Pieci oglekļa šķiedru modificēto termoplastisko sveķu kompozītu virzieni.
Oglekļa šķiedra ir rets augstas veiktspējas materiāls, un pētījumi par to sākās vairāk nekā pirms gadsimta. Mūsdienās oglekļa šķiedras tehnoloģiju un nozares attīstība ir saņēmusi atbalstu no daudzām pasaules valstīm. Oglekļa šķiedra pati par sevi ir mīksta un grūti veidojama; tādēļ to modificēšana un savienošana ar tādiem substrātiem kā plastmasa, sveķi, metāli un keramika var nodrošināt izcilu vispārējo veiktspēju un stabilas struktūras, kas atbilst rūpnieciskā lietojuma prasībām.
Oglekļa šķiedru modificētie sveķi ir salīdzinoši veiksmīgs kompozītmateriālu veids, un termoreaktīvie oglekļa šķiedras kompozītmateriāli mūsdienās ir galvenā izvēle. Izmantotie sveķi cita starpā ietver epoksīdsveķus un fenola sveķus. Termoplastisko sveķu integrēšana ar oglekļa šķiedru ir sarežģīta; tomēr kopējais sniegums ir labāks, padarot to par svarīgu virzienu oglekļa šķiedras nozares turpmākajai attīstībai. Pašreizējā rūpniecisko tehnoloģiju līmenī ir panākts ievērojams progress oglekļa šķiedru modificētu termoplastisko sveķu kompozītmateriālu izpētē. Jau ir veiksmīgi izstrādāti daudzi augstas veiktspējas nepārtrauktas oglekļa šķiedras pastiprināti termoplastiskie kompozītmateriāli, piemēram, CF/PPS un CF/PEEK vienvirziena lentes, ko ražo Zhishang New Materials.
1. Oglekļa šķiedru modificēti polipropilēna sveķu kompozītmateriāli
Polipropilēns (PP) ir visplašāk izmantotais polimēru materiāls tādās jomās kā automobiļu rūpniecība un sadzīves tehnika, un ikgadējā produkcija Ķīnā pārsniedz 1 miljonu tonnu. Polipropilēna sveķu pārveidošana ar oglekļa šķiedru var ievērojami uzlabot kompozītmateriāla izturību un stingrību. Turklāt oglekļa šķiedras iekļaušanai ir arī ievērojama ietekme uz PP materiālu plūstamību un kristāliskumu.
Ar oglekļa šķiedru modificētus PP materiālus parasti apstrādā, izmantojot kausējuma sajaukšanas paņēmienus, kas galvenokārt ietver divas apstrādes metodes: ekstrūzija ar divām skrūvēm un garo šķiedru pastiprināšana. Modificēto materiālu īpašības ietekmē tādi faktori kā pievienotās oglekļa šķiedras daudzums, šķiedras garums, saderības līdzekļi un šķiedru virsmas apstrāde.
Pašlaik ar garo šķiedru pastiprināti PP kompozītmateriāli ir plaši izmantoti tādās nozarēs kā automobiļu un jūras rūpniecība. Tomēr PP matricas un oglekļa šķiedras vājās savietojamības dēļ, lai sasniegtu augstu mehānisko veiktspēju kompozītmateriālos, ir nepieciešami sarežģīti oglekļa šķiedras virsmas apstrādes procesi, kas ievērojami palielina gan apstrādes izmaksas, gan grūtības.
2. Oglekļa šķiedru modificētie polivinilhlorīda sveķu kompozītmateriāli
Polivinilhlorīds (PVC) ir viens no visplašāk ražotajiem vispārēja lietojuma sveķiem Ķīnā, un tam ir galvenās priekšrocības, tostarp zemas izmaksas, labas elektriskās izolācijas īpašības, lieliska ķīmiskā izturība un vienkārši formēšanas procesi. Tomēr daži raksturīgi trūkumi, piemēram, slikta stingrība, zema triecienizturība un termiskā stabilitāte, kā arī slikta apstrādes veiktspēja ierobežo tā pielietojumu jomās ar stingrām prasībām.
Oglekļa šķiedru modificētie PVC materiāli var efektīvi uzlabot PVC matricas stiepes izturību, virsmas cietību un lieces izturību, padarot tos piemērotus dažādu PVC lokšņu un cauruļu ražošanai.
Saderība starp oglekļa šķiedras pavedieniem un PVC matricu ir labāka, kā rezultātā ievērojami uzlabojas stiepes izturība, lieces izturība un triecienizturība salīdzinājumā ar PVC matricu. PVC matricas vājās termiskās stabilitātes dēļ apstrādes metodes, piemēram, iegremdēšana kausējumā vai sajaukšana, var viegli izraisīt matricas degradāciju. Tāpēc ar oglekļa šķiedru modificētus PVC materiālus parasti apstrādā, izmantojot laminēšanas metodes.
3. Carbon Fiber Modified Polikarbonāta sveķu kompozītmateriāli
Polikarbonāts (PC) ir plaši izmantota inženiertehniskā plastmasa, kas pazīstama ar savu augsto triecienizturību un labu caurspīdīgumu. Ja oglekļa šķiedru savieno ar datoru, tā var vēl vairāk uzlabot dažādas datora īpašības un paplašināt tā pielietojuma jomas.
Pētījumi liecina, ka, ja pievienotās oglekļa šķiedras daudzums ir mazāks par 20%, materiāla stiepes izturība, lieces izturība un lieces modulis ievērojami palielinās. Triecienizturība sasniedz maksimumu, kad oglekļa šķiedras saturs ir aptuveni 6%. Ja oglekļa šķiedras saturs ir no 10% līdz 20%, materiāla virsmas pretestība var sasniegt 8 × 10 ^ 9 Ω · cm, nodrošinot lieliskas antistatiskās īpašības.
Polikarbonāta (PC) kompozīts ar oglekļa šķiedru var arī piešķirt polimēra matricai elektromagnētiskas ekranēšanas īpašības; tomēr ekranēšanas efektivitāte nav ļoti augsta. Lai sasniegtu standarta elektromagnētisko ekranēšanas materiālu nepieciešamo ekranēšanas efektivitāti, ir nepieciešams pievienot citas augstas vadītspējas metāla šķiedras vai pulveri. Oglekļa šķiedra vai ar metālu pārklāta oglekļa šķiedra, ja tā ir savienota ar metāla pulveriem, grafēnu, vadošu oglekli utt., var būt savienojoša loma kompozītmateriālā, tādējādi uzlabojot elektromagnētiskās ekranēšanas veiktspēju.
4. Carbon Fiber Modified Polyamide Resin Composites
Poliamīds (PA) ir lieliska inženiertehniskā plastmasa, taču tā augstās kristāliskuma un ievērojamās mitruma absorbcijas dēļ no šī materiāla izgatavoto izstrādājumu izmēru stabilitāte ir slikta, un tā izturība un cietība neatbilst metāliem. Praktiskā pielietojumā šiem materiāliem bieži ir nepieciešama pastiprināšana ar stikla šķiedru vai oglekļa šķiedru.
Pēc pastiprināšanas un modificēšanas ar oglekļa šķiedru PA mehāniskās īpašības var ievērojami uzlabot. Modificētais materiāls var kalpot gan kā konstrukcijas materiāls slodzei, gan kā funkcionāls materiāls. Pašlaik lielākā daļa pētījumu par oglekļa šķiedru modificētu PA ir vērsti uz oglekļa šķiedru virsmas modifikācijas ietekmi uz kompozītu saskarni un veiktspēju.
Pētījumi ir parādījuši, ka oglekļa šķiedras virsmas apstrāde ar oksidēšanu uzlabo savienojuma stiprību starp oglekļa šķiedru un PA1010. Palielinoties oglekļa šķiedras tilpuma daļai, kompozītmateriāla stiepes izturība un Rokvela cietība sākotnēji palielinās un pēc tam samazinās. Kad oglekļa šķiedras tilpuma daļa sasniedz 20%, materiāla stiepes izturība sasniedz maksimālo vērtību. Turklāt materiāla berzes koeficients samazinās, palielinoties oglekļa šķiedras tilpuma daļai, stabilizējoties pie aptuveni 0,24, kad oglekļa šķiedras tilpuma daļa sasniedz 20%.
5. Carbon Fiber Modified Special Engineering Plastic Composites
Speciālā inženiertehniskā plastmasa attiecas uz tām, kurām ir augstāka kopējā veiktspēja un ilgstoša ekspluatācijas temperatūra virs 150 grādiem. Šie materiāli galvenokārt ietver PEEK, PPS, TPI un citus. Lielākā daļa īpašo inženiertehnisko plastmasu var kalpot kā matricas materiāli termoplastiskiem kompozītmateriāliem, kas pastiprināti ar stikla šķiedru, oglekļa šķiedru un aramīda šķiedru. Ar oglekļa šķiedru pastiprinātām speciālajām inženiertehniskajām plastmasām piemīt izcilas mehāniskās īpašības un apstrādes veiktspēja, kas ļauj tām pilnībā aizstāt termoreaktīvos sveķus vai pat metālus tādās jomās kā kosmosa, jūras un medicīnas jomā.
A. Ar oglekļa šķiedru pastiprināts poliētera ētera ketons (PEEK)šobrīd ir visaugstākā temperatūras izturīgā termoplastika ar ilgstošas lietošanas temperatūru līdz 250 grādiem. Pat 300 grādu temperatūrā tas saglabā ļoti labas mehāniskās īpašības. Ar oglekļa šķiedru modificēto PEEK ne tikai uzlabo materiāla izturību un stingrību, bet arī nodrošina vadītspēju un nodilumizturības īpašības.
B. Termoplastiskais poliimīds (TPI)uzrāda izcilu termisko stabilitāti, kā arī lielisku triecienizturību, starojuma izturību un izturību pret šķīdinātājiem. Turklāt šāda veida materiāls demonstrē izcilu nodilumizturību ekstremālos apstākļos, ko raksturo augsta temperatūra, mainīgs spiediens un liels ātrums. Oglekļa šķiedras stiegrojuma pielietošana var vēl vairāk uzlabot šo materiālu veiktspēju un paplašināt to pielietojuma diapazonu.
C. Polifenilēnsulfīds (PPS)ir puskristāliski termoplastiskie sveķi, kas pazīstami ar izcilām mehāniskajām īpašībām, ķīmisko izturību un pašizdziestošām īpašībām. Turklāt šāda veida materiāls labi sader ar neorganiskām minerālvielām un organiskajām šķiedrām, padarot to piemērotu dažādu kompozītmateriālu ar augstu pildvielu saturu pagatavošanai. Termoplastiskās oglekļa šķiedras PPS kompozītmateriāliem ir labas mehāniskās īpašības un lieliska izturība pret šķīdinātājiem. Arī PPS un oglekļa šķiedras savienošanas veiktspēja ir lieliska; tomēr visas mehāniskās īpašības būtiski ietekmē oglekļa šķiedras auduma tilpuma daļa. Ja oglekļa šķiedras auduma tilpuma daļa ir mazāka par 50%, visas kompozīta mehāniskās īpašības būtiski uzlabojas, palielinoties oglekļa šķiedras auduma tilpuma daļai.
Dažādiem termoplastisko sveķu veidiem ir atšķirīga veiktspēja, ja tie ir integrēti ar oglekļa šķiedru, un atšķiras arī sagatavošana un turpmākā apstrāde. Tikai nepārtraukti eksperimentējot, var atrast optimālos risinājumus, virzot visu oglekļa šķiedras nozari nākamajā posmā. Pašlaik ir pierādīts, ka vairāki termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli, piemēram, CF/PPS un CF/PEEK, darbojas labi veiktspējas, ražošanas un pārstrādes ziņā, padarot tos par nozīmīgām jomām padziļinātai izpētei un attīstībai īstermiņā. Pēdējos gados Zhi Shang New Materials ir strādājis, lai labāk integrētu nepārtrauktas oglekļa šķiedras ar šiem termoplastiskajiem sveķiem, lai izveidotu vienvirziena lentes ar stabilākām fiziskām formām un izcilām mehāniskajām īpašībām. Pateicoties tehnoloģiju attīstībai un aprīkojuma pielāgošanai, ir izveidota iespēja šādu produktu masveida ražošanai.
