La comparació del rendiment entre la fibra de carboni termoplàstica i la fibra de carboni termoestables per a aplicacions aeroespacials.
Des del nou mil·lenni, s'han aconseguit èxits significatius en la investigació i l'exploració de diversos materials compostos nous, com ara els compostos de fibra de vidre, fibra de carboni i fibra d'aramida actualment populars. Aquest article introduirà la fibra de carboni i els seus compostos, coneguts com "or negre". La fibra de carboni ha existit des de fa més d'un segle i, amb el desenvolupament continu, ha anat trobant aplicacions en equipaments esportius i cotxes de carreres de Fórmula 1. Actualment, el material principal són els compostos de fibra de carboni termoestables, que inclouen resines termoestables com la resina epoxi, la resina fenòlica i la resina de bismaleimida.
Els compostos termoplàstics de fibra de carboni són més adequats per a aplicacions aeroespacials.
Amb la creixent investigació sobre fibra de carboni i diversos plàstics, s'ha descobert que l'ús de plàstics especials com a matriu en combinació amb fibra de carboni pot aprofitar millor les característiques d'alt rendiment de la fibra de carboni. Si els compostos termoplàstics reforçats amb fibra de carboni es poden produir en massa, tot el sector industrial es beneficiarà i les indústries de gamma alta com l'aeroespacial i la medicina experimentaran un creixement significatiu. Actualment, els avantatges dels compostos de resina epoxi de fibra de carboni, com ara alta resistència, baixa fluència, alt mòdul i baix cost, s'han demostrat aplicables al camp aeroespacial. Tanmateix, les seves debilitats també són força evidents, com ara una gran fragilitat, susceptibilitat a la ruptura i altes taxes d'absorció d'humitat, que comporten certs riscos d'aplicació. La incorporació de materials de matriu termoplàstica pot abordar aquestes deficiències de rendiment i obrir noves possibilitats per als compostos de fibra de carboni.
Hi ha molts plàstics especials d'alt rendiment, com ara polièter cetona (PEEK), polièter cetona cetona (PEKK), polièter cetona èter cetona cetona (PEKEKK), polièter imida (PEI), sulfur de polifenilè (PPS) i poliamida (PA). ). Aquestes resines de matriu termoplàstica poden proporcionar una millor estructura física i propietats químiques per a la fibra de carboni. Prenent Polyether Ether Ketone (PEEK) com a exemple, té una temperatura de transició vítrea (Tg) d'uns 150 graus i un punt de fusió d'uns 370 graus, cosa que millora significativament la resistència a alta temperatura dels compostos de fibra de carboni. A més, manté millor les propietats inherents de la fibra de carboni, assegurant una bona resistència, duresa, resistència química i resistència als dissolvents. El PEEK també posseeix una excel·lent estabilitat tèrmica, retard de flama i baixa constant dielèctrica, cosa que el converteix en un dels materials més buscats per a futures aplicacions aeroespacials.
Comparació de rendiment de fibra de carboni termoplàstica i termoendurible per a aplicacions aeroespacials
Els equips d'investigació han realitzat estudis en profunditat sobre compostos termoestables i de fibra de carboni termoplàstica per a aplicacions aeroespacials, comparant els compostos de polièter cetona (PEK) reforçat amb fibra de carboni amb compostos de resina epoxi reforçada amb fibra de carboni.
1. Placa de polièter cetona reforçada amb fibra de carboni: Aquest compost consisteix en un laminat fet d'un 60% de fibra de carboni i un 40% de polièter cetona (PEK). Compta amb deu capes de fibra de carboni bidireccional col·locades entre onze capes de PEK, amb pel·lícula PEK tant a la part superior com a la inferior. El CF/PEK apilat es pressiona a 410 graus sota una pressió de 10 bar durant 30 minuts.
2. Placa de resina epoxi de fibra de carboni: Aquest compost utilitza resina epoxi LY556 com a material de la matriu, reforçada amb teixit de carboni bidireccional. A temperatura ambient, s'afegeix l'agent de curat HY951 a la resina epoxi, barrejada en una proporció de 100:12. El reforç de fibra de carboni es manté al 60% en pes, donant lloc a un laminat de resina epoxi de fibra de carboni d'aproximadament 3 mm de gruix amb deu capes de teixit.
3. Metodologia de prova: Es van realitzar proves de rendiment mecànic en els dos tipus de plaques de fibra de carboni esmentades anteriorment, incloent proves de tracció, proves de duresa i proves de resistència a la fractura. A més, es van realitzar proves de rendiment tèrmic en ambdues plaques de fibra de carboni, incloent proves de calorimetria d'exploració diferencial (DSC) i proves d'índex d'oxigen limitant (LOI).
4. Mostra els resultats de les proves de rendiment:
A. Resistència a la tracció i mòdul: La resistència a la tracció i el mòdul mitjans dels compostos de polièter cetona (PEK) reforçats amb fibra de carboni són de 425 MPa i 7,8 GPa, respectivament, mentre que la resistència a la tracció i el mòdul mitjans dels compostos de resina epoxi reforçada amb fibra de carboni són de 311 MPa i 5,2 GPa, respectivament. L'allargament a la ruptura dels compostos PEK reforçats amb fibra de carboni és del 9,43%, mentre que el dels compostos de resina epoxi reforçada amb fibra de carboni és de l'11,32%.
B. Duresa: Quan s'afegeix fibra de carboni a la matriu, la duresa general del compost augmenta, cosa que indica que el farciment millora la resistència a la deformació plàstica. Els valors de duresa per a PEK i resina epoxi són 87 i 85, respectivament, amb els corresponents valors de duresa composta de 94 i 89, sense mostrar cap diferència significativa.
C. Tenacitat a la fractura: A causa de la fragilitat de la resina epoxi, la resistència a la fractura dels compostos de resina epoxi reforçada amb fibra de carboni disminueix a mesura que disminueix la duresa de la matriu. En canvi, la matriu PEK presenta una millor duresa, la qual cosa condueix a una millora de la duresa dels compostos PEK reforçats amb fibra de carboni. La càrrega màxima considerada a l'hora de calcular la tenacitat a la fractura és la càrrega màxima que pot suportar el material abans de la fractura a la prova SENB; un factor d'intensitat d'estrès més alt (Kic) correspon a una tenacitat més alta. Els resultats mostren que el Kic dels compostos PEK reforçats amb fibra de carboni és de 13,71 MPa·√m, mentre que per als compostos de resina epoxi reforçat amb fibra de carboni és de 11,53 MPa·√m, cosa que indica un millor rendiment per als primers.
D. Comportament tèrmic durant la calefacció i la refrigeració: Les termotransicions dels compostos polimèrics durant l'escalfament i el refredament es van estudiar mitjançant DSC. Es va comparar la temperatura de fusió i la temperatura de cristal·lització de la matriu, revelant la temperatura de fusió (Tm), la temperatura de cristal·lització (Tc) i la temperatura de transició vítrea (Tg) dels materials de la mostra.
E. Índex d'oxigen limitant: Les proves de l'índex d'oxigen limitant (LOI) mostren que la incorporació de fibra de carboni als dos materials de la matriu millora significativament la LOI. Les dades indiquen que el LOI per a la resina epoxi i el PEK són 25 i 35, respectivament, mentre que els LOI corresponents per als compostos de fibra de carboni són 32 i 47, i els compostos PEK reforçats amb fibra de carboni mostren una millora notable.
Mitjançant les proves, els investigadors van trobar que els compostos de fibra de carboni termoplàstic amb PEK com a matriu superen els compostos de fibra de carboni termoestables amb resina epoxi en diverses mètriques de rendiment. Les diferències substancials en les dades posen de manifest les disparitats fonamentals de rendiment entre els compostos de fibra de carboni termoestables i termoplàstics, cosa que suggereix un gran potencial d'aplicació per als compostos de fibra de carboni termoplàstics, especialment en camps avançats com l'aeroespacial.
Tanmateix, per què l'adopció de compostos termoplàstics de fibra de carboni està molt menys estesa que la dels compostos termoestables? Això està estretament relacionat amb les seves respectives tècniques de processament. Els compostos termoplàstics de fibra de carboni requereixen altes temperatures de processament, i la resina termoplàstica fosa sovint lluita per impregnar completament els paquets de fibra de carboni. Si aquest pas no s'executa a la perfecció, el rendiment mecànic dels compostos de fibra de carboni termoplàstics resultants pot fins i tot quedar per sota dels compostos de fibra de carboni termoestables actuals.
