12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
De ce cunoașterea anizotropiei este crucială în proiectarea pieselor compozite de înaltă performanță
Materialele compozite ranforsate cu fibre, care combină proprietățile fibrelor și ale unei matrice polimerice, există de zeci de ani. Există diferite modalități de încorporare a fibrelor în matricea termoplastică - fibre orientate aleatoriu, fibre continue unidirecționale sau țesături multidirecționale. Orientarea fibrelor adăugate joacă un rol important atunci când vine vorba de proprietățile piesei. Aflați de ce comportamentul anizotrop al compozitului este favorabil și cum să îl măsurați cu TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
Materialele compozite ranforsate cu fibre, care combină proprietățile fibrelor și ale unei matrice polimerice, există de zeci de ani. Materialele compozite cu matrice din fibre sunt mai rigide, au un raport rezistență/greutate foarte bun și o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mult mai mică decât piesele lor metalice. Acest lucru le face cu până la 60% mai ușoare decât, de exemplu, oțelul; o caracteristică foarte dorită atunci când vine vorba de componente pentru sectorul mobilității și, în special, pentru industria auto, unde reducerea greutății este importantă pentru îmbunătățirea eficienței consumului de combustibil sau pentru extinderea autonomiei mașinilor electrice. Un alt avantaj care face compozitele cu matrice din fibre foarte interesante pentru industria automobilelor este rezistența lor la coroziune.
Compozitele cu matrice termoplastică ranforsată cu fibre de sticlă au o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mai mare și un modul mai mic decât compozitele ranforsate cu fibre de carbon, dar au un cost mult mai mic, ceea ce reprezintă un factor important pentru industria auto. Polipropilena (PP) în stare pură, dar și ranforsată cu fibre scurte și continue, este utilizată pe scară largă pentru piesele de automobile datorită proprietăților sale mecanice remarcabile, turnabilității și costului scăzut. Aplicațiile sunt, de exemplu, cutii și tăvițe, bare de protecție, căptușeli pentru aripi, ornamente interioare, panouri instrumentale și ornamente pentru uși. Alte caracteristici pozitive ale PP sunt rezistența chimică ridicată, rezistența bună la intemperii, prelucrabilitatea și echilibrul impact/rigiditate, ceea ce explică de ce este unul dintre cei mai utilizați polimeri de pe piață.
Compozite cvasi-izotrope și anizotrope
Există diferite modalități de încorporare a fibrelor în matricea termoplastică - fibre orientate aleatoriu, fibre continue unidirecționale sau țesătură multidirecțională, a se vedea figura 1. Orientarea fibrelor adăugate joacă un rol important atunci când vine vorba de proprietățile piesei. În timp ce fibrele orientate aleatoriu cresc rezistența și rigiditatea comparativ cu polimerul pur într-o anumită măsură, adăugarea de fibre orientate într-o direcție preferențială crește semnificativ performanța în această direcție a piesei. Această orientare preferențială conferă compozitului proprietăți anizotrope, adică proprietățile în orientarea fibrelor sunt dominate de proprietățile fibrelor și perpendicular pe aceasta, proprietățile matricei sunt mai pronunțate. Cunoașterea acestui comportament anizotrop este necesară pentru proiectarea și producția acestor componente compozite. Deși anizotropia proprietăților mecanice este primul lucru la care se gândește toată lumea, comportamentul de expansiune al materialului diferă, de asemenea, în funcție de direcția fibrelor.
Atunci când anizotropia unui material este neglijată sau nu este cunoscută, aceasta poate cauza probleme majore în produsul final. De exemplu, suprafețele plane se pot deforma sau, chiar mai rău, pot forma fisuri sau se pot rupe.
Analiza termomecanică - o metodă de determinare a anizotropiei în compozite
Folosind metoda analizei termomecanice (TMA), se pot determina modificările dimensionale și, prin urmare, Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE ale polimerilor ranforsați cu fibre, în diferite direcții ale materialului. Pentru acest studiu, probele au fost pregătite la Neue Materialien Bayreuth. Trei straturi de bandă UD PP-GF au fost suprapuse și preconsolidate într-o presă cu bandă dublă în trei zone de încălzire de la 180-190°C. Fragmentul a fost apoi preîncălzit într-un cuptor cu convecție timp de 10 minute și transferat într-o presă la cald cu o temperatură a matriței de 80°C. Acolo, o presiune de 10 bar a fost aplicată timp de 5 min în timpul solidificării. Grosimea rezultată este de 1 mm. În timp ce banda are un conținut mediu de volum de fibre de 45 vol%, variațiile locale în placă au fost măsurate între 40-50 vol% GF.
Pentru măsurătorile TMA la NETZSCH Analyzing & Testing, au fost tăiate probe de 25 x 5 mm din placă în două direcții diferite: 0° în direcția fibrelor și 90° față de direcția fibrelor.
Probele au fost măsurate cu noul TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. După o etapă inițială de răcire, temperatura a fost crescută de la -70 la 140°C la o rată de încălzire de 5 K/min. Coeficientul de dilatare termică a fost calculat utilizând analiza Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE medie (m. Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE), care calculează panta dintre două puncte de date. Toate condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul următor:
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Suport de probă | Expansiune, realizat din SiO2 |
| Sarcina probei | 50 mN |
| Atmosferă | N2 |
| Debit de gaz | 50 ml/min |
| Interval de temperatură | -70...300°C la o rată de încălzire de 5 K/min |
Exemplu: Anizotropie în PP-GF-UD
Acest material prezintă Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE-uri diferite în funcție de direcția în care este măsurat materialul. Coeficient de dilatare termică liniară (CLTE/CTE)Coeficientul de dilatare termică liniară (CLTE) descrie modificarea în lungime a unui material în funcție de temperatură. CTE al acestor tipuri de materiale compozite este un amestec între matrice și fibrele conținute în aceasta. Prin urmare, CTE al acestor materiale diferă considerabil în funcție de direcție. Rezultatele măsurătorilor CTE pentru PP-GF în cele două direcții diferite ale fibrelor sunt prezentate în graficul de mai jos. Curba roșie descrie măsurarea în direcția fibrelor 0°. Valoarea scăzută a CTE este în intervalul CTE al sticlei și arată că această direcție de măsurare este dominată de dilatarea termică scăzută a fibrelor de sticlă. Același material măsurat la 90° față de direcția fibrelor (curba neagră), este dominat de matricea de polipropilenă. Acesta prezintă un CTE mult mai mare și prezintă tranziția vitroasă cunoscută (Tg) a polipropilenei la -7°C, care nu poate fi observată în curba roșie.
În matrice, direcția dominantă a CTE a unui compozit urmează regula amestecului:
Unde α este coeficientul de dilatare termică liniară (CTE), v este fracția volumică, iar indicii f și m desemnează fibrele și, respectiv, matricea. Presupunând că CTE măsurat în direcția fibrelor la 0° este același cu αf și CTE al matricei de polipropilenă, αm= 1,6×10-4K-1 (care nu a fost măsurat aici), fracția de volum a fibrelor de sticlă în compozitul măsurat se calculează astfel
Studiul a arătat importanța analizei coeficientului de dilatare termică a materialelor compozite de înaltă performanță în funcție de direcția fibrelor.
Dacă sunteți interesat să aflați mai multe despre analiza termomecanică și domeniile sale de aplicare, vizitați www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
Despre Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH este o companie de cercetare neacademică care dezvoltă diverse materiale noi pentru construcții ușoare, de la polimeri și materiale compozite ranforsate cu fibre până la metale, inclusiv prelucrarea. Aceștia oferă soluții orientate spre aplicații prin optimizarea materialelor disponibile și a proceselor de producție.
