Effekten av formtemperaturen på gränsytans bindningsstyrka i beläggnings- och formningsprocessen av termoplastisk CF-PAEK (PEEK).
Högpresterande termoplastiska kolfiberkompositer uppvisar fördelar som hög seghet, slaghållfasthet, låg fuktabsorption och utmärkt miljöprestanda. Forskning om denna typ av kompositmaterial har pågått, vilket resulterat i utvecklingen av olika termoplastiska kolfiberkompositer med olika matriser, såväl som flera möjliga bearbetningstekniker, inklusive formsprutning, formpressning och beläggningsgjutning. Högtemperatursmältningsteknik har länge ansetts vara en av de primära metoderna för framställning av termoplastiska kolfiberkompositer. Detta dokument kommer att introducera effekterna av formtemperatur på gränsytets bindningsstyrka för kontinuerlig kolfiberförstärkt polyaryleterketon (CF-PAEK) och kort kolfiberförstärkt polyetereterketon (CF-PEEK) under beläggningsgjutningsprocessen, och integrerar insikter från professionell litteratur .
Framställning av belagda kompositer från termoplastiska CF-PAEK och CF-PEEK
Kontinuerliga kolfiberförstärkta termoplastiska polyaryleterketonkompositer (CF-PAEK) framställdes med användning av enkelriktade kolfibrer, som sedan formades till kontinuerliga kolfiberförstärkta kompositlaminat genom formpressning. Polyeter-eterketon (PEEK) och kort kolfiberförstärkt polyeter-eterketon (SCF-PEEK) valdes som injektionsmaterial, injicerades i formar placerade på ytan av CF-PAEK-laminaten och hölls under tryck under en viss period för att producera blandade belagda kompositer. Efter att ha låtit luften svalna till rumstemperatur avlägsnades de gjutna termoplastiska kolfiberkompositerna och skars till fasta storlekar. Olika prestandatester genomfördes därefter, inklusive mekaniska egenskaperstestning, svepelektronmikroskopi (SEM) analys, volymfraktionstestning, reologiskt beteendetestning och nanoindentationstestning. Testdata plottades och motsvarande slutsatser drogs genom jämförande studier av flera provuppsättningar.
Effekten av formtemperatur på gränsytans bindningsstyrka hos termoplastiska CF-PAEK (PEEK) kompositer.
1. Viskositet-temperaturkurvor för PAEK- och PEEK-hartser: Figuren ovan visar viskositet-temperaturkurvorna för PAEK- och PEEK-hartser. Data indikerar att viskositeten för PAEK varierar från cirka 89 till 237 Pa·s vid temperaturer mellan 340 grader och 400 grader, medan viskositeten för PEEK varierar från 203 till 330 Pa·s vid temperaturer mellan 360 grader och 420 grader. Båda termoplastiska hartserna uppvisar skjuvförtunnande beteende, med viskositeten som minskar när temperaturen ökar. Ju lägre viskositet hartssmältan har, desto bättre diffusion, vilket positivt påverkar gränsytans bindningsstyrka.
2. Skjuvhållfasthet för belagda kompositer vid olika formtemperaturer: Figur a ovan visar spännings-töjningskurvorna för PEEK- och SCF-PEEK-material vid olika formtemperaturer. Figur b visar skjuvhållfasthetsdata för PEEK/CCF-PAEK och SCF-PEEK/CCF-PAEK vid varierande formtemperaturer. Skjuvhållfastheterna för PEEK/CCF-PAEK är 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa och 68 MPa, medan skjuvhållfastheterna för SCF-PEEK/CCF-PAEK är 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa och 71 MPa.
Resultaten indikerar att när formtemperaturen ökar, förbättras skjuvhållfastheten hos proverna. Dessutom, på grund av förstärkningen från korta kolfibrer, är skjuvhållfastheten hos SCF-PEEK/CCF-PAEK högre. Formtemperaturen påverkar gränssnittstemperaturens retentionstid mellan den injicerade smältan (PEEK och SCF-PEEK) och CCF-PAEK-laminatet, såväl som kontakttiden före härdning. När formtemperaturen stiger, ökar temperaturen på gränsytskiktet gradvis, vilket främjar smältning och diffusion av PAEK-harts vid lägre smälttemperaturer, vilket förbättrar gränsytans bindningsstyrka.
3. Skjuvningsfel för belagda kompositprover vid olika formtemperaturer: Figuren ovan visar skjuvbrottstvärsnitten för PEEK/CCF-PAEK-belagda kompositer vid olika formtemperaturer. Den avslöjar att under inverkan av skjuvkrafter börjar sprickor bildas på båda sidor av provet och sträcker sig mot mitten. När formtemperaturen är inställd på 220 grader och 240 grader beror felet i PEEK/CCF-PAEK främst på gränssnittsdelaminering, vilket indikerar relativt svag gränsytebindningsstyrka (figur a och b). Däremot, när formtemperaturen ökar till 260 grader och 280 grader, beror felet i PEEK/CCF-PAEK huvudsakligen på interlaminär fraktur, vilket tyder på starkare gränsytebindningsstyrka (figurerna c och d).
Figuren ovan visar skjuvbrottstvärsnitten för SCF-PEEK/CCF-PAEK-belagda kompositer vid olika formtemperaturer, med ett provtillstånd som liknar det för PEEK/CCF-PAEK-kompositer. Vid formtemperaturer på 220 grader och 240 grader förblir gränssnittsbindningsfel ett stort problem (figur a och b). När formtemperaturen ökar till 260 grader och 280 grader kännetecknas felet hos SCF-PEEK/CCF-PAEK av interlaminär fraktur av CCF-PAEK och böjningsfel hos SCF-PEEK (figurerna c och d). På grund av böjningsdeformationen och interlaminär skjuvdeformation som orsakas av beläggningsprocessen, när gränsytbindningsstyrkan försvagas, kan delaminering uppstå mellan PEEK, SCF-PEEK och CCF-PAEK. När gränsytebindningsstyrkan ökar, minskar gränsytdelamineringen i kompositen gradvis, medan den interlaminära frakturen av hartset ökar.
Experimentella resultat indikerar att kompositens gränssnittsfellägen förändras med ökande formtemperatur. Vid lägre temperaturer är gränsytan lägre, och smältan i formsprutningsformen kyls snabbare, vilket resulterar i långsammare molekylär diffusion och svagare vidhäftning. Skjuvbrott visar sig som gränssnittsfel, kännetecknat av mekanisk bindning. När formtemperaturen stiger ökar sprickytan hos PEEK gradvis. Högre formtemperaturer höjer gränsytan mellan PEEK-harts och PAEK, vilket ökar blandningstiden före härdning, vilket underlättar hartsets smältning. När gränssnittstemperaturen överstiger smälttemperaturen för PAEK, bildas ett eutektiskt hartsskikt vid gränsytan, vilket förbättrar gränsytans bindningsstyrka.
4. Nanoindentation lastdjupskurvor för belagda kompositer vid olika formtemperaturer: Kurvorna i figuren ovan indikerar att för samma intryckningsbelastning minskar intryckningsdjupet gradvis med ökande formtemperatur, vilket tyder på att hartsens bärförmåga vid gränsytan förstärks när formtemperaturen stiger. För PEEK/CCF-PAEK-kompositen, vid en formtemperatur på 260 grader, liknar gränssnittshartsets belastningskapacitet den för PEEK, vilket indikerar att den belagda kompositen har nått ett tillstånd av smält harts som blandas med injektionsskiktet harts (PEEK), vilket uppnår nästan identisk styrka. Jämfört med PEEK uppvisar SCF-PEEK/CCF-PAEK-kompositen högre belastningar vid gränssnittet, vilket tyder på att tillsatsen av korta kolfibrer förbättrar hartset vid gränssnittet, vilket gör att det kan tåla högre belastningar.
När intryckningsdjupet är litet, minskar modulen snabbt med ökande intryckningsdjup (Figur b), vilket visar avsevärd variation i modulkurvan under denna fas. När djupet överstiger 250 nm börjar modulvärdena jämna ut med ökande djup. Vid djup större än 500 nm blir modulkurvan mer stabil. Vid en formtemperatur på 220 grader är djupmodulskurvan för PEEK/CCF-PAEK-belagda kompositer relativt instabil, med en lägre modul på 4,2 GPa. Detta indikerar att vid en formtemperatur på 260 grader kan smältan bilda ett hartssamexistensskikt med förformens ytharts, vilket resulterar i en modul som är jämförbar med den för PEEK.
Djupmodulkurvan för SCF-PEEK/CCF-PAEK-belagda kompositer är relativt jämn, vilket indikerar att tillsatsen av korta kolfibrer kan förbättra hartsets modul vid gränsytan. När formtemperaturen ökar, stiger också modulen gradvis. Vid en formtemperatur på 260 grader är ökningen betydande och når upp till 5,5 GPa, vilket är relaterat till övergången i gränssnittsbindningstillståndet vid denna temperatur. Detta indikerar att de två typerna av hartser vid gränsytan kan smälta och diffundera in i varandra. Dessutom kan korta kolfibrer bädda in sig själva i gränsytskiktet när hartset är i ett smält tillstånd, vilket bidrar till ökningen av modulen.
