Почему влияние анизотропных наполнителей на тепловое расширение зависит от процесса

Как анизотропные наполнители сочетаются в аддитивном производстве

В процессе аддитивного производства Selective Laser Sintering (SLS) происходит не течение расплава, а течение порошка. Такое течение порошка в процессе нанесения покрытия выравнивает анизотропные наполнители по направлению течения порошка, которое обычно обозначается как x-направление. В случае с волокнами это означает, что большинство волокон выровнено в направлении x, некоторые могут быть выровнены в направлении y и очень небольшое количество может быть ориентировано в направлении z. В случае хлопьев они равномерно распределены в плоскости xy и лишь немногие могут быть ориентированы в направлении толщины, z. Этот эффект отличается, например, от литья под давлением, и может быть изучен и подтвержден с помощью оптической визуализации или косвенных измерений, таких как коэффициент теплового расширения (CTE) или (α).

Определение ориентации волокон медных сфер и чешуек с помощью термического анализа

Для анализа использовались образцы из исследования [1] Института технологии пластмасс (LKT) при Университете Эрлангена-Нюрнберга.

На сайтеarcбыли получены различные смеси порошка PA12 с изотропными медными сферами и анизотропными хлопьями в различном содержании (5 и 10 об. % медных сфер и 5 об. % медных хлопьев) для изучения их пригодности для повышения теплопроводности материала. На сайте NETZSCH Analyzing & Testing все образцы были проанализированы с помощью прибора NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion^®. Для определения коэффициента теплового расширения (CTE) образцы были вырезаны из образцов собачьей кости в трех различных направлениях, рис. 1, x- и y-направлении: 10x5x4,5 ^мм3, z-направление: 4.5x5x5 ^мм3.

Тепловое расширение измерялось в диапазоне от -20 до 170 ºC при скорости нагрева 5 К/мин. Все условия измерений сведены в следующую таблицу:

Таблица 1: Условия измерений

Сравнение ненаполненного и наполненного порошка PA12

На рис. 2 показаны результаты для ненаполненного PA12 и смеси с изотропными наполнителями.

Видно, что тепловое расширение smallбольше для наполненной системы, чем для ненаполненной, даже при объемном содержании 5 об%, что довольно small.

Сравнивая различные направления, мы обнаруживаем, что тепловое расширение в направлении толщины ниже для обоих материалов. Однако для образца с медным наполнителем разница еще больше. Это можно объяснить различиями в затвердевании и адгезии частиц внутри слоя (в плоскости xy) по сравнению с адгезией между слоями. Обычно это проявляется в изменении механических свойств, но Ланцль и другие [1] также наблюдали изменение пористости. Поскольку при исследованииarcбыло обнаружено, что пористость выше у композитов с медным наполнителем, это также объясняет большую разницу между z и xy-направлением. Тот же эффект наблюдался при использовании стеклянных шариков в качестве изотропного наполнителя.

Сравнение различных объемных содержаний сфер из меди

Сравнение между различными объемными содержаниями сфер Cu показано на рисунке 3. Значительных изменений между образцами не наблюдается.

Сравнение различных форм меди

Сравнение различных форм меди при одинаковом объемном содержании 5 об. % наполнителя показано на рис. 4.

При том же объемном содержании направленность становится вполне очевидной. Сферы меди демонстрируют изотропное поведение. Для сравнения, хлопья снижают CTE в направлении x и y и повышают в направлении z. Причина заключается в выравнивании наполнителей. В процессе нанесения покрытия хлопья выравниваются в xy-плоскости, оказывая наиболее выраженный эффект в этих направлениях. Однако они не переходят в соседние слои и не проявляют достаточно значительного выравнивания в z-направлении, чтобы внести большой вклад в тепловое расширение. Значение CTE в направлении толщины почти такое же, как у матричного материала PA12. Как объяснялось ранее, такое поведение является прямым следствием обработки и выравнивания наполнителей вследствие этого.

Лучшее сравнение с коэффициентом теплового объемного расширения

Чтобы сравнить два материала, необходимо учесть коэффициент теплового объемного расширения. Так как оба образца имеют одинаковое содержание меди 5 об%, коэффициент объемного расширения должен быть примерно одинаковым.

Для изотропных материалов коэффициент объемного расширения рассчитывается как _αv = 3 _αl или _αv = 3 _αx

Для анизотропных материалов _αv определяется как _αv = (_αx + _αy + _αz)

Согласно полученным данным, _αv композита с Cu-сферами составляет 482,^0×10-6 1/K, а _αv композита с Cu-хлопьями - 464,^2×10-6 1/K, что показывает, что общее содержание наполнителя оказывает наибольшее влияние, но распределение теплового расширения в различных направлениях сильно зависит от формы наполнителя.

Обнаружение анизотропного поведения материала с помощью LFA

Еще один метод термического анализа, который полезен для выявления анизотропного поведения материалов и понимания их эффективности в системах терморегулирования, - лазерный анализ вспышки (LFA) для измерения теплопроводности. Читайте в статьях, какие изменения обнаруживаются в деталях из PA12 с медными сферами и хлопьями в качестве наполнителей и как тепловая диффузия, удельная теплоемкость и CTE используются для расчета теплопроводности.

Об Институте полимерных технологий (LKT)

arcИнститут полимерных технологий - это академический институт при Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге.arcИнститут является одним из лидеров в области аддитивного производства, в частности SLS.arcarcПомимо этих направлений, институт работает над такими междисциплинарными темами, как компаундирование материалов-наполнителей, моделирование процессов обработки и применения, радиационное сшивание термопластов, щадящая обработка и многое другое.

Читайте также: https://ta-NETZSCH.com/how-does-select ive-laser-sintering-sls-work

Источники

[1] Lanzl, L., Wudy, K., Greiner, S., Drummer D., Selective Laser Sintering of Copper Filled Polyamide 12: Characterization of Powder Properties and Process Behavior, Polymer Composites, pp. 1801-1809, 2019: Selectivelaser sintering of copper filled polyamide 12: Characterization of powder properties and process behavior - Lanzl - 2019 - Polymer Composites - Wiley Online Libra^® ry