A hőre lágyuló szénszál és a hőre keményedő szénszál teljesítményének összehasonlítása repülési alkalmazásokhoz.
Az új évezred óta jelentős eredmények születtek a különféle új kompozit anyagok kutatásában és feltárásában, mint például a jelenleg népszerű üvegszálas, szénszálas és aramidszálas kompozitok. Ez a cikk bemutatja a szénszálat és annak kompozitjait, az úgynevezett "fekete aranyat". A szénszál több mint egy évszázada létezik, és a folyamatos fejlesztéssel fokozatosan alkalmazásra talált a sportfelszerelésekben és a Forma-1-es versenyautókban. Jelenleg a fő anyag a hőre keményedő szénszálas kompozitok, amelyek hőre keményedő gyantákat, például epoxigyantát, fenolgyantát és biszmaleimid-gyantát tartalmaznak.
A hőre lágyuló szénszálas kompozitok alkalmasabbak az űrrepülésre.
A szénszálakkal és különféle műanyagokkal kapcsolatos növekvő kutatások során felfedezték, hogy a speciális műanyagok mátrixként történő használata szénszálakkal kombinálva jobban kiaknázhatja a szénszálak nagy teljesítményű tulajdonságait. Ha a folyamatos szénszál-erősítésű hőre lágyuló kompozitokat tömegesen lehet gyártani, az egész ipari szektor profitál belőle, és az olyan csúcskategóriás iparágak, mint a repülőgépipar és az orvostudomány jelentős növekedést fognak tapasztalni. Jelenleg a szénszálas epoxigyanta kompozitok előnyei – mint például a nagy szilárdság, az alacsony kúszás, a nagy modulus és az alacsony költség – bizonyítottan alkalmazhatók az űrrepülés területén. Gyengeségeik azonban nyilvánvalóak, beleértve a nagy törékenységet, a repedésre való hajlamot és a nagy nedvességfelvételi arányt, amelyek bizonyos alkalmazási kockázatokat jelentenek. A hőre lágyuló mátrixanyagok beépítése orvosolhatja ezeket a teljesítménybeli hiányosságokat, és új lehetőségeket nyithat meg a szénszálas kompozitok számára.
Számos nagy teljesítményű speciális műanyag létezik, mint például a poliéter-éter-keton (PEEK), a poliéter-keton-keton (PEKK), a poliéter-keton-éter-keton-keton (PEKEKK), a poliéter-imid (PEI), a polifenilén-szulfid (PPS) és a poliamid (PA) ). Ezek a hőre lágyuló mátrixgyanták jobb fizikai szerkezetet és kémiai tulajdonságokat biztosítanak a szénszál számára. Ha például a poliéter-éter-ketont (PEEK) vesszük, üvegesedési hőmérséklete (Tg) körülbelül 150 fok, olvadáspontja pedig körülbelül 370 fok, ami jelentősen megnöveli a szénszálas kompozitok magas hőmérséklettel szembeni ellenállását. Ezenkívül jobban megőrzi a szénszál belső tulajdonságait, jó szilárdságot, szívósságot, vegyszerállóságot és oldószerállóságot biztosítva. A PEEK kiváló termikus stabilitással, égésgátlási képességgel és alacsony dielektromos állandóval is rendelkezik, így az egyik legkeresettebb anyag a jövőbeni repülőgépipari alkalmazásokhoz.
A hőre lágyuló műanyag és a hőre keményedő szénszál teljesítményének összehasonlítása repülési alkalmazásokhoz
A kutatócsoportok mélyreható tanulmányokat végeztek hőre keményedő és hőre lágyuló szénszálas kompozitokról repülőgépipari alkalmazásokhoz, összehasonlítva a szénszállal megerősített poliéter-keton (PEK) kompozitokat szénszállal erősített epoxigyanta kompozitokkal.
1. Szénszál erősítésű poliéter keton lemez: Ez a kompozit 60% szénszálból és 40% poliéter-ketonból (PEK) készült laminátumból áll. Tíz réteg kétirányú szénszálat tartalmaz, amelyek tizenegy réteg PEK között vannak elhelyezve, felül és alul PEK fóliával. A halmozott CF/PEK-et 410 fokban, 10 bar nyomáson 30 percig préselik.
2. Szénszálas epoxigyanta lemez: Ez a kompozit LY556 epoxigyantát használ mátrixanyagként, kétirányú szénszövettel megerősítve. Szobahőmérsékleten a HY951 térhálósítót adják az epoxigyantához 100:12 arányban. A szénszál-erősítést 60 tömeg%-on tartják, ami körülbelül 3 mm vastag szénszálas epoxigyanta laminátumot eredményez tíz réteg szövet felhasználásával.
3. Tesztelési módszertan: A fent említett kétféle szénszálas lemezen mechanikai teljesítményvizsgálatokat végeztek, beleértve a szakítóvizsgálatot, a keménységi vizsgálatot és a törési szívósság vizsgálatát. Ezenkívül mindkét szénszálas lemezen hőteljesítmény-teszteket végeztek, beleértve a differenciális pásztázó kalorimetriát (DSC) és a korlátozó oxigénindex (LOI) teszteket.
4. Teljesítményvizsgálati eredmények megjelenítése:
A. Szakítószilárdság és modulus: A szénszállal erősített poliéter-keton (PEK) kompozitok átlagos szakítószilárdsága és modulusa 425 MPa, illetve 7,8 GPa, míg a szénszállal erősített epoxigyanta kompozitok átlagos szakítószilárdsága és modulusa 311 MPa, illetve 5,2 GPa. A szénszállal erősített PEK kompozitok szakadási nyúlása 9,43%, míg a szénszállal erősített epoxigyanta kompozitok esetében 11,32%.
B. Keménység: Ha szénszálat adnak a mátrixhoz, a kompozit általános keménysége megnő, ami azt jelzi, hogy a töltőanyag növeli a képlékeny deformációval szembeni ellenállást. A PEK és az epoxigyanta keménységi értéke 87, illetve 85, a megfelelő kompozit keménységi értékek pedig 94 és 89, ami nem mutat szignifikáns különbséget.
C. Törési szívósság: Az epoxigyanta ridegsége miatt a szénszállal erősített epoxigyanta kompozitok törési szívóssága csökken, ahogy a mátrix szívóssága csökken. Ezzel szemben a PEK mátrix jobb szívósságot mutat, ami javítja a szénszál-erősítésű PEK kompozitok szilárdságát. A törési szívósság kiszámításakor figyelembe vett maximális terhelés az a maximális terhelés, amelyet az anyag a SENB-teszt során a törés előtt elvisel; nagyobb feszültségintenzitási tényező (Kic) nagyobb szívósságnak felel meg. Az eredmények azt mutatják, hogy a szénszállal erősített PEK kompozitok Kic értéke 13,71 MPa·√m, míg a szénszállal erősített epoxigyanta kompozitoké 11,53 MPa·√m, ami az előbbi jobb teljesítményét jelzi.
D. Termikus viselkedés fűtés és hűtés közben: A polimer kompozitok melegítés és hűtés közbeni hőátmeneteit DSC segítségével vizsgáltuk. Összehasonlítottam a mátrix olvadási hőmérsékletét és kristályosodási hőmérsékletét, feltárva a mintaanyagok olvadási hőmérsékletét (Tm), kristályosodási hőmérsékletét (Tc) és üvegesedési hőmérsékletét (Tg).
E. Az oxigénindex korlátozása: A limitáló oxigénindex (LOI) tesztelése azt mutatja, hogy a szénszál beépítése mindkét mátrixanyagba jelentősen javítja a LOI-t. Az adatok azt mutatják, hogy az epoxigyanta és a PEK LOI értéke 25, illetve 35, míg a szénszálas kompozitok megfelelő LOI értéke 32 és 47, a szénszállal erősített PEK kompozitok pedig jelentős javulást mutatnak.
A tesztelés során a kutatók azt találták, hogy a PEK-et tartalmazó, hőre lágyuló szénszálas kompozitok a különböző teljesítménymutatókban felülmúlják az epoxigyantát tartalmazó, hőre keményedő szénszálas kompozitokat. Az adatok közötti jelentős különbségek rávilágítanak a hőre keményedő és a hőre lágyuló szénszálas kompozitok közötti alapvető teljesítménybeli különbségekre, ami arra utal, hogy a hőre lágyuló szénszálas kompozitok hatalmas alkalmazási lehetőségei vannak, különösen az olyan fejlett területeken, mint a repülés.
Azonban miért sokkal kevésbé elterjedt a hőre lágyuló szénszálas kompozitok alkalmazása, mint a hőre keményedő kompozitoké? Ez szorosan összefügg a megfelelő feldolgozási technikáikkal. A hőre lágyuló szénszálas kompozitok magas feldolgozási hőmérsékletet igényelnek, és az olvadt hőre lágyuló gyanta gyakran nehezen impregnálja a szénszálkötegeket. Ha ezt a lépést nem hajtják végre tökéletesen, akkor a kapott hőre lágyuló szénszálas kompozitok mechanikai teljesítménye akár a jelenlegi főbb hőre keményedő szénszálas kompozitokét is elmaradhat.
