Varför kunskap om anisotropi är avgörande när man utformar högpresterande kompositdelar

Fiberförstärkta kompositmaterial, som kombinerar egenskaperna hos fibrer och en polymermatris, har funnits i årtionden. Fibermatriskompositer är styvare, har en mycket bra styrka/vikt-prestanda och har en mycket lägre TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet än sina motsvarigheter 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 som gör fibermatriskompositer 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 har en mycket lägre kostnad, vilket är en viktig faktor för fordonsindustrin. Polypropylen (PP) i ren form, men även med kort och kontinuerlig fiberförstärkning, används ofta till bildelar tack vare sina enastående mekaniska egenskaper, formbarhet och låga kostnad. Användningsområden är t.ex. lådor och tråg, stötfångare, stötfångare, stänkskärmar, inredning, 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.

Kvasi-isotropiska 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 delriktning. Denna preferensorientering ger kompositen anisotropa egenskaper, dvs. egenskaperna i fiberriktningen domineras av fiberegenskaperna och vinkelrätt mot den är matrisegenskaperna mer uttalade. Kunskap om detta anisotropiska beteende krävs för design och produktion av dessa kompositkomponenter. Även om anisotropin hos de mekaniska egenskaperna är det första 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. Exempelvis kan plana ytor bucklas, eller ännu värre, bilda sprickor eller gå sönder.

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 är 1 mm. Medan tejpen har ett genomsnittligt fibervolyminnehåll på 45 vol%, uppmättes de lokala variationerna i plattan 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 fiberriktningen och 90° i förhållande till fiberriktningen.

Proverna mättes med den nya TMA 402 F3 Hyperion^® Polymer Edition. Efter ett inledande kylsteg ökades temperaturen från -70 till 140°C med en uppvärmningshastighet på 5 K/min. Den termiska expansionskoefficienten beräknades med hjälp av medel-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), som beräknar lutningen mellan två datapunkter. Alla mätförhållanden sammanfattas i följande tabell:

Tabell 1: Mätförhållanden

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 blandning mellan matrisen och fibrerna i den. Därför skiljer sig CTE för dessa material avsevärt beroende på riktning. Mätresultaten av CTE för PP-GF i de två olika fiberriktningarna visas i diagrammet nedan. Den röda kurvan visar mätningen i fiberriktningen 0°. Det låga 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 dominerade riktningen för CTE för 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, _αm= 1,^6×10-4K-1 (ej uppmätt här), beräknas glasfibervolymfraktionen i den uppmätta kompositen enligt.

Studien visar hur viktigt det är att analysera värmeutvidgningskoefficienten för högpresterande kompositmaterial baserat på fiberriktningen.

Om du är intresserad av att veta mer om termomekanisk analys och dess användningsområden, besök www.NETZSCH.com/tmapolymeredition

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.

FLER ANVÄNDNINGSOMRÅDEN MED NYA TMA 402 F3 HYPERION^® POLYMERUTGÅVA

• 
  07.10.2020

  Vad TMA-mätningar kan berätta om fyllmedelsorientering vid formsprutning

• 
  02.10.2020

  Kvalitetskontroll av elektroniska komponenter med hjälp av termomekanisk analys

• 
  26.10.2020

  Unikt verktyg för förutsägelse av produktprestanda och bearbetningsbeteende under kontroll av termisk expansion