Inleiding
Vezelversterkte composietmaterialen, die de eigenschappen van vezels en een polymeermatrix combineren, bestaan al tientallen jaren. Vezelmatrixcomposieten zijn stijver, hebben een uitstekende sterkte/gewichtverhouding en hebben een veel lagere DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid dan hun metalen tegenhangers. Dit maakt ze tot 60% lichter dan bijvoorbeeld staal; een zeer gewenste eigenschap als het gaat om componenten voor de mobiliteitssector en in het bijzonder de auto-industrie, waar gewichtsvermindering belangrijk is voor het verbeteren van de brandstofefficiëntie of het vergroten van de actieradius van elektrische auto's. Een ander voordeel van composieten met een vezelmatrix waardoor ze zeer interessant zijn voor de auto-industrie, is hun corrosiebestendigheid. Thermoplastische matrixcomposieten versterkt met glasvezels hebben een hogere DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en een lagere modulus dan koolstofvezelversterkte composieten, maar zijn veel goedkoper, wat een belangrijke factor is voor de auto-industrie. Polypropyleen (PP) als zuiver materiaal, maar ook met korte en continue vezelversterking, wordt veel gebruikt voor auto-onderdelen vanwege de uitstekende mechanische eigenschappen, vormbaarheid en lage kosten. Toepassingen zijn onder andere kasten en compartimenten, bumpers, spatbordbekleding, interieurbekleding, instrumentenpanelen en deurbekleding. Andere positieve eigenschappen van PP zijn de hoge chemische bestendigheid, goede weerbestendigheid, verwerkbaarheid en impact/stijfheidbalans, wat verklaart waarom het een van de meest gebruikte polymeren op de markt is.
Quasi-isotrope en anisotrope composieten
Er zijn verschillende manieren om de vezel op te nemen in de thermoplastische matrix - willekeurig georiënteerde vezels, unidirectionele continue vezels of multidirectioneel weefsel; zie afbeelding 1. De oriëntatie van de toegevoegde vezels speelt een belangrijke rol als het gaat om de eigenschappen van het onderdeel.
Terwijl willekeurig georiënteerde vezels de sterkte en stijfheid tot op zekere hoogte verhogen ten opzichte van het zuivere polymeer, verhoogt de toevoeging van georiënteerde vezels in een voorkeursrichting de prestaties in deze richting van het onderdeel aanzienlijk. Deze voorkeursoriëntatie geeft de composiet anisotrope eigenschappen, d.w.z. de eigenschappen in de vezeloriëntatie worden gedomineerd door de vezeleigenschappen en loodrecht daarop zijn de matrixeigenschappen meer uitgesproken. Kennis over dit anisotrope gedrag is een eerste vereiste voor het ontwerp en de productie van deze composiet componenten. Hoewel de anisotropie van de mechanische eigenschappen het eerste is waar iedereen aan denkt, verschilt het uitzettingsgedrag van het materiaal ook afhankelijk van de vezelrichting. Wanneer de anisotropie van een materiaal over het hoofd wordt gezien of niet bekend is, kan dit grote problemen veroorzaken in het eindproduct. Vlakke oppervlakken kunnen bijvoorbeeld gaan knikken of, erger nog, er kunnen scheuren of breuken ontstaan.
Thermomechanische analyse - een methode voor het bepalen van anisotropie in composieten
Met behulp van de Thermomechanische Analyse (TMA) methode kunnen dimensionale veranderingen en dus de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE van vezelversterkte polymeren bepaald worden in verschillende materiaalrichtingen. Voor dit onderzoek werden monsters geprepareerd bij Neue Materialien Bayreuth. Drie lagen van een PP-GF UD tape werden op elkaar gestapeld en voorgeconsolideerd in een dubbele bandpers in drie verwarmingszones van 180-190°C. De blanco werd dan voorverwarmd in een convectieoven gedurende 10 minuten en overgebracht naar een hete pers met een matrijstemperatuur van 80°C. Daar werd gedurende 5 minuten een druk van 10 bar toegepast tijdens het stollen. De resulterende dikte was 1 mm. Terwijl de tape een gemiddeld vezelvolumegehalte van 45 vol% heeft, werden de lokale variaties in de plaat gemeten tussen 40-50 vol% GF. Voor de TMA-metingen op NETZSCH Analyzing & Testing werden monsters van 25 x 5 mm in twee verschillende richtingen uit de plaat gesneden: 0° ten opzichte van de vezelrichting en 90° ten opzichte van de vezelrichting.
De monsters werden gemeten met de nieuwe TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (afbeelding 2). Na een eerste afkoelstap werd de temperatuur verhoogd van -70°C tot 140°C met een verwarmingssnelheid van 5 K/min. De thermische uitzettingscoëfficiënt werd berekend met behulp van de gemiddelde Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-analyse (m. Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE in de NETZSCH analysesoftware), die de helling tussen twee gegevenspunten berekent. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Expansie, gemaakt van SiO2 |
| Monsterbelasting | 50 mN |
| Atmosfeer | N2 |
| Gasstroom | 50 ml/min |
| Temperatuurbereik | -70 °C ... 140 °C bij een verwarmingssnelheid van 5 K/min |
Voorbeeld: Anisotropie in PP-GF-UD
Dit materiaal vertoont verschillende Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE's afhankelijk van de richting waarin het materiaal wordt gemeten. De Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE van dit soort composieten is een combinatie van die van de matrix en die van de vezels erin. Daarom verschilt de CTE van zulke materialen aanzienlijk afhankelijk van de richting. De meetresultaten voor de CTE voor PP-GF in de twee verschillende vezelrichtingen worden getoond in figuur 3. De rode curve toont de meting in de vezelrichting 0°. De lage CTE waarde ligt in het bereik van de CTE van glas en laat zien dat deze meetrichting wordt gedomineerd door de lage thermische uitzetting van de glasvezels. Hetzelfde materiaal gemeten 90° ten opzichte van de vezelrichting (zwarte curve) wordt gedomineerd door de polypropyleen matrix. Het vertoont een veel hogere CTE en vertoont de bekende glasovergang (Tg) van polypropyleen bij -7°C, die niet waarneembaar is in de rode curve.
In de matrix volgt de overheersende richting van de CTE van een composiet de mengregel:
Waarbij α de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) is, v de volumefractie en de indices f en m staan voor respectievelijk de vezels en de matrix. Ervan uitgaande dat de gemeten CTE in de 0° vezelrichting gelijk is aan αf, en de CTE van de polypropyleen matrix overeenkomt met αm= 1,6 - 10-4K-1 (hier niet gemeten), wordt de glasvezel volumefractie in de gemeten composiet berekend als:
Samenvatting
Het onderzoek toonde het belang aan van het analyseren van de thermische uitzettingscoëfficiënt voor hoogwaardige composietmaterialen op basis van de vezelrichting.
Erkenning
We willen Neue Materialien Bayreuth GmbH bedanken voor het leveren van de monsters.
Over Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH is een niet-academisch onderzoeksbedrijf dat verschillende nieuwe materialen ontwikkelt voor lichtgewicht constructies, van polymeren en vezelversterkte composieten tot metalen, inclusief de verwerking ervan. Ze bieden toepassingsgerichte oplossingen door de beschikbare materialen en productieprocessen te optimaliseren.