Коротковолокнистые термопласты

Термопласты, содержащие армирующие волокна из коротких волокон, были впервые коммерчески представлены в 1960-х годах. ^{[ 1 ]} Наиболее распространенными типами волокон, используемых в коротковолокнистых термопластах, являются стекловолокно и углеродное волокно. ^{[ 2 ]} . Добавление коротких волокон в термопластичные смолы улучшает характеристики композита для легких изделий. ^{[ 1 ]} Кроме того, термопластичные композиты с коротким волокном проще и дешевле производить, чем композиты, армированные непрерывным волокном. ^{[ 1 ]} Этот компромисс между стоимостью и производительностью позволяет использовать термопласты, армированные короткими волокнами, во множестве применений.

Механические свойства

Механические свойства композитов, армированных короткими волокнами, критически зависят от распределения волокон по длине (FLD) и распределения ориентации волокон (FOD). ^{[ 3 ]} В частности, прочность композитов, армированных короткими волокнами, увеличивается с увеличением средней длины волокна и уменьшением среднего угла ориентации волокна (угла между осью волокна и направлением нагрузки). ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Модуль упругости (E) смещенных полимерных композитов, армированных короткими волокнами, зависит от распределения длин и ориентации волокон в структуре композита. ^{[ 5 ]} В целом модуль упругости композита увеличивается с уменьшением среднего угла ориентации волокон и увеличением коэффициента ориентации волокон; и модуль упругости увеличивается с увеличением средней длины волокна, когда средняя длина волокна мала. Когда средняя длина волокна велика, она практически не влияет на модуль упругости композитов, армированных короткими волокнами. ^{[ 5 ]}

Соотношение сторон

Важным характеризующим параметром коротковолокнистых композитов является соотношение сторон (s), определяемое как соотношение длины (l) и диаметра (d) волокон, используемых в качестве армирования:

s={\frac {l}{d}}

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 деформация до разрушения и ударная вязкость. Более высокое соотношение сторон приведет к более низким значениям деформации при разрушении и ударной вязкости из-за угловатых частиц, вызывающих образование трещин. ^{[ 7 ]}

Образование пустот

Армированные короткими волокнами композиты 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 техники напыления . ^{[ 8 ]} Важной проблемой для термопластических композитов с короткими волокнами является образование и рост пустот во время производственных процессов. Показано, что на концах волокон имеют тенденцию зарождаться пустоты, а их содержание зависит от условий обработки, концентрации и длины волокон. ^{[ 8 ]} Например, в процессе литья под давлением рост пузырьков подавляется за счет охлаждения материала под давлением. Измерения плотности подтверждают гораздо более низкое содержание пустот (-1%) в образцах, полученных литьем под давлением, по сравнению с экструдатами. ^{[ 8 ]} Другим фактором, играющим важную роль в образовании пустот, является скорость охлаждения. При охлаждении расплава первыми затвердевают внешние поверхностные слои. Эти слои сдерживают сжатие материала внутри расплава. Это приводит к внутреннему опорожнению. 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 ]} Это связано с преодолением других факторов, таких как вязкость, давление экструзии и скорость сдвига, которые делают анализ этого явления очень сложным.

Моделирование и моделирование

Коротковолокнистые термопласты можно моделировать как матрицу с включениями волокон. ^{[ 9 ]} Согласно модели включений, напряжения внутри материала пропорциональны произведению объемной доли включения и напряжения внутри отдельного включения. ^{[ 10 ]} Другими словами, напряжение внутри композита пропорционально объемной доле волокна и напряжению на отдельном волокне. Используя теорию среднего поля и модель Мори-Танаки, можно смоделировать напряжения внутри термопластика с короткими волокнами. ^{[ 9 ]} Предполагая, что матрица представляет собой ньютоновский материал , ползучесть из-за приложенного напряжения сдвига можно аппроксимировать с помощью равновесной термодинамики. ^{[ 11 ]} реакции композита Это даст информацию о реологической .

Заявки и обработка

Термопласты, армированные короткими волокнами, имеют широкий спектр применения благодаря свойствам армирования волокна. ^{[ 2 ]} Коротковолокнистые термопласты способны выдерживать приложенную растягивающую нагрузку до 30 000 фунтов на квадратный дюйм и имеют модуль упругости порядка 2 x 10. ⁶ пси. ^{[ 1 ]} Они идеально подходят для применений, в которых прочность имеет решающее значение, требуется крупносерийное производство, а важными вопросами являются длительный 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 возможность повторной переработки. ^{[ 1 ]}^{[ 12 ]} Простота обработки стала ключевым фактором широкого использования термопластов, армированных короткими волокнами. ^{[ 2 ]} Эффективные методы обработки и возможность переработки лома обеспечивают значительное снижение затрат по сравнению с затратами на термореактивные соединения и металлы. По этой причине термопласты, армированные короткими волокнами, востребованы в электротехнической и электронной, автомобильной, нефтепромысловой, химической и оборонной промышленности. ^{[ 1 ]} Хотя термопласты с короткими волокнами значительно продвинулись за прошедшие годы и заняли прочное место на колоссальном рынке, дальнейшее совершенствование рецептуры и технологии обработки, а также усовершенствование конструкции деталей может позволить значительно расширить окно характеристик этих материалов, что позволит им будет использоваться для большего количества приложений в будущем.

Морфология

Литье под давлением является традиционным экономически эффективным методом производства коротковолокнистых термопластов. Условия обработки, такие как температура и давление формы, а также время заполнения, геометрия детали, положение и количество литников для впрыска, являются основными факторами, влияющими на распределение волокон. ^{[ 12 ]} В результате в зависимости от общей толщины изготавливаемых деталей, а также расстояния от стенки формы можно наблюдать различное распределение ориентации волокон. В тонком слое средней толщины ориентация волокон предпочтительно перпендикулярна направлению течения в форме, тогда как в двух слоях с толщиной около стенки волокна предпочтительно располагаются на одной линии с направлением течения в форме. ^{[ 4 ]}

Самонагревание

Особенностью термопластов, которая отличает их от металлических материалов, являются их зависящие от времени свойства, а также относительно низкие температуры плавления. В результате частота приложения нагрузки или скорость приложения нагрузки является определяющим фактором механических свойств таких материалов. Из-за низкой теплопроводности термопластов выделяемое тепло вследствие рассеивания энергии при приложении нагрузки приводит к самонагреванию или термическому разложению. В коротковолокнистых термопластах фрикционный нагрев между волокном и матрицей, а также более высокая интенсивность напряжений вблизи концов волокна увеличивают степень самонагрева. ^{[ 13 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Место термопластичных композитов в конструктивных элементах. Тех. Нп и Интернет. 6 ноября 2014 г. [1]
^ Jump up to: ^а ^б ^с Унтервегер, К.; Брюггеманн, О.; 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 .
^ Jump up to: ^а ^б Фу, С.; Лауке, Б. (1996). «Влияние длины волокна и распределения ориентации волокон на прочность на разрыв полимеров, армированных короткими волокнами» . Композитные науки и технологии . 56 (10): 1179–1190. дои : 10.1016/S0266-3538(96)00072-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али (01 апреля 2015 г.). «Влияние ориентации и анизотропии волокон на прочность на разрыв и модуль упругости полимерных композитов, армированных короткими волокнами». Композиты. Часть B: Инженерия . 72 : 116–129. дои : 10.1016/j.compositesb.2014.11.041 .
^ Jump up to: ^а ^б Фу, С.; Лауке, Б. (1998). «Модуль упругости смещенных полимеров, армированных короткими волокнами». Композитные науки и технологии . 58 (3–4): 389–400. дои : 10.1016/S0266-3538(97)00129-2 .
^ Халл, Д.; Клайн, ТВ (13 августа 1996 г.). Введение в композиционные материалы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-38855-9 .
^ Орефис, РЛ; Хенч, LL; Бреннан, AB (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 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ваксман, А.; Наркис, М.; Зигманн, А.; Кениг, С. (1989). «Образование пустот в термопластичных композитах с короткими волокнами». Полим Компос . 10 (6): 449–453. дои : 10.1002/шт.750100609 .
^ Jump up to: ^а ^б Кайзер, Дж.; Стоммел, М. (2014). «Модифицированные формулы среднего поля для улучшенного моделирования термопластов, армированных короткими волокнами». Композитные науки и технологии . 99 : 75–81. doi : 10.1016/j.compscitech.2014.05.010 .
^ Мори, Т.; Танака, К. (1973). «Среднее напряжение в матрице и средняя упругая энергия материалов с несогласованными включениями». Акта Металлургика . 21 (5): 571–574. дои : 10.1016/0001-6160(73)90064-3 .
^ Гош, Т.; Грмела, М.; Карро, П.Дж. (1995). «Реология термопластов, наполненных короткими волокнами». Полимерные композиты . 16 (2): 144–153. дои : 10.1002/шт.750160206 .
^ Jump up to: ^а ^б Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али (01 января 2015 г.). «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 .
^ Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али; Меллотт, Стивен Р.; Хосроване, Аболхассан (1 октября 2015 г.). «Влияние частоты езды на велосипеде 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 .

[Struct-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Место термопластичных композитов в конструктивных элементах. Тех. Нп и Интернет. 6 ноября 2014 г. [1]

[Unterweger-2] Jump up to: ^а ^б ^с Унтервегер, К.; Брюггеманн, О.; 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 .

[Fu2-3] Jump up to: ^а ^б Фу, С.; Лауке, Б. (1996). «Влияние длины волокна и распределения ориентации волокон на прочность на разрыв полимеров, армированных короткими волокнами» . Композитные науки и технологии . 56 (10): 1179–1190. дои : 10.1016/S0266-3538(96)00072-3 .

[:0-4] Jump up to: ^а ^б Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али (01 апреля 2015 г.). «Влияние ориентации и анизотропии волокон на прочность на разрыв и модуль упругости полимерных композитов, армированных короткими волокнами». Композиты. Часть B: Инженерия . 72 : 116–129. дои : 10.1016/j.compositesb.2014.11.041 .

[Fu1-5] Jump up to: ^а ^б Фу, С.; Лауке, Б. (1998). «Модуль упругости смещенных полимеров, армированных короткими волокнами». Композитные науки и технологии . 58 (3–4): 389–400. дои : 10.1016/S0266-3538(97)00129-2 .

[Hull-6] Халл, Д.; Клайн, ТВ (13 августа 1996 г.). Введение в композиционные материалы . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-38855-9 .

[Orefice-7] Орефис, РЛ; Хенч, LL; Бреннан, AB (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 .

[Vaxman-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ваксман, А.; Наркис, М.; Зигманн, А.; Кениг, С. (1989). «Образование пустот в термопластичных композитах с короткими волокнами». Полим Компос . 10 (6): 449–453. дои : 10.1002/шт.750100609 .

[Kaiser-9] Jump up to: ^а ^б Кайзер, Дж.; Стоммел, М. (2014). «Модифицированные формулы среднего поля для улучшенного моделирования термопластов, армированных короткими волокнами». Композитные науки и технологии . 99 : 75–81. doi : 10.1016/j.compscitech.2014.05.010 .

[Mori-10] Мори, Т.; Танака, К. (1973). «Среднее напряжение в матрице и средняя упругая энергия материалов с несогласованными включениями». Акта Металлургика . 21 (5): 571–574. дои : 10.1016/0001-6160(73)90064-3 .

[Ghosh-11] Гош, Т.; Грмела, М.; Карро, П.Дж. (1995). «Реология термопластов, наполненных короткими волокнами». Полимерные композиты . 16 (2): 144–153. дои : 10.1002/шт.750160206 .

[:1-12] Jump up to: ^а ^б Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али (01 января 2015 г.). «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] Мортазавиан, Сейедвахид; Фатеми, Али; Меллотт, Стивен Р.; Хосроване, Аболхассан (1 октября 2015 г.). «Влияние частоты езды на велосипеде 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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]