Johdanto
Täyteaineilla on jo pitkään ollut tärkeä rooli polymeerien valmistusteollisuudessa. Aluksi niitä lisättiin materiaalien hintojen alentamiseksi, mutta nykyään niitä käytetään pääasiassa niiden muiden etujen vuoksi: Täyteaineilla voidaan vähentää kutistumista, lisätä jäykkyyttä ja joskus parantaa ulkonäköä. Täyteaineita käytetään joko uusien materiaaliominaisuuksien luomiseksi, joita matriisimateriaalilla ei ole, kuten palonesto, tai olemassa olevien ominaisuuksien parantamiseksi, kuten kuitujen tapauksessa.
Kun mitataan, miten täytetty materiaali muuttuu pituudeltaan lämmitettäessä tai jäähdytettäessä, tärkeä ominaisuus, joka on otettava huomioon, on lämpölaajenemiskerroin α eli Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE (lämpölaajenemiskerroin). Tietoa materiaalin käyttäytymisestä tässä suhteessa tarvitaan suunnittelun kannalta ratkaisevien arvojen, kuten kutistuman, määrittämiseksi, jotta voidaan varmistaa liitoskumppaneiden yhteensopivuus lopputuotteessa.
Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE on kuitenkin herkkä täyteaineen suuntaukselle valettavassa kappaleessa. Tämä suuntaus riippuu voimakkaasti virtauskentästä, joka kuvaa, miten materiaali täyttää muotin. Sen vuoksi valukappaleessa on odotettavissa erilaisia Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-arvoja. Tässä artikkelissa pyritään tutkimaan tätä oletusta. Tätä tutkimusta varten ruiskuvalettiin Neue Materialien Bayreuthissa 80 x 80 mm:n ja 2 mm:n paksuiseen levymuottiin matalaviskoosista PEEK-hartsia, jossa oli 40 tilavuusprosenttia lyhyitä hiilikuituja. Kalvoporttia käytettiin tasaisemman virtausrintaman aikaansaamiseksi ja kuitujen rikkoutumisen vähentämiseksi, jota voisi tapahtua ohuemmalla portilla. Materiaalia kuivattiin 150 °C:ssa 3 tuntia ennen kuin se ruiskuvalettiin 410 °C:n sulatuslämpötilassa 175 °C:n muottiin.
Tietolomakkeen mukaan Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste on 343 °C ja lasittumispiste, Tg, 143 °C. Sulan viskositeetti 400 °C:ssa on niinkin alhainen kuin 300 Pas. Lämpölaajenemiskerroin α on esitetty taulukossa 2. Tyypillisesti tietolehden mittaukset suoritetaan dogbone-koekappaleella, jotka on tyypillisesti valettu myös kalvoportilla. Sen paksuus on 4 mm ja kokonaispituus 185 mm. Koska täyteaineen suuntautuminen riippuu voimakkaasti virtauskentästä, on todennäköistä, että tuloksena oleva täyteaineen suuntautuminen on erilainen Neue Materialien Bayreuthin muotissa kuin muotissa, jota käytettiin tietolehdessä olevien ominaisuuksien määrittämiseen. Kuten jo mainittiin, lämpölaajenemiskerroin on herkkä täyteaineen suuntautumiselle, ja Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE:n arvot ovat odotettavissa erilaisina levyssä ja lisäksi levyn eri alueilla.
Miten sula materiaali virtaa muottiin?
Kuvassa 2 on kaaviokuva näytelevystä (a); lisäksi siinä on esitetty nopeusprofiili kappaleen paksuuden yli sekä suihkulähdevirtaus sulan etupuolella (b) ja tuloksena oleva kuitujen suuntautuminen (c). Nopeusgradientin vuoksi kuituihin vaikuttavat erilaiset voimat ja momentit, jotka johtavat kuitujen tyypilliseen suuntautumiseen kappaleessa. Kappaleen keskellä kuidut ovat suuntautuneet kohtisuoraan virtaussuuntaan nähden, mikä johtuu venytys- ja poikittaisvirtauksesta. Seinämän tai jäätyneen kerroksen korkeiden leikkausnopeuksien vuoksi kuidut ovat suuntautuneet virtauksen suuntaisesti. Tämän voimakkaasti suuntautuneen kerroksen paksuus riippuu jäätyneen kerroksen paksuudesta ja nopeusprofiilista.
Miten kokeen näytteet valmistettiinja mitattiin?
TMA-mittauksia varten osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing leikattiin 25 x 5 mm:n kokoisia näytteitä levyn eri alueilta kuvan 3 a) mukaisesti, jotta voitiin tutkia kuitujen suuntauksen vaikutusta lämpölaajenemiskertoimeen. Odotettu hallitseva kuitujen suuntaus on esitetty näytteissä, jotka on esitetty kuvassa 3(b). Näytteet mitattiin TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition -laitteella (kuva 1). Alkujäähdytysvaiheen jälkeen lämpötilaa nostettiin -70 °C:sta 300 °C:seen lämmitysnopeudella 5 K/min. Lämpölaajenemiskerroin laskettiin käyttämällä keskimääräistä Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-analyysiä (m. CTE), joka laskee kahden datapisteen välisen kaltevuuden. Taulukossa 1 on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista.
Taulukko 1: Testiolosuhteet
| Näytteenpidin | Paisunta, valmistettu SiO2:sta |
| Näytteen kuormitus | 50 mN |
| Ilmakehä | N2 |
| Kaasun virtausnopeus | 50 ml/min |
| Lämpötila-alue | -70 ... 300 °C lämmitysnopeudella 5 K/min |
Miten lämpölaajeneminen korreloi virtauskentän kanssa?
Tulokset esitetään kuvassa 4. Sininen viiva on näyte 2, punainen viiva näyte 1 ja vihreä viiva näyte 3. Odotetusti CTE on Tg:n yläpuolella suurempi kuin Tg:n alapuolella; näissä näytteissä se on noin kaksinkertainen. Näytteen 3 CTE-arvot ovat alhaisimmat ja näytteen 2 korkeimmat. Näyte 1 on näiden välissä. Sama suuntaus näytteiden välillä on havaittavissa Tg:n osalta. Näytteen 2 - jota matriisin käyttäytyminen hallitsee enemmän muihin näytteisiin verrattuna - Tg on sama 143 °C, joka on mainittu tietolehdessä (mitattu DSC:llä). Näytteen 1, jossa kuitujen vaikutus CTE:hen on suurempi, Tg on korkeampi, 152 °C; tämä osoittaa kuitujen tuoman suuremman jäykkyyden. Tämä voidaan havaita TMA:lla, koska se mittaa mekaanista vastetta. Näyte 3 on vahvasti kuitujen hallitsema, ja siksi Tg-arvo on tuskin havaittavissa, eikä sitä analysoitu.
Verrattaessa kolmen näytteen mittauksia tietolomakkeen arvoihin voidaan havaita, että näytteiden erilaiset paksuudet ja kokonaisgeometriat johtavat todellakin erilaisiin CTE-arvoihin. Virtaussuuntainen CTE on kaikissa näytteissä korkeampi kuin teknisessä selvityksessä. Tämä tarkoittaa, että on erittäin tärkeää saada CTE-arvot näytteistä, joiden muoto ja geometria vastaavat lopputuotteen arvoja. Muuten suunnittelun kannalta olennaiset parametrit, kuten kutistuma tai liitoskumppaneiden yhteensopivuus, ennustetaan liian suuriksi tai liian pieniksi.
CTE-mittauksista sekä virtauskentässä olevien kuitujen suuntautumista koskevasta teoriasta voidaan päätellä näytteiden hallitseva kuitujen suuntautuminen; ks. kuva 3 b). Voidaan nähdä, että näytteiden ohuudesta johtuen jäätyneen kerroksen vaikutus näyttää olevan hallitseva näytteissä 2 ja 3. Näytteet 2 ja 3 eivät ole niin ohuita kuin näytteet. Suurin osa kuiduista on suuntautunut virtaussuuntaan x. Tämän vuoksi näytteestä 3 saadaan alhaisimmat CTE-arvot (mittaus virtaus- ja kuitusuunnassa) ja näytteestä 2 korkeimmat arvot (mittaus kohtisuoraan virtaus- ja kuitusuuntaan nähden). Näyte 1 on näiden kahden välissä, koska suihkulähdevirtauksen vaikutus on edelleen suurin tällä alueella johtuen sen läheisyydestä kalvoporttiin ja siitä, että kuitujen suuntaus seuraa ympyränmuotoista virtausta sulan etupuolella.
Taulukossa 2 esitetään yhteenveto tuloksena saaduista Tgs-arvoista.
Taulukko 2: Yhteenveto tuloksena saaduista Tgs
| Näyte 1 (punainen) | Näyte 2 (sininen) | Näyte 3 (vihreä) | Valmistajan tietolehti | |
|---|---|---|---|---|
| Tg [°C] | 152 | 143 | - | 143 |
Yhteenveto
Tutkimus osoitti, että on tärkeää analysoida täytettyjen materiaalien lämpölaajenemiskerrointa täyteaineen suuntauksen perusteella, johon virtauskenttä vaikuttaa ruiskuvalun aikana.
Kuittaus
Haluamme kiittää Neue Materialien Bayreuth GmbH:ta näytteiden toimittamisesta.
Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH on ei-akateeminen tutkimusyritys, joka kehittää erilaisia uusia materiaaleja kevytrakenteisiin polymeereistä ja kuituvahvisteisista komposiiteista metalleihin, mukaan luettuna myös käsittely. Se tarjoaa sovellussuuntautuneita ratkaisuja optimoimalla käytettävissä olevia materiaaleja ja tuotantoprosesseja(https://www.nmbgmbh.de/en/).