Termoplastiskās oglekļa šķiedras un termoreaktīvo oglekļa šķiedru veiktspējas salīdzinājums kosmosa lietojumiem.
Kopš jaunās tūkstošgades ir gūti ievērojami sasniegumi dažādu jaunu kompozītmateriālu, piemēram, šobrīd populāro stikla šķiedras, oglekļa šķiedras un aramīda šķiedras kompozītmateriālu izpētē un izpētē. Šajā rakstā tiks iepazīstināta ar oglekļa šķiedru un tās kompozītmateriāliem, kas pazīstami kā "melnais zelts". Oglekļa šķiedra pastāv jau vairāk nekā gadsimtu, un, nepārtraukti attīstoties, tā pakāpeniski ir atradusi pielietojumu sporta aprīkojumā un Formula 1 sacīkšu automašīnās. Pašlaik galvenais materiāls ir termoreaktīvie oglekļa šķiedras kompozītmateriāli, kas ietver termoreaktīvos sveķus, piemēram, epoksīdsveķus, fenola sveķus un bismaleimīda sveķus.
Termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ir piemērotāki kosmosa vajadzībām.
Pieaugot pētījumiem par oglekļa šķiedru un dažādām plastmasām, ir atklāts, ka, izmantojot speciālu plastmasu kā matricu kopā ar oglekļa šķiedru, var labāk izmantot oglekļa šķiedras augstas veiktspējas īpašības. Ja ar oglekļa šķiedru pastiprinātus termoplastiskos kompozītmateriālus var ražot masveidā, ieguvēji būs visa rūpniecības nozare, un augstas klases nozares, piemēram, kosmosa un medicīnas nozares, piedzīvos ievērojamu izaugsmi. Pašlaik ir pierādīts, ka oglekļa šķiedras epoksīdsveķu kompozītmateriālu priekšrocības, piemēram, augsta izturība, zema šļūde, augsts modulis un zemas izmaksas, ir piemērotas kosmosa jomā. Tomēr arī to vājās puses ir diezgan acīmredzamas, tostarp liels trauslums, uzņēmība pret šķelšanos un augsts mitruma absorbcijas līmenis, kas rada noteiktus lietošanas riskus. Termoplastisko matricu materiālu iekļaušana var novērst šos veiktspējas trūkumus un pavērt jaunas iespējas oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem.
Ir daudz augstas veiktspējas speciālo plastmasu, piemēram, poliētera ētera ketons (PEEK), poliētera ketona ketons (PEKK), poliētera ketona ētera ketona ketons (PEKEKK), poliētera imīds (PEI), polifenilēna sulfīds (PPS) un poliamīds (PA). ). Šie termoplastiskās matricas sveķi var nodrošināt labāku oglekļa šķiedras fizisko struktūru un ķīmiskās īpašības. Kā piemēru ņemot poliētera ētera ketonu (PEEK), tā stiklošanās temperatūra (Tg) ir aptuveni 150 grādi un kušanas temperatūra aptuveni 370 grādi, kas ievērojami uzlabo oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izturību pret augstu temperatūru. Turklāt tas labāk saglabā oglekļa šķiedras raksturīgās īpašības, nodrošinot labu izturību, stingrību, ķīmisko izturību un izturību pret šķīdinātājiem. PEEK piemīt arī lieliska termiskā stabilitāte, liesmas slāpētājs un zema dielektriskā konstante, padarot to par vienu no ļoti pieprasītajiem materiāliem nākotnes kosmosa vajadzībām.
Termoplastiskās un termoreaktīvās oglekļa šķiedras veiktspējas salīdzinājums kosmosa lietojumiem
Pētnieku grupas ir veikušas padziļinātus pētījumus par termoreaktīviem un termoplastiskiem oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem kosmosa lietojumiem, salīdzinot ar oglekļa šķiedru pastiprinātus poliētera ketona (PEK) kompozītmateriālus ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem epoksīda sveķu kompozītmateriāliem.
1. Ar oglekļa šķiedru pastiprināta poliētera ketona plāksne: Šis kompozīts sastāv no lamināta, kas izgatavots no 60% oglekļa šķiedras un 40% poliētera ketona (PEK). Tam ir desmit divvirzienu oglekļa šķiedras slāņi, kas novietoti starp vienpadsmit PEK slāņiem, ar PEK plēvi gan augšpusē, gan apakšā. Sakrautā CF/PEK tiek presēta 410 grādu leņķī zem 10 bāru spiediena 30 minūtes.
2.Oglekļa šķiedras epoksīda sveķu plāksne: Šajā kompozītmateriālā kā matricas materiāls tiek izmantoti LY556 epoksīdsveķi, kas pastiprināti ar divvirzienu oglekļa audumu. Istabas temperatūrā epoksīda sveķiem pievieno cietinātāju HY951, sajaucot proporcijā 100:12. Oglekļa šķiedras pastiprinājums tiek saglabāts 60 masas%, kā rezultātā tiek iegūts aptuveni 3 mm biezs oglekļa šķiedras epoksīdsveķu lamināts, izmantojot desmit auduma slāņus.
3.Pārbaudes metodika: Mehāniskās veiktspējas testi tika veikti diviem iepriekšminētajiem oglekļa šķiedras plākšņu veidiem, tostarp stiepes pārbaude, cietības pārbaude un izturības pret lūzumiem pārbaude. Turklāt abām oglekļa šķiedras plāksnēm tika veikti termiskās veiktspējas testi, tostarp diferenciālās skenēšanas kalorimetrijas (DSC) un ierobežojošā skābekļa indeksa (LOI) testi.
4. Veiktspējas pārbaudes rezultātu skate:
A. Stiepes izturība un modulis: Oglekļa šķiedru pastiprinātu poliētera ketona (PEK) kompozītmateriālu vidējā stiepes izturība un modulis ir attiecīgi 425 MPa un 7,8 GPa, savukārt ar oglekļa šķiedru pastiprinātu epoksīdsveķu kompozītmateriālu vidējā stiepes izturība un modulis ir attiecīgi 311 MPa un 5,2 GPa. Pārraušanas pagarinājums ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem PEK kompozītmateriāliem ir 9,43%, bet ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem epoksīdsveķu kompozītmateriāliem – 11,32%.
B. Cietība: pievienojot matricai oglekļa šķiedru, kompozītmateriāla kopējā cietība palielinās, norādot, ka pildviela uzlabo izturību pret plastisko deformāciju. PEK un epoksīdsveķu cietības vērtības ir attiecīgi 87 un 85, ar atbilstošām kompozītmateriālu cietības vērtībām 94 un 89, kas neuzrāda būtisku atšķirību.
C. Lūzuma izturība: Epoksīdsveķu trausluma dēļ ar oglekļa šķiedru pastiprinātu epoksīdsveķu kompozītmateriālu izturība pret lūzumiem samazinās, jo matricas stingrība samazinās. Turpretim PEK matricai ir labāka stingrība, kas uzlabo ar oglekļa šķiedru pastiprinātu PEK kompozītmateriālu izturību. Maksimālā slodze, ko ņem vērā, aprēķinot izturību pret lūzumu, ir maksimālā slodze, ko materiāls var izturēt pirms lūzuma SENB testā; augstāks stresa intensitātes faktors (Kic) atbilst lielākai izturībai. Rezultāti liecina, ka ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem PEK kompozītmateriāliem Kic ir 13,71 MPa·√m, savukārt ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem epoksīdsveķu kompozītmateriāliem tas ir 11,53 MPa·√m, kas liecina par labāku pirmo veiktspēju.
D. Termiskā uzvedība sildīšanas un dzesēšanas laikā: Polimēru kompozītmateriālu termopārejas karsēšanas un dzesēšanas laikā tika pētītas, izmantojot DSC. Tika salīdzināta matricas kušanas temperatūra un kristalizācijas temperatūra, atklājot parauga materiālu kušanas temperatūru (Tm), kristalizācijas temperatūru (Tc) un stiklošanās temperatūru (Tg).
E. Skābekļa indeksa ierobežošana: Ierobežojošā skābekļa indeksa (LOI) pārbaude parāda, ka oglekļa šķiedras iekļaušana abos matricas materiālos ievērojami uzlabo LOI. Dati liecina, ka LOI epoksīdsveķiem un PEK ir attiecīgi 25 un 35, savukārt attiecīgie LOI oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem ir 32 un 47, un ar oglekļa šķiedru pastiprinātiem PEK kompozītmateriāliem ir ievērojami uzlabojumi.
Pārbaudot, pētnieki atklāja, ka termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāli ar PEK kā matricu pārspēj termoreaktīvo oglekļa šķiedru kompozītmateriālus ar epoksīdsveķiem dažādos veiktspējas rādītājos. Būtiskās atšķirības datos norāda uz būtiskām veiktspējas atšķirībām starp termoreaktīvo un termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu, kas liecina par plašu termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu pielietojuma potenciālu, īpaši tādās progresīvās jomās kā aviācija.
Tomēr kāpēc termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu izmantošana ir daudz mazāk izplatīta nekā termoreaktīvo kompozītmateriālu izmantošana? Tas ir cieši saistīts ar to attiecīgajām apstrādes metodēm. Termoplastiskās oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem nepieciešama augsta apstrādes temperatūra, un izkausētajiem termoplastiskajiem sveķiem bieži ir grūtības pilnībā piesūcināt oglekļa šķiedru saišķus. Ja šis solis netiek izpildīts perfekti, iegūto termoplastisko oglekļa šķiedru kompozītmateriālu mehāniskā veiktspēja var pat atpalikt no pašreizējām galvenajām termoreaktīvo oglekļa šķiedru kompozītmateriālu īpašībām.
