Ефектът на температурата на формата върху якостта на междинно свързване в процеса на нанасяне на покритие и формоване на термопластичен CF-PAEK (PEEK).
Композитите от термопластични въглеродни влакна с висока производителност показват предимства като висока издръжливост, устойчивост на удар, ниска абсорбция на влага и отлично екологично представяне. Изследванията на този тип композитен материал продължават, което води до разработването на различни термопластични композити от въглеродни влакна с различни матрици, както и няколко възможни техники за обработка, включително леене под налягане, формоване под налягане и формоване на покритие. Технологията на топене при висока температура отдавна се счита за един от основните методи за получаване на термопластични композити от въглеродни влакна. Тази статия ще представи ефектите от температурата на матрицата върху якостта на междинно свързване за полиарилетер кетон, подсилен с непрекъснати въглеродни влакна (CF-PAEK) и полиетер етер кетон, подсилен с къси въглеродни влакна (CF-PEEK) по време на процеса на формоване на покритието, интегрирайки идеи от професионална литература .
Приготвяне на композитни материали с покритие от термопластични CF-PAEK и CF-PEEK
Непрекъснатите композити, подсилени с въглеродни влакна, термопластичен полиарил етер кетон (CF-PAEK) бяха получени с помощта на еднопосочни въглеродни влакна, които след това бяха оформени в непрекъснати подсилени с въглеродни влакна композитни ламинати чрез формоване под налягане. Полиетер етер кетон (PEEK) и полиетер етер кетон, подсилен с къси въглеродни влакна (SCF-PEEK) бяха избрани като инжекционни материали, инжектирани във форми, поставени върху повърхността на CF-PAEK ламинати, и поддържани под налягане за определен период, за да се получи смесен композити с покритие. След като се остави въздухът да се охлади до стайна температура, формованите термопластични композити от въглеродни влакна бяха отстранени и нарязани до фиксирани размери. Впоследствие бяха проведени различни тестове за ефективност, включително тестване на механични свойства, анализ чрез сканираща електронна микроскопия (SEM), тестване на обемна фракция, тестване на реологично поведение и тестване на наноиндентация. Данните от теста бяха графично представени и съответните заключения бяха направени чрез сравнителни изследвания на множество комплекти проби.
Ефектът на температурата на матрицата върху якостта на междуфазово свързване на термопластични CF-PAEK (PEEK) композити.
1. Криви на вискозитет-температура на смоли PAEK и PEEK: Фигурата по-горе показва кривите вискозитет-температура за смоли PAEK и PEEK. Данните показват, че вискозитетът на PAEK варира от приблизително 89 до 237 Pa·s при температури между 340 градуса и 400 градуса, докато вискозитетът на PEEK варира от 203 до 330 Pa·s при температури между 360 градуса и 420 градуса. И двете термопластични смоли показват поведение на изтъняване при срязване, като вискозитетът намалява с повишаване на температурата. Колкото по-нисък е вискозитетът на стопилката на смолата, толкова по-добра е дифузията, което влияе положително върху здравината на междуфазното свързване.
2. Якост на срязване на композитни материали с покритие при различни температури на формата: Фигура a по-горе показва кривите напрежение-деформация за PEEK и SCF-PEEK материали при различни температури на формата. Фигура b представя данните за якостта на срязване за PEEK/CCF-PAEK и SCF-PEEK/CCF-PAEK при различни температури на формата. Якостта на срязване на PEEK/CCF-PAEK е 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa и 68 MPa, докато якостта на срязване на SCF-PEEK/CCF-PAEK е 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa и 71 MPa.
Резултатите показват, че с повишаване на температурата на формата, якостта на срязване на пробите се подобрява. Освен това, поради армировката от къси въглеродни влакна, якостта на срязване на SCF-PEEK/CCF-PAEK е по-висока. Температурата на матрицата влияе върху времето за задържане на температурата на интерфейса между инжектираната стопилка (PEEK и SCF-PEEK) и ламината CCF-PAEK, както и времето за контакт преди втвърдяване. С повишаването на температурата на формата, температурата на междинния слой постепенно се повишава, насърчавайки топенето и дифузията на PAEK смола при по-ниски температури на топене, като по този начин повишава здравината на междуфазното свързване.
3. Режими на повреда при срязване на композитни проби с покритие при различни температури на матрицата: Фигурата по-горе показва напречните сечения на разрушаване при срязване на композити с покритие PEEK/CCF-PAEK при различни температури на формата. Той разкрива, че под действието на силите на срязване, пукнатини започват да се образуват от двете страни на пробата и се простират към центъра. Когато температурата на матрицата е настроена на 220 градуса и 240 градуса, повредата на PEEK/CCF-PAEK е резултат основно от разслояване на повърхността, което показва относително слаба якост на свързване на повърхността (фигури a и b). Обратно, когато температурата на матрицата се повиши до 260 градуса и 280 градуса, повредата на PEEK/CCF-PAEK се дължи главно на интерламинарна фрактура, което предполага по-силна якост на междинно свързване (фигури c и d).
Фигурата по-горе показва напречните сечения на разрушаване при срязване на композити с покритие SCF-PEEK/CCF-PAEK при различни температури на матрицата, като състоянието на пробата е подобно на това на композитите PEEK/CCF-PAEK. При температури на формата от 220 градуса и 240 градуса, повредата на междуфазовото свързване остава основен проблем (фигури a и b). Когато температурата на матрицата се повиши до 260 градуса и 280 градуса, повредата на SCF-PEEK/CCF-PAEK се характеризира с интерламинарна фрактура на CCF-PAEK и повреда при огъване на SCF-PEEK (фигури c и d). Поради деформацията на огъване и интерламинарната деформация на срязване, причинена от процеса на нанасяне на покритие, когато силата на междинно свързване отслабне, може да възникне разслояване между PEEK, SCF-PEEK и CCF-PAEK. С увеличаването на якостта на междуфазното свързване, междинното разслояване в композита постепенно намалява, докато междуслойното счупване на смолата се увеличава.
Експерименталните резултати показват, че режимите на разрушаване на повърхността на композита се променят с повишаване на температурата на формата. При по-ниски температури температурата на интерфейса е по-ниска и стопилката в шприцформата се охлажда по-бързо, което води до по-бавна молекулярна дифузия и по-слаба адхезия. Разрушаването при срязване се проявява като разрушаване на повърхността, характеризиращо се с механично свързване. С повишаването на температурата на формата повърхността на фрактурата на PEEK постепенно се увеличава. По-високите температури на формата повишават температурата на интерфейса между PEEK смолата и PAEK, увеличавайки времето за смесване преди втвърдяване, което улеснява процеса на топене на смолата. Когато температурата на интерфейса надвиши температурата на топене на PAEK, на повърхността се образува евтектичен слой от смола, повишаващ здравината на междуфазното свързване.
4. Криви на натоварване-дълбочина на наноиндентация на композитни материали с покритие при различни температури на формата: Кривите на фигурата по-горе показват, че за същото натоварване на вдлъбнатината, дълбочината на вдлъбнатината постепенно намалява с повишаване на температурата на матрицата, което предполага, че носещата способност на смолата на интерфейса се укрепва с повишаване на температурата на формата. За композита PEEK/CCF-PAEK, при температура на матрицата от 260 градуса, носещият капацитет на интерфейсната смола е подобен на този на PEEK, което показва, че покритият композит е достигнал състояние на смесване на разтопена смола с инжекционния слой смола (PEEK), постигайки почти идентична здравина. В сравнение с PEEK, композитът SCF-PEEK/CCF-PAEK показва по-високи натоварвания на интерфейса, което предполага, че добавянето на къси въглеродни влакна подобрява смолата на интерфейса, позволявайки му да понася по-високи натоварвания.
Когато дълбочината на вдлъбнатината е малка, модулът бързо намалява с увеличаване на дълбочината на вдлъбнатината (Фигура b), показвайки значителна промяна в кривата на модула по време на тази фаза. След като дълбочината надхвърли 250 nm, стойностите на модула започват да се изглаждат с увеличаване на дълбочината. При дълбочини, по-големи от 500 nm, модулната крива става по-стабилна. При температура на формата от 220 градуса, кривата на дълбочина-модул за композити с покритие PEEK/CCF-PAEK е относително нестабилна, с по-нисък модул от 4,2 GPa. Това показва, че при температура на матрицата от 260 градуса, стопилката може да образува съвместен слой от смола с повърхностната смола на заготовката, което води до модул, сравним с този на PEEK.
Кривата дълбочина-модул за композити с покритие SCF-PEEK/CCF-PAEK е сравнително гладка, което показва, че добавянето на къси въглеродни влакна може да подобри модула на смолата на интерфейса. С повишаването на температурата на формата, модулът също постепенно се повишава. При температура на формата от 260 градуса увеличението е значително, достигайки до 5,5 GPa, което е свързано с прехода в състоянието на междуфазно свързване при тази температура. Това показва, че двата типа смоли на границата могат да се стопят и дифундират една в друга. Освен това, късите въглеродни влакна могат да се вградят в междинния слой, когато смолата е в разтопено състояние, което допринася за увеличаване на модула.
