12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Waarom kennis over anisotropie cruciaal is bij het ontwerpen van hoogwaardige composietonderdelen
Vezelversterkte composietmaterialen, die de eigenschappen van vezels en een polymeermatrix combineren, bestaan al tientallen jaren. Er zijn verschillende manieren om de vezel in de thermoplastische matrix te verwerken - willekeurig georiënteerde vezels, unidirectionele continue vezels of multi-directioneel weefsel. De oriëntatie van de toegevoegde vezels speelt een belangrijke rol als het gaat om de eigenschappen van het onderdeel. Leer waarom anisotroop gedrag van het composiet gunstig is en hoe je dit kunt meten met de TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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. Hierdoor zijn 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 om de brandstofefficiëntie te verbeteren of de actieradius van elektrische auto's te vergroten. Een ander voordeel dat vezelmatrixcomposieten erg interessant maakt 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 koffers en trays, 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 in vergelijking met het zuivere polymeer, verhoogt de toevoeging van georiënteerde vezels in een voorkeursrichting de prestaties in deze deelrichting aanzienlijk. Deze voorkeursoriëntatie geeft de composiet anisotrope eigenschappen, d.w.z. de eigenschappen in vezeloriëntatie worden gedomineerd door de vezeleigenschappen en loodrecht daarop zijn de matrixeigenschappen meer uitgesproken. Kennis van dit anisotrope gedrag is nodig voor het ontwerp en de productie van deze composietcomponenten. 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 kromtrekken of, erger nog, scheuren of breken.
Thermomechanische analyse - een methode om anisotropie in composieten te bepalen
Met behulp van de thermomechanische analysemethode (TMA) 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 in verschillende materiaalrichtingen bepaald worden. 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 is 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° in de vezelrichting en 90° ten opzichte van de vezelrichting.
De monsters werden gemeten met de nieuwe TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Na een eerste afkoelstap werd de temperatuur verhoogd van -70 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), die de helling tussen twee datapunten berekent. Alle meetomstandigheden zijn samengevat in de volgende tabel:
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Monsterhouder | Uitzetting, gemaakt van SiO2 |
| Monsterbelasting | 50 mN |
| Atmosfeer | N2 |
| Gasstroom | 50 ml/min |
| Temperatuurbereik | -70...300 °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 gemeten wordt. 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 mengsel tussen de matrix en de vezel erin. Daarom verschilt de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE van deze materialen aanzienlijk afhankelijk van de richting. De meetresultaten van de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE voor PP-GF in de twee verschillende vezelrichtingen staan in de grafiek hieronder. De rode curve toont de meting in de vezelrichting 0°. De lage Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE-waarde ligt in het bereik van de Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. 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 Lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE/CTE)De lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt (CLTE) beschrijft de lengteverandering van een materiaal als functie van de temperatuur. CTE en vertoont de bekende glasovergang (Tg) van polypropyleen bij -7°C, niet waarneembaar 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 0° vezelrichting gelijk is aan αf en de CTE van de polypropyleen matrix, αm= 1,6×10-4K-1 (hier niet gemeten), wordt de glasvezel volumefractie in de gemeten composiet berekend als.
Het onderzoek toonde het belang aan van het analyseren van de thermische uitzettingscoëfficiënt van hoogwaardige composietmaterialen op basis van de vezelrichting.
Als u meer wilt weten over Thermomechanische Analyse en de toepassingsgebieden, bezoek dan www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
