Efectul temperaturii matriței asupra rezistenței interfeței de legătură în procesul de acoperire și turnare a termoplastic CF-PAEK (PEEK).
Compozitele din fibră de carbon termoplastică de înaltă performanță prezintă avantaje precum duritatea ridicată, rezistența la impact, absorbția scăzută a umidității și performanța excelentă a mediului. Cercetările asupra acestui tip de material compozit au fost în desfășurare, ducând la dezvoltarea diferitelor compozite termoplastice din fibră de carbon cu diferite matrice, precum și mai multe tehnici de procesare fezabile, inclusiv turnarea prin injecție, turnarea prin compresie și turnarea acoperirii. Tehnologia de topire la temperatură înaltă a fost de multă vreme considerată una dintre metodele principale pentru prepararea compozitelor termoplastice din fibră de carbon. Această lucrare va prezenta efectele temperaturii matriței asupra rezistenței de legare interfacială pentru poliaril eter cetonă armată cu fibră de carbon continuă (CF-PAEK) și polieter eter cetonă armată cu fibră de carbon scurtă (CF-PEEK) în timpul procesului de turnare a acoperirii, integrând informații din literatura profesională. .
Prepararea compozitelor acoperite din CF-PAEK termoplastic și CF-PEEK
Compozitele poliaril eter cetonă termoplastică (CF-PAEK) armate cu fibră de carbon continuă au fost preparate folosind fibre de carbon unidirecționale, care au fost apoi formate în laminate compozite continue armate cu fibră de carbon prin turnare prin compresie. Polieter etercetonă (PEEK) și polieter eter cetonă armată cu fibre scurte de carbon (SCF-PEEK) au fost alese ca materiale de injecție, injectate în matrițe plasate pe suprafața laminatelor CF-PAEK și menținute sub presiune pentru o anumită perioadă pentru a produce amestecuri. compozite acoperite. După ce a lăsat aerul să se răcească la temperatura camerei, compozitele din fibră de carbon termoplastică turnate au fost îndepărtate și tăiate la dimensiuni fixe. Ulterior au fost efectuate diverse teste de performanță, inclusiv testarea proprietăților mecanice, analiza microscopiei electronice cu scanare (SEM), testarea fracțiunilor de volum, testarea comportamentului reologic și testarea nanodentației. Datele de testare au fost reprezentate grafic și concluziile corespunzătoare au fost trase prin studii comparative ale mai multor seturi de eșantioane.
Efectul temperaturii matriței asupra rezistenței de legare la interfață a compozitelor termoplastice CF-PAEK (PEEK).
1. Curbele vâscozitate-temperatură ale rășinilor PAEK și PEEK: Figura de mai sus prezintă curbele vâscozitate-temperatură pentru rășinile PAEK și PEEK. Datele indică faptul că vâscozitatea PAEK variază de la aproximativ 89 la 237 Pa·s la temperaturi între 340 grade și 400 grade, în timp ce vâscozitatea PEEK variază de la 203 la 330 Pa·s la temperaturi între 360 grade și 420 grade. Ambele rășini termoplastice prezintă un comportament de subțiere prin forfecare, vâscozitatea scăzând pe măsură ce temperatura crește. Cu cât vâscozitatea topiturii de rășină este mai mică, cu atât difuzia este mai bună, care influențează pozitiv rezistența legăturii interfațale.
2. Rezistența la forfecare a compozitelor acoperite la diferite temperaturi ale matriței: Figura a de mai sus prezintă curbele efort-deformare pentru materialele PEEK și SCF-PEEK la diferite temperaturi de matriță. Figura b prezintă datele de rezistență la forfecare pentru PEEK/CCF-PAEK și SCF-PEEK/CCF-PAEK la diferite temperaturi ale matriței. Rezistența la forfecare a PEEK/CCF-PAEK este de 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa și 68 MPa, în timp ce rezistența la forfecare a SCF-PEEK/CCF-PAEK este de 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa și 71 MPa.
Rezultatele indică faptul că, pe măsură ce temperatura matriței crește, rezistența la forfecare a probelor se îmbunătățește. În plus, datorită armăturii din fibre scurte de carbon, rezistența la forfecare a SCF-PEEK/CCF-PAEK este mai mare. Temperatura matriței afectează timpul de reținere a temperaturii interfeței dintre topitura injectată (PEEK și SCF-PEEK) și laminatul CCF-PAEK, precum și timpul de contact înainte de întărire. Pe măsură ce temperatura matriței crește, temperatura stratului interfacial crește treptat, promovând topirea și difuzia rășinii PAEK la temperaturi de topire mai scăzute, sporind astfel rezistența legăturii interfațale.
3.Modurile de eșec la forfecare ale probelor compozite acoperite la diferite temperaturi ale matriței: Figura de mai sus arată secțiunile transversale de rupere prin forfecare ale compozitelor acoperite cu PEEK/CCF-PAEK la diferite temperaturi ale matriței. Dezvăluie că sub acțiunea forțelor de forfecare, fisurile încep să se formeze pe ambele părți ale probei și se extind spre centru. Când temperatura matriței este setată la 220 de grade și 240 de grade, eșecul PEEK/CCF-PAEK rezultă în primul rând din delaminarea interfacială, indicând o rezistență interfacială relativ slabă (Figurile a și b). În schimb, atunci când temperatura matriței crește la 260 de grade și 280 de grade, eșecul PEEK/CCF-PAEK se datorează în principal fracturii interlaminare, sugerând o rezistență interfacială mai puternică a legăturii (Figurile c și d).
Figura de mai sus arată secțiunile transversale de rupere prin forfecare ale compozitelor acoperite cu SCF-PEEK/CCF-PAEK la diferite temperaturi ale matriței, cu o condiție a probei similară cu cea a compozitelor PEEK/CCF-PAEK. La temperaturi de matriță de 220 de grade și 240 de grade, eșecul legăturii interfațale rămâne o problemă majoră (Figurile a și b). Când temperatura matriței crește la 260 de grade și 280 de grade, defecțiunea SCF-PEEK/CCF-PAEK este caracterizată de fractura interlaminară a CCF-PAEK și defecțiunea de îndoire a SCF-PEEK (Figurile c și d). Datorită deformării la încovoiere și a deformării prin forfecare interlaminară cauzate de procesul de acoperire, atunci când rezistența de legătură interfacială scade, poate apărea delaminarea între PEEK, SCF-PEEK și CCF-PAEK. Pe măsură ce rezistența de legare interfacială crește, delaminarea interfacială din compozit scade treptat, în timp ce fractura interlaminară a rășinii crește.
Rezultatele experimentale indică faptul că modurile de defectare a interfeței ale compozitului se modifică odată cu creșterea temperaturii matriței. La temperaturi mai scăzute, temperatura interfeței este mai scăzută, iar topitura din matrița de injecție se răcește mai rapid, rezultând o difuzie moleculară mai lentă și o aderență mai slabă. Ruperea prin forfecare se manifestă ca defecțiune interfacială, caracterizată prin lipire mecanică. Pe măsură ce temperatura matriței crește, aria suprafeței de fractură a PEEK crește treptat. Temperaturile mai mari ale matriței cresc temperatura interfeței dintre rășina PEEK și PAEK, crescând timpul de amestecare înainte de întărire, ceea ce facilitează procesul de topire al rășinii. Când temperatura interfeței depășește temperatura de topire a PAEK, la interfață se formează un strat eutectic de rășină, sporind rezistența legăturii interfațale.
4. Curbele de adâncime a sarcinii de nanoindentare ale compozitelor acoperite la diferite temperaturi ale matriței: Curbele din figura de mai sus indică faptul că, pentru aceeași sarcină de indentare, adâncimea de indentare scade treptat odată cu creșterea temperaturii matriței, sugerând că capacitatea portantă a rășinii la interfață se întărește pe măsură ce temperatura matriței crește. Pentru compozitul PEEK/CCF-PAEK, la o temperatură a matriței de 260 de grade, capacitatea portantă a rășinii de interfață este similară cu cea a PEEK, ceea ce indică faptul că compozitul acoperit a atins o stare de amestecare a rășinii topite cu stratul de injecție. rășină (PEEK), obținând o rezistență aproape identică. În comparație cu PEEK, compozitul SCF-PEEK/CCF-PAEK prezintă sarcini mai mari la interfață, sugerând că adăugarea de fibre scurte de carbon îmbunătățește rășina la interfață, permițându-i să suporte sarcini mai mari.
Când adâncimea de indentare este mică, modulul scade rapid odată cu creșterea adâncimii de indentare (Figura b), arătând o variație considerabilă a curbei modulului în această fază. Odată ce adâncimea depășește 250 nm, valorile modulului încep să se netezească odată cu creșterea adâncimii. La adâncimi mai mari de 500 nm, curba modulului devine mai stabilă. La o temperatură a matriței de 220 de grade, curba adâncime-modul pentru compozitele acoperite cu PEEK/CCF-PAEK este relativ instabilă, cu un modul mai mic de 4,2 GPa. Acest lucru indică faptul că la o temperatură a matriței de 260 de grade, topitura poate forma un strat de coexistență de rășină cu rășina de suprafață a preformei, rezultând un modul comparabil cu cel al PEEK.
Curba de adâncime a modulului pentru compozitele acoperite cu SCF-PEEK/CCF-PAEK este relativ netedă, ceea ce indică faptul că adăugarea de fibre scurte de carbon poate îmbunătăți modulul rășinii la interfață. Pe măsură ce temperatura matriței crește, și modulul crește treptat. La o temperatură a matriței de 260 de grade, creșterea este semnificativă, ajungând până la 5,5 GPa, ceea ce este legat de tranziția în starea de legătură interfacială la această temperatură. Acest lucru indică faptul că cele două tipuri de rășini de la interfață se pot topi și difuza una în alta. În plus, fibrele scurte de carbon se pot încorpora în stratul interfacial atunci când rășina este în stare topită, ceea ce contribuie la creșterea modulului.
