Muotin lämpötilan vaikutus rajapintojen sidoslujuuteen termoplastisen CF-PAEK:n (PEEK) pinnoitus- ja muovausprosessissa.
Suorituskykyisillä termoplastisilla hiilikuitukomposiiteilla on etuja, kuten korkea sitkeys, iskunkestävyys, alhainen kosteuden imeytyminen ja erinomainen ympäristönsuojelu. Tämän tyyppisten komposiittimateriaalien tutkimus on jatkunut, minkä tuloksena on kehitetty erilaisia termoplastisia hiilikuitukomposiitteja, joissa on erilaisia matriiseja, sekä useita käyttökelpoisia prosessointitekniikoita, mukaan lukien ruiskuvalu, puristusmuovaus ja pinnoitusmuovaus. Korkean lämpötilan sulatustekniikkaa on pitkään pidetty yhtenä tärkeimmistä menetelmistä termoplastisten hiilikuitukomposiittien valmistuksessa. Tässä artikkelissa esitellään muotin lämpötilan vaikutuksia jatkuvan hiilikuituvahvisteisen polyaryylieetteriketonin (CF-PAEK) ja lyhyen hiilikuituvahvisteisen polyeetterieetteriketonin (CF-PEEK) rajapintojen sidoslujuuteen päällystysmuovausprosessin aikana, ja se yhdistää ammatillisesta kirjallisuudesta saatuja näkemyksiä. .
Pinnoitettujen komposiittien valmistus termoplastisesta CF-PAEK:stä ja CF-PEEK:stä
Jatkuvat hiilikuidulla vahvistetut termoplastiset polyaryylieetteriketoni (CF-PAEK) -komposiitit valmistettiin käyttämällä yksisuuntaisia hiilikuituja, joista muodostettiin sitten jatkuvia hiilikuituvahvisteisia komposiittilaminaatteja puristusmuovauksella. Polyeetterieetteriketoni (PEEK) ja lyhyt hiilikuituvahvistettu polyeetterieetteriketoni (SCF-PEEK) valittiin ruiskumateriaaleiksi, ruiskutettiin CF-PAEK-laminaattien pinnalle asetettuihin muotteihin ja pidettiin paineen alaisena tietyn ajan sekoitettujen aineiden tuottamiseksi. päällystetyt komposiitit. Sen jälkeen kun ilman oli annettu jäähtyä huoneenlämpötilaan, valetut termoplastiset hiilikuitukomposiitit poistettiin ja leikattiin kiinteisiin kokoihin. Sen jälkeen suoritettiin erilaisia suorituskykytestejä, mukaan lukien mekaanisten ominaisuuksien testaus, pyyhkäisyelektronimikroskooppi (SEM) -analyysi, tilavuusfraktiotesti, reologisen käyttäytymisen testaus ja nanoindentaatiotestaus. Testitiedot piirrettiin graafisesti ja vastaavat johtopäätökset tehtiin useiden näytesarjojen vertailevilla tutkimuksilla.
Muotin lämpötilan vaikutus termoplastisten CF-PAEK (PEEK) -komposiittien rajapintojen sidoslujuuteen.
1. PAEK- ja PEEK-hartsien viskositeetti-lämpötilakäyrät: Yllä oleva kuva näyttää viskositeetti-lämpötilakäyrät PAEK- ja PEEK-hartseille. Tiedot osoittavat, että PAEK:n viskositeetti vaihtelee noin 89 - 237 Pa·s 340 - 400 asteen lämpötiloissa, kun taas PEEK:n viskositeetti vaihtelee välillä 203 - 330 Pa·s lämpötiloissa 360 - 420 astetta. Molemmilla termoplastisilla hartseilla on leikkausohenemiskäyttäytyminen, ja viskositeetti laskee lämpötilan noustessa. Mitä pienempi hartsisulan viskositeetti on, sitä parempi diffuusio, mikä vaikuttaa positiivisesti rajapintojen sidoslujuuteen.
2. Pinnoitettujen komposiittien leikkauslujuus eri muottilämpötiloissa: Yllä oleva kuva a esittää PEEK- ja SCF-PEEK-materiaalien jännitys-venymäkäyrät eri muottilämpötiloissa. Kuvassa b on esitetty leikkauslujuustiedot PEEK/CCF-PAEK ja SCF-PEEK/CCF-PAEK vaihtelevissa muottilämpötiloissa. PEEK/CCF-PAEK:n leikkauslujuudet ovat 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa ja 68 MPa, kun taas SCF-PEEK/CCF-PAEK:n leikkauslujuudet ovat 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa ja 71 MPa.
Tulokset osoittavat, että muotin lämpötilan noustessa näytteiden leikkauslujuus paranee. Lisäksi lyhyistä hiilikuiduista tehdyn vahvistuksen ansiosta SCF-PEEK/CCF-PAEK:n leikkauslujuus on suurempi. Muotin lämpötila vaikuttaa ruiskutetun sulatteen (PEEK ja SCF-PEEK) ja CCF-PAEK-laminaatin rajapinnan lämpötilan viipymäaikaan sekä kosketusaikaan ennen kovettumista. Kun muotin lämpötila nousee, rajapintakerroksen lämpötila nousee vähitellen, mikä edistää PAEK-hartsin sulamista ja diffuusiota alemmissa sulamislämpötiloissa, mikä parantaa rajapintojen sidoslujuutta.
3. Pinnoitettujen komposiittinäytteiden leikkausvikatilat eri muottilämpötiloissa: Yllä oleva kuva esittää PEEK/CCF-PAEK-pinnoitettujen komposiittien leikkausmurtuman poikkileikkaukset eri muottilämpötiloissa. Se paljastaa, että leikkausvoimien vaikutuksesta näytteen molemmille puolille alkaa muodostua halkeamia ja ne ulottuvat kohti keskustaa. Kun muotin lämpötila on asetettu arvoon 220 astetta ja 240 astetta, PEEK/CCF-PAEK:n epäonnistuminen johtuu ensisijaisesti rajapinnan delaminaatiosta, mikä osoittaa suhteellisen heikkoa rajapintojen sidoslujuutta (kuvat a ja b). Sitä vastoin, kun muotin lämpötila nousee 260 asteeseen ja 280 asteeseen, PEEK/CCF-PAEK:n epäonnistuminen johtuu pääasiassa kerrosten välisestä murtumasta, mikä viittaa vahvempaan rajapintojen sidoslujuuteen (kuvat c ja d).
Yllä oleva kuva esittää SCF-PEEK/CCF-PAEK-pinnoitettujen komposiittien leikkausmurtuman poikkileikkaukset eri muottilämpötiloissa, joiden näyteolosuhteet ovat samanlaiset kuin PEEK/CCF-PAEK-komposiittien. Muotin lämpötiloissa 220 ja 240 astetta rajapinnan sidosten epäonnistuminen on edelleen suuri ongelma (kuvat a ja b). Kun muotin lämpötila nousee 260 asteeseen ja 280 asteeseen, SCF-PEEK/CCF-PAEK:n vikaantumiselle on tunnusomaista CCF-PAEK:n kerrosten välinen murtuminen ja SCF-PEEK:n taivutusvaurio (kuvat c ja d). Päällystysprosessin aiheuttaman taivutusmuodonmuutoksen ja kerrostenvälisen leikkausmuodonmuutoksen vuoksi rajapinnan sidoslujuuden heikkeneessä PEEK:n, SCF-PEEK:n ja CCF-PAEK:n välillä voi tapahtua delaminaatiota. Kun rajapintojen sidoslujuus kasvaa, rajapintojen delaminaatio komposiitissa vähenee vähitellen, kun taas hartsin kerrosten välinen murtuminen kasvaa.
Kokeet osoittavat, että komposiitin rajapinnan vikamuodot muuttuvat muotin lämpötilan noustessa. Alemmissa lämpötiloissa rajapinnan lämpötila on alhaisempi ja ruiskumuotissa oleva sulate jäähtyy nopeammin, mikä johtaa hitaampaan molekyylidiffuusioon ja heikompaan tarttumiseen. Leikkausvaurio ilmenee rajapinnan vauriona, jolle on ominaista mekaaninen sidos. Muotin lämpötilan noustessa PEEK:n murtumispinta-ala kasvaa vähitellen. Korkeammat muotin lämpötilat nostavat PEEK-hartsin ja PAEK-hartsin välistä rajapintalämpötilaa, mikä lisää sekoitusaikaa ennen kovettumista, mikä helpottaa hartsin sulamisprosessia. Kun rajapinnan lämpötila ylittää PAEK:n sulamislämpötilan, rajapinnalle muodostuu eutektinen hartsikerros, joka parantaa rajapintojen sidoslujuutta.
4. Pinnoitettujen komposiittien nanosynnytyskuormitus-syvyyskäyrät eri muottilämpötiloissa: Yllä olevan kuvan käyrät osoittavat, että samalla painumakuormalla painumissyvyys pienenee vähitellen muotin lämpötilan noustessa, mikä viittaa siihen, että hartsin kantokyky rajapinnalla vahvistuu muotin lämpötilan noustessa. PEEK/CCF-PAEK-komposiitilla muotin lämpötilassa 260 astetta rajapintahartsin kantokyky on samanlainen kuin PEEK:n, mikä osoittaa, että päällystetty komposiitti on saavuttanut sulan hartsin sekoittumisen ruiskutuskerroksen kanssa. hartsi (PEEK), saavuttaen lähes identtisen lujuuden. Verrattuna PEEKiin SCF-PEEK/CCF-PAEK-komposiitilla on suurempi kuormitus rajapinnassa, mikä viittaa siihen, että lyhyiden hiilikuitujen lisääminen tehostaa hartsia rajapinnassa, jolloin se kestää suurempia kuormia.
Kun sisennyssyvyys on pieni, moduuli pienenee nopeasti sisennyssyvyyden kasvaessa (kuva b), mikä osoittaa huomattavaa vaihtelua moduulikäyrässä tämän vaiheen aikana. Kun syvyys ylittää 250 nm, moduuliarvot alkavat tasoittaa syvyyden kasvaessa. Yli 500 nm:n syvyyksissä moduulikäyrästä tulee vakaampi. 220 asteen muotin lämpötilassa PEEK/CCF-PAEK-pinnoitettujen komposiittien syvyysmoduulikäyrä on suhteellisen epävakaa, ja sen matalampi moduuli on 4,2 GPa. Tämä osoittaa, että 260 asteen muotin lämpötilassa sulate voi muodostaa hartsin rinnakkaiselokerroksen esimuotin pintahartsin kanssa, mikä johtaa PEEK:n kanssa verrattavissa olevaan moduuliin.
SCF-PEEK/CCF-PAEK päällystettyjen komposiittien syvyysmoduulikäyrä on suhteellisen tasainen, mikä osoittaa, että lyhyiden hiilikuitujen lisääminen voi parantaa hartsin moduulia rajapinnassa. Kun muotin lämpötila nousee, myös moduuli nousee vähitellen. Muotin lämpötilassa 260 astetta nousu on merkittävä, ja se on jopa 5,5 GPa, mikä liittyy siirtymiseen rajapinnan sidostilassa tässä lämpötilassa. Tämä osoittaa, että rajapinnassa olevat kaksi hartsityyppiä voivat sulaa ja diffundoitua toisiinsa. Lisäksi lyhyet hiilikuidut voivat upottaa itsensä rajapintakerroksen sisään, kun hartsi on sulassa tilassa, mikä myötävaikuttaa moduulin kasvuun.
