Wpływ temperatury formy na siłę wiązania międzyfazowego w procesie powlekania i formowania tworzyw termoplastycznych CF-PAEK (PEEK).
Wysokowydajne termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego wykazują zalety, takie jak wysoka wytrzymałość, odporność na uderzenia, niska absorpcja wilgoci i doskonała ochrona środowiska. Trwają badania nad tego typu materiałem kompozytowym, w wyniku których opracowano różne termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego o różnych matrycach, a także kilka możliwych technik przetwarzania, w tym formowanie wtryskowe, formowanie tłoczne i formowanie powłokowe. Technologia topienia w wysokiej temperaturze od dawna jest uważana za jedną z podstawowych metod wytwarzania termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego. W artykule przedstawiono wpływ temperatury formy na siłę wiązania międzyfazowego dla ciągłego poliaryloeteroketonu wzmocnionego włóknem węglowym (CF-PAEK) i polieteroeteroketonu wzmocnionego krótkim włóknem węglowym (CF-PEEK) podczas procesu formowania powłoki, integrując spostrzeżenia z literatury fachowej .
Przygotowanie kompozytów powlekanych z tworzyw termoplastycznych CF-PAEK i CF-PEEK
Kompozyty termoplastycznego poliaryloeteroketonu wzmocnionego ciągłymi włóknami węglowymi (CF-PAEK) przygotowano przy użyciu jednokierunkowych włókien węglowych, które następnie uformowano w laminaty kompozytowe wzmocnione ciągłymi włóknami węglowymi poprzez formowanie tłoczne. Jako materiały wtryskowe wybrano polieteroeteroketon (PEEK) i polieteroeteroketon wzmocniony krótkim włóknem węglowym (SCF-PEEK), które wtryśnięto do form umieszczonych na powierzchni laminatów CF-PAEK i utrzymywano pod ciśnieniem przez pewien czas w celu wytworzenia mieszaniny kompozyty powlekane. Po pozostawieniu powietrza do ostygnięcia do temperatury pokojowej, uformowane kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych usunięto i pocięto do ustalonych rozmiarów. Następnie przeprowadzono różne testy wydajności, w tym badanie właściwości mechanicznych, analizę skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), badanie ułamka objętościowego, badanie zachowania reologicznego i badanie nanoodcisku. Dane testowe przedstawiono na wykresie, a odpowiednie wnioski wyciągnięto poprzez badania porównawcze wielu zestawów próbek.
Wpływ temperatury formy na siłę wiązania międzyfazowego termoplastycznych kompozytów CF-PAEK (PEEK).
1. Krzywe lepkości i temperatury żywic PAEK i PEEK: Powyższy rysunek przedstawia krzywe lepkości i temperatury dla żywic PAEK i PEEK. Z danych wynika, że lepkość PAEK waha się od około 89 do 237 Pa·s w temperaturach od 340 do 400 stopni, natomiast lepkość PEEK waha się od 203 do 330 Pa·s w temperaturach od 360 do 420 stopni. Obie żywice termoplastyczne wykazują właściwości rozrzedzające przy ścinaniu, przy czym lepkość maleje wraz ze wzrostem temperatury. Im niższa lepkość stopionej żywicy, tym lepsza dyfuzja, co pozytywnie wpływa na siłę wiązania międzyfazowego.
2. Wytrzymałość na ścinanie powlekanych kompozytów w różnych temperaturach formy: Rysunek a powyżej przedstawia krzywe naprężenia-odkształcenia dla materiałów PEEK i SCF-PEEK przy różnych temperaturach formy. Rysunek b przedstawia dane dotyczące wytrzymałości na ścinanie dla PEEK/CCF-PAEK i SCF-PEEK/CCF-PAEK przy różnych temperaturach formy. Wytrzymałość na ścinanie PEEK/CCF-PAEK wynosi 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa i 68 MPa, natomiast wytrzymałość na ścinanie SCF-PEEK/CCF-PAEK wynosi 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa i 71 MPa.
Wyniki wskazują, że wraz ze wzrostem temperatury formy poprawia się wytrzymałość próbek na ścinanie. Dodatkowo, dzięki wzmocnieniu krótkimi włóknami węglowymi, wytrzymałość na ścinanie SCF-PEEK/CCF-PAEK jest wyższa. Temperatura formy wpływa na czas utrzymywania temperatury na granicy faz pomiędzy wtryskiwanym stopionym materiałem (PEEK i SCF-PEEK) a laminatem CCF-PAEK, a także na czas kontaktu przed utwardzeniem. Wraz ze wzrostem temperatury formy temperatura warstwy międzyfazowej stopniowo wzrasta, sprzyjając topnieniu i dyfuzji żywicy PAEK w niższych temperaturach topnienia, zwiększając w ten sposób siłę wiązania międzyfazowego.
3. Rodzaje uszkodzeń ścinających powlekanych próbek kompozytowych w różnych temperaturach formy: Powyższy rysunek przedstawia przekroje poprzeczne zniszczenia przy ścinaniu kompozytów powlekanych PEEK/CCF-PAEK przy różnych temperaturach formy. Okazuje się, że pod działaniem sił ścinających po obu stronach próbki zaczynają tworzyć się pęknięcia, rozciągające się w kierunku środka. Gdy temperaturę formy ustala się na 220 i 240 stopni, uszkodzenie PEEK/CCF-PAEK wynika przede wszystkim z rozwarstwienia międzyfazowego, co wskazuje na stosunkowo słabą siłę wiązania międzyfazowego (rysunki aib). Natomiast gdy temperatura formy wzrasta do 260 i 280 stopni, uszkodzenie PEEK/CCF-PAEK wynika głównie z pęknięcia międzywarstwowego, co sugeruje większą siłę wiązania międzyfazowego (rysunki c i d).
Powyższy rysunek przedstawia przekroje poprzeczne zniszczenia przy ścinaniu kompozytów powlekanych SCF-PEEK/CCF-PAEK przy różnych temperaturach formy, przy stanie próbki podobnym do kompozytów PEEK/CCF-PAEK. W temperaturach formy wynoszących 220 i 240 stopni poważnym problemem pozostaje uszkodzenie wiązania międzyfazowego (rysunki aib). Gdy temperatura formy wzrasta do 260 stopni i 280 stopni, uszkodzenie SCF-PEEK/CCF-PAEK charakteryzuje się pękaniem międzywarstwowym CCF-PAEK i uszkodzeniem zginania SCF-PEEK (rysunki c i d). Ze względu na odkształcenie zginające i odkształcenie przy ścinaniu międzywarstwowym spowodowane procesem powlekania, gdy siła wiązania międzyfazowego słabnie, może wystąpić rozwarstwienie pomiędzy PEEK, SCF-PEEK i CCF-PAEK. Wraz ze wzrostem siły wiązania międzyfazowego rozwarstwienie międzyfazowe w kompozycie stopniowo maleje, podczas gdy pękanie międzywarstwowe żywicy wzrasta.
Wyniki eksperymentów wskazują, że rodzaje uszkodzeń międzyfazowych kompozytu zmieniają się wraz ze wzrostem temperatury formy. W niższych temperaturach temperatura powierzchni styku jest niższa, a stop w formie wtryskowej stygnie szybciej, co powoduje wolniejszą dyfuzję molekularną i słabszą przyczepność. Zniszczenie ścinające objawia się uszkodzeniem międzyfazowym, charakteryzującym się mechanicznym wiązaniem. Wraz ze wzrostem temperatury formy powierzchnia pęknięcia PEEK stopniowo wzrasta. Wyższe temperatury formy podnoszą temperaturę na styku żywicy PEEK i PAEK, wydłużając czas mieszania przed utwardzeniem, co ułatwia proces topienia żywicy. Gdy temperatura granicy faz przekracza temperaturę topnienia PAEK, na granicy faz tworzy się warstwa eutektyczna żywicy, zwiększając siłę wiązania międzyfazowego.
4. Krzywe głębokości obciążenia nanoindentacji powlekanych kompozytów w różnych temperaturach formy: Krzywe na powyższym rysunku wskazują, że przy tym samym obciążeniu wcięcia głębokość wcięcia stopniowo maleje wraz ze wzrostem temperatury formy, co sugeruje, że nośność żywicy na styku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury formy. Dla kompozytu PEEK/CCF-PAEK w temperaturze formy 260 stopni nośność żywicy pośredniej jest podobna do PEEK, co wskazuje, że powlekany kompozyt osiągnął stan zmieszania się stopionej żywicy z warstwą wtryskową żywicy (PEEK), uzyskując niemal identyczną wytrzymałość. W porównaniu do PEEK, kompozyt SCF-PEEK/CCF-PAEK wykazuje większe obciążenia na styku, co sugeruje, że dodatek krótkich włókien węglowych wzmacnia żywicę na styku, umożliwiając jej wynoszenie większych obciążeń.
Gdy głębokość wcięcia jest mała, moduł szybko maleje wraz ze wzrostem głębokości wcięcia (rysunek b), wykazując znaczne zmiany krzywej modułu w tej fazie. Gdy głębokość przekroczy 250 nm, wartości modułu zaczynają się wygładzać wraz ze wzrostem głębokości. Na głębokościach większych niż 500 nm krzywa modułu staje się bardziej stabilna. W temperaturze formy wynoszącej 220 stopni krzywa modułu głębokości dla kompozytów powlekanych PEEK/CCF-PAEK jest stosunkowo niestabilna, a niższy moduł wynosi 4,2 GPa. Wskazuje to, że w temperaturze formy wynoszącej 260 stopni stopiony materiał może tworzyć warstwę współistniejącą z żywicą na powierzchni preformy, dając moduł porównywalny z modułem PEEK.
Krzywa modułu głębokości dla kompozytów powlekanych SCF-PEEK/CCF-PAEK jest stosunkowo gładka, co wskazuje, że dodatek krótkich włókien węglowych może zwiększyć moduł żywicy na granicy faz. Wraz ze wzrostem temperatury formy moduł również stopniowo rośnie. Przy temperaturze formy 260 stopni wzrost jest znaczny i sięga aż do 5,5 GPa, co wiąże się z przejściem w tej temperaturze w stan wiązania międzyfazowego. Oznacza to, że dwa rodzaje żywic na styku mogą się topić i dyfundować jeden w drugi. Dodatkowo krótkie włókna węglowe mogą osadzać się w warstwie międzyfazowej, gdy żywica jest w stanie stopionym, co przyczynia się do wzrostu modułu.
