12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Yüksek Performanslı Kompozit Parçalar Tasarlarken Anizotropi Hakkında Bilgi Sahibi Olmak Neden Önemlidir?
Elyafların ve bir polimer matrisin özelliklerini birleştiren elyaf takviyeli kompozit malzemeler onlarca yıldır kullanılmaktadır. Elyafı termoplastik matrise dahil etmenin farklı yolları vardır - rastgele yönlendirilmiş elyaflar, tek yönlü sürekli elyaflar veya çok yönlü kumaş. Eklenen elyafların yönü, parça özellikleri söz konusu olduğunda önemli bir rol oynar. Kompozitin anizotropik davranışının neden olumlu olduğunu ve TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition ile nasıl ölçüleceğini öğrenin.
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 parçalarına 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. Fiber matrisli kompozitleri otomotiv endüstrisi için çok ilginç kılan bir diğer avantaj da korozyona karşı dirençleridir.
Cam elyaflarla güçlendirilmiş termoplastik matris kompozitler, karbon elyaf takviyeli 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 malzeme, aynı zamanda kısa ve sürekli elyaf takviyeli olarak, üstün mekanik özellikleri, kalıplanabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle otomotiv parçaları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Uygulamalar, örneğin, kasalar ve tepsiler, tamponlar, çamurluk kaplamaları, iç döşeme, enstrümantal paneller ve kapı kaplamalarıdır. 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.
Quasi-izotropik 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 polimere kıyasla mukavemet ve sertliği bir dereceye kadar artırırken, tercihli bir yönde yönlendirilmiş elyafların eklenmesi, bu parça yönündeki performansı 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 davranışın bilinmesi, bu kompozit bileşenlerin tasarımı ve üretimi için gereklidir. Mekanik özelliklerin anizotropisi herkesin aklındaki ilk şey olsa da, malzemenin genleşme davranışı da elyaf yönüne bağlı olarak farklılık gösterir.
Bir malzemenin anizotropisi göz ardı edildiğinde veya bilinmediğinde, nihai üründe büyük sorunlara neden olabilir. Örneğin, düzlem yüzeyler bükülebilir veya daha da kötüsü çatlaklar oluşturabilir veya kırılabilir.
Termomekanik Analiz - kompozitlerde anizotropiyi belirlemek 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 önceden ısıtılmış ve 80°C kalıp sıcaklığına sahip bir sıcak prese aktarılmıştır. Burada, katılaşma sırasında 5 dakika boyunca 10 bar basınç uygulanmıştır. Elde edilen kalınlık 1 mm'dir. Bant ortalama %45 hacimsel elyaf içeriğine sahipken, plakadaki yerel değişimler %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 yönünde 0° ve elyaf yönüne 90°.
Numuneler yeni TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition ile ölçülmüştür. İlk soğutma adımından sonra, sıcaklık 5 K/dak ısıtma hızıyla -70'ten 140°C'ye 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 (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 aşağıdaki tabloda 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...300°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, matris ve içinde bulunan elyaf arasındaki bir karışımdır. Bu nedenle, bu malzemelerin CTE'si yöne bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterir. PP-GF için iki farklı elyaf yönünde CTE ölçüm sonuçları aşağıdaki grafikte 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 (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 (burada ölçülmemiştir) olduğu varsayıldığında, ölçülen kompozitteki cam elyaf hacim oranı şu şekilde hesaplanır.
Çalışma, yüksek performanslı kompozit malzemelerin termal genleşme katsayısının elyaf yönüne göre analiz edilmesinin önemini göstermiştir.
Termomekanik Analiz ve uygulama alanları hakkında daha fazla bilgi edinmek için www.NETZSCH.com/tmapolymeredition adresini ziyaret edebilirsiniz
Neue Materialien Bayreuth GmbH Hakkında
Neue Materialien Bayreuth GmbH , hafif yapılar için polimerlerden ve elyaf takviyeli kompozitlerden metallere kadar çeşitli yeni malzemeler geliştiren, akademik olmayan bir araştırma şirketidirarch. Mevcut malzemeleri ve üretim süreçlerini optimize ederek uygulama odaklı çözümler sunmaktadır.
