Поређење перформанси између термопластичних угљеничних влакана и термореактивних угљеничних влакана за апликације у ваздухопловству.
Од новог миленијума постигнута су значајна достигнућа у истраживању и истраживању различитих нових композитних материјала, као што су тренутно популарни композити од стаклених влакана, угљеничних влакана и арамидних влакана. Овај чланак ће представити карбонска влакна и њихове композите, познате као „црно злато“. Карбонска влакна постоје више од једног века, а уз континуирани развој, постепено су нашла примену у спортској опреми и тркачким аутомобилима Формуле 1. Тренутно, главни материјал су термореактивни композити од угљеничних влакана, који укључују термореактивне смоле као што су епоксидна смола, фенолна смола и бисмалеимидна смола.
Термопластични композити од угљеничних влакана су погоднији за примене у ваздухопловству.
Са све већим истраживањем угљеничних влакана и разних врста пластике, откривено је да коришћење специјалне пластике као матрице у комбинацији са угљеничним влакнима може боље искористити карактеристике високих перформанси угљеничних влакана. Ако се термопластични композити ојачани карбонским влакнима могу масовно производити, цео индустријски сектор ће имати користи, а врхунске индустрије као што су ваздухопловство и медицинска поља ће доживети значајан раст. Тренутно су се предности композита од епоксидне смоле од угљеничних влакана – као што су висока чврстоћа, ниско пузање, високи модул и ниска цена – показале применљивим у области ваздухопловства. Међутим, њихове слабости су такође прилично очигледне, укључујући високу ломљивост, подложност цепању и високе стопе апсорпције влаге, што представља одређене ризике при примени. Уградња термопластичних матричних материјала може да реши ове недостатке у перформансама и отвори нове могућности за композите од угљеничних влакана.
Постоје многе специјалне пластике високих перформанси, као што су полиетар етар кетон (ПЕЕК), полиетар кетон кетон (ПЕКК), полиетар кетон етер кетон кетон (ПЕКЕКК), полиетар имид (ПЕИ), полифенилен сулфид (ППС) и полиамид (ПА ). Ове термопластичне матричне смоле могу обезбедити бољу физичку структуру и хемијска својства за угљенична влакна. Узимајући полиетар етар кетон (ПЕЕК) као пример, он има температуру преласка стакла (Тг) од око 150 степени и тачку топљења од око 370 степени, што значајно повећава отпорност на високе температуре композита од угљеничних влакана. Поред тога, боље одржава инхерентна својства угљеничних влакана, обезбеђујући добру чврстоћу, жилавост, хемијску отпорност и отпорност на раствараче. ПЕЕК такође поседује одличну термичку стабилност, отпорност на пламен и ниску диелектричну константу, што га чини једним од веома тражених материјала за будуће примене у ваздухопловству.
Поређење перформанси термопластичних и термореактивних карбонских влакана за примене у ваздухопловству
Истраживачки тимови су спровели детаљне студије о термореактивним и термопластичним композитима од угљеничних влакана за примене у ваздухопловству, упоређујући композите полиетер кетона ојачане угљеничним влакнима (ПЕК) са композитима од епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима.
1. Полиетер кетон плоча ојачана карбонским влакнима: Овај композит се састоји од ламината направљеног од 60% угљеничних влакана и 40% полиетер кетона (ПЕК). Поседује десет слојева двосмерних угљеничних влакана смештених између једанаест слојева ПЕК-а, са ПЕК филмом на врху и на дну. Наслагани ЦФ/ПЕК се притиска на 410 степени под притиском од 10 бара током 30 минута.
2. Плоча од епоксидне смоле од угљеничних влакана: Овај композит користи ЛИ556 епоксидну смолу као материјал за матрицу, ојачану двосмерном карбонском тканином. На собној температури, епоксидној смоли се додаје средство за очвршћавање ХИ951, помешано у односу 100:12. Ојачање карбонским влакнима се одржава на 60 теж%, што резултира ламинатом од епоксидне смоле од угљеничних влакана дебљине приближно 3 мм користећи десет слојева тканине.
3. Методологија тестирања: Тестови механичких перформанси су спроведени на два типа плоча од угљеничних влакана поменута горе, укључујући испитивање затезања, испитивање тврдоће и испитивање жилавости лома. Поред тога, извршени су тестови термичких перформанси на обе плоче од угљеничних влакана, укључујући диференцијалну скенирајућу калориметрију (ДСЦ) и тестове ограничавајућег индекса кисеоника (ЛОИ).
4. Приказ резултата тестирања перформанси:
A. Затезна чврстоћа и модул: Просечна затезна чврстоћа и модул композита полиетер кетона (ПЕК) ојачаних угљеничним влакнима су 425 МПа и 7,8 ГПа, респективно, док су просечна затезна чврстоћа и модул епоксидних смола ојачаних угљеничним влакнима 311 МПа, односно 5,2 ГПа, респективно, 5,2 ГПа, респективно. Издужење при прекиду за ПЕК композите ојачане угљеничним влакнима је 9,43%, док је за композите епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима 11,32%.
B. Тврдоћа: Када се карбонска влакна додају у матрицу, укупна тврдоћа композита се повећава, што указује да пунило повећава отпорност на пластичну деформацију. Вредности тврдоће за ПЕК и епоксидну смолу су 87 и 85, респективно, са одговарајућим вредностима тврдоће композита од 94 и 89, не показујући значајну разлику.
Ц. Чврстоћа на лом: Због крхкости епоксидне смоле, жилавост лома композита епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима опада како се жилавост матрице смањује. Насупрот томе, ПЕК матрица показује бољу жилавост, што доводи до побољшане жилавости ПЕК композита ојачаних угљеничним влакнима. Максимално оптерећење које се узима у обзир при израчунавању жилавости лома је максимално оптерећење које материјал може да издржи пре лома у СЕНБ тесту; већи фактор интензитета напрезања (Киц) одговара већој жилавости. Резултати показују да је Киц ПЕК композита ојачаних угљеничним влакнима 13,71 МПа·√м, док је за композите епоксидне смоле ојачане угљеничним влакнима 11,53 МПа·√м, што указује на боље перформансе првих.
D. Термичко понашање током грејања и хлађења: Термотранзиције полимерних композита током загревања и хлађења су проучаване коришћењем ДСЦ. Упоређене су температура топљења и температура кристализације матрице, откривајући температуру топљења (Тм), температуру кристализације (Тц) и температуру стакластог прелаза (Тг) материјала узорка.
Е. Ограничавајући индекс кисеоника: Тестирање граничног индекса кисеоника (ЛОИ) показује да уградња угљеничних влакана у оба матрична материјала значајно побољшава ЛОИ. Подаци показују да су ЛОИ за епоксидну смолу и ПЕК 25 односно 35, док су одговарајући ЛОИ за композите од угљеничних влакана 32 и 47, при чему ПЕК композити ојачани угљеничним влакнима показују значајно побољшање.
Кроз тестирање, истраживачи су открили да термопластични композити од угљеничних влакана са ПЕК-ом као матрицом надмашују термореактивне композите од угљеничних влакана са епоксидном смолом у различитим метрикама перформанси. Значајне разлике у подацима наглашавају фундаменталне разлике у перформансама између термореактивних и термопластичних композита од угљеничних влакана, што сугерише огроман потенцијал примене термопластичних композита од угљеничних влакана, посебно у напредним областима као што је ваздухопловство.
Међутим, зашто је усвајање термопластичних композита од угљеничних влакана далеко мање распрострањено од термореактивних композита? Ово је уско повезано са њиховим техникама обраде. Композити од термопластичних угљеничних влакана захтевају високе температуре обраде, а растопљена термопластична смола се често бори да у потпуности импрегнира снопове угљеничних влакана. Ако се овај корак не изврши савршено, механичке перформансе резултујућих термопластичних композита од угљеничних влакана могу чак бити ниже у односу на тренутне термореактивне композите од угљеничних влакана.
