Termoplastik CF-PAEK (PEEK) kaplama ve kalıplama prosesinde kalıp sıcaklığının arayüzey bağlanma mukavemetine etkisi.
Yüksek performanslı termoplastik karbon fiber kompozitler, yüksek tokluk, darbe direnci, düşük nem emilimi ve mükemmel çevresel performans gibi avantajlar sergiler. Bu tip kompozit malzeme üzerine araştırmalar devam etmekte olup, bu araştırmalar farklı matrislere sahip çeşitli termoplastik karbon fiber kompozitlerin yanı sıra enjeksiyon kalıplama, sıkıştırma kalıplama ve kaplama kalıplama dahil olmak üzere çeşitli uygulanabilir işleme tekniklerinin geliştirilmesiyle sonuçlanmıştır. Yüksek sıcaklıkta eritme teknolojisi uzun süredir termoplastik karbon fiber kompozitlerin hazırlanmasında birincil yöntemlerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu makale, kaplama kalıplama işlemi sırasında sürekli karbon fiber takviyeli poliaril eter keton (CF-PAEK) ve kısa karbon fiber takviyeli polieter eter keton (CF-PEEK) için kalıp sıcaklığının arayüzey bağlanma mukavemeti üzerindeki etkilerini profesyonel literatürden bilgiler entegre ederek tanıtacaktır. .
Termoplastik CF-PAEK ve CF-PEEK'ten Kaplamalı Kompozitlerin Hazırlanması
Sürekli karbon fiber takviyeli termoplastik poliaril eter keton (CF-PAEK) kompozitleri, tek yönlü karbon fiberler kullanılarak hazırlandı ve bunlar daha sonra sıkıştırmalı kalıplama yoluyla sürekli karbon fiber takviyeli kompozit laminatlara dönüştürüldü. Enjeksiyon malzemesi olarak polieter eter keton (PEEK) ve kısa karbon fiber takviyeli polieter eter keton (SCF-PEEK) seçilmiş, CF-PAEK laminatların yüzeyine yerleştirilen kalıplara enjekte edilmiş ve belirli bir süre basınç altında tutularak karışım elde edilmiştir. kaplamalı kompozitler Havanın oda sıcaklığına soğumasına izin verildikten sonra kalıplanmış termoplastik karbon fiber kompozitler çıkarıldı ve sabit boyutlarda kesildi. Daha sonra mekanik özellik testi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizi, hacim fraksiyonu testi, reolojik davranış testi ve nanoindentasyon testi dahil olmak üzere çeşitli performans testleri gerçekleştirildi. Test verileri grafik haline getirildi ve çoklu numune setlerinin karşılaştırmalı çalışmaları yoluyla ilgili sonuçlar çıkarıldı.
Kalıp sıcaklığının termoplastik CF-PAEK (PEEK) kompozitlerinin arayüzey bağlanma mukavemetine etkisi.
1.PAEK ve PEEK Reçinelerinin Viskozite-Sıcaklık Eğrileri: Yukarıdaki şekil PAEK ve PEEK reçineleri için viskozite-sıcaklık eğrilerini göstermektedir. Veriler, PAEK'in viskozitesinin 340 derece ile 400 derece arasındaki sıcaklıklarda yaklaşık 89 ila 237 Pa.s arasında değiştiğini, PEEK'in viskozitesinin ise 360 derece ile 420 derece arasındaki sıcaklıklarda 203 ila 330 Pa.s arasında değiştiğini göstermektedir. Her iki termoplastik reçine de sıcaklık arttıkça viskozitenin azalmasıyla birlikte kayma incelmesi davranışı sergiler. Reçine eriyiğinin viskozitesi ne kadar düşük olursa, difüzyon da o kadar iyi olur ve bu da arayüzey bağlanma mukavemetini olumlu yönde etkiler.
2. Farklı Kalıp Sıcaklıklarında Kaplanmış Kompozitlerin Kayma Dayanımı: Yukarıdaki Şekil a, farklı kalıp sıcaklıklarında PEEK ve SCF-PEEK malzemeleri için gerilim-gerinim eğrilerini göstermektedir. Şekil b, değişen kalıp sıcaklıklarında PEEK/CCF-PAEK ve SCF-PEEK/CCF-PAEK için kesme mukavemeti verilerini göstermektedir. PEEK/CCF-PAEK'in kesme mukavemetleri 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa ve 68 MPa iken SCF-PEEK/CCF-PAEK'in kesme mukavemetleri 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa ve 71 MPa'dır.
Sonuçlar, kalıp sıcaklığı arttıkça numunelerin kayma mukavemetinin arttığını göstermektedir. Ayrıca kısa karbon fiberlerin takviyesi nedeniyle SCF-PEEK/CCF-PAEK'in kesme mukavemeti daha yüksektir. Kalıp sıcaklığı, enjekte edilen eriyik (PEEK ve SCF-PEEK) ile CCF-PAEK laminat arasındaki arayüz sıcaklığı tutma süresinin yanı sıra kürlenmeden önceki temas süresini de etkiler. Kalıp sıcaklığı arttıkça, ara yüzey katmanının sıcaklığı kademeli olarak artar, PAEK reçinesinin daha düşük erime sıcaklıklarında erimesini ve difüzyonunu teşvik eder, böylece arayüzey bağlanma mukavemetini arttırır.
3. Farklı Kalıp Sıcaklıklarında Kaplanmış Kompozit Numunelerin Kayma Kırılma Modları: Yukarıdaki şekilde PEEK/CCF-PAEK kaplı kompozitlerin farklı kalıp sıcaklıklarında kayma kırılması kesitleri gösterilmektedir. Kesme kuvvetlerinin etkisi altında numunenin her iki yanında çatlakların oluşmaya başladığını ve merkeze doğru uzandığını ortaya koymaktadır. Kalıp sıcaklığı 220 derece ve 240 dereceye ayarlandığında, PEEK/CCF-PAEK'in başarısızlığı öncelikle arayüzey delaminasyonundan kaynaklanır, bu da nispeten zayıf arayüzey bağlanma mukavemetini gösterir (Şekil a ve b). Buna karşılık, kalıp sıcaklığı 260 dereceye ve 280 dereceye yükseldiğinde, PEEK/CCF-PAEK'in başarısızlığı esas olarak tabakalar arası kırılmadan kaynaklanmaktadır ve bu da daha güçlü arayüzey bağlanma mukavemetini göstermektedir (Şekil c ve d).
Yukarıdaki şekil, PEEK/CCF-PAEK kompozitlerininkine benzer bir numune koşuluyla, farklı kalıp sıcaklıklarında SCF-PEEK/CCF-PAEK kaplı kompozitlerin kesme başarısızlığı kesitlerini göstermektedir. 220 derece ve 240 derecelik kalıp sıcaklıklarında, arayüzey bağlanma hatası önemli bir sorun olmaya devam etmektedir (Şekil a ve b). Kalıp sıcaklığı 260 dereceye ve 280 dereceye yükseldiğinde, SCF-PEEK/CCF-PAEK'in arızası, CCF-PAEK'in tabakalar arası kırılması ve SCF-PEEK'in bükülme arızası ile karakterize edilir (Şekil c ve d). Kaplama işleminin neden olduğu bükülme deformasyonu ve tabakalar arası kayma deformasyonu nedeniyle arayüzey bağlanma mukavemeti zayıfladığında PEEK, SCF-PEEK ve CCF-PAEK arasında delaminasyon meydana gelebilir. Ara yüzey bağlanma mukavemeti arttıkça kompozitteki ara yüzey delaminasyonu giderek azalırken, reçinenin katmanlar arası kırılması artar.
Deneysel sonuçlar, kompozitin arayüzey arıza modlarının kalıp sıcaklığının artmasıyla değiştiğini göstermektedir. Daha düşük sıcaklıklarda arayüz sıcaklığı daha düşüktür ve enjeksiyon kalıbındaki eriyik daha hızlı soğur, bu da daha yavaş moleküler difüzyon ve daha zayıf yapışma ile sonuçlanır. Kesme başarısızlığı, mekanik bağlanma ile karakterize edilen arayüzey başarısızlığı olarak kendini gösterir. Kalıp sıcaklığı arttıkça PEEK'in kırılma yüzey alanı giderek artar. Daha yüksek kalıp sıcaklıkları, PEEK reçinesi ile PAEK arasındaki arayüz sıcaklığını yükselterek kürlenmeden önceki karıştırma süresini artırır ve bu da reçinenin erime sürecini kolaylaştırır. Arayüz sıcaklığı PAEK'in erime sıcaklığını aştığında, arayüzde bir reçine ötektik tabakası oluşur ve arayüzey bağlanma mukavemeti artar.
4.Farklı Kalıp Sıcaklıklarında Kaplanmış Kompozitlerin Nanogirinti Yük-Derinlik Eğrileri: Yukarıdaki şekildeki eğriler, aynı girinti yükü için, girinti derinliğinin artan kalıp sıcaklığıyla birlikte kademeli olarak azaldığını göstermektedir; bu da kalıp sıcaklığı arttıkça ara yüzeydeki reçinenin yük taşıma kapasitesinin güçlendiğini göstermektedir. PEEK/CCF-PAEK kompoziti için, 260 derecelik bir kalıp sıcaklığında, arayüz reçinesinin yük taşıma kapasitesi PEEK'inkine benzer; bu, kaplanmış kompozitin enjeksiyon katmanıyla erimiş reçine karışımı durumuna ulaştığını gösterir. reçine (PEEK) ile neredeyse aynı mukavemete ulaşıyor. PEEK ile karşılaştırıldığında, SCF-PEEK/CCF-PAEK kompoziti arayüzde daha yüksek yükler sergiliyor; bu da kısa karbon fiberlerin eklenmesinin arayüzdeki reçineyi güçlendirerek daha yüksek yüklere dayanabilmesini sağladığını gösteriyor.
Girinti derinliği küçük olduğunda, artan girinti derinliğiyle birlikte modül hızla azalır (Şekil b), bu faz sırasında modül eğrisinde önemli farklılıklar gösterir. Derinlik 250 nm'yi aştığında modül değerleri artan derinlikle birlikte düzleşmeye başlar. 500 nm'den büyük derinliklerde modül eğrisi daha kararlı hale gelir. 220 derecelik bir kalıp sıcaklığında, PEEK/CCF-PAEK kaplı kompozitlerin derinlik modülü eğrisi, 4,2 GPa'lık daha düşük bir modül ile nispeten kararsızdır. Bu, 260 derecelik bir kalıp sıcaklığında eriyiğin, ön kalıbın yüzey reçinesi ile bir reçine birlikte varoluş katmanı oluşturabildiğini ve bunun sonucunda PEEK'inkiyle karşılaştırılabilir bir modül elde edildiğini gösterir.
SCF-PEEK/CCF-PAEK kaplı kompozitlerin derinlik modülü eğrisi nispeten düzgündür; bu, kısa karbon fiberlerin eklenmesinin arayüzdeki reçine modülünü artırabileceğini gösterir. Kalıp sıcaklığı arttıkça modül de giderek artar. 260 derecelik bir kalıp sıcaklığında, bu sıcaklıkta ara yüzey bağlanma durumundaki geçişle ilişkili olan 5,5 GPa'ya ulaşan artış önemlidir. Bu, arayüzeydeki iki tip reçinenin eriyip birbirine yayılabileceğini gösterir. Ek olarak, kısa karbon fiberler, reçine erimiş durumdayken kendilerini ara yüzey katmanına gömebilir, bu da modülün artmasına katkıda bulunur.
