De prestatievergelijking tussen thermoplastische koolstofvezel en thermohardende koolstofvezel voor ruimtevaarttoepassingen.
Sinds het nieuwe millennium zijn er belangrijke resultaten geboekt bij het onderzoek en de exploratie van verschillende nieuwe composietmaterialen, zoals de momenteel populaire glasvezel-, koolstofvezel- en aramidevezelcomposieten. Dit artikel introduceert koolstofvezel en zijn composieten, bekend als 'zwart goud'. Koolstofvezel bestaat al meer dan een eeuw en dankzij de voortdurende ontwikkeling heeft het geleidelijk toepassingen gevonden in sportuitrusting en Formule 1-racewagens. Momenteel bestaat het reguliere materiaal uit thermohardende koolstofvezelcomposieten, waaronder thermohardende harsen zoals epoxyhars, fenolhars en bismaleïmidehars.
Thermoplastische koolstofvezelcomposieten zijn geschikter voor ruimtevaarttoepassingen.
Met het toenemende onderzoek naar koolstofvezels en verschillende kunststoffen is ontdekt dat het gebruik van speciale kunststoffen als matrix in combinatie met koolstofvezel de hoogwaardige eigenschappen van koolstofvezel beter kan benutten. Als continu met koolstofvezels versterkte thermoplastische composieten in massa kunnen worden geproduceerd, zal de hele industriële sector hiervan profiteren, en zullen hoogwaardige industrieën zoals de ruimtevaart en de medische sector een aanzienlijke groei doormaken. Momenteel is bewezen dat de voordelen van koolstofvezel-epoxyharscomposieten, zoals hoge sterkte, lage kruip, hoge modulus en lage kosten, toepasbaar zijn op het gebied van de lucht- en ruimtevaart. De zwakke punten zijn echter ook heel duidelijk, waaronder de hoge brosheid, de gevoeligheid voor splijten en de hoge vochtabsorptie, die bepaalde toepassingsrisico's met zich meebrengen. De integratie van thermoplastische matrixmaterialen kan deze prestatietekortkomingen aanpakken en nieuwe mogelijkheden openen voor koolstofvezelcomposieten.
Er zijn veel hoogwaardige speciale kunststoffen, zoals polyetheretherketon (PEEK), polyetherketonketon (PEKK), polyetherketonetherketonketon (PEKEKK), polyetherimide (PEI), polyfenyleensulfide (PPS) en polyamide (PA ). Deze thermoplastische matrixharsen kunnen een betere fysieke structuur en chemische eigenschappen voor koolstofvezels bieden. Als we Polyether Ether Keton (PEEK) als voorbeeld nemen, heeft het een glasovergangstemperatuur (Tg) van ongeveer 150 graden en een smeltpunt van ongeveer 370 graden, wat de hoge temperatuurbestendigheid van koolstofvezelcomposieten aanzienlijk verbetert. Bovendien behoudt het de inherente eigenschappen van koolstofvezel beter, waardoor een goede sterkte, taaiheid, chemische bestendigheid en bestendigheid tegen oplosmiddelen wordt gegarandeerd. PEEK beschikt ook over een uitstekende thermische stabiliteit, vlamvertraging en een lage diëlektrische constante, waardoor het een van de zeer gewilde materialen is voor toekomstige ruimtevaarttoepassingen.
Prestatievergelijking van thermoplastische en thermohardende koolstofvezels voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen
Onderzoeksteams hebben diepgaande studies uitgevoerd naar thermohardende en thermoplastische koolstofvezelcomposieten voor ruimtevaarttoepassingen, waarbij koolstofvezelversterkte polyetherketon (PEK) composieten werden vergeleken met koolstofvezelversterkte epoxyharscomposieten.
1. Koolstofvezelversterkte polyetherketonplaat: Dit composiet bestaat uit een laminaat gemaakt van 60% koolstofvezel en 40% polyetherketon (PEK). Het bestaat uit tien lagen bidirectionele koolstofvezel, geplaatst tussen elf lagen PEK, met PEK-film aan de boven- en onderkant. De gestapelde CF/PEK wordt gedurende 30 minuten bij 410 graden onder een druk van 10 bar geperst.
2. Koolstofvezel epoxyharsplaat: Dit composiet gebruikt LY556 epoxyhars als matrixmateriaal, versterkt met bidirectioneel koolstofweefsel. Bij kamertemperatuur wordt het HY951-uithardingsmiddel aan de epoxyhars toegevoegd, gemengd in een verhouding van 100:12. De koolstofvezelversterking wordt op 60 gew.% gehouden, wat resulteert in een ongeveer 3 mm dik koolstofvezel-epoxyharslaminaat met behulp van tien lagen stof.
3. Testmethodologie: Er zijn mechanische prestatietests uitgevoerd op de twee bovengenoemde typen koolstofvezelplaten, waaronder trekproeven, hardheidsproeven en breuktaaiheidsproeven. Bovendien werden thermische prestatietests uitgevoerd op beide koolstofvezelplaten, inclusief tests met differentiële scanningcalorimetrie (DSC) en beperkende zuurstofindex (LOI).
4. Prestatietestresultaten worden weergegeven:
A. Treksterkte en modulus: De gemiddelde treksterkte en modulus van met koolstofvezel versterkte polyetherketon (PEK) composieten zijn respectievelijk 425 MPa en 7,8 GPa, terwijl de gemiddelde treksterkte en modulus van met koolstofvezel versterkte epoxyharscomposieten respectievelijk 311 MPa en 5,2 GPa zijn. De rek bij breuk voor koolstofvezelversterkte PEK-composieten bedraagt 9,43%, terwijl die voor koolstofvezelversterkte epoxyharscomposieten 11,32% bedraagt.
B. Hardheid: Wanneer koolstofvezel aan de matrix wordt toegevoegd, neemt de algehele hardheid van het composiet toe, wat aangeeft dat het vulmiddel de weerstand tegen plastische vervorming verbetert. De hardheidswaarden voor PEK en epoxyhars zijn respectievelijk 87 en 85, met overeenkomstige composiethardheidswaarden van 94 en 89, waarbij geen significant verschil te zien is.
C. Breuktaaiheid: Vanwege de brosheid van epoxyhars neemt de breuktaaiheid van met koolstofvezel versterkte epoxyharscomposieten af naarmate de matrixtaaiheid afneemt. Daarentegen vertoont de PEK-matrix een betere taaiheid, wat leidt tot een verbeterde taaiheid in met koolstofvezels versterkte PEK-composieten. De maximale belasting waarmee rekening wordt gehouden bij het berekenen van de breuktaaiheid is de maximale belasting die het materiaal kan weerstaan voordat het breekt in de SENB-test; een hogere spanningsintensiteitsfactor (Kic) komt overeen met een hogere taaiheid. De resultaten tonen aan dat de Kic van koolstofvezelversterkte PEK-composieten 13,71 MPa·√m bedraagt, terwijl deze voor koolstofvezelversterkte epoxyharscomposieten 11,53 MPa·√m bedraagt, wat wijst op betere prestaties voor eerstgenoemde.
D. Thermisch gedrag tijdens verwarming en koeling: De thermotransities van polymeercomposieten tijdens verwarming en koeling werden bestudeerd met behulp van DSC. De smelttemperatuur en kristallisatietemperatuur van de matrix werden vergeleken, waarbij de smelttemperatuur (Tm), kristallisatietemperatuur (Tc) en glasovergangstemperatuur (Tg) van de monstermaterialen zichtbaar werden.
E. Beperking van de zuurstofindex: Uit testen van de beperkende zuurstofindex (LOI) blijkt dat het opnemen van koolstofvezel in beide matrixmaterialen de LOI aanzienlijk verbetert. Uit gegevens blijkt dat de LOI voor epoxyhars en PEK respectievelijk 25 en 35 zijn, terwijl de overeenkomstige LOI's voor de koolstofvezelcomposieten 32 en 47 zijn, waarbij met koolstofvezels versterkte PEK-composieten een opmerkelijke verbetering vertonen.
Door middel van tests ontdekten onderzoekers dat thermoplastische koolstofvezelcomposieten met PEK als matrix beter presteren dan thermohardende koolstofvezelcomposieten met epoxyhars op verschillende prestatiestatistieken. De substantiële verschillen in gegevens benadrukken de fundamentele prestatieverschillen tussen thermohardende en thermoplastische koolstofvezelcomposieten, wat wijst op een enorm toepassingspotentieel voor thermoplastische koolstofvezelcomposieten, vooral in geavanceerde gebieden zoals de lucht- en ruimtevaart.
Maar waarom is de adoptie van thermoplastische koolstofvezelcomposieten veel minder wijdverspreid dan die van thermohardende composieten? Dit hangt nauw samen met hun respectievelijke verwerkingstechnieken. Thermoplastische koolstofvezelcomposieten vereisen hoge verwerkingstemperaturen, en de gesmolten thermoplastische hars heeft vaak moeite om de koolstofvezelbundels volledig te impregneren. Als deze stap niet perfect wordt uitgevoerd, kunnen de mechanische prestaties van de resulterende thermoplastische koolstofvezelcomposieten zelfs achterblijven bij die van de huidige reguliere thermohardende koolstofvezelcomposieten.
