Havacılık uygulamaları için termoplastik karbon fiber ile termoset karbon fiber arasındaki performans karşılaştırması.
Yeni milenyumdan bu yana, şu anda popüler olan cam elyafı, karbon elyafı ve aramid elyaf kompozitleri gibi çeşitli yeni kompozit malzemelerin araştırılması ve araştırılmasında önemli başarılar elde edilmiştir. Bu makalede, "siyah altın" olarak bilinen karbon fiber ve onun kompozitleri tanıtılacaktır. Karbon fiber bir asırdan fazla bir süredir kullanılmaktadır ve sürekli gelişimle birlikte yavaş yavaş spor ekipmanlarında ve Formula 1 yarış arabalarında uygulama alanı bulmuştur. Şu anda ana malzeme, epoksi reçine, fenolik reçine ve bismaleimid reçine gibi ısıyla sertleşen reçineleri içeren, ısıyla sertleşen karbon fiber kompozitlerdir.
Termoplastik karbon fiber kompozitler havacılık uygulamaları için daha uygundur.
Karbon fiber ve çeşitli plastikler üzerine artan araştırmalarla, özel plastiklerin karbon fiberle kombinasyon halinde matris olarak kullanılmasının, karbon fiberin yüksek performans özelliklerinden daha iyi yararlanabileceği keşfedildi. Sürekli karbon fiber takviyeli termoplastik kompozitler seri üretilebilirse, tüm endüstriyel sektör bundan faydalanacak ve havacılık ve tıp alanları gibi üst düzey endüstriler önemli bir büyüme yaşayacaktır. Şu anda, karbon fiber epoksi reçine kompozitlerinin yüksek mukavemet, düşük sürünme, yüksek modül ve düşük maliyet gibi avantajlarının havacılık alanına uygulanabilirliği kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, yüksek kırılganlık, yarılma hassasiyeti ve yüksek nem emme oranları gibi belirli uygulama riskleri oluşturan zayıf yönleri de oldukça belirgindir. Termoplastik matris malzemelerinin eklenmesi bu performans eksikliklerini giderebilir ve karbon fiber kompozitler için yeni olanaklar açabilir.
Polieter Eter Keton (PEEK), Polieter Keton Keton (PEKK), Polieter Keton Eter Keton Keton (PEKEKK), Polieter İmid (PEI), Polifenilen Sülfür (PPS) ve Poliamid (PA) gibi birçok yüksek performanslı özel plastik vardır. ). Bu termoplastik matris reçineleri, karbon fiber için daha iyi fiziksel yapı ve kimyasal özellikler sağlayabilir. Örnek olarak Polieter Eter Keton (PEEK) alınırsa, yaklaşık 150 derecelik bir cam geçiş sıcaklığına (Tg) ve yaklaşık 370 derecelik bir erime noktasına sahiptir, bu da karbon fiber kompozitlerin yüksek sıcaklık direncini önemli ölçüde artırır. Ek olarak, karbon fiberin doğal özelliklerini daha iyi koruyarak iyi bir mukavemet, tokluk, kimyasal direnç ve solvent direnci sağlar. PEEK aynı zamanda mükemmel termal stabiliteye, alev geciktiriciliğe ve düşük dielektrik sabitine sahiptir ve bu da onu gelecekteki havacılık ve uzay uygulamaları için en çok aranan malzemelerden biri haline getirmektedir.
Havacılık Uygulamaları için Termoplastik ve Termoset Karbon Fiberin Performans Karşılaştırması
Araştırma ekipleri, havacılık uygulamalarına yönelik termoset ve termoplastik karbon fiber kompozitler üzerine, karbon fiber takviyeli polieter keton (PEK) kompozitleri ile karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitlerini karşılaştıran derinlemesine çalışmalar gerçekleştirdi.
1. Karbon Elyaf Takviyeli Polieter Keton Plakası: Bu kompozit %60 karbon fiber ve %40 polieter ketondan (PEK) yapılmış bir laminattan oluşur. Hem üstte hem de altta PEK filmi bulunan on bir PEK katmanı arasına yerleştirilmiş on katman çift yönlü karbon fiberden oluşuyor. İstiflenen CF/PEK 410 derecede 10 Bar basınç altında 30 dakika preslenir.
2.Karbon Fiber Epoksi Reçine Plakası: Bu kompozit, çift yönlü karbon kumaşla güçlendirilmiş matris malzemesi olarak LY556 epoksi reçinesini kullanır. Oda sıcaklığında 100:12 oranında karıştırılan epoksi reçineye HY951 kürleme maddesi eklenir. Karbon fiber takviyesi ağırlıkça %60'ta tutulur ve bunun sonucunda on kumaş katmanı kullanılarak yaklaşık 3 mm kalınlığında bir karbon fiber epoksi reçine laminat elde edilir.
3.Test Metodolojisi: Çekme testi, sertlik testi ve kırılma tokluğu testi dahil olmak üzere yukarıda bahsedilen iki tip karbon fiber plaka üzerinde mekanik performans testleri yapılmıştır. Ek olarak, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve sınırlayıcı oksijen indeksi (LOI) testleri de dahil olmak üzere her iki karbon fiber plaka üzerinde termal performans testleri gerçekleştirildi.
4.Performans Testi Sonuçları Gösterisi:
A. Çekme Dayanımı ve Modülü: Karbon fiber takviyeli polieter keton (PEK) kompozitlerin ortalama çekme mukavemeti ve modülü sırasıyla 425 MPa ve 7,8 GPa iken, karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitlerin ortalama çekme mukavemeti ve modülü sırasıyla 311 MPa ve 5,2 GPa'dır. Karbon fiber takviyeli PEK kompozitlerin kopma uzaması %9,43 iken karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitlerin kopma uzaması %11,32'dir.
B. Sertlik: Matrise karbon fiber eklendiğinde kompozitin genel sertliği artar, bu da dolgu maddesinin plastik deformasyona karşı direnci arttırdığını gösterir. PEK ve epoksi reçinenin sertlik değerleri sırasıyla 87 ve 85'tir ve buna karşılık gelen kompozit sertlik değerleri 94 ve 89'dur ve önemli bir fark göstermez.
C. Kırılma Tokluğu: Epoksi reçinenin kırılganlığından dolayı, karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitlerin matris tokluğu azaldıkça kırılma tokluğu azalır. Buna karşılık, PEK matrisi daha iyi tokluk sergileyerek karbon fiber takviyeli PEK kompozitlerinde tokluğun artmasına yol açar. Kırılma tokluğunu hesaplarken dikkate alınan maksimum yük, SENB testinde malzemenin kırılmadan önce dayanabileceği maksimum yüktür; daha yüksek bir gerilim yoğunluğu faktörü (Kic), daha yüksek tokluğa karşılık gelir. Sonuçlar, karbon fiber takviyeli PEK kompozitlerin Kic'sinin 13,71 MPa·√m olduğunu, karbon fiber takviyeli epoksi reçine kompozitler için ise 11,53 MPa·√m olduğunu gösterir; bu da birincisinin daha iyi performans gösterdiğini gösterir.
D. Isıtma ve Soğutma Sırasında Termal Davranış: Polimer kompozitlerin ısıtma ve soğutma sırasındaki ısıl geçişleri DSC kullanılarak incelenmiştir. Matrisin erime sıcaklığı ve kristalleşme sıcaklığı karşılaştırılarak numune materyallerin erime sıcaklığı (Tm), kristalizasyon sıcaklığı (Tc) ve cam geçiş sıcaklığı (Tg) ortaya çıkarıldı.
E. Oksijen İndeksinin Sınırlandırılması: Sınırlayıcı oksijen indeksinin (LOI) test edilmesi, karbon fiberin her iki matris malzemesine dahil edilmesinin LOI'yi önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Veriler, epoksi reçine ve PEK için LOI'nin sırasıyla 25 ve 35 olduğunu, karbon fiber kompozitler için karşılık gelen LOI'lerin 32 ve 47 olduğunu ve karbon fiber takviyeli PEK kompozitlerinin dikkate değer bir gelişme gösterdiğini göstermektedir.
Testler sonucunda araştırmacılar, matris olarak PEK içeren termoplastik karbon fiber kompozitlerin, çeşitli performans ölçümlerinde epoksi reçineli termoset karbon fiber kompozitlerden daha iyi performans gösterdiğini buldu. Verilerdeki önemli farklılıklar, termoset ve termoplastik karbon fiber kompozitler arasındaki temel performans eşitsizliklerini vurgulayarak, özellikle havacılık ve uzay gibi ileri alanlarda termoplastik karbon fiber kompozitlerin geniş uygulama potansiyeline işaret ediyor.
Ancak termoplastik karbon fiber kompozitlerin benimsenmesi neden termoset kompozitlere göre çok daha az yaygındır? Bu onların ilgili işleme teknikleriyle yakından ilgilidir. Termoplastik karbon fiber kompozitler yüksek işlem sıcaklıkları gerektirir ve erimiş termoplastik reçine genellikle karbon fiber demetlerini tamamen emprenye etmekte zorlanır. Bu adım mükemmel bir şekilde uygulanmazsa, elde edilen termoplastik karbon fiber kompozitlerin mekanik performansı, mevcut ana akım termoset karbon fiber kompozitlerin bile gerisinde kalabilir.
