مقایسه عملکرد فیبر کربن ترموپلاستیک و فیبر کربن گرما سخت برای کاربردهای هوافضا

مقایسه عملکرد فیبر کربن ترموپلاستیک و فیبر کربن گرما سخت برای کاربردهای هوافضا

کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک برای کاربردهای هوافضا مناسب تر هستند.

با افزایش تحقیقات روی فیبر کربن و پلاستیک‌های مختلف، مشخص شده است که استفاده از پلاستیک‌های تخصصی به عنوان ماتریس در ترکیب با فیبر کربن می‌تواند از ویژگی‌های کارایی بالا فیبر کربن بهتر استفاده کند. اگر بتوان کامپوزیت‌های گرمانرم تقویت‌شده با فیبر کربن پیوسته را به‌طور انبوه تولید کرد، کل بخش صنعتی سود خواهد برد و صنایع پیشرفته مانند هوافضا و رشته‌های پزشکی رشد قابل‌توجهی را تجربه خواهند کرد. در حال حاضر، مزایای کامپوزیت های رزین اپوکسی فیبر کربن - مانند استحکام بالا، خزش کم، مدول بالا و هزینه کم - قابل استفاده در زمینه هوافضا ثابت شده است. با این حال، نقاط ضعف آنها نیز کاملا مشهود است، از جمله شکنندگی بالا، حساسیت به شکافتن، و نرخ جذب رطوبت بالا، که خطرات کاربرد خاصی را به همراه دارد. ترکیب مواد ماتریس ترموپلاستیک می تواند این کمبودهای عملکردی را برطرف کند و فرصت های جدیدی را برای کامپوزیت های فیبر کربنی ایجاد کند.

مقایسه عملکرد فیبر کربن ترموپلاستیک و گرما سخت برای کاربردهای هوافضا

تیم‌های تحقیقاتی مطالعات عمیقی بر روی کامپوزیت‌های فیبر کربن گرما سخت و ترموپلاستیک برای کاربردهای هوافضا انجام داده‌اند و کامپوزیت‌های پلی اتر کتون تقویت‌شده با فیبر کربن (PEK) را با کامپوزیت‌های رزین اپوکسی تقویت‌شده با فیبر کربن مقایسه کرده‌اند.

1. صفحه کتونی پلی اتر تقویت شده با فیبر کربن: این کامپوزیت از یک ورقه ورقه ای ساخته شده از 60 درصد فیبر کربن و 40 درصد پلی اتر کتون (PEK) تشکیل شده است. دارای ده لایه فیبر کربن دو طرفه است که بین یازده لایه PEK قرار گرفته است، با فیلم PEK در بالا و پایین. CF/PEK انباشته شده در دمای 410 درجه تحت فشار 10 بار به مدت 30 دقیقه فشرده می شود.

2. صفحه رزین اپوکسی فیبر کربن: این کامپوزیت از رزین اپوکسی LY556 به عنوان ماده ماتریس استفاده می کند که با پارچه کربنی دو طرفه تقویت شده است. در دمای اتاق، عامل پخت HY951 به رزین اپوکسی اضافه می شود و به نسبت 100:12 مخلوط می شود. تقویت فیبر کربن در 60 درصد وزنی حفظ می شود و در نتیجه یک ورقه رزین اپوکسی فیبر کربن با ضخامت تقریباً 3 میلی متر با استفاده از ده لایه پارچه ایجاد می شود.

3. روش شناسی تستتست‌های عملکرد مکانیکی بر روی دو نوع صفحه فیبر کربنی که در بالا ذکر شد، شامل تست کشش، تست سختی و تست چقرمگی شکست انجام شد. علاوه بر این، آزمایش‌های عملکرد حرارتی بر روی هر دو صفحه فیبر کربنی، از جمله آزمون‌های کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) و شاخص اکسیژن محدود (LOI) انجام شد.

4. نمایش نتایج تست عملکرد:

A. استحکام کششی و مدولمیانگین مقاومت کششی و مدول کامپوزیت های پلی اتر کتون تقویت شده با فیبر کربن (PEK) به ترتیب 425 مگاپاسکال و 7.8 گیگا پاسکال است، در حالی که میانگین مقاومت کششی و مدول کامپوزیت های رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن به ترتیب 311 مگاپاسکال و 5.2 گیگا پاسکال است. ازدیاد طول در هنگام شکست برای کامپوزیت های PEK تقویت شده با فیبر کربن 9.43٪ است در حالی که برای کامپوزیت های رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن 11.32٪ است.

B. سختی: هنگامی که فیبر کربن به ماتریس اضافه می شود، سختی کلی کامپوزیت افزایش می یابد، که نشان می دهد پرکننده مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک را افزایش می دهد. مقادیر سختی برای PEK و رزین اپوکسی به ترتیب 87 و 85 با مقادیر سختی مرکب مربوطه 94 و 89 است که تفاوت معنی داری را نشان نمی دهد.

ج. چقرمگی شکست: به دلیل شکنندگی رزین اپوکسی، چقرمگی شکست کامپوزیت های رزین اپوکسی تقویت شده با فیبر کربن با کاهش چقرمگی ماتریس کاهش می یابد. در مقابل، ماتریس PEK چقرمگی بهتری را نشان می‌دهد که منجر به بهبود چقرمگی در کامپوزیت‌های PEK تقویت‌شده با فیبر کربن می‌شود. حداکثر بار در نظر گرفته شده هنگام محاسبه چقرمگی شکست، حداکثر باری است که ماده می تواند قبل از شکست در آزمون SENB تحمل کند. ضریب شدت تنش بالاتر (Kic) مربوط به چقرمگی بالاتر است. نتایج نشان می‌دهد که Kic کامپوزیت‌های PEK تقویت‌شده با فیبر کربن 13.71 MPa·√m است، در حالی که برای کامپوزیت‌های رزین اپوکسی تقویت‌شده با فیبر کربن 11.53 MPa·√m است که نشان‌دهنده عملکرد بهتر برای اولی است.

D. رفتار حرارتی در هنگام گرمایش و سرمایش: انتقال حرارتی کامپوزیت های پلیمری در طول گرمایش و سرمایش با استفاده از DSC مورد بررسی قرار گرفت. دمای ذوب و دمای تبلور ماتریس مقایسه شد و دمای ذوب (Tm)، دمای تبلور (Tc) و دمای انتقال شیشه (Tg) مواد نمونه را نشان داد.

E. محدود کردن شاخص اکسیژن: آزمایش شاخص محدود کننده اکسیژن (LOI) نشان می دهد که ترکیب فیبر کربن در هر دو ماده ماتریس به طور قابل توجهی LOI را بهبود می بخشد. داده ها نشان می دهد که LOI برای رزین اپوکسی و PEK به ترتیب 25 و 35 است، در حالی که LOI مربوط به کامپوزیت های فیبر کربن 32 و 47 است، با کامپوزیت های PEK تقویت شده با فیبر کربن بهبود قابل توجهی نشان می دهد.

از طریق آزمایش، محققان دریافتند که کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک با PEK به عنوان ماتریس از کامپوزیت های فیبر کربن ترموست با رزین اپوکسی در معیارهای مختلف عملکرد بهتر است. تفاوت‌های قابل توجه در داده‌ها، تفاوت‌های عملکردی اساسی بین کامپوزیت‌های فیبر کربن گرما سخت و گرمانرم را برجسته می‌کند، که پتانسیل کاربرد وسیعی را برای کامپوزیت‌های فیبر کربن گرمانرم، به‌ویژه در زمینه‌های پیشرفته مانند هوافضا نشان می‌دهد.

با این حال، چرا استفاده از کامپوزیت های فیبر کربنی گرمانرم بسیار کمتر از کامپوزیت های ترموست رایج است؟ این ارتباط نزدیکی با تکنیک های پردازش مربوطه آنها دارد. کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک به دمای پردازش بالایی نیاز دارند و رزین گرمانرم مذاب اغلب برای آغشته کردن کامل بسته های فیبر کربن تلاش می کند. اگر این مرحله به طور کامل اجرا نشود، عملکرد مکانیکی کامپوزیت‌های فیبر کربن گرمانرم حاصله ممکن است حتی از کامپوزیت‌های فیبر کربن گرما سخت فعلی کمتر باشد.