Сравнение на производителността между термопластични въглеродни влакна и термореактивни въглеродни влакна за космически приложения.
От новото хилядолетие бяха постигнати значителни постижения в изследването и изследването на различни нови композитни материали, като например популярните в момента композити от стъклени влакна, въглеродни влакна и арамидни влакна. Тази статия ще представи въглеродни влакна и техните композити, известни като "черно злато". Въглеродните влакна съществуват повече от век и с непрекъснато развитие постепенно намират приложение в спортно оборудване и състезателни автомобили от Формула 1. Понастоящем основният материал са композитни материали от термореактивни въглеродни влакна, които включват термореактивни смоли като епоксидна смола, фенолна смола и бисмалеимидна смола.
Композитите от термопластични въглеродни влакна са по-подходящи за космически приложения.
С нарастващите изследвания върху въглеродни влакна и различни пластмаси беше открито, че използването на специални пластмаси като матрица в комбинация с въглеродни влакна може по-добре да използва високопроизводителните характеристики на въглеродните влакна. Ако термопластичните композити, подсилени с непрекъснати въглеродни влакна, могат да се произвеждат масово, целият промишлен сектор ще спечели, а индустриите от висок клас като космическата и медицинската сфера ще изпитат значителен растеж. Понастоящем предимствата на композитите от епоксидна смола от въглеродни влакна - като висока якост, ниско пълзене, висок модул и ниска цена - са доказали приложимостта си в космическата област. Въпреки това, техните слабости също са доста очевидни, включително висока крехкост, чувствителност към разцепване и висока степен на абсорбиране на влага, което крие определени рискове при приложение. Включването на термопластични матрични материали може да се справи с тези недостатъци в производителността и да отвори нови възможности за композитите от въглеродни влакна.
Има много специални пластмаси с висока производителност, като полиетер етер кетон (PEEK), полиетер кетон кетон (PEKK), полиетер кетон етер кетон кетон (PEKEKK), полиетер имид (PEI), полифенилен сулфид (PPS) и полиамид (PA ). Тези термопластични матрични смоли могат да осигурят по-добра физическа структура и химични свойства за въглеродни влакна. Вземайки полиетер етер кетон (PEEK) като пример, той има температура на встъкляване (Tg) около 150 градуса и точка на топене около 370 градуса, което значително повишава устойчивостта на висока температура на композитите от въглеродни влакна. Освен това, той поддържа по-добре присъщите свойства на въглеродните влакна, осигурявайки добра здравина, издръжливост, химическа устойчивост и устойчивост на разтворители. PEEK също така притежава отлична термична стабилност, забавяне на пламъка и ниска диелектрична константа, което го прави един от силно търсените материали за бъдещи космически приложения.
Сравнение на производителността на термопластични и термореактивни въглеродни влакна за космически приложения
Изследователски екипи са провели задълбочени проучвания върху термореактивни и термопластични композити от въглеродни влакна за аерокосмически приложения, сравнявайки композити от полиетер кетон (PEK), подсилени с въглеродни влакна, с композити от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна.
1. Подсилена с въглеродни влакна полиетер кетонна плоча: Този композит се състои от ламинат, направен от 60% въглеродни влакна и 40% полиетер кетон (PEK). Той включва десет слоя двупосочни въглеродни влакна, поставени между единадесет слоя PEK, с PEK филм както отгоре, така и отдолу. Подредените CF/PEK се пресоват при 410 градуса под налягане от 10 бара за 30 минути.
2. Плоча от епоксидна смола от въглеродни влакна: Този композит използва епоксидна смола LY556 като матричен материал, подсилен с двупосочна въглеродна тъкан. При стайна температура, втвърдителят HY951 се добавя към епоксидната смола, смесена в съотношение 100:12. Подсилването от въглеродни влакна се поддържа на 60 тегл.%, което води до приблизително 3 mm дебел ламинат от епоксидна смола от въглеродни влакна, използващ десет слоя плат.
3. Методика на тестване: Бяха проведени тестове за механични характеристики на двата вида плочи от въглеродни влакна, споменати по-горе, включително тестове за опън, тестове за твърдост и тестове за якост на счупване. Освен това бяха проведени тестове за топлинна ефективност и на двете плочи от въглеродни влакна, включително диференциална сканираща калориметрия (DSC) и тестове за ограничаване на кислородния индекс (LOI).
4. Показване на резултати от тестване на производителността:
A. Якост на опън и модул: Средната якост на опън и модулът на подсилените с въглеродни влакна полиетер кетонни (PEK) композити са съответно 425 MPa и 7,8 GPa, докато средната якост на опън и модулът на подсилените с въглеродни влакна композити от епоксидна смола са съответно 311 MPa и 5,2 GPa. Удължението при скъсване за композити PEK, подсилени с въглеродни влакна, е 9,43%, докато това за композити от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна, е 11,32%.
B. Твърдост: Когато въглеродните влакна се добавят към матрицата, общата твърдост на композита се увеличава, което показва, че пълнителят повишава устойчивостта на пластична деформация. Стойностите на твърдост за PEK и епоксидна смола са 87 и 85, съответно, със съответните стойности на твърдост на композита от 94 и 89, без значителна разлика.
C. Якост на счупване: Поради крехкостта на епоксидната смола, якостта на счупване на композитите от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна, намалява с намаляването на якостта на матрицата. За разлика от тях, PEK матрицата показва по-добра издръжливост, което води до подобрена издръжливост на подсилените с въглеродни влакна PEK композити. Максималното натоварване, взето предвид при изчисляване на якостта на счупване, е максималното натоварване, което материалът може да издържи преди счупване в теста SENB; по-висок коефициент на интензитет на напрежение (Kic) съответства на по-висока якост. Резултатите показват, че Kic на композитите PEK, подсилени с въглеродни влакна, е 13,71 MPa·√m, докато за композитите от епоксидна смола, подсилени с въглеродни влакна, е 11,53 MPa·√m, което показва по-добра производителност за първите.
D. Термично поведение по време на нагряване и охлаждане: Термопреходите на полимерни композити по време на нагряване и охлаждане са изследвани с помощта на DSC. Температурата на топене и температурата на кристализация на матрицата бяха сравнени, разкривайки температурата на топене (Tm), температурата на кристализация (Tc) и температурата на встъкляване (Tg) на материалите на пробата.
E. Ограничаващ кислороден индекс: Тестването на ограничаващия кислороден индекс (LOI) показва, че включването на въглеродни влакна в двата материала на матрицата значително подобрява LOI. Данните показват, че LOI за епоксидна смола и PEK са съответно 25 и 35, докато съответните LOI за композитите от въглеродни влакна са 32 и 47, като подсилените с въглеродни влакна PEK композити показват значително подобрение.
Чрез тестване изследователите установиха, че композитите от термопластични въглеродни влакна с PEK като матрица превъзхождат термореактивните композити от въглеродни влакна с епоксидна смола по различни показатели за ефективност. Съществените разлики в данните подчертават основните различия в производителността между термореактивни и термопластични композити от въглеродни влакна, което предполага огромен потенциал за приложение на композити от термопластични въглеродни влакна, особено в напреднали области като космическото пространство.
Защо обаче приемането на термопластични композити от въглеродни влакна е много по-малко разпространено от това на термореактивните композити? Това е тясно свързано с техните съответни техники на обработка. Термопластичните композити от въглеродни влакна изискват високи температури на обработка и разтопената термопластична смола често се бори да импрегнира напълно сноповете от въглеродни влакна. Ако тази стъпка не се изпълни перфектно, механичните характеристики на получените термопластични композити от въглеродни влакна може дори да не достигнат настоящите основни термореактивни композити от въглеродни влакна.
