Inledning
Fiberförstärkta kompositmaterial, som kombinerar egenskaperna hos fibrer och en polymermatris, har funnits i årtionden. Fibermatriskompositer är styvare, har ett mycket bra förhållande mellan styrka och vikt och har en mycket lägre TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet än motsvarande material i metall. Detta gör dem upp till 60% lättare än t.ex. stål; en mycket önskvärd egenskap när det gäller komponenter för mobilitetssektorn och i synnerhet bilindustrin, där viktminskningen är viktig för att förbättra bränsleeffektiviteten eller förlänga räckvidden för elbilar. En annan fördel med fibermatriskompositer som gör dem mycket intressanta för fordonsindustrin är deras korrosionsbeständighet. Termoplastiska matriskompositer förstärkta med glasfibrer har en högre TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och en lägre modul än kolfiberförstärkta kompositer men till en mycket lägre kostnad, vilket är en viktig faktor för fordonsindustrin. Polypropylen (PP) som rent material, men också med kort och kontinuerlig fiberförstärkning, används ofta för bildelar på grund av dess enastående mekaniska egenskaper, formbarhet och låga kostnad. Exempel på användningsområden är höljen och fack, stötfångare, stötfångarfoder, innerklädsel, instrumentpaneler och dörrklädslar. Andra positiva egenskaper hos PP är hög kemikaliebeständighet, god väderbeständighet, bearbetbarhet och balans mellan slagseghet och styvhet, vilket förklarar varför det är en av de mest använda polymererna på marknaden.
Kvasiisotropiska och anisotropiska kompositer
Det finns olika sätt att införliva fibern i den termoplastiska matrisen - slumpmässigt orienterade fibrer, enkelriktade kontinuerliga fibrer eller flerriktat tyg; se figur 1. Orienteringen av de tillsatta fibrerna spelar en viktig roll när det gäller delegenskaper.
Medan slumpmässigt orienterade fibrer ökar styrkan och styvheten jämfört med den rena polymeren i viss utsträckning, ökar tillsatsen av orienterade fibrer i en preferensriktning avsevärt prestandan i denna riktning hos delen. Denna preferensorientering ger kompositen anisotropa egenskaper, dvs. egenskaperna i fiberriktningen domineras av fiberegenskaperna och vinkelrätt mot detta är matrisegenskaperna mer uttalade. Kunskap om detta anisotropa beteende är en förutsättning för design och produktion av dessa kompositkomponenter. Även om anisotropin hos de mekaniska egenskaperna är det första som alla tänker på, skiljer sig materialets expansionsbeteende också beroende på fiberriktningen. När anisotropin i ett material förbises, eller inte är känd, kan det orsaka stora problem i slutprodukten. Till exempel kan plana ytor buckla eller ännu värre, sprickor eller brott kan bildas.
Termomekanisk analys - en metod för att bestämma anisotropi i kompositer
Med hjälp av metoden för termomekanisk analys (TMA) kan dimensionsförändringar och därmed Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för fiberförstärkta polymerer bestämmas i olika materialriktningar. För denna studie förbereddes prover vid Neue Materialien Bayreuth. Tre lager av ett PP-GF UD-band staplades ovanpå varandra och förkonsoliderades i en dubbelbandspress i tre värmezoner från 180-190°C. Ämnet förvärmdes sedan i en konvektionsugn i 10 minuter och överfördes till en varmpress med en formtemperatur på 80°C. Där applicerades ett tryck på 10 bar i 5 min under stelningen. Den resulterande tjockleken var 1 mm. Medan tejpen har ett genomsnittligt fibervolyminnehåll på 45 vol%, uppmättes de lokala variationerna i plattan till mellan 40-50 vol% GF. För TMA-mätningarna på NETZSCH Analyzing & Testing skars prover på 25 x 5 mm från plattan i två olika riktningar: 0° i förhållande till fiberriktningen och 90° i förhållande till fiberriktningen.
Proverna mättes med den nya TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (bild 2). Efter ett inledande kylningssteg ökades temperaturen från -70°C till 140°C med en uppvärmningshastighet på 5 K/min. Den termiska expansionskoefficienten beräknades med hjälp av den genomsnittliga Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-analysen (m. Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE i analysprogrammet NETZSCH ), som beräknar lutningen mellan två datapunkter. Alla mätförhållanden sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Provhållare | Expansion, tillverkad av SiO2 |
| Belastning på provet | 50 mN |
| Atmosfär | N2 |
| Flödeshastighet för gas | 50 ml/min |
| Temperaturområde | -70°C ... 140°C vid en uppvärmningshastighet på 5 K/min |
Exempel: Anisotropi i PP-GF-UD
Detta material uppvisar olika Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE beroende på i vilken riktning materialet mäts. Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för den här typen av kompositer är en kombination av matrisens Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE och Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för de ingående fibrerna. Det är därför som Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för sådana material skiljer sig avsevärt beroende på riktning. Mätresultaten för Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE för PP-GF i de två olika fiberriktningarna visas i figur 3. Den röda kurvan visar mätningen i fiberriktningen 0°. Det låga Koefficient för linjär termisk expansion (CLTE/CTE)Den linjära termiska expansionskoefficienten (CLTE) beskriver ett materials längdförändring som en funktion av temperaturen.CTE-värdet ligger i intervallet för glasets CTE och visar att denna mätriktning domineras av glasfibrernas låga värmeutvidgning. Samma material mätt 90° mot fiberriktningen (svart kurva) domineras av polypropylenmatrisen. Den visar en mycket högre CTE och uppvisar den kända glasövergången (Tg) för polypropen vid -7°C, vilket inte kan observeras i den röda kurvan.
I matrisen följer den dominerande riktningen för CTE i en komposit blandningsregeln:
Där α är den linjära termiska expansionskoefficienten (CTE), v är volymfraktionen och indexen f och m betecknar fibrerna respektive matrisen. Om man antar att den uppmätta CTE i 0° fiberriktning är densamma som αf, och CTE för polypropylenmatrisen motsvarar αm= 1,6 - 10-4K-1 (inte uppmätt här), beräknas glasfibervolymfraktionen i den uppmätta kompositen enligt följande:
Sammanfattning
Studien visade hur viktigt det är att analysera värmeutvidgningskoefficienten för högpresterande kompositmaterial baserat på fiberriktningen.
Bekräftelse
Vi vill tacka Neue Materialien Bayreuth GmbH för att de tillhandahöll proverna.
Om Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH är ett icke-akademiskt forskningsföretag som utvecklar olika nya material för lättviktskonstruktioner, från polymerer och fiberförstärkta kompositer till metaller, inklusive bearbetning. De tillhandahåller applikationsorienterade lösningar genom att optimera tillgängliga material och produktionsprocesser.