Vliv teploty formy na pevnost mezifázového spojení v procesu potahování a lisování termoplastů CF-PAEK (PEEK).
Vysoce výkonné termoplastické kompozity z uhlíkových vláken vykazují výhody, jako je vysoká houževnatost, odolnost proti nárazu, nízká absorpce vlhkosti a vynikající ekologické vlastnosti. Pokračuje výzkum tohoto typu kompozitního materiálu, jehož výsledkem je vývoj různých termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken s různými matricemi, stejně jako několik proveditelných zpracovatelských technik, včetně vstřikování, lisování a tvarování povlaků. Technologie vysokoteplotního tavení byla dlouho považována za jednu z primárních metod přípravy termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken. Tento článek představí účinky teploty formy na pevnost mezifázového spojení pro kontinuální polyaryletherketon vyztužený uhlíkovými vlákny (CF-PAEK) a polyetheretherketon vyztužený krátkými uhlíkovými vlákny (CF-PEEK) během procesu tvarování povlaku, integruje poznatky z odborné literatury .
Příprava potažených kompozitů z termoplastu CF-PAEK a CF-PEEK
Kontinuální uhlíkovými vlákny vyztužené termoplastické polyaryletherketonové kompozity (CF-PAEK) byly připraveny za použití jednosměrných uhlíkových vláken, která pak byla formována do kontinuálních kompozitních laminátů vyztužených uhlíkovými vlákny lisováním. Polyetheretherketon (PEEK) a polyetheretherketon vyztužený krátkými uhlíkovými vlákny (SCF-PEEK) byly vybrány jako vstřikovací materiály, vstřikovány do forem umístěných na povrchu laminátů CF-PAEK a udržovány pod tlakem po určitou dobu, aby vznikly smíšené potažené kompozity. Poté, co se nechal vzduch ochladit na pokojovou teplotu, byly lisované termoplastické kompozity z uhlíkových vláken odstraněny a nařezány na pevné velikosti. Následně byly provedeny různé výkonnostní testy, včetně testování mechanických vlastností, analýzy rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM), testování objemových frakcí, testování reologického chování a testování nanoindentací. Testovací data byla vynesena do grafu a odpovídající závěry byly vyvozeny prostřednictvím srovnávacích studií více souborů vzorků.
Vliv teploty formy na pevnost mezifázového spojení termoplastických kompozitů CF-PAEK (PEEK).
1. Křivky viskozity a teploty pryskyřic PAEK a PEEK: Obrázek výše ukazuje křivky viskozity a teploty pro pryskyřice PAEK a PEEK. Údaje naznačují, že viskozita PAEK se pohybuje od přibližně 89 do 237 Pa·s při teplotách mezi 340 stupni a 400 stupni, zatímco viskozita PEEK se pohybuje v rozmezí od 203 do 330 Pa·s při teplotách mezi 360 stupni a 420 stupni. Obě termoplastické pryskyřice vykazují chování při smykovém ztenčování, přičemž viskozita klesá s rostoucí teplotou. Čím nižší je viskozita taveniny pryskyřice, tím lepší je difúze, což pozitivně ovlivňuje pevnost mezifázového spojení.
2. Pevnost ve smyku potažených kompozitů při různých teplotách formy: Obrázek a výše ukazuje křivky napětí-deformace pro materiály PEEK a SCF-PEEK při různých teplotách formy. Obrázek b uvádí údaje o pevnosti ve smyku pro PEEK/CCF-PAEK a SCF-PEEK/CCF-PAEK při různých teplotách formy. Pevnosti ve smyku PEEK/CCF-PAEK jsou 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa a 68 MPa, zatímco pevnosti ve smyku SCF-PEEK/CCF-PAEK jsou 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa a 71 MPa.
Výsledky naznačují, že se zvyšující se teplotou formy se zlepšuje smyková pevnost vzorků. Navíc díky vyztužení z krátkých uhlíkových vláken je pevnost SCF-PEEK/CCF-PAEK ve smyku vyšší. Teplota formy ovlivňuje dobu zdržení teploty rozhraní mezi vstřikovanou taveninou (PEEK a SCF-PEEK) a laminátem CCF-PAEK, stejně jako dobu kontaktu před vytvrzením. Jak teplota formy stoupá, teplota mezifázové vrstvy se postupně zvyšuje, což podporuje tavení a difúzi PAEK pryskyřice při nižších teplotách tavení, čímž se zvyšuje pevnost mezifázového spojení.
3. Způsoby selhání ve smyku u potažených kompozitních vzorků při různých teplotách formy: Obrázek výše ukazuje průřezy smykového porušení kompozitů potažených PEEK/CCF-PAEK při různých teplotách formy. Odhaluje, že působením smykových sil se na obou stranách vzorku začnou tvořit trhliny a rozšiřují se směrem ke středu. Když je teplota formy nastavena na 220 stupňů a 240 stupňů, selhání PEEK/CCF-PAEK je primárně důsledkem delaminace na rozhraní, což ukazuje na relativně slabou pevnost mezifázového spojení (obrázky a a b). Naproti tomu, když se teplota formy zvýší na 260 stupňů a 280 stupňů, selhání PEEK/CCF-PAEK je způsobeno hlavně interlaminárním lomem, což naznačuje silnější mezifázovou pevnost spojení (obrázky c a d).
Obrázek výše ukazuje průřezy smykového porušení kompozitů potažených SCF-PEEK/CCF-PAEK při různých teplotách formy, se stavem vzorku podobným jako u kompozitů PEEK/CCF-PAEK. Při teplotách formy 220 stupňů a 240 stupňů zůstává hlavním problémem selhání mezifázového spojení (obrázky a a b). Když se teplota formy zvýší na 260 stupňů a 280 stupňů, selhání SCF-PEEK/CCF-PAEK je charakterizováno interlaminárním lomem CCF-PAEK a porušením SCF-PEEK v ohybu (obrázky c a d). V důsledku ohybové deformace a interlaminární smykové deformace způsobené procesem potahování, když pevnost mezifázového spojení slábne, může dojít k delaminaci mezi PEEK, SCF-PEEK a CCF-PAEK. Se zvyšující se pevností mezifázového spojování se postupně snižuje mezifázová delaminace v kompozitu, zatímco se zvyšuje interlaminární lom pryskyřice.
Experimentální výsledky naznačují, že způsoby porušení na rozhraní kompozitu se mění s rostoucí teplotou formy. Při nižších teplotách je teplota rozhraní nižší a tavenina ve vstřikovací formě se ochlazuje rychleji, což má za následek pomalejší molekulární difúzi a slabší adhezi. Smykové porušení se projevuje jako mezifázové porušení, charakterizované mechanickým spojením. Jak teplota formy stoupá, plocha lomového povrchu PEEK se postupně zvětšuje. Vyšší teploty formy zvyšují teplotu rozhraní mezi pryskyřicí PEEK a PAEK, čímž se prodlužuje doba míchání před vytvrzením, což usnadňuje proces tavení pryskyřice. Když teplota rozhraní překročí teplotu tání PAEK, vytvoří se na rozhraní pryskyřičná eutektická vrstva, která zvýší pevnost mezifázového spojení.
4. Nanoindentační křivky zatížení a hloubky potažených kompozitů při různých teplotách formy: Křivky na obrázku výše naznačují, že při stejném zatížení vtlačení se hloubka vtisku postupně snižuje se zvyšující se teplotou formy, což naznačuje, že nosná kapacita pryskyřice na rozhraní se zpevňuje, jak teplota formy stoupá. U kompozitu PEEK/CCF-PAEK je při teplotě formy 260 stupňů nosnost rozhraní pryskyřice podobná kapacitě PEEK, což naznačuje, že potažený kompozit dosáhl stavu smíchání roztavené pryskyřice s vstřikovací vrstvou. pryskyřice (PEEK), dosahující téměř stejné pevnosti. Ve srovnání s PEEK vykazuje kompozit SCF-PEEK/CCF-PAEK vyšší zatížení na rozhraní, což naznačuje, že přidání krátkých uhlíkových vláken zlepšuje pryskyřici na rozhraní a umožňuje jí nést vyšší zatížení.
Když je hloubka vtisku malá, modul rychle klesá s rostoucí hloubkou vtisku (obrázek b), což ukazuje značnou změnu křivky modulu během této fáze. Jakmile hloubka přesáhne 250 nm, hodnoty modulu se začnou s rostoucí hloubkou vyhlazovat. V hloubkách větších než 500 nm se křivka modulu stává stabilnější. Při teplotě formy 220 stupňů je křivka hloubky modulu pro kompozity potažené PEEK/CCF-PAEK relativně nestabilní, s nižším modulem 4,2 GPa. To ukazuje, že při teplotě formy 260 stupňů může tavenina vytvořit koexistenční vrstvu pryskyřice s povrchovou pryskyřicí předlisku, což má za následek modul srovnatelný s modulem PEEK.
Křivka hloubky modulu pro kompozity potažené SCF-PEEK/CCF-PAEK je relativně hladká, což ukazuje, že přidání krátkých uhlíkových vláken může zvýšit modul pryskyřice na rozhraní. Se zvyšující se teplotou formy se postupně zvyšuje i modul. Při teplotě formy 260 stupňů je nárůst významný, dosahuje až 5,5 GPa, což souvisí s přechodem ve stavu mezifázového spojení při této teplotě. To naznačuje, že dva typy pryskyřic na rozhraní se mohou roztavit a difundovat do sebe. Kromě toho se krátká uhlíková vlákna mohou zapustit do mezifázové vrstvy, když je pryskyřice v roztaveném stavu, což přispívá ke zvýšení modulu.
