Johdanto
Kuituvahvisteisia komposiittimateriaaleja, joissa yhdistyvät kuitujen ja polymeerimatriisin ominaisuudet, on käytetty jo vuosikymmeniä. Kuitu-matriisikomposiitit ovat jäykempiä, niillä on hyvä lujuus-painosuhde ja paljon pienempi TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys kuin niiden metallisilla vastineilla. Tämä tekee niistä jopa 60 prosenttia kevyempiä kuin esimerkiksi teräs, mikä on erittäin toivottava ominaisuus, kun on kyse liikkuvuusalan ja erityisesti autoteollisuuden komponenteista, joissa painon vähentäminen on tärkeää polttoainetehokkuuden parantamiseksi tai sähköautojen toimintasäteen pidentämiseksi. Toinen kuitumatriisikomposiittien etu, joka tekee niistä erittäin kiinnostavia autoteollisuudessa, on niiden korroosionkestävyys. Lasikuiduilla vahvistettujen kestomuovimatriisikomposiittien TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys on suurempi ja moduuli alhaisempi kuin hiilikuituvahvisteisten komposiittien, mutta niiden kustannukset ovat paljon alhaisemmat, mikä on tärkeä tekijä autoteollisuudelle. Polypropeenia (PP) käytetään laajalti autojen osissa sekä puhtaana materiaalina että lyhyillä ja jatkuvilla kuiduilla vahvistettuna, koska sen mekaaniset ominaisuudet ovat erinomaiset, se on muovattavissa ja se on edullinen. Käyttökohteita ovat muun muassa kotelot ja lokerot, puskurit, lokasuojien vuoraukset, sisätilojen verhoilut, instrumenttipaneelit ja oviverhoilut. Muita PP:n myönteisiä ominaisuuksia ovat korkea kemikaalien kestävyys, hyvä säänkestävyys, käsiteltävyys ja isku- ja jäykkyystasapaino, mikä selittää, miksi se on yksi markkinoiden yleisimmin käytetyistä polymeereistä.
Kvasi-isotrooppiset ja anisotrooppiset komposiitit
Kuitu voidaan sisällyttää lämpömuovimatriisiin eri tavoin - satunnaisesti suuntautuneilla kuiduilla, yksisuuntaisilla jatkuvilla kuiduilla tai monisuuntaisella kankaalla, ks. kuva 1. Lisättyjen kuitujen suuntauksella on tärkeä merkitys osan ominaisuuksien kannalta.
Vaikka satunnaisesti suuntautuneet kuidut lisäävät lujuutta ja jäykkyyttä jonkin verran puhtaaseen polymeeriin verrattuna, suuntautuneiden kuitujen lisääminen etusuunnassa lisää merkittävästi osan suorituskykyä tässä suunnassa. Tämä etusuuntainen suuntaus antaa komposiitille anisotrooppiset ominaisuudet, eli kuitujen suuntauksessa ominaisuudet hallitsevat kuitujen ominaisuuksia ja kohtisuorassa siihen nähden matriisin ominaisuudet korostuvat. Tieto tästä anisotrooppisesta käyttäytymisestä on edellytys näiden komposiittikomponenttien suunnittelulle ja valmistukselle. Vaikka mekaanisten ominaisuuksien anisotrooppisuus on ensimmäinen asia, jota kaikki ajattelevat, myös materiaalin laajenemiskäyttäytyminen eroaa kuitusuunnasta riippuen. Kun materiaalin anisotropiaa ei oteta huomioon tai sitä ei tunneta, se voi aiheuttaa suuria ongelmia lopputuotteessa. Esimerkiksi tasopinnat voivat vääntyä tai, mikä vielä pahempaa, niihin voi muodostua halkeamia tai murtumia.
Termomekaaninen analyysi - menetelmä komposiittien anisotropian määrittämiseksi
Lämpömekaanisen analyysin (TMA) avulla voidaan määrittää kuituvahvisteisten polymeerien mittamuutokset ja siten myös Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE eri materiaalisuunnissa. Tätä tutkimusta varten näytteet valmistettiin Neue Materialien Bayreuthissa. Kolme PP-GF UD -nauhan kerrosta pinottiin päällekkäin ja esikonsolidoitiin kaksoishihnapuristimessa kolmella lämmitysalueella 180-190 °C:n lämpötilassa. Tämän jälkeen aihio esilämmitettiin 10 minuutin ajan konvektiouunissa ja siirrettiin kuumapuristimeen, jonka muotin lämpötila oli 80 °C. Tämän jälkeen aihio esilämmitettiin 80 °C:n lämpötilassa. Siellä käytettiin 10 baarin painetta 5 minuutin ajan jähmettymisen aikana. Tuloksena saatiin 1 mm:n paksuus. Vaikka nauhan keskimääräinen kuitujen tilavuuspitoisuus on 45 tilavuusprosenttia, levyn paikalliset vaihtelut mitattiin 40-50 tilavuusprosentin GF:n välillä. TMA-mittauksia varten osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing levystä leikattiin 25 x 5 mm:n kokoisia näytteitä kahdesta eri suunnasta: 0° kuitusuuntaan nähden ja 90° kuitusuuntaan nähden.
Näytteet mitattiin uudella TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition -laitteella (kuva 2). Alkujäähdytyksen jälkeen lämpötila nostettiin -70 °C:sta 140 °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. Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE NETZSCH analyysiohjelmistossa), joka laskee kahden datapisteen välisen kaltevuuden. Taulukossa 1 on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Näytteen pidike | Paisunta, valmistettu SiO2:sta |
| Näytteen kuormitus | 50 mN |
| Ilmakehä | N2 |
| Kaasun virtausnopeus | 50 ml/min |
| Lämpötila-alue | -70°C ... 140°C lämmitysnopeudella 5 K/min |
Esimerkki: PP-GF-UD:n anisotropia
Tällä materiaalilla on erilaiset Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE-arvot riippuen siitä, mihin suuntaan materiaalia mitataan. Tällaisten komposiittien Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.CTE on matriisin ja sen sisältämien kuitujen CTE:n yhdistelmä. Tämän vuoksi tällaisten materiaalien CTE vaihtelee huomattavasti suunnasta riippuen. Kuvassa 3 esitetään PP-GF:n CTE:n mittaustulokset kahdessa eri kuitusuunnassa. Punainen käyrä kuvaa mittausta kuitusuunnassa 0°. Alhainen CTE-arvo on lasin CTE:n alueella ja osoittaa, että tätä mittaussuuntaa hallitsee lasikuitujen alhainen lämpölaajeneminen. Samaa materiaalia mitattuna 90° kuitusuuntaan nähden (musta käyrä) hallitsee polypropeenimatriisi. Sen CTE on paljon korkeampi, ja siinä on polypropeenin tunnettu lasisiirtymä (Tg) -7 °C:ssa, mikä ei ole havaittavissa punaisessa käyrässä.
Matriisissa komposiitin CTE:n hallitseva suunta noudattaa seossääntöä:
Kun α on Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE/CTE)Lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CLTE) kuvaa materiaalin pituuden muutosta lämpötilan funktiona.lineaarinen lämpölaajenemiskerroin (CTE), v on tilavuusosuus ja indeksit f ja m kuvaavat kuituja ja matriisia. Jos oletetaan, että mitattu CTE 0°:n kuitusuunnassa on sama kuin αf ja polypropeenimatriisin CTE vastaa αm= 1,6 - 10-4K-1 (ei mitattu tässä), lasikuidun tilavuusosuus mitatussa komposiitissa lasketaan seuraavasti:
Yhteenveto
Tutkimus osoitti, että on tärkeää analysoida lämpölaajenemiskerrointa kuitusuuntaan perustuvien korkean suorituskyvyn komposiittimateriaalien osalta.
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.