Ydeevnesammenligningen mellem termoplastisk kulfiber og termohærdende kulfiber til rumfartsapplikationer.
Siden det nye årtusinde er der opnået betydelige resultater inden for forskning og udforskning af forskellige nye kompositmaterialer, såsom de i øjeblikket populære glasfiber-, kulfiber- og aramidfiberkompositter. Denne artikel vil introducere kulfiber og dets kompositter, kendt som "sort guld." Kulfiber har eksisteret i over et århundrede, og med kontinuerlig udvikling har det efterhånden fundet anvendelse i sportsudstyr og Formel 1-racerbiler. I øjeblikket er det almindelige materiale termohærdende kulfiberkompositter, som omfatter termohærdende harpikser såsom epoxyharpiks, phenolharpiks og bismaleimidharpiks.
Termoplastiske kulfiberkompositter er mere velegnede til rumfartsapplikationer.
Med den stigende forskning i kulfiber og forskellige plasttyper er det blevet opdaget, at brug af specialplast som en matrix i kombination med kulfiber bedre kan udnytte kulfiberens højtydende egenskaber. Hvis kontinuerlige kulfiberforstærkede termoplastiske kompositter kan masseproduceres, vil hele industrisektoren drage fordel, og avancerede industrier såsom rumfart og medicinske områder vil opleve betydelig vækst. I øjeblikket er fordelene ved kulfiber-epoxyharpikskompositter - såsom høj styrke, lav krybning, høj modulus og lave omkostninger - blevet bevist anvendelige til rumfartsområdet. Deres svagheder er dog også ret tydelige, herunder høj skørhed, følsomhed over for spaltning og høje fugtabsorptionshastigheder, hvilket udgør visse påføringsrisici. Inkorporeringen af termoplastiske matrixmaterialer kan afhjælpe disse ydeevnemangler og åbne op for nye muligheder for kulfiberkompositter.
Der er mange højtydende specialplaster, såsom Polyether Ether Ketone (PEEK), Polyether Ketone Ketone (PEKK), Polyether Ketone Ether Ketone Ketone (PEKEKK), Polyether Imid (PEI), Polyphenylene Sulfide (PPS) og Polyamid (PA) ). Disse termoplastiske matrixharpikser kan give bedre fysisk struktur og kemiske egenskaber for kulfiber. Tager man Polyether Ether Ketone (PEEK) som et eksempel, har den en glasovergangstemperatur (Tg) på omkring 150 grader og et smeltepunkt på omkring 370 grader, hvilket markant forbedrer højtemperaturbestandigheden af kulfiberkompositter. Derudover bevarer den bedre kulfiberens iboende egenskaber, hvilket sikrer god styrke, sejhed, kemisk resistens og opløsningsmiddelresistens. PEEK besidder også fremragende termisk stabilitet, flammehæmning og lav dielektrisk konstant, hvilket gør det til et af de meget eftertragtede materialer til fremtidige rumfartsapplikationer.
Ydeevnesammenligning af termoplastisk og termohærdende kulfiber til rumfartsapplikationer
Forskerhold har udført dybdegående undersøgelser af termohærdende og termoplastiske kulfiberkompositter til rumfartsapplikationer, hvor de sammenligner kulfiberforstærkede polyetherketonkompositter (PEK) med kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter.
1. Kulfiberforstærket polyetherketonplade: Denne komposit består af et laminat lavet af 60% kulfiber og 40% polyetherketon (PEK). Den har ti lag tovejs kulfiber placeret mellem elleve lag PEK, med PEK-film på både toppen og bunden. Den stablede CF/PEK presses ved 410 grader under 10 Bar tryk i 30 minutter.
2. Kulfiber epoxyharpiksplade: Denne komposit bruger LY556 epoxyharpiks som matrixmateriale, forstærket med tovejs carbonstof. Ved stuetemperatur tilsættes HY951-hærderen til epoxyharpiksen, blandet i forholdet 100:12. Kulfiberforstærkningen holdes på 60 vægt%, hvilket resulterer i et ca. 3 mm tykt kulfiber-epoxyharpikslaminat, der bruger ti lag stof.
3. Testmetode: Mekaniske ydeevnetest blev udført på de to typer af kulfiberplader nævnt ovenfor, inklusive trækprøvning, hårdhedstest og brudsejhedstest. Derudover blev der udført termiske ydeevnetest på begge kulfiberplader, inklusive differential scanning kalorimetri (DSC) og limiting oxygen index (LOI) test.
4. Præstationstestresultater viser:
A. Trækstyrke og modul: Den gennemsnitlige trækstyrke og modul af kulfiberforstærkede polyetherketon (PEK) kompositter er henholdsvis 425 MPa og 7,8 GPa, mens den gennemsnitlige trækstyrke og modul af kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter er henholdsvis 311 MPa og 5,2 GPa. Brudforlængelsen for kulfiberforstærkede PEK-kompositter er 9,43%, hvorimod for kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter er 11,32%.
B. Hårdhed: Når kulfiber tilsættes til matrixen, øges den samlede hårdhed af kompositten, hvilket indikerer, at fyldstoffet øger modstanden mod plastisk deformation. Hårdhedsværdierne for PEK og epoxyharpiks er henholdsvis 87 og 85, med tilsvarende komposithårdhedsværdier på 94 og 89, der ikke viser nogen signifikant forskel.
C. Brudsejhed: På grund af epoxyharpiksens skørhed falder brudsejheden af kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter, når matrix-sejheden falder. I modsætning hertil udviser PEK-matricen bedre sejhed, hvilket fører til forbedret sejhed i kulfiberforstærkede PEK-kompositter. Den maksimale belastning, der tages i betragtning ved beregning af brudsejhed, er den maksimale belastning, materialet kan modstå før brud i SENB-testen; en højere stressintensitetsfaktor (Kic) svarer til højere sejhed. Resultaterne viser, at Kic for kulfiberforstærkede PEK-kompositter er 13,71 MPa·√m, mens det for kulfiberforstærkede epoxyharpikskompositter er 11,53 MPa·√m, hvilket indikerer bedre ydeevne for førstnævnte.
D. Termisk adfærd under opvarmning og afkøling: Termotransitionerne af polymerkompositter under opvarmning og afkøling blev undersøgt ved hjælp af DSC. Smeltetemperaturen og krystallisationstemperaturen af matrixen blev sammenlignet, hvilket afslørede smeltetemperaturen (Tm), krystallisationstemperaturen (Tc) og glasovergangstemperaturen (Tg) for prøvematerialerne.
E. Begrænsning af iltindeks: Afprøvning af det begrænsende oxygenindeks (LOI) viser, at inkorporering af kulfiber i begge matrixmaterialer forbedrer LOI markant. Data indikerer, at LOI for epoxyharpiks og PEK er henholdsvis 25 og 35, mens de tilsvarende LOI'er for kulfiberkompositter er 32 og 47, hvor kulfiberforstærkede PEK-kompositter viser en markant forbedring.
Gennem test fandt forskerne ud af, at termoplastiske kulfiberkompositter med PEK som matrix overgår termohærdende kulfiberkompositter med epoxyharpiks på tværs af forskellige ydeevnemålinger. De væsentlige forskelle i data fremhæver de grundlæggende ydeevneforskelle mellem termohærdende og termoplastiske kulfiberkompositter, hvilket tyder på et stort anvendelsespotentiale for termoplastiske kulfiberkompositter, især i avancerede områder som rumfart.
Men hvorfor er anvendelsen af termoplastiske kulfiberkompositter langt mindre udbredt end termohærdende kompositter? Dette er tæt forbundet med deres respektive behandlingsteknikker. Termoplastiske kulfiberkompositter kræver høje forarbejdningstemperaturer, og den smeltede termoplastiske harpiks kæmper ofte med at imprægnere kulfiberbundterne fuldt ud. Hvis dette trin ikke udføres perfekt, kan den mekaniske ydeevne af de resulterende termoplastiske kulfiberkompositter endda være mindre end de nuværende almindelige termohærdende kulfiberkompositter.
