Porównanie wydajności termoplastycznego włókna węglowego i termoutwardzalnego włókna węglowego do zastosowań lotniczych.
Od nowego tysiąclecia poczyniono znaczące osiągnięcia w badaniach i eksploracji różnych nowych materiałów kompozytowych, takich jak popularne obecnie kompozyty z włókna szklanego, włókna węglowego i włókna aramidowego. W tym artykule omówimy włókno węglowe i jego kompozyty, zwane „czarnym złotem”. Włókno węglowe istnieje już od ponad wieku i wraz z ciągłym rozwojem stopniowo znajduje zastosowanie w sprzęcie sportowym i samochodach wyścigowych Formuły 1. Obecnie głównym materiałem są termoutwardzalne kompozyty z włókna węglowego, które obejmują żywice termoutwardzalne, takie jak żywica epoksydowa, żywica fenolowa i żywica bismaleimidowa.
Kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych są bardziej odpowiednie do zastosowań lotniczych.
Wraz z rosnącymi badaniami nad włóknem węglowym i różnymi tworzywami sztucznymi odkryto, że zastosowanie specjalnych tworzyw sztucznych jako matrycy w połączeniu z włóknem węglowym może lepiej wykorzystać wysoką wydajność włókna węglowego. Jeśli kompozyty termoplastyczne wzmocnione ciągłymi włóknami węglowymi będą mogły być produkowane masowo, skorzysta na tym cały sektor przemysłowy, a zaawansowane gałęzie przemysłu, takie jak przemysł lotniczy i medyczny, odnotują znaczny wzrost. Obecnie udowodniono, że zalety kompozytów z żywicą epoksydową z włókna węglowego, takie jak wysoka wytrzymałość, niskie pełzanie, wysoki moduł i niski koszt, można zastosować w przemyśle lotniczym. Jednak ich słabe strony są również dość oczywiste, w tym duża kruchość, podatność na pękanie i wysokie współczynniki absorpcji wilgoci, co stwarza pewne ryzyko aplikacyjne. Włączenie termoplastycznych materiałów matrycowych może zaradzić tym brakom w działaniu i otworzyć nowe możliwości dla kompozytów z włókna węglowego.
Istnieje wiele specjalistycznych tworzyw sztucznych o wysokiej wydajności, takich jak polieteroeteroketon (PEEK), polieteroketon keton (PEKK), polieteroketon eteroketon keton (PEEKEKK), polieteroimid (PEI), polisiarczek fenylenu (PPS) i poliamid (PA ). Te termoplastyczne żywice matrycowe mogą zapewnić lepszą strukturę fizyczną i właściwości chemiczne włókna węglowego. Biorąc za przykład polieteroeteroketon (PEEK), ma on temperaturę zeszklenia (Tg) około 150 stopni i temperaturę topnienia około 370 stopni, co znacznie zwiększa odporność na wysoką temperaturę kompozytów z włókna węglowego. Dodatkowo lepiej zachowuje nieodłączne właściwości włókna węglowego, zapewniając dobrą wytrzymałość, wytrzymałość, odporność chemiczną i odporność na rozpuszczalniki. PEEK charakteryzuje się również doskonałą stabilnością termiczną, ognioodpornością i niską stałą dielektryczną, co czyni go jednym z bardzo poszukiwanych materiałów do przyszłych zastosowań w przemyśle lotniczym.
Porównanie wydajności termoplastycznego i termoutwardzalnego włókna węglowego do zastosowań lotniczych
Zespoły badawcze przeprowadziły szczegółowe badania termoutwardzalnych i termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego do zastosowań lotniczych i kosmicznych, porównując kompozyty polieteroketonu (PEK) wzmocnione włóknami węglowymi z kompozytami żywicy epoksydowej wzmocnionymi włóknami węglowymi.
1. Płyta polieterowo-ketonowa wzmocniona włóknem węglowym: Kompozyt ten składa się z laminatu wykonanego w 60% z włókna węglowego i w 40% z polieteroketonu (PEK). Składa się z dziesięciu warstw dwukierunkowego włókna węglowego umieszczonych pomiędzy jedenastoma warstwami PEK, z folią PEK zarówno na górze, jak i na dole. Ułożony w stos CF/PEK prasuje się w temperaturze 410 stopni pod ciśnieniem 10 barów przez 30 minut.
2. Płyta z żywicy epoksydowej z włókna węglowego: W tym kompozycie jako materiał matrycy zastosowano żywicę epoksydową LY556, wzmocnioną dwukierunkową tkaniną węglową. W temperaturze pokojowej do żywicy epoksydowej dodaje się utwardzacz HY951, wymieszany w stosunku 100:12. Wzmocnienie włóknem węglowym utrzymuje się na poziomie 60% wag., co daje laminat z żywicy epoksydowej z włókna węglowego o grubości około 3 mm przy użyciu dziesięciu warstw tkaniny.
3. Metodologia testowania: Przeprowadzono testy wytrzymałości mechanicznej dwóch typów płyt z włókna węglowego wymienionych powyżej, w tym próbę rozciągania, badanie twardości i badanie odporności na pękanie. Dodatkowo przeprowadzono testy wydajności cieplnej obu płyt z włókna węglowego, w tym różnicową kalorymetrię skaningową (DSC) i testy granicznego indeksu tlenowego (LOI).
4. Pokazują wyniki testów wydajności:
A. Wytrzymałość na rozciąganie i moduł: Średnia wytrzymałość na rozciąganie i moduł kompozytów polieteroketonu (PEK) wzmocnionych włóknem węglowym wynoszą odpowiednio 425 MPa i 7,8 GPa, podczas gdy średnia wytrzymałość na rozciąganie i moduł kompozytów żywicy epoksydowej wzmocnionych włóknem węglowym wynoszą odpowiednio 311 MPa i 5,2 GPa. Wydłużenie przy zerwaniu dla kompozytów PEK wzmocnionych włóknami węglowymi wynosi 9,43%, podczas gdy dla kompozytów z żywicy epoksydowej wzmocnionych włóknami węglowymi wynosi 11,32%.
B. Twardość: Po dodaniu włókna węglowego do osnowy zwiększa się ogólna twardość kompozytu, co wskazuje, że wypełniacz zwiększa odporność na odkształcenia plastyczne. Wartości twardości PEK i żywicy epoksydowej wynoszą odpowiednio 87 i 85, a odpowiadające im wartości twardości kompozytu wynoszą 94 i 89, co nie wykazuje znaczącej różnicy.
C. Odporność na pękanie: Ze względu na kruchość żywicy epoksydowej, odporność na pękanie kompozytów żywicy epoksydowej wzmocnionych włóknem węglowym zmniejsza się wraz ze spadkiem wytrzymałości osnowy. Natomiast osnowa PEK wykazuje lepszą wytrzymałość, co prowadzi do poprawy wytrzymałości kompozytów PEK wzmocnionych włóknem węglowym. Maksymalne obciążenie uwzględniane przy obliczaniu odporności na pękanie to maksymalne obciążenie, jakie materiał może wytrzymać przed pęknięciem w teście SENB; wyższy współczynnik intensywności naprężeń (Kic) odpowiada wyższej wytrzymałości. Wyniki pokazują, że Kic kompozytów PEK wzmocnionych włóknami węglowymi wynosi 13,71 MPa·√m, natomiast dla kompozytów z żywicy epoksydowej wzmocnionych włóknami węglowymi wynosi 11,53 MPa·√m, co wskazuje na lepszą wydajność tego pierwszego.
D. Zachowanie termiczne podczas ogrzewania i chłodzenia: Przejścia termiczne kompozytów polimerowych podczas ogrzewania i chłodzenia badano za pomocą DSC. Porównano temperaturę topnienia i temperaturę krystalizacji matrycy, ujawniając temperaturę topnienia (Tm), temperaturę krystalizacji (Tc) i temperaturę zeszklenia (Tg) materiałów próbki.
E. Ograniczanie indeksu tlenowego: Badanie granicznego indeksu tlenowego (LOI) pokazuje, że włączenie włókna węglowego do obu materiałów matrycy znacznie poprawia LOI. Dane wskazują, że LOI dla żywicy epoksydowej i PEK wynoszą odpowiednio 25 i 35, podczas gdy odpowiednie LOI dla kompozytów z włókna węglowego wynoszą 32 i 47, przy czym kompozyty PEK wzmocnione włóknem węglowym wykazują zauważalną poprawę.
Podczas testów naukowcy odkryli, że termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego z PEK jako matrycą przewyższają termoutwardzalne kompozyty z włókna węglowego z żywicą epoksydową pod różnymi wskaźnikami wydajności. Znaczące różnice w danych podkreślają zasadnicze różnice w wydajności między termoutwardzalnymi i termoplastycznymi kompozytami z włókna węglowego, co sugeruje ogromny potencjał zastosowań termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego, szczególnie w zaawansowanych dziedzinach, takich jak lotnictwo.
Dlaczego jednak termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego są znacznie mniej powszechne niż kompozyty termoutwardzalne? Jest to ściśle powiązane z odpowiednimi technikami przetwarzania. Kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych wymagają wysokich temperatur przetwarzania, a stopiona żywica termoplastyczna często ma trudności z pełną impregnacją wiązek włókien węglowych. Jeśli ten etap nie zostanie wykonany perfekcyjnie, właściwości mechaniczne powstałych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego mogą nawet odbiegać od obecnie dostępnych, popularnych termoutwardzalnych kompozytów z włókna węglowego.
