Termoplastilise süsinikkiu ja termoreaktiivse süsinikkiu jõudluse võrdlus kosmoserakendustes.
Alates uuest aastatuhandest on tehtud märkimisväärseid saavutusi erinevate uute komposiitmaterjalide, nagu praegu populaarsed klaaskiud, süsinikkiud ja aramiidkiudkomposiidid, uurimisel ja uurimisel. See artikkel tutvustab süsinikkiudu ja selle komposiite, mida nimetatakse "mustaks kullaks". Süsinikkiud on eksisteerinud juba üle sajandi ning pideva arengu käigus on see järk-järgult leidnud rakendust spordivarustuses ja vormel 1 võidusõiduautodes. Praegu on peamiseks materjaliks termoreaktiivsed süsinikkiudkomposiidid, mis hõlmavad termoreaktiivseid vaikusid, nagu epoksüvaik, fenoolvaik ja bismaleimiidvaik.
Termoplastsed süsinikkiust komposiidid sobivad paremini kosmosetööstustele.
Süsinikkiudude ja erinevate plastide alaste uuringute suurenemisega on avastatud, et spetsiaalsete plastide kasutamine maatriksina koos süsinikkiuga võib paremini kasutada süsinikkiu suure jõudlusega omadusi. Kui süsinikkiuga tugevdatud termoplastseid komposiite saab masstootma hakata, saab sellest kasu kogu tööstussektor ning tipptasemel tööstusharud, nagu lennundus ja meditsiinivaldkond, kogevad märkimisväärselt kasvu. Praegu on tõestatud, et süsinikkiust epoksüvaiku komposiitide eelised, nagu kõrge tugevus, madal roome, kõrge moodul ja madal hind, on kasutatavad kosmosevaldkonnas. Kuid nende nõrkused on samuti üsna ilmsed, sealhulgas suur rabedus, vastuvõtlikkus lõhenemisele ja kõrge niiskuse imendumise määr, mis kujutavad endast teatud kasutusriske. Termoplastsete maatriksmaterjalide lisamine võib kõrvaldada need jõudluspuudused ja avada uusi võimalusi süsinikkiust komposiitide jaoks.
Seal on palju suure jõudlusega eriplaste, nagu polüeeterketoon (PEEK), polüeeterketoonketoon (PEKK), polüeeterketooni eeterketoonketoon (PEKEKK), polüeetri imiid (PEI), polüfenüleensulfiid (PPS) ja polüamiid (PA). ). Need termoplastsed maatriksvaigud võivad pakkuda süsinikkiule paremat füüsikalist struktuuri ja keemilisi omadusi. Võttes näiteks polüeeter-eeterketooni (PEEK), on selle klaasistumistemperatuur (Tg) umbes 150 kraadi ja sulamistemperatuur umbes 370 kraadi, mis suurendab oluliselt süsinikkiust komposiitide vastupidavust kõrgele temperatuurile. Lisaks säilitab see paremini süsinikkiule omaseid omadusi, tagades hea tugevuse, sitkuse, keemilise vastupidavuse ja lahustikindluse. PEEKil on ka suurepärane termiline stabiilsus, leegiaeglustus ja madal dielektriline konstant, mistõttu on see üks ihaldatumaid materjale tulevaste lennundusrakenduste jaoks.
Lennunduses kasutatavate termoplastiliste ja termoreaktiivsete süsinikkiudude toimivuse võrdlus
Uurimisrühmad on viinud läbi põhjalikud uuringud termoreaktiivsete ja termoplastiliste süsinikkiust komposiitide kohta lennunduses kosmosetööstuses, võrreldes süsinikkiuga tugevdatud polüeeterketooni (PEK) komposiite süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigu komposiitidega.
1.Süsinikkiuga tugevdatud polüeeterketoonplaat: See komposiit koosneb laminaadist, mis on valmistatud 60% süsinikkiust ja 40% polüeeterketoonist (PEK). Sellel on kümme kihti kahesuunalist süsinikkiudu, mis on paigutatud üheteistkümne PEK-kihi vahele, PEK-kile nii peal kui ka all. Virnastatud CF/PEK pressitakse 410 kraadi juures 10 baari rõhu all 30 minutit.
2. Süsinikkiust epoksüvaiguplaat: Selles komposiidis kasutatakse maatriksmaterjalina LY556 epoksüvaiku, mis on tugevdatud kahesuunalise süsinikkangaga. Toatemperatuuril lisatakse epoksüvaigule kõvendi HY951, segatuna vahekorras 100:12. Süsinikkiust tugevdust hoitakse 60 massiprotsendi juures, mille tulemuseks on umbes 3 mm paksune süsinikkiust epoksüvaigulinaat, kasutades kümmet kangakihti.
3.Testimise metoodika: Kahe ülalmainitud süsinikkiudplaadi tüübi mehaanilised jõudluskatsed viidi läbi, sealhulgas tõmbekatse, kõvaduse katse ja purunemistugevuse katse. Lisaks viidi läbi mõlema süsinikkiudplaadiga soojustõhususe testid, sealhulgas diferentsiaalse skaneeriva kalorimeetria (DSC) ja piirava hapnikuindeksi (LOI) testid.
4. Toimivustesti tulemuste näitamine:
A. Tõmbetugevus ja moodul: süsinikkiuga tugevdatud polüeeterketooni (PEK) komposiitide keskmine tõmbetugevus ja moodul on vastavalt 425 MPa ja 7,8 GPa, samas kui süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigukomposiitide keskmine tõmbetugevus ja moodul on vastavalt 311 MPa ja 5,2 GPa. Süsinikkiuga tugevdatud PEK-komposiitide katkevusvenivus on 9,43%, samas kui süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigukomposiitide murdevenivus on 11,32%.
B. Kõvadus: kui maatriksile lisatakse süsinikkiud, suureneb komposiidi üldine kõvadus, mis näitab, et täiteaine suurendab vastupidavust plastilisele deformatsioonile. PEK-i ja epoksüvaigu kõvaduse väärtused on vastavalt 87 ja 85 ning vastavad komposiitkaredusväärtused 94 ja 89, mis ei näita olulist erinevust.
C. Murdetugevus: Epoksüvaigu rabeduse tõttu väheneb süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigukomposiitide purunemiskindlus maatriksi sitkuse vähenedes. Seevastu PEK-maatriksil on parem sitkus, mis suurendab süsinikkiuga tugevdatud PEK-komposiitide tugevust. Murdetugevuse arvutamisel arvestatav maksimaalne koormus on maksimaalne koormus, mida materjal talub enne purunemist SENB-katses; kõrgem pinge intensiivsuse tegur (Kic) vastab suuremale sitkusele. Tulemused näitavad, et süsinikkiuga tugevdatud PEK-komposiitide Kic on 13,71 MPa·√m, samas kui süsinikkiuga tugevdatud epoksüvaigukomposiitide puhul on see 11,53 MPa·√m, mis viitab esimesele paremale jõudlusele.
D. Termiline käitumine kütmise ja jahutamise ajal: Polümeerkomposiitide termosiirdeid kuumutamisel ja jahutamisel uuriti DSC abil. Võrreldi maatriksi sulamistemperatuuri ja kristalliseerumistemperatuuri, mis näitas proovimaterjalide sulamistemperatuuri (Tm), kristalliseerumistemperatuuri (Tc) ja klaasistumistemperatuuri (Tg).
E. Hapnikuindeksi piiramine: Piiratava hapnikuindeksi (LOI) testimine näitab, et süsinikkiu lisamine mõlemasse maatriksimaterjali parandab oluliselt LOI-d. Andmed näitavad, et epoksüvaigu ja PEK-i LOI-d on vastavalt 25 ja 35, samas kui süsinikkiust komposiitide vastavad LOI-d on 32 ja 47, kusjuures süsinikkiuga tugevdatud PEK-komposiitide puhul on märkimisväärne paranemine.
Katsetamise käigus leidsid teadlased, et PEK-i maatriksiga termoplastsed süsinikkiudkomposiidid on erinevate jõudlusnäitajate osas paremad kui epoksüvaiguga termoreaktiivsed süsinikkiudkomposiidid. Andmete olulised erinevused toovad esile põhilised erinevused termoreaktiivsete ja termoplastiliste süsinikkiudkomposiitide vahel, mis viitab termoplastiliste süsinikkiudkomposiitide tohutule rakenduspotentsiaalile, eriti arenenud valdkondades, nagu lennundus.
Miks on aga termoplastiliste süsinikkiust komposiitide kasutuselevõtt palju vähem levinud kui termoreaktiivsete komposiitide oma? See on tihedalt seotud nende vastavate töötlemismeetoditega. Termoplastilised süsinikkiudkomposiidid nõuavad kõrget töötlemistemperatuuri ja sula termoplastne vaik näeb sageli vaeva süsinikkiu kimpude täieliku immutamise nimel. Kui seda etappi ei teostata ideaalselt, võib saadud termoplastsete süsinikkiudkomposiitide mehaaniline jõudlus isegi jääda alla praegustele termoreaktiivsetele süsinikkiudkomposiitidele.
