενων ινών παίζει σημαντικό ρόλο όσον αφορά τις ιδιότητες του τεμαχίου. Μάθετε γιατί η ανισοτροπική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού είναι ευνοϊκή και πώς να τη μετρήσετε με το TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 τους. 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 που καθιστά τα σύνθετα υλικά με μήτρα ινών πολύ 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 (PP) 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 είναι, π.χ., θήκες και δίσκοι, 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 μονής 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 σύγκριση με το καθαρό πολυμερές, η προσθήκη προσανατολισμένων ινών σε μια προτιμώμενη κατεύθυνση αυξάνει σημαντικά τις επιδόσεις σε αυτή τη διεύθυνση του εξαρτήματος. Αυτός ο προτιμησιακός προσανατολισμός προσδίδει στο σύνθετο υλικό ανισοτροπικές ιδιότητες, δηλαδή οι ιδιότητες στον 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 είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό και την παραγωγή αυτών των σύνθετων στοιχείων. Αν και η ανισοτροπία των μηχανικών ιδιοτήτων είναι το πρώτο πράγμα που έχει ο καθένας στο μυαλό του, η συμπεριφορά διαστολής του υλικού διαφέρει επίσης ανάλογα με τη διεύθυνση των ινών.
Όταν η ανισοτροπία ενός υλικού παραβλέπεται ή δεν είναι γνωστή, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στο τελικό προϊόν. Για παράδειγμα, οι επίπεδες επιφάνειες μπορεί να λυγίσουν ή, ακόμη χειρότερα, να σχηματίσουν ρωγμές ή να σπάσουν.
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 πολυμερών ενισχυμένων με ίνες, μπορούν να προσδιοριστούν σε διαφορετικές κατευθύνσεις του υλικού. Για τη μελέτη αυτή, παρασκευάστηκαν δείγματα 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 είναι 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 των ινών και 90° προς τη διεύθυνση των ινών.
Τα δείγματα μετρήθηκαν με το νέο TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Μετά από ένα αρχικό βήμα ψύξης, η θερμοκρασία αυξήθηκε από τους -70 στους 140°C με ρυθμό θέρμανσης 5 K/min. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την ανάλυση μέσης 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), η οποία υπολογίζει την κλίση μεταξύ δύο σημείων δεδομένων. Όλες οι συνθήκες μέτρησης συνοψίζονται στον ακόλουθο πίνακα:
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Δοχείο δείγματος | Διαστολή, από SiO2 |
| Φορτίο δείγματος | 50 mN |
| Ατµόσφαιρα | N2 |
| Ροή αερίου | 50 ml/min |
| Εύρος θερμοκρασίας | -70...300°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 ένα μείγμα μεταξύ της μήτρας και των ινών που περιέχονται σε αυτήν. Ως εκ τούτου, 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 αυτών των υλικών διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την κατεύθυνση. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων της CTE για το PP-GF στις δύο διαφορετικές κατευθύνσεις των ινών παρουσιάζονται στο παρακάτω διάγραμμα. Η κόκκινη καμπύλη απεικονίζει τη μέτρηση στην κατεύθυνση 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. Το ίδιο υλικό που μετρήθηκε 90° προς τη διεύθυνση των ινών (μαύρη καμπύλη), κυριαρχείται από τη μήτρα πολυπροπυλενίου. Παρουσιάζει πολύ υψηλότερο CTE και παρουσιάζει τη γνωστή υαλώδη μετάβαση (Tg) του πολυπροπυλενίου στους -7°C, που 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 αf και ο CTE της μήτρας πολυπροπυλενίου, αm= 1,6×10-4K-1 (δεν μετρήθηκε εδώ), το κλάσμα όγκου ινών γυαλιού στο μετρούμενο σύνθετο υπολογίζεται ως εξής.
Η μελέτη έδειξε τη σημασία της ανάλυσης του συντελεστή θερμικής διαστολής των σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης με βάση τη διεύθυνση των ινών.
Εάν ενδιαφέρεστε να μάθετε περισσότερα για τη θερμομηχανική ανάλυση και τους τομείς εφαρμογής της, επισκεφθείτε την ιστοσελίδα www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
Neue Materialien Bayreuth GmbH
ΗNeue Materialien Bayreuth GmbH είναι μια μη ακαδημαϊκή εταιρείαarch που αναπτύσσει διάφορα νέα υλικά για ελαφρές 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.
