12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Miksi tieto anisotropiasta on ratkaisevaa korkean suorituskyvyn komposiittiosien suunnittelussa?
Kuituvahvisteisia komposiittimateriaaleja, joissa yhdistyvät kuitujen ja polymeerimatriisin ominaisuudet, on käytetty jo vuosikymmeniä. Kuitu voidaan sisällyttää lämpömuovimatriisiin eri tavoin - satunnaisesti suuntautuneina kuituina, yksisuuntaisina jatkuvina kuituina tai monisuuntaisina kankaina. Lisättyjen kuitujen suuntauksella on tärkeä merkitys osan ominaisuuksien kannalta. Opi, miksi komposiitin anisotrooppinen käyttäytyminen on suotuisaa ja miten sitä mitataan TMA 402 F3 Hyperion® Polymeeripainos.
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 etu, joka tekee kuitumatriisikomposiiteista erittäin kiinnostavia autoteollisuuden kannalta, 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 autoteollisuuden osissa sekä puhtaana että lyhyillä ja jatkuvilla kuiduilla vahvistettuna sen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien, muovattavuuden ja alhaisen hinnan vuoksi. Käyttökohteita ovat esimerkiksi kotelot ja lokerot, puskurit, lokasuojien vuoraukset, sisätilojen verhoilut, kojelaudat ja ovien verhoilut. Muita PP:n myönteisiä ominaisuuksia ovat korkea kemikaalien kestävyys, hyvä säänkestävyys, prosessoitavuus 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 suuntautuneina kuituina, yksisuuntaisina jatkuvina kuituina tai monisuuntaisina kankaina, ks. kuva 1. Lisättyjen kuitujen suuntauksella on tärkeä merkitys osan ominaisuuksien kannalta. Satunnaisesti suuntautuneet kuidut lisäävät jonkin verran lujuutta ja jäykkyyttä verrattuna puhtaaseen polymeeriin, mutta suuntautuneiden kuitujen lisääminen johonkin ensisijaiseen suuntaan lisää merkittävästi suorituskykyä kyseisessä osan suunnassa. Tämä preferentiaalinen suuntautuminen antaa komposiitille anisotrooppiset ominaisuudet, eli kuitujen suuntautumisessa ominaisuudet hallitsevat kuitujen ominaisuuksia ja kohtisuorassa siihen nähden matriisiominaisuudet korostuvat. Tämän anisotrooppisen käyttäytymisen tuntemus on tarpeen näiden komposiittikomponenttien suunnittelussa ja tuotannossa. Vaikka mekaanisten ominaisuuksien anisotrooppisuus on ensimmäisenä kaikkien mielessä, myös materiaalin laajenemiskäyttäytyminen eroaa kuitusuunnasta riippuen.
Kun materiaalin anisotropiaa ei huomioida tai sitä ei tunneta, se voi aiheuttaa suuria ongelmia lopputuotteessa. Esimerkiksi tasopinnat voivat vääntyä tai, mikä vielä pahempaa, muodostaa halkeamia tai murtua.
Termomekaaninen analyysi - menetelmä komposiittien anisotropian määrittämiseksi
Lämpömekaanisen analyysin (TMA) avulla voidaan määrittää kuituvahvisteisten polymeerien mittamuutokset ja siten 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 konvektiouunissa 10 minuutin ajan ja siirrettiin kuumapuristimeen, jonka muotin lämpötila oli 80 °C. Tämän jälkeen aihio kuumapuristettiin 80 °C:n lämpötilassa. Siellä käytettiin 10 baarin painetta 5 minuutin ajan jähmettymisen aikana. Tuloksena on 1 mm:n paksuus. Vaikka nauhan keskimääräinen kuitujen tilavuuspitoisuus on 45 tilavuusprosenttia, levyn paikalliset vaihtelut mitattiin välillä 40-50 tilavuusprosenttia GF.
TMA-mittauksia varten osoitteessa NETZSCH Analyzing & Testing levystä leikattiin 25 x 5 mm:n kokoisia näytteitä kahdesta eri suunnasta: 0° kuidun suuntaan ja 90° kuidun suuntaan nähden.
Näytteet mitattiin uudella TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition-laitteella. Alkujäähdytysvaiheen jälkeen lämpötilaa nostettiin -70 °C:sta 140 °C:een 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), joka laskee kahden datapisteen välisen kaltevuuden. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kaikista mittausolosuhteista:
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Näytteen pidin | Paisunta, valmistettu SiO2:sta |
| Näytteen kuormitus | 50 mN |
| Ilmakehä | N2 |
| Kaasun virtausnopeus | 50 ml/min |
| Lämpötila-alue | -70...300°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 välinen sekoitus. Siksi näiden materiaalien CTE-arvot vaihtelevat huomattavasti suunnasta riippuen. PP-GF:n CTE:n mittaustulokset kahdessa eri kuitusuunnassa on esitetty alla olevassa kuvaajassa. 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, jota 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° kuidun suunnassa on sama kuin αf ja polypropyleenimatriisin CTE αm= 1,6×10-4K-1 (ei mitattu tässä), lasikuidun tilavuusosuus mitatussa komposiitissa lasketaan seuraavasti.
Tutkimus osoitti, että on tärkeää analysoida korkean suorituskyvyn komposiittimateriaalien lämpölaajenemiskerrointa kuitusuunnan perusteella.
Jos haluat lisätietoja termomekaanisesta analyysistä ja sen sovellusalueista, käy osoitteessa www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
