12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Mengapa Pengetahuan Tentang Anisotropi Sangat Penting Saat Merancang Komponen Komposit Berkinerja Tinggi
Material komposit yang diperkuat serat, yang menggabungkan sifat serat dan matriks polimer, telah ada selama beberapa dekade. Ada beberapa cara berbeda untuk memasukkan serat ke dalam matriks termoplastik - serat yang berorientasi acak, serat kontinu searah, atau kain multi-arah. Orientasi serat yang ditambahkan memainkan peran penting dalam hal sifat bagian. Pelajari mengapa perilaku anisotropik komposit menguntungkan dan bagaimana mengukurnya dengan TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 komponen 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 yang membuat komposit matriks serat sangat menarik bagi 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, namun dengan biaya yang jauh lebih rendah, yang merupakan faktor penting bagi industri otomotif. Bahan Polypropylene (PP) yang rapi, tetapi juga dengan penguat serat pendek dan kontinu banyak digunakan untuk suku cadang otomotif karena sifat mekaniknya yang luar biasa, mudah dibentuk, dan berbiaya rendah. Aplikasinya adalah, yaitu, kotak dan baki, 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 merupakan 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 sifat bagian. Sementara serat yang berorientasi acak meningkatkan kekuatan dan kekakuan dibandingkan dengan polimer yang rapi sampai batas tertentu, penambahan serat yang berorientasi pada arah yang disukai secara signifikan meningkatkan kinerja dalam arah bagian ini. Orientasi preferensial ini memberikan sifat anisotropik pada komposit, yaitu sifat-sifat pada orientasi serat didominasi oleh sifat serat dan tegak lurus terhadapnya, sifat matriks lebih menonjol. Pengetahuan tentang perilaku anisotropik ini diperlukan untuk desain dan produksi komponen komposit ini. Meskipun anisotropi sifat mekanik adalah hal pertama yang ada di benak setiap orang, perilaku ekspansi material juga berbeda tergantung pada arah serat.
Apabila anisotropi suatu bahan diabaikan, atau tidak diketahui, maka dapat menyebabkan masalah besar pada produk akhir. Sebagai contoh, permukaan bidang dapat melengkung, atau bahkan lebih buruk lagi, membentuk retakan atau patah.
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 dalam dua arah yang berbeda: 0° ke arah serat dan 90° ke arah serat.
Sampel diukur dengan TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition yang baru. Setelah langkah pendinginan awal, suhu dinaikkan dari -70 hingga 140°C dengan laju pemanasan 5 K/menit. Koefisien ekspansi termal 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), yang menghitung kemiringan antara dua titik data. Semua kondisi pengukuran dirangkum dalam tabel berikut:
Tabel 1: Kondisi pengukuran
| Tempat sampel | Pemuaian, terbuat dari SiO2 |
| Beban sampel | 50 mN |
| Atmosfer | N2 |
| Laju aliran gas | 50 ml / menit |
| Kisaran suhu | -70 ... 300°C pada laju pemanasan 5 K/menit |
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 bahan diukur. 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 campuran antara matriks dan serat yang terkandung di dalamnya. Oleh karena itu, Koefisien Ekspansi Termal Linier (CLTE/CTE)Koefisien ekspansi termal linier (CLTE) menggambarkan perubahan panjang suatu bahan sebagai fungsi suhu. CTE dari bahan-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 plot di bawah ini. 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, tidak teramati pada kurva merah.
Dalam matriks, arah dominasi CTE komposit 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, αm= 1,6 × 10-4K-1 (tidak diukur di sini), fraksi volume serat kaca dalam komposit yang diukur dihitung sebagai.
Studi ini menunjukkan pentingnya menganalisis koefisien ekspansi termal dari material komposit berperforma tinggi berdasarkan arah serat.
Jika Anda tertarik untuk mengetahui lebih lanjut tentang Analisis Termomekanik dan bidang aplikasinya, kunjungi www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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 pengolahannya. Mereka menyediakan solusi berorientasi aplikasi dengan mengoptimalkan bahan yang tersedia dan proses produksi.
