Comparația performanței dintre fibra de carbon termoplastică și fibra de carbon termorezistabilă pentru aplicații aerospațiale.
Începând cu noul mileniu, s-au realizat realizări semnificative în cercetarea și explorarea diferitelor materiale compozite noi, cum ar fi compozitele populare din fibră de sticlă, fibra de carbon și fibre aramidă. Acest articol va introduce fibra de carbon și compozitele sale, cunoscute sub numele de „aur negru”. Fibra de carbon există de peste un secol și, odată cu dezvoltarea continuă, a găsit treptat aplicații în echipamentele sportive și mașinile de curse de Formula 1. În prezent, materialul principal este compozitele din fibră de carbon termorigide, care includ rășini termorigide, cum ar fi rășina epoxidice, rășina fenolică și rășina bismaleimidă.
Compozitele din fibră de carbon termoplastică sunt mai potrivite pentru aplicații aerospațiale.
Odată cu creșterea cercetării asupra fibrei de carbon și a diferitelor materiale plastice, s-a descoperit că utilizarea materialelor plastice speciale ca matrice în combinație cu fibra de carbon poate valorifica mai bine caracteristicile de înaltă performanță ale fibrei de carbon. Dacă compozitele termoplastice armate cu fibră de carbon continuă pot fi produse în serie, întregul sector industrial va beneficia, iar industriile de vârf, precum cele aerospațiale și medicale, vor experimenta o creștere semnificativă. În prezent, avantajele compozitelor cu rășini epoxidice din fibră de carbon - cum ar fi rezistența ridicată, curajul scăzut, modulul ridicat și costurile reduse - s-au dovedit aplicabile în domeniul aerospațial. Cu toate acestea, slăbiciunile lor sunt, de asemenea, destul de evidente, inclusiv fragilitate mare, susceptibilitate la despicare și rate mari de absorbție a umidității, care prezintă anumite riscuri de aplicare. Încorporarea materialelor cu matrice termoplastică poate aborda aceste deficiențe de performanță și poate deschide noi posibilități pentru compozitele din fibră de carbon.
Există multe materiale plastice speciale de înaltă performanță, cum ar fi polieter eter cetonă (PEEK), polieter cetonă cetonă (PEKK), polieter cetonă eter cetonă cetonă (PEKEKK), polieter imidă (PEI), polifenilen sulfură (PPS) și poliamidă (PA). ). Aceste rășini cu matrice termoplastică pot oferi o structură fizică și proprietăți chimice mai bune pentru fibra de carbon. Luând Polyether Ether Ketone (PEEK) ca exemplu, are o temperatură de tranziție sticloasă (Tg) de aproximativ 150 de grade și un punct de topire de aproximativ 370 de grade, ceea ce îmbunătățește semnificativ rezistența la temperaturi înalte a compozitelor din fibră de carbon. În plus, menține mai bine proprietățile inerente ale fibrei de carbon, asigurând o bună rezistență, duritate, rezistență chimică și rezistență la solvenți. PEEK posedă, de asemenea, stabilitate termică excelentă, ignifugare și constantă dielectrică scăzută, ceea ce îl face unul dintre materialele foarte căutate pentru viitoare aplicații aerospațiale.
Comparație de performanță a fibrei de carbon termoplastice și termorezistente pentru aplicații aerospațiale
Echipele de cercetare au efectuat studii aprofundate asupra compozitelor din fibră de carbon termorigide și termoplastice pentru aplicații aerospațiale, comparând compozitele polietercetonice armate cu fibră de carbon (PEK) cu compozite cu rășini epoxidice armate cu fibră de carbon.
1.Placă de polieter cetonă armată cu fibră de carbon: Acest compozit constă dintr-un laminat fabricat din 60% fibră de carbon și 40% polieter cetonă (PEK). Are zece straturi de fibră de carbon bidirecțională plasate între unsprezece straturi de PEK, cu peliculă PEK atât în partea superioară, cât și în cea inferioară. CF/PEK stivuit este presat la 410 grade sub presiune de 10 bar timp de 30 de minute.
2.Placă de rășină epoxidice din fibră de carbon: Acest compozit folosește rășină epoxidică LY556 ca material de matrice, întărită cu țesătură de carbon bidirecțională. La temperatura camerei, agentul de întărire HY951 este adăugat la rășina epoxidică, amestecată într-un raport de 100:12. Armătura cu fibră de carbon este menținută la 60% în greutate, rezultând un laminat de rășină epoxidice din fibră de carbon de aproximativ 3 mm grosime, folosind zece straturi de material.
3. Metodologia de testare: Testele de performanță mecanică au fost efectuate pe cele două tipuri de plăci din fibră de carbon menționate mai sus, inclusiv testarea la tracțiune, testarea durității și testarea rezistenței la rupere. În plus, au fost efectuate teste de performanță termică pe ambele plăci din fibră de carbon, inclusiv teste de calorimetrie de scanare diferențială (DSC) și teste de limitare a indicelui de oxigen (LOI).
4. Rezultatele testării de performanță arată:
A. Rezistența la tracțiune și modulul: Rezistența medie la tracțiune și modulul compozitelor de polieter cetonă (PEK) armată cu fibră de carbon sunt de 425 MPa și, respectiv, 7,8 GPa, în timp ce rezistența medie la tracțiune și modulul compozitelor de rășini epoxidice armate cu fibră de carbon sunt de 311 MPa și, respectiv, 5,2 GPa. Alungirea la rupere pentru compozitele PEK armate cu fibră de carbon este de 9,43%, în timp ce cea pentru compozitele cu rășini epoxidice armate cu fibră de carbon este de 11,32%.
B. Duritate: Când fibră de carbon este adăugată la matrice, duritatea totală a compozitului crește, indicând faptul că umplutura sporește rezistența la deformarea plastică. Valorile durității pentru PEK și rășina epoxidică sunt 87 și, respectiv, 85, cu valorile corespunzătoare ale durității compozitelor de 94 și 89, nefiind nicio diferență semnificativă.
C. Duritatea la fractură: Datorită fragilității rășinii epoxidice, duritatea la rupere a compozitelor de rășini epoxidice armate cu fibră de carbon scade pe măsură ce duritatea matricei scade. În schimb, matricea PEK prezintă o duritate mai bună, ceea ce duce la o rezistență îmbunătățită în compozitele PEK armate cu fibră de carbon. Sarcina maximă luată în considerare la calcularea tenacității la rupere este sarcina maximă pe care o poate suporta materialul înainte de rupere în testul SENB; un factor de intensitate a tensiunii mai mare (Kic) corespunde unei tenacităţi mai mari. Rezultatele arată că Kic-ul compozitelor PEK armate cu fibră de carbon este de 13,71 MPa·√m, în timp ce pentru compozitele cu rășini epoxidice armate cu fibră de carbon este de 11,53 MPa·√m, indicând performanțe mai bune pentru primul.
D. Comportament termic în timpul încălzirii și răcirii: Termotranzițiile compozitelor polimerice în timpul încălzirii și răcirii au fost studiate folosind DSC. Au fost comparate temperatura de topire și temperatura de cristalizare a matricei, relevând temperatura de topire (Tm), temperatura de cristalizare (Tc) și temperatura de tranziție sticloasă (Tg) a materialelor eșantionului.
E. Limitarea indicelui de oxigen: Testarea indicelui limitator de oxigen (LOI) arată că încorporarea fibrei de carbon în ambele materiale ale matricei îmbunătățește semnificativ LOI. Datele indică faptul că LOI pentru rășina epoxidică și PEK sunt 25 și, respectiv, 35, în timp ce LOI-urile corespunzătoare pentru compozitele din fibră de carbon sunt 32 și 47, compozitele PEK armate cu fibră de carbon prezentând o îmbunătățire notabilă.
Prin testare, cercetătorii au descoperit că compozitele din fibră de carbon termoplastică cu PEK ca matrice depășesc compozitele din fibră de carbon termorigide cu rășină epoxidică în diferite parametri de performanță. Diferențele substanțiale de date evidențiază diferențele fundamentale de performanță dintre compozitele termorigide și cele termoplastice din fibră de carbon, sugerând un potențial vast de aplicare pentru compozitele din fibră de carbon termoplastică, în special în domenii avansate precum aerospațial.
Cu toate acestea, de ce adoptarea compozitelor termoplastice din fibră de carbon este mult mai puțin răspândită decât cea a compozitelor termorigide? Acest lucru este strâns legat de tehnicile lor de procesare respective. Compozitele termoplastice din fibră de carbon necesită temperaturi ridicate de procesare, iar rășina termoplastică topită se luptă adesea să impregneze complet fasciculele de fibră de carbon. Dacă această etapă nu este executată perfect, performanța mecanică a compozitelor termoplastice din fibră de carbon rezultate poate chiar să fie sub cea a compozitelor din fibră de carbon termorigide curente.
