Введение
Композитные материалы, армированные волокном, сочетающие свойства волокон и полимерной матрицы, существуют уже несколько десятилетий. Композитные материалы с волокнистой матрицей более жесткие, обладают высокими показателями прочности и веса и имеют гораздо меньшую плотность, чем их металлические аналоги. Это делает их на 60 % легче, чем, например, сталь; очень желательная характеристика, когда речь идет о компонентах для сектора мобильности и, в частности, автомобильной промышленности, где снижение веса важно для повышения топливной эффективности или увеличения дальности хода электромобилей. Еще одно преимущество волокнистых матричных композитов, благодаря которому они представляют большой интерес для автомобильной промышленности, - это их устойчивость к коррозии. Термопластичные матричные композиты, армированные стекловолокном, имеют более высокую плотность и более низкий модуль упругости, чем композиты, армированные углеродным волокном, но при этом имеют гораздо более низкую стоимость, что является важным фактором для автомобильной промышленности. Полипропилен (PP) в чистом виде, а также с армированием короткими и непрерывными волокнами широко используется для изготовления автомобильных деталей благодаря своим выдающимся механическим свойствам, возможности формования и низкой стоимости. Сфера применения включает в себя корпуса и отсеки, бамперы, накладки на крылья, отделку салона, приборные панели и отделку дверей. Другими положительными характеристиками ПП являются высокая химическая стойкость, хорошая атмосферостойкость, технологичность и баланс ударной вязкости и жесткости, что объясняет, почему он является одним из наиболее широко используемых полимеров на рынке.
Квазиизотропные и анизотропные композиты
Существуют различные способы включения волокон в термопластичную матрицу - произвольно ориентированные волокна, однонаправленные непрерывные волокна или разнонаправленная ткань; см. рис. 1. Ориентация добавленных волокон играет важную роль при определении свойств детали.
В то время как случайно ориентированные волокна в определенной степени увеличивают прочность и жесткость по сравнению с чистым полимером, добавление волокон, ориентированных в преимущественном направлении, значительно повышает характеристики детали в этом направлении. Такая преимущественная ориентация придает композиту анизотропные свойства, то есть в направлении волокон преобладают свойства волокон, а в перпендикулярном направлении более выражены свойства матрицы. Знание об этом анизотропном поведении является необходимым условием для проектирования и производства этих композитных компонентов. Хотя анизотропия механических свойств - это первое, о чем все думают, поведение материала при расширении также отличается в зависимости от направления волокон. Когда анизотропия материала упускается из виду или не известна, это может привести к серьезным проблемам в конечном продукте. Например, плоские поверхности могут покоробиться, или, что еще хуже, могут образоваться трещины или разрывы.
Термомеханический анализ - метод определения анизотропии в композитах
С помощью метода термомеханического анализа (ТМА) можно определить размерные изменения и, следовательно, CTE полимеров, армированных волокнами, в различных направлениях материала. Для данного исследования образцы были подготовлены в Neue Materialien Bayreuth. Три слоя UD-ленты PP-GF были уложены друг на друга и предварительно уплотнены в двухленточном прессе в трех зонах нагрева при температуре 180-190°C. Затем заготовка была предварительно нагрета в конвекционной печи в течение 10 минут и перенесена в горячий пресс с температурой пресс-формы 80°C. Там давление в 10 бар прикладывалось в течение 5 минут во время затвердевания. Полученная толщина составила 1 мм. В то время как лента имеет среднее объемное содержание волокон 45 об%, локальные изменения в пластине были измерены в пределах 40-50 об% GF. Для измерений TMA на сайте NETZSCH Analyzing & Testing образцы размером 25 x 5 мм были вырезаны из пластины в двух различных направлениях: 0° к направлению волокон и 90° к направлению волокон.
Образцы были измерены с помощью нового прибора TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (рис. 2). После первоначального охлаждения температура повышалась от -70°C до 140°C со скоростью нагрева 5 K/мин. Коэффициент теплового расширения рассчитывался с помощью среднего анализа CTE (m. CTE в программе анализа NETZSCH ), который рассчитывает наклон между двумя точками данных. Все условия измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Держатель образца | Расширение, изготовленное из SiO2 |
| Нагрузка на образец | 50 мН |
| Атмосфера | N2 |
| Скорость потока газа | 50 мл/мин |
| Диапазон температур | -70°C ... 140°C при скорости нагрева 5 K/мин |
Пример: Анизотропия в PP-GF-UD
Этот материал демонстрирует различные значения CTE в зависимости от направления измерения материала. CTE таких композитов представляет собой комбинацию между матрицей и волокнами, содержащимися в ней. Поэтому CTE таких материалов значительно отличается в зависимости от направления. Результаты измерений CTE для PP-GF в двух различных направлениях волокон показаны на рисунке 3. Красная кривая показывает измерения в направлении волокон 0°. Низкое значение CTE находится в диапазоне CTE стекла и показывает, что в этом направлении измерения доминирует низкое тепловое расширение стеклянных волокон. В том же материале, измеренном под углом 90° к направлению волокон (черная кривая), преобладает полипропиленовая матрица. Она показывает гораздо более высокий CTE и демонстрирует известный стеклообразный переход (Tg) полипропилена при -7°C, который не наблюдается на красной кривой.
В матрице доминирующее направление CTE композита следует правилу смеси:
Где α - коэффициент линейного теплового расширения (КТР), v - объемная доля, а индексы f и m обозначают волокна и матрицу, соответственно. Предполагая, что измеренный CTE в направлении волокон 0° равен αf, а CTE полипропиленовой матрицы соответствует αm= 1,6 - 10-4K-1 (здесь не измеряется), объемная доля стекловолокна в измеренном композите рассчитывается как:
Резюме
Исследование показало важность анализа коэффициента теплового расширения для высокоэффективных композитных материалов в зависимости от направления волокон.
Подтверждение
Мы благодарим компанию Neue Materialien Bayreuth GmbH за предоставленные образцы.
О компании Neue Materialien Bayreuth GmbH
arcNeue Materialien Bayreuth GmbH - это неакадемическая компания, занимающаяся разработкой различных новых материалов для легких конструкций, от полимеров и композитов, армированных волокном, до металлов, включая их обработку. Они предлагают ориентированные на применение решения, оптимизируя имеющиеся материалы и производственные процессы.