Mengapa Pengetahuan Tentang Anisotropi Sangat Penting Saat Merancang Komponen Komposit Berkinerja Tinggi

Pendahuluan

Material komposit yang diperkuat serat, yang menggabungkan sifat serat dan matriks polimer, telah ada selama beberapa dekade. Komposit matriks serat lebih kaku, memiliki kinerja kekuatan-terhadap-berat yang hebat dan memiliki KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan yang jauh lebih rendah daripada komposit logam. Hal ini membuat mereka lebih ringan hingga 60% dibandingkan, misalnya, baja; karakteristik yang sangat diinginkan dalam hal komponen untuk sektor mobilitas dan khususnya industri otomotif, di mana pengurangan berat badan penting untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar atau memperluas jangkauan mobil listrik. Keuntungan lain dari pembuatan komposit matriks serat yang membuat mereka sangat diminati di industri otomotif adalah ketahanannya terhadap korosi. Komposit matriks termoplastik yang diperkuat dengan serat kaca memiliki KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan yang lebih tinggi dan modulus yang lebih rendah daripada komposit yang diperkuat serat karbon tetapi dengan biaya yang jauh lebih rendah, yang merupakan faktor penting bagi industri otomotif. Polypropylene (PP) sebagai bahan yang rapi, tetapi juga dengan penguat serat yang pendek dan kontinu, banyak digunakan untuk komponen otomotif karena sifat mekaniknya yang luar biasa, mudah dibentuk, dan berbiaya rendah. Aplikasi termasuk kasin dan kompartemen, bumper, pelapis fender, trim interior, panel instrumen dan trim pintu. Karakteristik positif lainnya dari PP adalah ketahanan kimia yang tinggi, daya tahan yang baik, kemampuan proses dan keseimbangan benturan/kekakuan, yang menjelaskan mengapa PP adalah salah satu polimer yang paling banyak digunakan di pasar.

Komposit Kuasi-Isotropik dan Anisotropik

Ada beberapa cara berbeda untuk memasukkan serat ke dalam matriks termoplastik - serat yang berorientasi acak, serat kontinu searah, atau kain multi-arah; lihat Gambar 1. Orientasi serat yang ditambahkan memainkan peran penting dalam hal properti bagian.

Meskipun serat yang berorientasi acak meningkatkan kekuatan dan kekakuan dibandingkan dengan polimer yang rapi sampai batas tertentu, penambahan serat yang berorientasi ke arah yang disukai secara signifikan meningkatkan kinerja ke arah bagian ini. Orientasi preferensial ini memberikan sifat anisotropik komposit, yaitu sifat-sifat dalam orientasi serat didominasi oleh sifat serat dan tegak lurus dengan itu, sifat matriks lebih menonjol. Pengetahuan tentang perilaku anisotropik ini merupakan prasyarat untuk desain dan produksi komponen komposit ini. Meskipun anisotropi sifat mekanik adalah hal pertama yang dipikirkan semua orang, perilaku ekspansi material juga berbeda tergantung pada arah serat. Ketika anisotropi suatu bahan diabaikan, atau tidak diketahui, hal ini dapat menyebabkan masalah besar pada produk akhir. Sebagai contoh, permukaan bidang dapat melengkung, atau bahkan lebih buruk lagi, retakan atau patahan dapat terbentuk.

Analisis Termomekanik - Metode untuk Menentukan Anisotropi dalam Komposit

Dengan menggunakan metode Thermomechanical Analysis (TMA), perubahan dimensi dan oleh karena itu Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE polimer yang diperkuat serat dapat ditentukan dalam arah material yang berbeda. Untuk penelitian ini, sampel disiapkan di Neue Materialien Bayreuth. Tiga lapisan pita PP-GF UD ditumpuk di atas satu sama lain dan dikonsolidasikan sebelumnya dalam pengepresan sabuk ganda dalam tiga zona pemanasan dari 180-190 ° C. Blanko kemudian dipanaskan terlebih dahulu dalam oven konveksi selama 10 menit dan dipindahkan ke mesin cetak panas dengan suhu cetakan 80°C. Di sana, tekanan 10 bar diterapkan selama 5 menit selama pemadatan. Ketebalan yang dihasilkan adalah 1 mm. Meskipun pita memiliki kandungan volume serat rata-rata 45 vol%, variasi lokal pada pelat diukur antara 40-50 vol% GF. Untuk pengukuran TMA di NETZSCH Analyzing & Testing, sampel berukuran 25 x 5 mm dipotong dari pelat dengan dua arah yang berbeda: 0° ke arah serat dan 90° ke arah serat.

Sampel diukur dengan TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition yang baru (gambar 2). Setelah langkah pendinginan awal, suhu dinaikkan dari -70°C menjadi 140°C dengan laju pemanasan 5 K/menit. Koefisien muai panas dihitung dengan menggunakan analisis Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE rata-rata (m. Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE dalam perangkat lunak analisis NETZSCH ), yang menghitung kemiringan antara dua titik data. Semua kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel 1.

Tabel 1: Kondisi pengukuran

Contoh: Anisotropi dalam PP-GF-UD

Bahan ini menunjukkan Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE yang berbeda tergantung pada arah pengukuran bahan. Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE dari jenis komposit ini adalah gabungan antara matriks dan serat yang terkandung di dalamnya. Inilah sebabnya mengapa Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE dari bahan tersebut sangat berbeda tergantung pada arahnya. Hasil pengukuran Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE untuk PP-GF pada dua arah serat yang berbeda ditunjukkan pada gambar 3. Kurva merah menggambarkan pengukuran pada arah serat 0°. Nilai Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE yang rendah berada dalam kisaran Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE kaca dan menunjukkan bahwa arah pengukuran ini didominasi oleh ekspansi termal yang rendah dari serat kaca. Bahan yang sama diukur 90° ke arah serat (kurva hitam) didominasi oleh matriks polipropilena. Ini menunjukkan Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE yang jauh lebih tinggi dan menunjukkan transisi gelas (_Tg) polipropilena yang diketahui pada -7 ° C, yang tidak teramati pada kurva merah.

Dalam matriks, arah CTE komposit yang mendominasi mengikuti aturan campuran:

Di mana α adalah Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. koefisien ekspansi termal linier (CTE), v adalah fraksi volume dan indeks f dan m masing-masing menunjukkan serat dan matriks. Dengan asumsi bahwa CTE yang diukur pada arah serat 0° sama dengan _αf, dan CTE matriks polipropilena sesuai dengan _αm= 1,6 - ^10-4K-1 (tidak diukur di sini), maka fraksi volume serat kaca dalam komposit yang diukur dihitung sebagai:

Ringkasan

Studi ini menunjukkan pentingnya menganalisis koefisien ekspansi termal untuk material komposit berkinerja tinggi berdasarkan arah serat.

Ucapan terima kasih

Kami mengucapkan terima kasih kepada Neue Materialien Bayreuth GmbH yang telah menyediakan sampel.

Tentang Neue Materialien Bayreuth GmbH

Neue Materialien Bayreuth GmbH adalah perusahaan riset non-akademis yang mengembangkan berbagai material baru untuk konstruksi ringan, mulai dari polimer dan komposit yang diperkuat serat hingga logam, termasuk pemrosesan. Mereka menyediakan solusi berorientasi aplikasi dengan mengoptimalkan bahan yang tersedia dan proses produksi.