12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Почему знание об анизотропии имеет решающее значение при проектировании высокоэффективных композитных деталей
Композитные материалы, армированные волокнами, сочетающие свойства волокон и полимерной матрицы, существуют уже несколько десятилетий. Существуют различные способы введения волокон в термопластичную матрицу - случайно ориентированные волокна, однонаправленные непрерывные волокна или разнонаправленная ткань. Ориентация добавленных волокон играет важную роль при определении свойств деталей. Узнайте, почему анизотропное поведение композита является благоприятным и как его измерить с помощью TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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, которое делает волокнистые матричные композиты очень интересными 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. Области применения - это корпуса и поддоны, бамперы, накладки на крылья, внутренняя отделка, приборные панели и дверные накладки. 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 некоторой 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, т.е. в ориентации волокон преобладают свойства волокон, а в перпендикулярном направлении более выражены свойства матрицы. Знание этого анизотропного поведения необходимо для проектирования и производства этих композитных компонентов. Хотя анизотропия механических свойств - это первое, что приходит на ум каждому, 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, образовать трещины или сломаться.
Термомеханический анализ - метод определения анизотропии в композитах
Используя метод термомеханического анализа (ТМА), можно определить изменения размеров и, следовательно, CTE армированных волокнами полимеров 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 составляет 1 мм. В то время как лента имеет среднее объемное содержание волокон 45 об%, локальные вариации в пластине были измерены между 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° в направлении волокна и 90° к направлению волокна.
Образцы были измерены с помощью нового прибора TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition. После первоначального охлаждения температура повышалась от -70 до 140°C при скорости нагрева 5 К/мин. Коэффициент теплового расширения рассчитывался с помощью среднего анализа CTE (m. CTE), который рассчитывает наклон между двумя точками данных. Все условия измерений приведены в следующей таблице:
Таблица 1: Условия измерений
| Держатель образца | Расширение, изготовленное из SiO2 |
| Нагрузка на образец | 50 мН |
| Атмосфера | N2 |
| Скорость потока газа | 50 мл/мин |
| Диапазон температур | -70...300°C при скорости нагрева 5 K/мин |
Пример: Анизотропия в PP-GF-UD
Этот материал демонстрирует различные значения CTE в зависимости от направления измерения. КТЭ таких композитов - это смесь между матрицей и содержащимися в ней волокнами. Поэтому КТЭ этих материалов значительно отличается в зависимости от направления. Результаты измерения CTE для PP-GF в двух различных направлениях волокон показаны на графике ниже. 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. Он показывает гораздо более высокий CTE и демонстрирует известный стеклообразный переход (Tg) полипропилена при -7°C, не наблюдаемый на красной кривой.
В матрице доминирующее направление CTE композита следует правилу смеси:
Где α - коэффициент линейного теплового расширения (CTE), 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 αm= 1,6×10-4K-1 (здесь не измеряется), объемная доля стекловолокна в измеренном композите рассчитывается как.
Исследование показало важность анализа коэффициента теплового расширения высокоэффективных композиционных материалов в зависимости от направления волокон.
Если вам интересно узнать больше о термомеханическом анализе и областях его применения, посетите сайт www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
