تأثیر دمای قالب بر استحکام پیوند سطحی در فرآیند پوشش و قالبگیری گرمانرم CF-PAEK (PEEK).
کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک با کارایی بالا دارای مزایایی مانند چقرمگی بالا، مقاومت در برابر ضربه، جذب رطوبت کم و عملکرد محیطی عالی هستند. تحقیقات بر روی این نوع مواد کامپوزیتی ادامه داشته است که منجر به توسعه کامپوزیتهای فیبر کربنی گرمانرم مختلف با ماتریسهای مختلف و همچنین چندین تکنیک پردازش امکانپذیر از جمله قالبگیری تزریقی، قالبگیری فشاری و قالبگیری پوشش شده است. فناوری ذوب در دمای بالا مدتهاست که به عنوان یکی از روشهای اولیه برای تهیه کامپوزیتهای فیبر کربنی گرمانرم در نظر گرفته میشود. این مقاله اثرات دمای قالب را بر استحکام پیوند سطحی برای کتون پلی آریل اتر تقویت شده با فیبر کربن پیوسته (CF-PAEK) و کتون پلی اتر اتر تقویت شده با الیاف کربن کوتاه (CF-PEEK) در طول فرآیند قالبگیری پوشش معرفی میکند، و بینشهایی را از ادبیات حرفهای ادغام میکند. .
تهیه کامپوزیت های پوشش داده شده از ترموپلاستیک CF-PAEK و CF-PEEK
کامپوزیت های پلی آریل اتر کتون گرمانرم تقویت شده با فیبر کربن پیوسته (CF-PAEK) با استفاده از الیاف کربن یک جهته تهیه شدند که سپس از طریق قالب گیری فشرده سازی به ورقه های کامپوزیتی تقویت شده با فیبر کربن پیوسته تبدیل شدند. کتون پلی اتر اتر (PEEK) و کتون پلی اتر اتر تقویت شده با الیاف کربن کوتاه (SCF-PEEK) به عنوان مواد تزریق انتخاب شدند، به قالب های قرار داده شده روی سطح لایه های CF-PAEK تزریق شدند و برای مدت معینی تحت فشار برای تولید مخلوط نگهداری شدند. کامپوزیت های پوشش داده شده پس از خنک شدن هوا تا دمای اتاق، کامپوزیت های فیبر کربن گرمانرم قالب گیری شده برداشته شده و به اندازه های ثابت بریده شدند. آزمایشهای عملکردی مختلفی متعاقباً انجام شد، از جمله آزمایش خواص مکانیکی، آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، آزمایش کسر حجمی، آزمایش رفتار رئولوژیکی، و آزمایش نانو فرورفتگی. دادههای آزمون نمودار شدند و نتایج مربوطه از طریق مطالعات مقایسهای مجموعههای نمونه متعدد استخراج شد.
تأثیر دمای قالب بر استحکام پیوند سطحی کامپوزیت های ترموپلاستیک CF-PAEK (PEEK).
1. منحنی های ویسکوزیته-دما رزین های PAEK و PEEK: شکل بالا منحنی های ویسکوزیته-دما را برای رزین های PAEK و PEEK نشان می دهد. داده ها نشان می دهد که ویسکوزیته PAEK از حدود 89 تا 237 پاس در دماهای بین 340 درجه تا 400 درجه متغیر است، در حالی که ویسکوزیته PEEK از 203 تا 330 پاس در دماهای بین 360 درجه و 420 درجه متغیر است. هر دو رزین ترموپلاستیک رفتار نازک شوندگی برشی از خود نشان می دهند که با افزایش دما، ویسکوزیته کاهش می یابد. هرچه ویسکوزیته مذاب رزین کمتر باشد، انتشار بهتری دارد که به طور مثبت بر استحکام پیوند سطحی تأثیر می گذارد.
2. استحکام برشی کامپوزیت های پوشش داده شده در دماهای مختلف قالب: شکل a بالا منحنی تنش-کرنش را برای مواد PEEK و SCF-PEEK در دماهای مختلف قالب نشان می دهد. شکل b داده های مقاومت برشی PEEK/CCF-PAEK و SCF-PEEK/CCF-PAEK را در دماهای قالب متفاوت نشان می دهد. مقاومت برشی PEEK/CCF-PAEK 56 مگاپاسکال، 65 مگاپاسکال، 70 مگاپاسکال و 68 مگاپاسکال است، در حالی که مقاومت برشی SCF-PEEK/CCF-PAEK 77 مگاپاسکال، 79 مگاپاسکال، 85 مگاپاسکال و 71 مگاپاسکال است.
نتایج نشان می دهد که با افزایش دمای قالب، مقاومت برشی نمونه ها بهبود می یابد. علاوه بر این، به دلیل تقویت الیاف کربن کوتاه، مقاومت برشی SCF-PEEK/CCF-PAEK بالاتر است. دمای قالب بر زمان حفظ دمای رابط بین مذاب تزریق شده (PEEK و SCF-PEEK) و ورقه ورقه CCF-PAEK و همچنین زمان تماس قبل از پخت تأثیر می گذارد. با افزایش دمای قالب، دمای لایه سطحی به تدریج افزایش مییابد و ذوب و انتشار رزین PAEK در دماهای ذوب پایینتر را تقویت میکند و در نتیجه استحکام پیوند سطحی را افزایش میدهد.
3. حالت های شکست برشی نمونه های کامپوزیت پوشش داده شده در دماهای مختلف قالب: شکل بالا مقاطع شکست برشی کامپوزیت های پوشش داده شده PEEK/CCF-PAEK را در دماهای مختلف قالب نشان می دهد. این نشان میدهد که تحت تأثیر نیروهای برشی، ترکهایی در دو طرف نمونه شروع به ایجاد میکنند و به سمت مرکز امتداد مییابند. هنگامی که دمای قالب روی 220 درجه و 240 درجه تنظیم می شود، شکست PEEK/CCF-PAEK در درجه اول ناشی از لایه لایه شدن سطحی است که نشان دهنده استحکام پیوند سطحی نسبتا ضعیف است (شکل های a و b). در مقابل، زمانی که دمای قالب به 260 درجه و 280 درجه افزایش مییابد، شکست PEEK/CCF-PAEK عمدتاً به دلیل شکستگی بین لایهای است که نشاندهنده استحکام پیوند سطحی قویتر است (شکلهای c و d).
شکل بالا، سطح مقطع شکست برشی کامپوزیت های پوشش داده شده SCF-PEEK/CCF-PAEK را در دماهای مختلف قالب، با شرایط نمونه مشابه کامپوزیت های PEEK/CCF-PAEK نشان می دهد. در دماهای قالب 220 درجه و 240 درجه، شکست پیوند سطحی یک مسئله اصلی باقی می ماند (شکل های a و b). هنگامی که دمای قالب به 260 درجه و 280 درجه افزایش می یابد، شکست SCF-PEEK/CCF-PAEK با شکستگی بین لایه ای CCF-PAEK و شکست خمشی SCF-PEEK مشخص می شود (شکل های c و d). به دلیل تغییر شکل خمشی و تغییر شکل برشی بین لایه ای ناشی از فرآیند پوشش، زمانی که استحکام پیوند سطحی ضعیف می شود، لایه لایه شدن می تواند بین PEEK، SCF-PEEK و CCF-PAEK رخ دهد. با افزایش استحکام پیوند سطحی، لایه لایه شدن سطحی در کامپوزیت به تدریج کاهش می یابد، در حالی که شکست بین لایه ای رزین افزایش می یابد.
نتایج تجربی نشان میدهد که حالتهای شکست سطحی کامپوزیت با افزایش دمای قالب تغییر میکند. در دماهای پایینتر، دمای رابط کمتر است و مذاب در قالب تزریق سریعتر سرد میشود و در نتیجه انتشار مولکولی کندتر و چسبندگی ضعیفتر میشود. شکست برشی به صورت شکست سطحی ظاهر می شود که با اتصال مکانیکی مشخص می شود. با افزایش دمای قالب، سطح شکستگی PEEK به تدریج افزایش می یابد. دمای بالاتر قالب، دمای رابط بین رزین PEEK و PAEK را افزایش میدهد و زمان اختلاط قبل از پخت را افزایش میدهد که فرآیند ذوب رزین را تسهیل میکند. هنگامی که دمای رابط از دمای ذوب PAEK بیشتر شود، یک لایه یوتکتیک رزین در سطح مشترک تشکیل می شود که استحکام پیوند سطحی را افزایش می دهد.
4. منحنیهای بار-عمق دندانهای کامپوزیتهای پوششدادهشده در دماهای مختلف قالب: منحنی های شکل بالا نشان می دهد که برای همان بار فرورفتگی، با افزایش دمای قالب، عمق فرورفتگی به تدریج کاهش می یابد، که نشان می دهد ظرفیت باربری رزین در سطح مشترک با افزایش دمای قالب تقویت می شود. برای کامپوزیت PEEK/CCF-PAEK، در دمای قالب 260 درجه، ظرفیت باربری رزین رابط مشابه با PEEK است که نشان می دهد کامپوزیت پوشش داده شده به حالت مخلوط شدن رزین مذاب با لایه تزریق رسیده است. رزین (PEEK)، دستیابی به استحکام تقریبا یکسان. در مقایسه با PEEK، کامپوزیت SCF-PEEK/CCF-PAEK بارهای بیشتری را در سطح مشترک نشان می دهد، که نشان می دهد افزودن الیاف کربن کوتاه رزین را در سطح مشترک افزایش می دهد و آن را قادر می سازد بارهای بیشتری را تحمل کند.
هنگامی که عمق فرورفتگی کوچک است، مدول به سرعت با افزایش عمق فرورفتگی کاهش می یابد (شکل b) که تغییرات قابل توجهی را در منحنی مدول در طول این فاز نشان می دهد. هنگامی که عمق از 250 نانومتر فراتر رفت، مقادیر مدول با افزایش عمق شروع به صاف شدن می کنند. در اعماق بیشتر از 500 نانومتر، منحنی مدول پایدارتر می شود. در دمای قالب 220 درجه، منحنی عمق مدول برای کامپوزیت های پوشش داده شده PEEK/CCF-PAEK نسبتاً ناپایدار است، با مدول کمتر 4.2 GPa. این نشان می دهد که در دمای قالب 260 درجه، مذاب می تواند یک لایه همزیستی رزین با رزین سطحی پریفرم تشکیل دهد و در نتیجه مدولی قابل مقایسه با PEEK ایجاد کند.
منحنی مدول عمق برای کامپوزیت های پوشش داده شده SCF-PEEK/CCF-PAEK نسبتا صاف است، که نشان می دهد افزودن الیاف کربن کوتاه می تواند مدول رزین را در سطح مشترک افزایش دهد. با افزایش دمای قالب، مدول نیز به تدریج افزایش می یابد. در دمای قالب 260 درجه، افزایش قابل توجه است و به 5.5 گیگا پاسکال می رسد که مربوط به انتقال در حالت پیوند سطحی در این دما است. این نشان می دهد که دو نوع رزین در سطح مشترک می توانند ذوب شده و در یکدیگر پخش شوند. علاوه بر این، الیاف کربن کوتاه می توانند زمانی که رزین در حالت مذاب است، خود را در لایه سطحی قرار دهند که به افزایش مدول کمک می کند.
