Термопласты с короткими волокнами - Short fiber thermoplastics

Термопласты содержащие армирующие короткие волокна были впервые введены в продажу в 1960-х годах.[1] Наиболее распространенный тип волокон, используемых в термопласты с короткими волокнами стекловолокно и углеродное волокно[2] . Добавление коротких волокон к термопластическим смолам улучшает характеристики композита для легких приложений.[1] Кроме того, термопластичные композиты с короткими волокнами легче и дешевле производить, чем композиты, армированные непрерывным волокном.[1] Этот компромисс между стоимостью и производительностью позволяет использовать термопласты, армированные короткими волокнами, во множестве областей.

Механические свойства

Механические свойства композитов, армированных короткими волокнами, в значительной степени зависят от распределения длины волокна (FLD) и распределения ориентации волокна (FOD).[3] В частности, прочность композитов, армированных коротким волокном, увеличивается с увеличением средней длины волокна и уменьшением среднего угла ориентации волокна (угла между осью волокна и направлением нагрузки).[3][4]В модуль упругости (E) смещенных коротких волокон, армированных полимерными композитами, зависит от распределения длин волокон и ориентации внутри композитной структуры.[5] Как правило, модуль упругости композита увеличивается с уменьшением среднего угла ориентации волокон и с увеличением коэффициента ориентации волокон; и модуль упругости увеличивается с увеличением средней длины волокна, когда средняя длина волокна мала. Когда средняя длина волокна велика, она почти не влияет на модуль упругости композитов, армированных короткими волокнами.[5]

Соотношение сторон

Важным параметром, характеризующим композиты с короткими волокнами, является соотношение сторон, определяемое как соотношение между длиной (l) и диаметром (d) волокон, используемых в качестве армирования:

Значение s может варьироваться в зависимости от типа и конструкции волокна, принимая значения примерно от 50 до 500.[6] Соотношения сторон могут влиять на такие свойства, как напряжение до отказа и стойкость. Более высокое соотношение сторон приведет к более низким значениям деформации при разрушении и ударной вязкости из-за угловых частиц, вызывающих образование трещин.[7]

Образование пустоты

Композиты, армированные короткими волокнами, все чаще используются в качестве конструкционного материала, поскольку они обеспечивают превосходные механические свойства и могут быть легко изготовлены с помощью быстрого и недорогого процесса литья под давлением, экструзии и распыление техника.[8] Важной проблемой для коротковолокнистых термопластичных композитов является образование и рост пустот в процессе производства. Было показано, что пустоты имеют тенденцию образовываться на концах волокон, и их содержание зависит от условий обработки, концентрации волокна и длины волокна.[8] Например, в процессе литья под давлением рост пузырьков подавляется путем охлаждения материала под давлением. Измерения плотности подтверждают гораздо более низкое содержание пустот (-1%) в образцах, полученных литьем под давлением, по сравнению с экструдатами.[8] Еще один фактор, играющий важную роль в образовании пустот, - это скорость охлаждения. При охлаждении расплава сначала затвердевают внешние поверхностные слои. Эти слои сдерживают сжатие материала в расплаве. Это приводит к внутреннему мочеиспусканию. В результате более медленные скорости охлаждения уменьшают содержание пустот в композите. Наконец, в экструдированной структуре более длинные волокна приводят к более высокому содержанию пустот. Это неожиданное поведение[8] происходит из-за преодоления других факторов, таких как вязкость, давление экструзии и скорость сдвига, которые делают анализ этого явления очень сложным.

Моделирование и моделирование

Коротковолоконные термопласты можно моделировать как матрицу с включениями волокон.[9] Согласно модели включения, напряжение внутри материала пропорционально произведению объемной доли включения и напряжения внутри одного включения.[10] Другими словами, напряжение внутри композита пропорционально объемной доле волокна и нагрузке на одно волокно. С помощью Теория среднего поля и модель Мори-Танака, напряжения в термопласте с коротким волокном можно моделировать с помощью вычислений.[9]Предполагая, что матрица является ньютоновский материал, ползучесть от приложенного напряжения сдвига может быть аппроксимирована равновесной термодинамикой.[11] Это даст информацию о композитном реологический отклик.

Заявки и обработка

Термопласты, армированные короткими волокнами, имеют широкий спектр применения благодаря свойствам армирования волокон.[2] Термопласты с короткими волокнами способны выдерживать растягивающую нагрузку до 30000 фунтов на квадратный дюйм и имеют модуль упругости порядка 2 x 10.6 psi.[1] Они идеально подходят для применений, для которых критически важна прочность, когда речь идет о крупносерийном производстве, а также важны долгий срок хранения и переработка лома.[1] При всех этих характеристиках одним из самых больших преимуществ использования термопластов, армированных короткими волокнами, является их простота обработки и повторной обработки.[1][12]Простота обработки стала ключевым фактором широкого использования термопластов, армированных короткими волокнами.[2] Эффективные методы обработки и возможность вторичного использования лома позволяют значительно снизить затраты по сравнению с расходами на термореактивные соединения и металлы. По этой причине термопласты, армированные короткими волокнами, востребованы в электротехнике и электронике, автомобилестроении, нефтяной промышленности, химической промышленности и оборонной промышленности.[1] Несмотря на то, что термопласты с короткими волокнами за прошедшие годы значительно продвинулись вперед и заняли прочное место на рынке колоссальных размеров, дальнейшее совершенствование технологии компаундирования и процесса наряду с улучшением конструкции деталей может позволить значительно расширить диапазон рабочих характеристик этих материалов, что позволит им использоваться для других приложений в будущем.

Морфология

Литье под давлением - традиционный экономичный метод производства коротковолокнистых термопластов. Условия обработки, такие как температура и давление пресс-формы, а также время заполнения, геометрия детали, положение и количество заслонок впрыска являются основными факторами, влияющими на распределение волокон.[12] В результате, в зависимости от общей толщины изготовленных деталей, а также расстояния от стенки формы, можно наблюдать различное распределение ориентации волокон. В тонком слое со средней толщиной волокна ориентация предпочтительно перпендикулярна направлению потока в пресс-форме, тогда как в двух слоях, близких к толщине стенки, волокна предпочтительно находятся на одной линии с направлением потока в пресс-форме.[4]

Самонагревающийся

Одним из аспектов термопластов, который отличает их от металлических материалов, являются их свойства, зависящие от времени, а также относительно низкие температуры плавления. В результате частота приложения нагрузки или скорость приложения нагрузки являются определяющим фактором механических свойств таких материалов. Из-за низкой теплопроводности термопластов выделяемое тепло из-за рассеяния энергии при приложении нагрузки приводит к самонагреву или термической деградации. В термопластах с короткими волокнами нагревание трением между волокном и матрицей, а также более высокая интенсивность напряжений возле концов волокна увеличивают степень самонагрева.[13]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Место термопластичных композитов в элементах конструкций. Tech. N.p., n.d. Интернет. 6 ноября 2014 г. [1]
  2. ^ а б c Unterweger, C .; Brüggemann, O .; Фюрст, К. (2014). «Синтетические волокна и термопластичные полимеры, армированные короткими волокнами: свойства и характеристика». Полимерные композиты. 35 (2): 227–236. Дои:10.1002 / шт.22654.
  3. ^ а б Fu, S .; Лаук, Б. (1996). «Влияние длины волокна и распределения ориентации волокон на прочность на разрыв полимеров, армированных короткими волокнами». Композиты Наука и Технология. 56 (10): 1179–1190. Дои:10.1016 / S0266-3538 (96) 00072-3.
  4. ^ а б Мортазавян, Сейедвахид; Фатеми, Али (2015-04-01). «Влияние ориентации волокон и анизотропии на предел прочности и модуль упругости полимерных композитов, армированных короткими волокнами». Композиты Часть B: Инженерия. 72: 116–129. Дои:10.1016 / j.compositesb.2014.11.041.
  5. ^ а б Fu, S .; Лаук, Б. (1998). «Модуль упругости смещенных полимеров, армированных короткими волокнами». Композиты Наука и Технология. 58 (3–4): 389–400. Дои:10.1016 / S0266-3538 (97) 00129-2.
  6. ^ Д.Халл, Т. Клайн. Введение в композитные материалы: Cambridge University Press, 1996. https://books.google.com/books/about/An_Introduction_to_Composite_Materials.html?id=BRcdDu4bUhMC
  7. ^ Oréfice, R.L .; Hench, L.L .; Бреннан, А. Б. (2001). «Влияние морфологии частиц на механическое и термомеханическое поведение полимерных композитов». Журнал Бразильского общества механических наук. 23 (1): 1–8. Дои:10.1590 / S0100-73862001000100001.
  8. ^ а б c d Vaxman, A .; Наркис, М .; Siegmann, A .; Кениг, С. (1989). «Образование пустот в коротковолокнистых термопластичных композитах». Полим Компос. 10 (6): 449–453. Дои:10.1002 / шт.750100609.
  9. ^ а б Kaiser, J .; Стоммель, М. (2014). «Модифицированные формулы среднего поля для улучшенного моделирования термопластов, армированных короткими волокнами». Композиты Наука и Технология. 99: 75–81. Дои:10.1016 / j.compscitech.2014.05.010.
  10. ^ Мори, Т .; Танака, К. (1973). «Среднее напряжение в матрице и средняя упругая энергия материалов с несовпадающими включениями». Acta Metallurgica. 21 (5): 571–574. Дои:10.1016/0001-6160(73)90064-3.
  11. ^ Ghosh, T .; Grmela, M .; Карро, П. Дж. (1995). «Реология коротковолокнистых термопластов с наполнителем». Полимерные композиты. 16 (2): 144–153. Дои:10.1002 / шт.750160206.
  12. ^ а б Мортазавян, Сейедвахид; Фатеми, Али (01.01.2015). «Усталостное поведение и моделирование полимерных композитов, армированных короткими волокнами: обзор литературы». Международный журнал усталости. 70: 297–321. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2014.10.005.
  13. ^ Мортазавян, Сейедвахид; Фатеми, Али; Меллотт, Стивен Р .; Хосроване, Аболхассан (01.10.2015). «Влияние частоты циклирования и самонагревания на усталостное поведение армированных и неармированных термопластичных полимеров». Полимерная инженерия и наука. 55 (10): 2355–2367. Дои:10.1002 / pen.24124. ISSN  1548-2634.