Effekten af formtemperatur på grænsefladebindingsstyrken i belægnings- og støbeprocessen af termoplastisk CF-PAEK (PEEK).
Højtydende termoplastiske kulfiberkompositter udviser fordele såsom høj sejhed, slagfasthed, lav fugtabsorption og fremragende miljøpræstation. Forskning i denne type kompositmateriale har været i gang, hvilket har resulteret i udviklingen af forskellige termoplastiske kulfiberkompositter med forskellige matricer, såvel som adskillige mulige forarbejdningsteknikker, herunder sprøjtestøbning, kompressionsstøbning og belægningsstøbning. Højtemperatursmelteteknologi har længe været betragtet som en af de primære metoder til fremstilling af termoplastiske kulfiberkompositter. Dette papir vil introducere virkningerne af formtemperatur på grænsefladebindingsstyrke for kontinuerlig kulfiberforstærket polyaryletherketon (CF-PAEK) og kort kulfiberforstærket polyetheretherketon (CF-PEEK) under belægningsstøbningsprocessen, og integrere indsigt fra faglitteratur .
Fremstilling af coatede kompositter fra termoplastisk CF-PAEK og CF-PEEK
Kontinuerlige kulfiberforstærkede termoplastiske polyaryletherketon (CF-PAEK) kompositter blev fremstillet ved hjælp af ensrettede kulfibre, som derefter blev formet til kontinuerlige kulfiberforstærkede kompositlaminater gennem kompressionsstøbning. Polyetheretherketon (PEEK) og kortkulfiberforstærket polyetheretherketon (SCF-PEEK) blev valgt som injektionsmaterialer, sprøjtet ind i forme placeret på overfladen af CF-PAEK-laminaterne og holdt under tryk i en vis periode for at fremstille blandede belagte kompositter. Efter at have ladet luften afkøle til stuetemperatur, blev de støbte termoplastiske kulfiberkompositter fjernet og skåret til faste størrelser. Forskellige præstationstests blev udført efterfølgende, herunder mekanisk egenskabstestning, scanning elektronmikroskopi (SEM) analyse, volumenfraktionstestning, rheologisk adfærdstestning og nanoindentationstestning. Testdataene blev tegnet grafisk, og tilsvarende konklusioner blev draget gennem sammenlignende undersøgelser af flere prøvesæt.
Effekten af formtemperatur på grænsefladebindingsstyrken af termoplastiske CF-PAEK (PEEK) kompositter.
1. Viskositet-temperaturkurver af PAEK- og PEEK-harpikser: Figuren ovenfor viser viskositet-temperaturkurverne for PAEK- og PEEK-harpikser. Dataene indikerer, at viskositeten af PAEK varierer fra ca. 89 til 237 Pa·s ved temperaturer mellem 340 grader og 400 grader, mens viskositeten af PEEK varierer fra 203 til 330 Pa·s ved temperaturer mellem 360 grader og 420 grader. Begge termoplastiske harpikser udviser forskydningsfortyndende adfærd, hvor viskositeten falder, når temperaturen stiger. Jo lavere viskositeten af harpikssmelten er, jo bedre er diffusionen, hvilket positivt påvirker grænsefladebindingsstyrken.
2. Forskydningsstyrke af coatede kompositter ved forskellige formtemperaturer: Figur a ovenfor viser spændings-tøjningskurverne for PEEK- og SCF-PEEK-materialer ved forskellige formtemperaturer. Figur b viser forskydningsstyrkedata for PEEK/CCF-PAEK og SCF-PEEK/CCF-PAEK ved varierende formtemperaturer. Forskydningsstyrkerne for PEEK/CCF-PAEK er 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa og 68 MPa, mens forskydningsstyrkerne for SCF-PEEK/CCF-PAEK er 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa og 71 MPa.
Resultaterne indikerer, at når formtemperaturen stiger, forbedres forskydningsstyrken af prøverne. På grund af forstærkningen fra korte kulfibre er forskydningsstyrken af SCF-PEEK/CCF-PAEK desuden højere. Formtemperaturen påvirker grænsefladetemperaturens retentionstid mellem den indsprøjtede smelte (PEEK og SCF-PEEK) og CCF-PAEK-laminatet, såvel som kontakttiden før hærdning. Efterhånden som formtemperaturen stiger, stiger temperaturen af grænsefladelaget gradvist, hvilket fremmer smeltningen og diffusionen af PAEK-harpiks ved lavere smeltetemperaturer, hvorved grænsefladebindingsstyrken forbedres.
3. Forskydningsfejltilstande af coatede kompositprøver ved forskellige formtemperaturer: Figuren ovenfor viser forskydningsbrudtværsnittene af PEEK/CCF-PAEK-belagte kompositter ved forskellige formtemperaturer. Den afslører, at der under påvirkning af forskydningskræfter begynder at dannes revner på begge sider af prøven og strækker sig mod midten. Når formtemperaturen er indstillet til 220 grader og 240 grader, skyldes fejlen af PEEK/CCF-PAEK primært delaminering af grænseflader, hvilket indikerer relativt svag grænsefladebindingsstyrke (figur a og b). I modsætning hertil, når formtemperaturen stiger til 260 grader og 280 grader, skyldes fejlen af PEEK/CCF-PAEK hovedsageligt interlaminær brud, hvilket tyder på stærkere grænsefladebindingsstyrke (figur c og d).
Figuren ovenfor viser forskydningsbrudtværsnittene af SCF-PEEK/CCF-PAEK-belagte kompositter ved forskellige støbetemperaturer med en prøvetilstand svarende til den for PEEK/CCF-PAEK-kompositter. Ved formtemperaturer på 220 grader og 240 grader forbliver grænsefladebindingsfejl et stort problem (figur a og b). Når støbeformens temperatur stiger til 260 grader og 280 grader, er svigtet af SCF-PEEK/CCF-PAEK karakteriseret ved interlaminar fraktur af CCF-PAEK og bøjningsfejl af SCF-PEEK (figur c og d). På grund af bøjningsdeformationen og den interlaminære forskydningsdeformation forårsaget af belægningsprocessen, når grænsefladebindingsstyrken svækkes, kan der forekomme delaminering mellem PEEK, SCF-PEEK og CCF-PAEK. Efterhånden som grænsefladebindingsstyrken øges, aftager grænsefladedelamineringen i kompositten gradvist, mens den interlaminære brud på harpiksen øges.
Eksperimentelle resultater indikerer, at komposittens grænsefladesvigttilstande ændres med stigende formtemperatur. Ved lavere temperaturer er grænsefladetemperaturen lavere, og smelten i sprøjtestøbeformen afkøles hurtigere, hvilket resulterer i langsommere molekylær diffusion og svagere vedhæftning. Forskydningssvigt manifesterer sig som grænsefladesvigt, karakteriseret ved mekanisk binding. Efterhånden som formtemperaturen stiger, øges brudoverfladearealet af PEEK gradvist. Højere formtemperaturer hæver grænsefladetemperaturen mellem PEEK-harpiks og PAEK, hvilket øger blandingstiden før hærdning, hvilket letter smelteprocessen af harpiksen. Når grænsefladetemperaturen overstiger smeltetemperaturen for PAEK, dannes et harpiks eutektisk lag ved grænsefladen, hvilket øger grænsefladebindingsstyrken.
4. Nanoindentation Load-Depth Kurver af coatede kompositter ved forskellige formtemperaturer: Kurverne i figuren ovenfor angiver, at for den samme fordybningsbelastning falder fordybningsdybden gradvist med stigende formtemperatur, hvilket tyder på, at harpiksens bæreevne ved grænsefladen styrkes, når formtemperaturen stiger. For PEEK/CCF-PAEK-kompositten, ved en formtemperatur på 260 grader, svarer grænsefladeharpiksens belastningskapacitet til PEEK, hvilket indikerer, at den coatede komposit har nået en tilstand af smeltet harpiks blandet med injektionslaget harpiks (PEEK), der opnår næsten identisk styrke. Sammenlignet med PEEK udviser SCF-PEEK/CCF-PAEK-kompositten højere belastninger ved grænsefladen, hvilket tyder på, at tilføjelsen af korte kulfibre forbedrer harpiksen ved grænsefladen, hvilket gør den i stand til at bære højere belastninger.
Når fordybningsdybden er lille, falder modulet hurtigt med stigende fordybningsdybde (figur b), hvilket viser betydelig variation i modulkurven i denne fase. Når dybden overstiger 250 nm, begynder modulværdierne at udjævne med stigende dybde. Ved dybder større end 500 nm bliver modulkurven mere stabil. Ved en formtemperatur på 220 grader er dybdemodulkurven for PEEK/CCF-PAEK coatede kompositter relativt ustabil med et lavere modul på 4,2 GPa. Dette indikerer, at ved en støbetemperatur på 260 grader kan smelten danne et harpiks-sameksistenslag med præformens overfladeharpiks, hvilket resulterer i et modul, der er sammenligneligt med det for PEEK.
Dybdemodulkurven for SCF-PEEK/CCF-PAEK-belagte kompositter er relativt glat, hvilket indikerer, at tilsætning af korte kulfibre kan øge harpiksmodulet ved grænsefladen. Efterhånden som formtemperaturen stiger, stiger modulet også gradvist. Ved en formtemperatur på 260 grader er stigningen signifikant og når op til 5,5 GPa, hvilket er relateret til overgangen i grænsefladebindingstilstanden ved denne temperatur. Dette indikerer, at de to typer harpikser ved grænsefladen kan smelte og diffundere ind i hinanden. Derudover kan korte kulfibre indlejre sig i grænsefladelaget, når harpiksen er i en smeltet tilstand, hvilket bidrager til stigningen i modulus.
