Bevezetés
A szálerősítésű kompozit anyagok, amelyek a szálak és a polimer mátrix tulajdonságait ötvözik, már évtizedek óta ismertek. A szálmátrixos kompozitok merevebbek, nagyszerű szilárdság-tömeg aránnyal rendelkeznek, és sokkal kisebb a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségük, mint fém társaiknak. Ezáltal akár 60%-kal könnyebbek, mint például az acél; ez nagyon kívánatos tulajdonság a mobilitási ágazatban és különösen az autóiparban használt alkatrészek esetében, ahol a súlycsökkentés fontos az üzemanyag-hatékonyság javítása vagy az elektromos autók hatótávolságának növelése szempontjából. A szálmátrixú kompozitok másik előnye, amely miatt az autóiparban nagy érdeklődésre tartanak számot, a korrózióval szembeni ellenállásuk. Az üvegszállal erősített hőre lágyuló mátrixú kompozitok sűrűsége nagyobb és modulusuk alacsonyabb, mint a szénszállal erősített kompozitoké, de sokkal alacsonyabb költséggel járnak, ami fontos tényező az autóipar számára. A polipropilént (PP) mint tiszta anyagot, de rövid és folyamatos szálerősítéssel is széles körben használják autóipari alkatrészekhez kiváló mechanikai tulajdonságai, alakíthatósága és alacsony költsége miatt. Alkalmazásai közé tartoznak a burkolatok és rekeszek, lökhárítók, sárvédő-bélések, belső burkolatok, műszerfalak és ajtókárpitok. A PP további pozitív tulajdonságai közé tartozik a magas kémiai ellenállás, a jó időjárásállóság, a feldolgozhatóság és az ütés/merevség egyensúlya, ami megmagyarázza, hogy miért az egyik legszélesebb körben használt polimer a piacon.
Kvázi-izotróp és anizotróp kompozitok
A szálak hőre lágyuló mátrixba történő beépítésének különböző módjai vannak - véletlenszerűen orientált szálak, egyirányú folyamatos szálak vagy többirányú szövet; lásd az 1. ábrát. A hozzáadott szálak orientációja fontos szerepet játszik az alkatrész tulajdonságai szempontjából.
Míg a véletlenszerűen orientált szálak bizonyos mértékben növelik a szilárdságot és a merevséget a tiszta polimerhez képest, a preferenciális irányban orientált szálak hozzáadása jelentősen növeli a teljesítményt az alkatrész ezen irányában. Ez a preferenciális orientáció anizotróp tulajdonságokat ad a kompozitnak, azaz a szálak orientációjában a tulajdonságokat a szálak tulajdonságai dominálják, erre merőlegesen pedig a mátrix tulajdonságai a hangsúlyosabbak. Ezen anizotróp viselkedés ismerete előfeltétele az ilyen kompozit alkatrészek tervezésének és gyártásának. Bár a mechanikai tulajdonságok anizotrópiája az első, amire mindenki gondol, az anyag tágulási viselkedése is eltér a szálak irányától függően. Ha egy anyag anizotrópiáját figyelmen kívül hagyják, vagy nem ismerik, az komoly problémákat okozhat a végtermékben. Például a sík felületek meghajolhatnak, vagy ami még rosszabb, repedések vagy törések alakulhatnak ki.
Termomechanikai analízis - módszer a kompozitok anizotrópiájának meghatározására
A termomechanikai analízis (TMA) módszerével a szálerősítésű polimerek méretváltozása és ezáltal a Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE is meghatározható különböző anyagirányokban. Ehhez a vizsgálathoz a Neue Materialien Bayreuthban készítettek mintákat. Egy PP-GF UD szalag három rétegét egymásra helyezték, és egy kettős szalagprésben három fűtési zónában 180-190°C között előkonszolidálták. Ezután az alapanyagot konvekciós kemencében 10 percig előmelegítették, majd 80°C-os szerszámhőmérsékletű forró présbe helyezték. Ott a megszilárdulás során 5 percig 10 bar nyomást alkalmaztak. Az így kapott vastagság 1 mm volt. Míg a szalag átlagos rosttérfogattartalma 45 vol%, addig a lemezben a helyi eltéréseket 40-50 vol% GF között mértük. A TMA mérésekhez a NETZSCH Analyzing & Testing címen 25 x 5 mm-es mintákat vágtak ki a lemezből két különböző irányban: a szálak irányához képest 0°-ban, illetve 90°-ban.
A mintákat az új TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (2. ábra) segítségével mértük. Egy kezdeti hűtési lépés után a hőmérsékletet -70°C-ról 140°C-ra növelték 5 K/perc fűtési sebességgel. A hőtágulási együtthatót az átlagos Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-elemzés (m. Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE a NETZSCH elemzőszoftverben) segítségével számoltuk ki, amely két adatpont közötti meredekséget számítja ki. Az összes mérési körülményt az 1. táblázat foglalja össze.
Táblázat: Mérési feltételek
| Mintatartó | SiO2-ből készült tágulás |
| A minta terhelése | 50 mN |
| Atmoszféra | N2 |
| Gázáramlás | 50 ml/perc |
| Hőmérséklet-tartomány | -70°C ... 140°C 5 K/perc fűtési sebességgel |
Példa: PP-GF-UD anizotrópiája
Ez az anyag a mérés irányától függően eltérő Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-t mutat. Az ilyen típusú kompozitok Lineáris hőtágulási együttható (CLTE/CTE)A lineáris hőtágulási együttható (CLTE) az anyag hosszváltozását írja le a hőmérséklet függvényében.CTE-je a mátrix és a benne lévő szálak CTE-jének kombinációja. Ezért az ilyen anyagok CTE értékei iránytól függően jelentősen eltérnek. A PP-GF CTE mérési eredményei a két különböző szálirányban a 3. ábrán láthatók. A piros görbe a 0°-os szálirányban végzett mérést mutatja. Az alacsony CTE-érték az üveg CTE-jének tartományában van, és azt mutatja, hogy ebben a mérési irányban az üvegszálak alacsony hőtágulása dominál. Ugyanezt az anyagot a szálirányhoz képest 90°-ban mérve (fekete görbe) a polipropilén mátrix dominál. Sokkal magasabb CTE-t mutat, és a polipropilén ismert üvegesedési átmenetét (Tg) -7°C-on mutatja, ami a piros görbén nem figyelhető meg.
A mátrixban a kompozit CTE domináns iránya a keveredés szabályát követi:
Ahol α a lineáris hőtágulási együttható (CTE), v a térfogattöredék, az f és m indexek pedig a szálakat, illetve a mátrixot jelölik. Feltételezve, hogy a mért CTE a 0°-os szálirányban megegyezik az αf értékkel, és a polipropilén mátrix CTE értéke αm= 1,6 - 10-4K-1 (itt nem mértük), az üvegszál térfogattömeg-tartalma a mért kompozitban a következőképpen számítható:
Összefoglaló
A tanulmány rámutatott a nagy teljesítményű kompozit anyagok hőtágulási együtthatójának a szálak iránya alapján történő elemzésének fontosságára.
Visszaigazolás
Szeretnénk köszönetet mondani a Neue Materialien Bayreuth GmbH-nak a minták biztosításáért.
A Neue Materialien Bayreuth GmbH-ról
ANeue Materialien Bayreuth GmbH egy nem akadémiai kutatóvállalat, amely különböző újszerű anyagokat fejleszt könnyűszerkezetekhez, a polimerektől és szálerősítésű kompozitoktól a fémekig, beleértve a feldolgozást is. A rendelkezésre álló anyagok és gyártási folyamatok optimalizálásával alkalmazásorientált megoldásokat kínálnak.