Giriş
Elyaf ve polimer matrisin özelliklerini bir araya getiren elyaf takviyeli kompozit malzemeler onlarca yıldır kullanılmaktadır. Elyaf matrisli kompozitler daha serttir, yüksek mukavemet-ağırlık performansına sahiptir ve metal muadillerine göre çok daha düşük yoğunluğa sahiptir. Bu da onları örneğin çelikten %60'a kadar daha hafif hale getirir; mobilite sektörü ve özellikle de yakıt verimliliğini artırmak veya elektrikli arabaların menzilini uzatmak için ağırlık azaltmanın önemli olduğu otomotiv endüstrisi için bileşenler söz konusu olduğunda çok arzu edilen bir özelliktir. Elyaf matrisli kompozitlerin otomotiv endüstrisinde büyük ilgi görmesini sağlayan bir diğer avantajı da korozyona karşı dirençli olmalarıdır. Cam elyafla güçlendirilmiş termoplastik matris kompozitler, karbon elyafla güçlendirilmiş kompozitlerden daha yüksek yoğunluğa ve daha düşük bir modüle sahiptir, ancak otomotiv endüstrisi için önemli bir faktör olan çok daha düşük bir maliyete sahiptir. Polipropilen (PP) saf bir malzeme olarak ve aynı zamanda kısa ve sürekli elyaf takviyeli olarak, olağanüstü mekanik özellikleri, kalıplanabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle otomotiv parçaları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygulamalar arasında kasalar ve bölmeler, tamponlar, çamurluk kaplamaları, iç döşeme, enstrümantal paneller ve kapı kaplamaları bulunmaktadır. PP'nin diğer olumlu özellikleri yüksek kimyasal direnç, iyi hava koşullarına dayanıklılık, işlenebilirlik ve darbe/sertlik dengesidir, bu da neden piyasada en yaygın kullanılan polimerlerden biri olduğunu açıklar.
Yarı-İzotropik ve Anizotropik Kompozitler
Elyafı termoplastik matrise dahil etmenin farklı yolları vardır - rastgele yönlendirilmiş elyaflar, tek yönlü sürekli elyaflar veya çok yönlü kumaş; bkz. Şekil 1. Eklenen elyafların yönü, parça özellikleri söz konusu olduğunda önemli bir rol oynar.
Rastgele yönlendirilmiş elyaflar, saf polimerinkine kıyasla mukavemet ve sertliği belirli bir ölçüde artırırken, tercihli bir yönde yönlendirilmiş elyafların eklenmesi, parçanın bu yöndeki performansını önemli ölçüde artırır. Bu tercihli yönlendirme kompozite anizotropik özellikler kazandırır, yani elyaf yönündeki özellikler elyaf özellikleri tarafından domine edilir ve buna dik olarak matris özellikleri daha belirgindir. Bu anizotropik davranış hakkında bilgi sahibi olmak, bu kompozit bileşenlerin tasarımı ve üretimi için bir ön koşuldur. Mekanik özelliklerin anizotropisi herkesin aklına gelen ilk şey olsa da, malzemenin genleşme davranışı da elyaf yönüne bağlı olarak farklılık gösterir. Bir malzemenin anizotropisi göz ardı edildiğinde veya bilinmediğinde, bu durum nihai üründe büyük sorunlara neden olabilir. Örneğin, düzlem yüzeyler bükülebilir veya daha da kötüsü çatlaklar veya kırılmalar oluşabilir.
Termomekanik Analiz - Kompozitlerde Anizotropinin Belirlenmesi için Bir Yöntem
Termomekanik Analiz (TMA) yöntemi kullanılarak, fiber takviyeli polimerlerin boyutsal değişimleri ve dolayısıyla Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE'leri farklı malzeme yönlerinde belirlenebilir. Bu çalışma için numuneler Neue Materialien Bayreuth'da hazırlanmıştır. Bir PP-GF UD bandının üç katmanı üst üste istiflenmiş ve 180-190°C arasındaki üç ısıtma bölgesinde çift bantlı bir preste önceden konsolide edilmiştir. İşlenmemiş parça daha sonra bir konveksiyon fırınında 10 dakika boyunca ön ısıtmaya tabi tutulmuş ve kalıp sıcaklığı 80°C olan bir sıcak prese aktarılmıştır. Burada katılaşma sırasında 5 dakika boyunca 10 bar basınç uygulanmıştır. Elde edilen kalınlık 1 mm olmuştur. Bant ortalama %45 hacimsel elyaf içeriğine sahipken, plakadaki yerel varyasyonlar %40-50 hacimsel GF arasında ölçülmüştür. NETZSCH Analyzing & Testing adresindeki TMA ölçümleri için, 25 x 5 mm'lik numuneler plakadan iki farklı yönde kesilmiştir: elyaf yönüne 0° ve elyaf yönüne 90°.
Numuneler yeni TMA 402 F3 Hyperion® Polimer Baskısı ile ölçülmüştür (Şekil 2). İlk soğutma adımından sonra sıcaklık -70°C'den 140°C'ye 5 K/dak ısıtma hızıyla yükseltilmiştir. Termal genleşme katsayısı, iki veri noktası arasındaki eğimi hesaplayan ortalama Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE analizi ( NETZSCH analiz yazılımında m. Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE) kullanılarak hesaplanmıştır. Tüm ölçüm koşulları tablo 1'de özetlenmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Örnek tutucu | SiO2'den yapılmış genişleme |
| Örnek yük | 50 mN |
| Atmosfer | N2 |
| Gaz akış hızı | 50 ml/dak |
| Sıcaklık aralığı | -5 K/dak ısıtma hızında 70°C ... 140°C |
Örnek: PP-GF-UD'de anizotropi
Bu malzeme, malzemenin ölçüldüğü yöne bağlı olarak farklı Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE'ler sergiler. Bu tür kompozitlerin Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.CTE'si, matrisin CTE'si ile içinde bulunan elyafların CTE'si arasındaki bir kombinasyondur. Bu nedenle bu tür malzemelerin CTE'si yöne bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterir. PP-GF için iki farklı elyaf yönünde CTE ölçüm sonuçları Şekil 3'te gösterilmektedir. Kırmızı eğri 0° fiber yönündeki ölçümü göstermektedir. Düşük CTE değeri camın CTE aralığındadır ve bu ölçüm yönünün cam elyafların düşük termal genleşmesi tarafından domine edildiğini göstermektedir. Fiber yönüne 90° açıyla ölçülen aynı malzeme (siyah eğri) polipropilen matris tarafından domine edilir. Çok daha yüksek bir CTE gösterir ve kırmızı eğride gözlemlenemeyen -7°C'de polipropilenin bilinen cam geçişini (Tg) sergiler.
Matriste, bir kompozitin CTE'sinin baskın yönü karışım kuralını takip eder:
Burada α Doğrusal Termal Genleşme Katsayısı (CLTE/CTE)Doğrusal termal genleşme katsayısı (CLTE), sıcaklığın bir fonksiyonu olarak bir malzemenin uzunluk değişimini tanımlar.doğrusal termal genleşme katsayısıdır (CTE), v hacim oranıdır ve f ve m indisleri sırasıyla fiberleri ve matrisi gösterir. 0° elyaf yönünde ölçülen CTE'nin αf ile aynı olduğu ve polipropilen matrisin CTE'sinin αm= 1,6 - 10-4K-1 'e (burada ölçülmemiştir) karşılık geldiği varsayıldığında, ölçülen kompozitteki cam elyaf hacim oranı şu şekilde hesaplanır:
Özet
Çalışma, yüksek performanslı kompozit malzemeler için termal genleşme katsayısının elyaf yönüne göre analiz edilmesinin önemini göstermiştir.
Teşekkür
Örnekleri sağlayan Neue Materialien Bayreuth GmbH'ye teşekkür ederiz.
Neue Materialien Bayreuth GmbH Hakkında
Neue Materialien Bayreuth GmbH, polimerler ve fiber takviyeli kompozitlerden metallere kadar hafif yapılar için çeşitli yeni malzemeler geliştiren, akademik olmayan bir araştırma şirketidirarch. Mevcut malzemeleri ve üretim süreçlerini optimize ederek uygulama odaklı çözümler sunmaktadır.