Suorituskykyvertailu termoplastisen hiilikuidun ja lämpökovettuvan hiilikuidun välillä ilmailu- ja avaruussovelluksissa.
Uudelta vuosituhannelta lähtien on saavutettu merkittäviä saavutuksia erilaisten uusien komposiittimateriaalien, kuten tällä hetkellä suosittujen lasikuitu-, hiilikuitu- ja aramidikuitukomposiittien, tutkimuksessa ja etsinnässä. Tässä artikkelissa esitellään hiilikuitua ja sen komposiitteja, jotka tunnetaan nimellä "musta kulta". Hiilikuitu on ollut olemassa yli vuosisadan, ja jatkuvan kehityksen myötä se on vähitellen löytänyt käyttökohteita urheiluvälineissä ja Formula 1 -kilpa-autoissa. Tällä hetkellä päämateriaalina ovat lämpökovettuvat hiilikuitukomposiitit, jotka sisältävät lämpökovettuvia hartseja, kuten epoksihartsia, fenolihartsia ja bismaleimidihartsia.
Termoplastiset hiilikuitukomposiitit sopivat paremmin ilmailusovelluksiin.
Hiilikuitua ja erilaisia muoveja koskevan tutkimuksen lisääntyessä on havaittu, että erikoismuovien käyttäminen matriisina yhdessä hiilikuidun kanssa voi hyödyntää paremmin hiilikuidun korkean suorituskyvyn ominaisuuksia. Jos jatkuvatoimisia hiilikuituvahvisteisia kestomuovikomposiitteja voidaan valmistaa massatuotantona, koko teollisuussektori hyötyy ja huipputeollisuuden, kuten ilmailu- ja lääketieteen alat, kasvavat merkittävästi. Tällä hetkellä hiilikuituepoksihartsikomposiittien edut - kuten korkea lujuus, alhainen viruma, korkea moduuli ja alhaiset kustannukset - on todistettu soveltuvan ilmailualalle. Niiden heikkoudet ovat kuitenkin myös varsin ilmeisiä, mukaan lukien korkea hauraus, halkeilualttius ja korkea kosteuden imeytyminen, mikä aiheuttaa tiettyjä käyttöriskejä. Termoplastisten matriisimateriaalien sisällyttäminen voi korjata nämä suorituskyvyn puutteet ja avata uusia mahdollisuuksia hiilikuitukomposiiteille.
On olemassa monia korkean suorituskyvyn erikoismuoveja, kuten polyeetteriketoni (PEEK), polyeetteriketoni (PEKK), polyeetteriketoni eetteriketoni (PEKEKK), polyeetteri-imidi (PEI), polyfenyleenisulfidi (PPS) ja polyamidi (PA). ). Nämä termoplastiset matriisihartsit voivat tarjota paremman fysikaalisen rakenteen ja kemialliset ominaisuudet hiilikuidulle. Esimerkkinä Polyether Ether Ketone (PEEK) sen lasittumislämpötila (Tg) on noin 150 astetta ja sulamispiste noin 370 astetta, mikä parantaa merkittävästi hiilikuitukomposiittien kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa. Lisäksi se säilyttää paremmin hiilikuidun luontaiset ominaisuudet varmistaen hyvän lujuuden, sitkeyden, kemikaalinkestävyyden ja liuottimien kestävyyden. PEEKillä on myös erinomainen lämpöstabiilisuus, palonestokyky ja alhainen dielektrisyysvakio, mikä tekee siitä yhden erittäin halutuista materiaaleista tulevissa ilmailusovelluksissa.
Termoplastisen ja lämpökovettuvan hiilikuidun suorituskyvyn vertailu ilmailu- ja avaruussovelluksiin
Tutkimusryhmät ovat tehneet perusteellisia tutkimuksia lämpökovettuvista ja termoplastisista hiilikuitukomposiiteista ilmailu- ja avaruussovelluksissa vertaamalla hiilikuituvahvisteisia polyeetteriketoni (PEK) -komposiitteja hiilikuituvahvisteisiin epoksihartsikomposiitteihin.
1. Hiilikuituvahvistettu polyeetteriketonilevy: Tämä komposiitti koostuu laminaatista, joka on valmistettu 60 % hiilikuidusta ja 40 % polyeetteriketonista (PEK). Siinä on kymmenen kerrosta kaksisuuntaista hiilikuitua, jotka on sijoitettu yhdentoista PEK-kerroksen väliin, ja PEK-kalvo sekä ylä- että alapuolella. Pinottu CF/PEK puristetaan 410 asteessa 10 baarin paineessa 30 minuuttia.
2. Hiilikuituepoksihartsilevy: Tämä komposiitti käyttää matriisimateriaalina LY556-epoksihartsia, joka on vahvistettu kaksisuuntaisella hiilikankaalla. Huoneenlämmössä epoksihartsiin lisätään kovete HY951 sekoitettuna suhteessa 100:12. Hiilikuituvahvistus säilyy 60 paino-%:ssa, jolloin saadaan noin 3 mm paksu hiilikuituepoksihartsilaminaatti käyttämällä kymmentä kangaskerrosta.
3. Testausmenetelmät: Mekaaniset suorituskykytestit suoritettiin kahdelle edellä mainitulle hiilikuitulevytyypille, mukaan lukien vetokokeet, kovuustestit ja murtolujuustestit. Lisäksi molemmille hiilikuitulevyille suoritettiin lämpösuorituskykytestit, mukaan lukien differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) ja rajoittava happiindeksi (LOI).
4. Suorituskykytestauksen tulokset Näytä:
A. Vetolujuus ja moduuli: Hiilikuituvahvisteisten polyeetteriketonikomposiittien (PEK) keskimääräinen vetolujuus ja moduuli ovat 425 MPa ja 7,8 GPa, kun taas hiilikuituvahvisteisten epoksihartsikomposiittien keskimääräinen vetolujuus ja moduuli on 311 MPa ja 5,2 GPa. Hiilikuituvahvisteisten PEK-komposiittien murtovenymä on 9,43 %, kun taas hiilikuituvahvisteisten epoksihartsikomposiittien murtovenymä on 11,32 %.
B. Kovuus: Kun hiilikuitua lisätään matriisiin, komposiitin kokonaiskovuus kasvaa, mikä osoittaa, että täyteaine lisää kestävyyttä plastista muodonmuutosta vastaan. PEK:n ja epoksihartsin kovuusarvot ovat 87 ja 85, ja vastaavat komposiittikovuusarvot 94 ja 89, mikä ei osoita merkittävää eroa.
C. Murtumislujuus: Epoksihartsin haurauden vuoksi hiilikuituvahvisteisten epoksihartsikomposiittien murtolujuus heikkenee, kun matriisin sitkeys heikkenee. Sitä vastoin PEK-matriisilla on parempi sitkeys, mikä parantaa hiilikuituvahvisteisten PEK-komposiittien sitkeyttä. Murtolujuutta laskettaessa otetaan huomioon suurin kuormitus, jonka materiaali voi kestää ennen murtumista SENB-testissä; korkeampi jännitysintensiteettitekijä (Kic) vastaa suurempaa sitkeyttä. Tulokset osoittavat, että hiilikuituvahvisteisten PEK-komposiittien Kic on 13,71 MPa·√m, kun taas hiilikuituvahvisteisten epoksihartsikomposiittien se on 11,53 MPa·√m, mikä osoittaa edellisen paremman suorituskyvyn.
D. Lämpökäyttäytyminen lämmityksen ja jäähdytyksen aikana: Polymeerikomposiittien lämpösiirtymiä lämmityksen ja jäähdytyksen aikana tutkittiin DSC:llä. Matriisin sulamislämpötilaa ja kiteytyslämpötilaa verrattiin, mikä paljasti näytemateriaalien sulamislämpötilan (Tm), kiteytyslämpötilan (Tc) ja lasittumislämpötilan (Tg).
E. Happiindeksin rajoittaminen: Rajoittavan happiindeksin (LOI) testaus osoittaa, että hiilikuidun sisällyttäminen molempiin matriisimateriaaliin parantaa merkittävästi LOI:ta. Tiedot osoittavat, että epoksihartsin ja PEK:n LOI-arvot ovat vastaavasti 25 ja 35, kun taas vastaavat hiilikuitukomposiittien LOI-arvot ovat 32 ja 47, ja hiilikuituvahvisteiset PEK-komposiitit osoittavat huomattavaa parannusta.
Testaamalla tutkijat havaitsivat, että termoplastiset hiilikuitukomposiitit, joissa on PEK matriisina, ovat tehokkaampia kuin lämpökovettuvat hiilikuitukomposiitit, joissa on epoksihartsia eri suorituskykymittareissa. Merkittävät erot tiedoissa korostavat kestomuovikomposiittien ja termoplastisten hiilikuitukomposiittien välisiä perustavanlaatuisia suorituseroja, mikä viittaa siihen, että termoplastisilla hiilikuitukomposiiteilla on valtava sovelluspotentiaali, erityisesti kehittyneillä aloilla, kuten ilmailu.
Mutta miksi termoplastisten hiilikuitukomposiittien käyttöönotto on paljon vähemmän yleistä kuin lämpökovettuvien komposiittien käyttö? Tämä liittyy läheisesti niiden vastaaviin käsittelytekniikoihin. Termoplastiset hiilikuitukomposiitit vaativat korkeita prosessointilämpötiloja, ja sulalla termoplastisella hartsilla on usein vaikeuksia kyllästää hiilikuitukimppuja täysin. Jos tätä vaihetta ei suoriteta täydellisesti, tuloksena olevien termoplastisten hiilikuitukomposiittien mekaaninen suorituskyky voi jopa jäädä nykyisten päävirran lämpökovettuvien hiilikuitukomposiittien tasolle.
