12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Dlaczego wiedza o anizotropii jest kluczowa przy projektowaniu wysokowydajnych części kompozytowych?
Materiały kompozytowe wzmacniane włóknami, które łączą właściwości włókien i matrycy polimerowej, istnieją od dziesięcioleci. Istnieją różne sposoby włączenia włókien do matrycy termoplastycznej - losowo zorientowane włókna, jednokierunkowe włókna ciągłe lub wielokierunkowa tkanina. Orientacja dodanych włókien odgrywa ważną rolę, jeśli chodzi o właściwości części. Dowiedz się, dlaczego anizotropowe zachowanie kompozytu jest korzystne i jak je zmierzyć za pomocą TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 np. stal, co jest bardzo pożądaną cechą, 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, która sprawia, że kompozyty o osnowie włóknistej są bardzo interesujące dla przemysłu motoryzacyjnego, 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) w czystej postaci, ale także z krótkimi i ciągłymi włóknami wzmacniającymi, jest szeroko stosowany do produkcji części samochodowych ze względu na jego wyjątkowe właściwości mechaniczne, łatwość formowania i niski koszt. Zastosowania obejmują m.in. skrzynie i tace, 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 zwiększają do pewnego stopnia wytrzymałość i sztywność w porównaniu z czystym polimerem, dodanie włókien zorientowanych w preferencyjnym kierunku znacznie zwiększa wydajność w tym kierunku. Ta preferencyjna orientacja nadaje kompozytowi właściwości anizotropowe, tj. właściwości w orientacji włókien są zdominowane przez właściwości włókien, a prostopadle do nich, właściwości matrycy są bardziej wyraźne. Znajomość tego anizotropowego zachowania jest wymagana do 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 powodować poważne problemy w produkcie końcowym. Na przykład, płaskie powierzchnie mogą się wyginać, a co gorsza, tworzyć pęknięcia lub pękać.
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 ułożono jedna na drugiej i wstępnie zagęszczono w podwójnej prasie taśmowej w trzech strefach grzewczych w zakresie 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 wynosi 1 mm. Podczas gdy średnia zawartość objętościowa włókien w taśmie wynosi 45%, lokalne zmiany w płytce zostały zmierzone w zakresie 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° w kierunku włókien i 90° do kierunku włókien.
Próbki zostały zmierzone za pomocą nowego urządzenia TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. Po początkowym etapie chłodzenia, temperatura została zwiększona z -70 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), która oblicza nachylenie między dwoma punktami danych. Wszystkie warunki pomiarowe zostały podsumowane w poniższej tabeli:
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Uchwyt próbki | Rozszerzalność, wykonany z SiO2 |
| Obciążenie próbki | 50 mN |
| Atmosfera | N2 |
| Natężenie przepływu gazu | 50 ml/min |
| Zakres temperatur | -70...300°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. WspółczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE tego rodzaju kompozytów jest mieszaniną matrycy i zawartych w niej włókien. Dlatego też współczynnikWspółczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE/CTE)Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej (CLTE) opisuje zmianę długości materiału w funkcji temperatury. CTE tych materiałów różni się znacznie w zależności od kierunku. Wyniki pomiarów współczynnika CTE dla PP-GF w dwóch różnych kierunkach włókien pokazano na poniższym wykresie. 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 on 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 szkliste (Tg) polipropylenu w temperaturze -7°C, którego nie można zaobserwować na czerwonej krzywej.
W matrycy dominujący kierunek 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 αm= 1,6×10-4K-1 (tutaj nie zmierzony), udział objętościowy włókna szklanego w zmierzonym kompozycie oblicza się jako.
Badanie wykazało znaczenie analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej wysokowydajnych materiałów kompozytowych w oparciu o kierunek włókien.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o analizie termomechanicznej i jej obszarach zastosowań, odwiedź stronę www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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 także ich przetwarzaniem. Zapewnia rozwiązania zorientowane na zastosowania poprzez optymalizację dostępnych materiałów i procesów produkcyjnych.
