Hallituse temperatuuri mõju pindadevahelisele sidumistugevusele termoplastilise CF-PAEK (PEEK) katmis- ja vormimisprotsessis.
Suure jõudlusega termoplastsetel süsinikkiust komposiitidel on sellised eelised nagu kõrge sitkus, löögikindlus, madal niiskusimavus ja suurepärane keskkonnamõju. Seda tüüpi komposiitmaterjalide uurimine on jätkunud, mille tulemuseks on erinevate maatriksitega termoplastsete süsinikkiust komposiitide väljatöötamine, samuti mitmed teostatavad töötlemismeetodid, sealhulgas survevalu, survevalu ja kattevalu. Kõrgtemperatuurset sulatustehnoloogiat on pikka aega peetud üheks peamiseks meetodiks termoplastiliste süsinikkiust komposiitide valmistamiseks. Selles artiklis tutvustatakse valuvormi temperatuuri mõju pideva süsinikkiuga tugevdatud polüarüüleeterketooni (CF-PAEK) ja lühikese süsinikkiuga tugevdatud polüeeterketooni (CF-PEEK) liidese tugevusele kattevormimise protsessis, integreerides erialakirjandusest saadud teadmisi. .
Kaetud komposiitide valmistamine termoplastist CF-PAEK ja CF-PEEK
Pidevad süsinikkiuga tugevdatud termoplastsed polüarüüleeterketooni (CF-PAEK) komposiidid valmistati ühesuunaliste süsinikkiudude abil, mis seejärel vormiti survevalu abil pidevaks süsinikkiuga tugevdatud komposiitlaminaatideks. Injektsioonimaterjalideks valiti polüeeterketoon (PEEK) ja lühikese süsinikkiuga tugevdatud polüeeterketoon (SCF-PEEK), mis süstiti CF-PAEK laminaatide pinnale asetatud vormidesse ja hoiti segatud segu saamiseks teatud aja jooksul rõhu all. kaetud komposiidid. Pärast õhul toatemperatuurini jahtumist eemaldati vormitud termoplastsed süsinikkiudkomposiidid ja lõigati fikseeritud suurusteks. Seejärel viidi läbi erinevad jõudluskatsed, sealhulgas mehaaniliste omaduste testimine, skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) analüüs, mahuosa testimine, reoloogilise käitumise testimine ja nanoindentatsiooni testimine. Katseandmed joonistati graafikule ja vastavad järeldused tehti mitme proovikomplekti võrdlevate uuringute kaudu.
Vormitemperatuuri mõju termoplastiliste CF-PAEK (PEEK) komposiitide liidese sidumistugevusele.
1. PAEK- ja PEEK-vaikude viskoossus-temperatuuri kõverad: Ülaltoodud joonis näitab PAEK- ja PEEK-vaikude viskoossuse-temperatuuri kõveraid. Andmed näitavad, et PAEK viskoossus jääb vahemikku ligikaudu 89 kuni 237 Pa·s temperatuurivahemikus 340 kraadi kuni 400 kraadi, samas kui PEEK viskoossus on vahemikus 203 kuni 330 Pa·s temperatuuridel 360 kraadi ja 420 kraadi vahel. Mõlemal termoplastsel vaigul on nihkega hõrenemine, kusjuures viskoossus väheneb temperatuuri tõustes. Mida madalam on vaigusulami viskoossus, seda parem on difusioon, mis mõjutab positiivselt liidese tugevust.
2. Kaetud komposiitide nihketugevus erinevatel vormitemperatuuridel: Ülaltoodud joonis a näitab PEEK ja SCF-PEEK materjalide pinge-deformatsiooni kõveraid erinevatel vormitemperatuuridel. Joonisel b on esitatud PEEK/CCF-PAEK ja SCF-PEEK/CCF-PAEK nihketugevuse andmed erinevatel vormitemperatuuridel. PEEK/CCF-PAEK nihketugevused on 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa ja 68 MPa, SCF-PEEK/CCF-PAEK nihketugevused aga 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa ja 71 MPa.
Tulemused näitavad, et hallituse temperatuuri tõustes paraneb proovide nihketugevus. Lisaks on lühikeste süsinikkiudude tugevduse tõttu SCF-PEEK/CCF-PAEK nihketugevus suurem. Hallituse temperatuur mõjutab liidese temperatuuri säilivusaega süstitava sulatise (PEEK ja SCF-PEEK) ja CCF-PAEK laminaadi vahel, samuti kokkupuuteaega enne kõvenemist. Vormi temperatuuri tõustes tõuseb järk-järgult liidesekihi temperatuur, soodustades PAEK-vaigu sulamist ja difusiooni madalamatel sulamistemperatuuridel, suurendades seeläbi liidese sidumise tugevust.
3. Kaetud komposiitproovide nihketõkkerežiimid erinevatel vormitemperatuuridel: Ülaltoodud joonisel on kujutatud PEEK/CCF-PAEK kaetud komposiitide nihkekahjustuse ristlõiked erinevatel vormitemperatuuridel. See näitab, et nihkejõudude mõjul hakkavad proovi mõlemal küljel tekkima praod ja ulatuvad keskpunkti poole. Kui vormi temperatuuriks on seatud 220 kraadi ja 240 kraadi, tuleneb PEEK/CCF-PAEK rike peamiselt pindadevahelisest delaminatsioonist, mis näitab suhteliselt nõrka liidese sidumistugevust (joonised a ja b). Seevastu kui hallituse temperatuur tõuseb 260 kraadini ja 280 kraadini, on PEEK / CCF-PAEK rike peamiselt tingitud kihtidevahelisest purunemisest, mis viitab tugevamale liidese sideme tugevusele (joonised c ja d).
Ülaltoodud joonisel on kujutatud SCF-PEEK/CCF-PAEK kaetud komposiitide nihkekahjustuste ristlõikeid erinevatel vormitemperatuuridel, kusjuures proovi seisukord on sarnane PEEK/CCF-PAEK komposiitide omaga. Vormitemperatuuridel 220 kraadi ja 240 kraadi jääb liidese liimimise tõrge endiselt suureks probleemiks (joonised a ja b). Kui hallituse temperatuur tõuseb 260 kraadini ja 280 kraadini, iseloomustab SCF-PEEK/CCF-PAEK tõrget CCF-PAEK kihtidevaheline murd ja SCF-PEEK paindetõrge (joonised c ja d). Pinnapealse sideme tugevuse nõrgenemisel võib pindadevahelise sideme tugevuse nõrgenemisel katmisprotsessist tingitud paindedeformatsiooni ja kihtidevahelise nihkedeformatsiooni tõttu PEEK, SCF-PEEK ja CCF-PAEK vahel tekkida delaminatsioon. Pindadevahelise sideme tugevuse suurenedes väheneb järk-järgult pindadevaheline delaminatsioon komposiidis, samal ajal kui vaigu kihtidevaheline murdumine suureneb.
Katsetulemused näitavad, et komposiidi liidese rikkerežiimid muutuvad hallituse temperatuuri tõustes. Madalamatel temperatuuridel on liidese temperatuur madalam ja survevaluvormis olev sulam jahtub kiiremini, mille tulemuseks on aeglasem molekulaarne difusioon ja nõrgem adhesioon. Nihkekahjustus avaldub pindadevahelise rikkena, mida iseloomustab mehaaniline sidumine. Hallituse temperatuuri tõustes suureneb PEEKi murdumispind järk-järgult. Kõrgemad vormitemperatuurid tõstavad PEEK-vaigu ja PAEK-i liidese temperatuuri, pikendades segamisaega enne kõvenemist, mis hõlbustab vaigu sulamisprotsessi. Kui liidese temperatuur ületab PAEK sulamistemperatuuri, moodustub liidesele vaigu eutektiline kiht, mis suurendab liidese sideme tugevust.
4. Kaetud komposiitide nanosõltuvuskoormuse ja sügavuse kõverad erinevatel vormitemperatuuridel: Ülaltoodud joonisel olevad kõverad näitavad, et sama süvenduskoormuse korral väheneb süvendi sügavus järk-järgult vormi temperatuuri tõustes, mis viitab sellele, et vaigu kandevõime liideses tugevneb, kui hallituse temperatuur tõuseb. PEEK/CCF-PAEK komposiidi puhul on vormitemperatuuril 260 kraadi liidesvaigu kandevõime sarnane PEEK-iga, mis näitab, et kaetud komposiit on jõudnud olekusse, kus sulavaigu seguneb süstimiskihiga. vaik (PEEK), saavutades peaaegu identse tugevuse. Võrreldes PEEK-iga on SCF-PEEK / CCF-PAEK komposiidil liidesel suurem koormus, mis viitab sellele, et lühikeste süsinikkiudude lisamine suurendab liidese vaiku, võimaldades sellel kanda suuremaid koormusi.
Kui taandesügavus on väike, väheneb moodul taandesügavuse suurenemisega kiiresti (joonis b), mis näitab moodulikõvera märkimisväärset varieerumist selles faasis. Kui sügavus ületab 250 nm, hakkavad mooduli väärtused sügavuse suurenemisega ühtlustuma. Sügavusel, mis on suurem kui 500 nm, muutub mooduli kõver stabiilsemaks. Vormitemperatuuril 220 kraadi on PEEK/CCF-PAEK kaetud komposiitide sügavusmooduli kõver suhteliselt ebastabiilne, madalama mooduliga 4,2 GPa. See näitab, et vormitemperatuuril 260 kraadi võib sulatis moodustada tooriku pinnavaiguga vaigu kooseksisteerimise kihi, mille tulemuseks on PEEK-iga võrreldav moodul.
SCF-PEEK / CCF-PAEK kaetud komposiitide sügavus-mooduli kõver on suhteliselt sile, mis näitab, et lühikeste süsinikkiudude lisamine võib suurendada vaigu moodulit liideses. Vormi temperatuuri tõustes tõuseb järk-järgult ka moodul. Vormitemperatuuril 260 kraadi on tõus märkimisväärne, ulatudes kuni 5,5 GPa-ni, mis on seotud üleminekuga liidese sidumisolekusse sellel temperatuuril. See näitab, et kahte tüüpi vaigud liidesel võivad sulada ja üksteise sisse difundeeruda. Lisaks võivad lühikesed süsinikkiud kinnituda liidesekihti, kui vaik on sulas olekus, mis aitab kaasa mooduli suurenemisele.
