Wprowadzenie
Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami, które łączą w sobie właściwości włókien i matrycy polimerowej, są znane od dziesięcioleci. Kompozyty włóknisto-matrycowe są sztywniejsze, mają świetny stosunek wytrzymałości do masy i znacznie mniejszą gęstość niż ich metalowe odpowiedniki. Dzięki temu są nawet o 60% lżejsze niż na przykład stal; jest to bardzo pożądana cecha, jeśli chodzi o komponenty dla sektora mobilności, a w szczególności przemysłu motoryzacyjnego, gdzie zmniejszenie masy jest ważne dla poprawy efektywności paliwowej lub zwiększenia zasięgu samochodów elektrycznych. Kolejną zaletą kompozytów o osnowie z włókien, która sprawia, że cieszą się one dużym zainteresowaniem w przemyśle motoryzacyjnym, jest ich odporność na korozję. Kompozyty o osnowie termoplastycznej wzmocnione włóknami szklanymi mają wyższą gęstość i niższy Moduł sprężystościModuł zespolony (składnik sprężysty), moduł magazynowania lub G', jest "rzeczywistą" częścią ogólnego modułu zespolonego próbki. Ten składnik sprężysty wskazuje na stałą lub fazową reakcję mierzonej próbki. moduł sprężystości niż kompozyty wzmocnione włóknami węglowymi, ale są znacznie tańsze, co jest ważnym czynnikiem dla przemysłu motoryzacyjnego. Polipropylen (PP) jako czysty materiał, ale także z krótkim i ciągłym wzmocnieniem włóknami, jest szeroko stosowany do produkcji części samochodowych ze względu na jego wyjątkowe właściwości mechaniczne, łatwość formowania i niski koszt. Zastosowania obejmują obudowy i schowki, zderzaki, wykładziny błotników, wykończenia wnętrza, panele instrumentów i wykończenia drzwi. Inne pozytywne cechy PP to wysoka odporność chemiczna, dobra odporność na warunki atmosferyczne, przetwarzalność i równowaga między udarnością a sztywnością, co wyjaśnia, dlaczego jest to jeden z najczęściej stosowanych polimerów na rynku.
Kompozyty quasi-izotropowe i anizotropowe
Istnieją różne sposoby włączenia włókien do matrycy termoplastycznej - losowo zorientowane włókna, jednokierunkowe włókna ciągłe lub wielokierunkowa tkanina; patrz rysunek 1. Orientacja dodanych włókien odgrywa ważną rolę, jeśli chodzi o właściwości części.
Podczas gdy losowo zorientowane włókna do pewnego stopnia zwiększają wytrzymałość i sztywność w stosunku do czystego polimeru, dodanie włókien zorientowanych w kierunku preferencyjnym znacznie zwiększa wydajność części w tym kierunku. Ta preferencyjna orientacja nadaje kompozytowi właściwości anizotropowe, tj. właściwości w orientacji włókien są zdominowane przez właściwości włókien, a prostopadle do tego, właściwości matrycy są bardziej wyraźne. Wiedza na temat tego anizotropowego zachowania jest warunkiem wstępnym projektowania i produkcji tych elementów kompozytowych. Chociaż anizotropia właściwości mechanicznych jest pierwszą rzeczą, o której wszyscy myślą, zachowanie materiału podczas rozszerzania również różni się w zależności od kierunku włókien. Gdy anizotropia materiału jest pomijana lub nie jest znana, może to powodować poważne problemy w produkcie końcowym. Na przykład, płaskie powierzchnie mogą się wyginać, a co gorsza, mogą powstawać pęknięcia lub złamania.
Analiza termomechaniczna - metoda określania anizotropii w kompozytach
Wykorzystując metodę analizy termomechanicznej (TMA), można określić zmiany wymiarowe, a tym samym współczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE polimerów wzmocnionych włóknami w różnych kierunkach materiałowych. Na potrzeby tego badania próbki zostały przygotowane w Neue Materialien Bayreuth. Trzy warstwy taśmy PP-GF UD zostały ułożone jedna na drugiej i wstępnie zagęszczone w podwójnej prasie taśmowej w trzech strefach grzewczych od 180-190°C. Następnie półfabrykat został podgrzany w piecu konwekcyjnym przez 10 minut i przeniesiony do gorącej prasy o temperaturze formy 80°C. Tam zastosowano ciśnienie 10 barów przez 5 minut podczas krzepnięcia. Uzyskana grubość wynosiła 1 mm. Podczas gdy średnia zawartość objętościowa włókien w taśmie wynosi 45%, lokalne zmiany w płytce zostały zmierzone na poziomie 40-50% GF. Do pomiarów TMA na stronie NETZSCH Analyzing & Testing, próbki o wymiarach 25 x 5 mm zostały wycięte z płyty w dwóch różnych kierunkach: 0° do kierunku włókien i 90° do kierunku włókien.
Próbki zostały zmierzone za pomocą nowego urządzenia TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (rysunek 2). Po początkowym etapie chłodzenia, temperatura została zwiększona z -70°C do 140°C przy szybkości ogrzewania 5 K/min. Współczynnik rozszerzalności cieplnej został obliczony przy użyciu średniej analizyWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE (m. CTE w oprogramowaniu do analizy NETZSCH ), która oblicza nachylenie między dwoma punktami danych. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Rozszerzalny, wykonany z SiO2 |
| Obciążenie próbki | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Natężenie przepływu gazu | 50 ml/min |
| Zakres temperatur | -70°C ... 140°C przy szybkości ogrzewania 5 K/min |
Przykład: Anizotropia w PP-GF-UD
Materiał ten wykazuje różne współczynnikiWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE w zależności od kierunku pomiaru materiału. WspółczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE tego rodzaju kompozytów jest połączeniem współczynnikaWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE matrycy i współczynnika CTE zawartych w niej włókien. Dlatego też współczynnik CTE takich materiałów różni się znacznie w zależności od kierunku. Wyniki pomiarów współczynnika CTE dla PP-GF w dwóch różnych kierunkach włókien pokazano na rysunku 3. Czerwona krzywa przedstawia pomiar w kierunku włókna 0°. Niska wartość CTE mieści się w zakresie CTE szkła i pokazuje, że ten kierunek pomiaru jest zdominowany przez niską rozszerzalność cieplną włókien szklanych. Ten sam materiał mierzony pod kątem 90° do kierunku włókien (czarna krzywa) jest zdominowany przez matrycę polipropylenową. Wykazuje ona znacznie wyższy współczynnik CTE i wykazuje znanePunkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście zeszklenia (Tg) polipropylenu w temperaturze -7°C, czego nie można zaobserwować na czerwonej krzywej.
W matrycy dominujący kierunek współczynnika CTE kompozytu jest zgodny z zasadą mieszania:
Gdzie α jest liniowym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE), v jest ułamkiem objętościowym, a indeksy f i m oznaczają odpowiednio włókna i matrycę. Zakładając, że zmierzony współczynnik CTE w kierunku włókien 0° jest taki sam jak αf, a współczynnik CTE matrycy polipropylenowej odpowiada αm= 1,6 - 10-4K-1 (nie zmierzony tutaj), ułamek objętościowy włókna szklanego w zmierzonym kompozycie jest obliczany jako:
Podsumowanie
Badanie wykazało znaczenie analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej dla wysokowydajnych materiałów kompozytowych w oparciu o kierunek włókien.
Potwierdzenie
Chcielibyśmy podziękować Neue Materialien Bayreuth GmbH za dostarczenie próbek.
Informacje o Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH to nieakademicka firma badawczaarch zajmująca się opracowywaniem różnych nowych materiałów do lekkich konstrukcji, od polimerów i kompozytów wzmacnianych włóknami po metale, w tym również przetwarzanie. Zapewnia rozwiązania zorientowane na zastosowania poprzez optymalizację dostępnych materiałów i procesów produkcyjnych.