Comparația proprietăților de rășină
Alegerea sistemului de rășină care va fi utilizat în orice componentă depinde de o serie de proprietăți, următoarele sunt probabil cele mai importante în majoritatea structurilor compuse:
1. Proprietăți de legătură
2. Proprietăți mecanice
3. Rezistența la fisură microscopică
4. Forța oboselii
5. degradarea coroziunii apei
Proprietăți de legare
S -a discutat despre modul în care proprietățile de aderență ale sistemului de rășină sunt importante în realizarea întregii game de proprietăți mecanice ale compozitului. În structurile sandwich, este importantă adeziunea matricei de rășină la armarea fibrelor sau a materialului de miez.
Rășinile din poliester au de obicei cele mai mici proprietăți de aderență ale celor trei sisteme descrise aici. Rășinile de vinil Lester prezintă proprietăți de legare mai bune decât poliesterii, dar sistemele de rășini epoxidice oferă cea mai bună performanță a tuturor adezivilor și, prin urmare, se găsesc adesea în mulți adezivi de înaltă rezistență. Acest lucru se datorează compoziției lor chimice și prezenței grupelor polare de hidroxil și eter. Deoarece rășinile epoxidice se vindecă la o viteză de contracție scăzută, diferitele contacte de suprafață stabilite între rășina lichidă și aderarea nu sunt perturbate în timpul procesului de întărire. Proprietățile de legare a rășinilor epoxidice sunt deosebit de utile în construcția laminatelor de miez de fagure, unde o mică suprafață de lipire înseamnă că este necesară lipirea maximă.
Puterea legăturii dintre rășină și fibre depinde nu numai de proprietățile de legare ale sistemului de rășină, dar este influențată și de acoperirea de suprafață a fibrelor de armare.
Proprietăți mecanice
Două proprietăți mecanice importante ale oricărui sistem de rășină sunt rezistența la tracțiune și rigiditatea. Figurile 22 și 23 arată rezultatele testelor efectuate pe sisteme de poliester, vinil și de rășină epoxidică disponibile în comerț, vindecate la 20 de grade și 80 de grade.
După o perioadă de întărire de șapte zile la temperatura camerei, se poate observa că rășinile epoxidice tipice oferă performanțe mai mari atât din punct de vedere al rezistenței, cât și al rigidității decât poliesterii tipici și esteri de vinil. Efectele benefice ale vindecării timp de cinci ore după 80 de grade pot fi, de asemenea, observate.
La fel de importantă pentru designerii și constructorii compuși este cantitatea de contracție a rășinii în timpul și după întărire. Contracția se datorează reorganizării și reorientării moleculelor de rășină în fazele lichide și semi-gel. Poliesterii și esterii de vinil necesită o cantitate semnificativă de rearanjare moleculară pentru a ajunge la o stare întărită și pot arăta o contracție de până la 8%. Cu toate acestea, natura diferită a reacției epoxidice duce la o rearanjare foarte mică și la absența bi-productelor volatile, reducând contracția epoxidică tipică la aproximativ 2%. Într -o oarecare măsură, absența contracției este responsabilă pentru proprietățile mecanice mai bune ale epoxidului decât poliester, deoarece contracția este asociată cu tensiuni interne care pot slăbi materialul.
În plus, contracția în grosimea laminatului duce la „imprimarea” a modelului de fibre de armare, care este un defect cosmetic dificil și costisitor de eliminat.
Fisuri microscopice
Puterea unui laminat este de obicei luată în considerare în ceea ce privește câtă sarcină poate rezista înainte de a eșua complet. Această rezistență finală sau rezistența la rupere este punctul în care rășina prezintă o fractură catastrofală și fibrele de armare se rup.
Cu toate acestea, înainte de atingerea acestei rezistențe finale, laminatul va atinge un nivel de stres în care rășina va începe să se prăbușească din straturile de armare a fibrelor care nu sunt aliniate la sarcina aplicată, iar aceste fisuri se vor propaga prin matricea de rășină. Aceasta este cunoscută sub numele de „microcracking transversal” și, deși laminarea nu a eșuat încă complet, procesul de ruptură a început deja. Prin urmare, inginerii care doresc o structură durabilă trebuie să se asigure că laminatele lor nu depășesc acest punct în sarcini obișnuite de servicii.
Tulpina pe care un laminat o poate realiza înainte de micro-cracare depinde foarte mult de rezistența și proprietățile de legătură ale sistemului de rășină. Pentru sistemele de rășină fragilă, cum ar fi majoritatea poliesterilor, acest lucru apare cu mult înainte ca laminarea să eșueze și, prin urmare, limitează tulpina pe care o pot rezista astfel de laminate. De exemplu, testele recente au arătat că pentru laminatele de poliester\/sticlă țesute, microcracking apare de obicei la aproximativ 0. 2% tulpină, cu o deteriorare finală care nu se produce până la 2. 0%. Aceasta corespunde unei puteri utilizabile de doar 10% din puterea finală. Deoarece rezistența finală a laminatului sub tensiune este determinată de rezistența fibrei, aceste microcrack -uri de rășină nu reduc imediat performanța finală a laminatului.
Cu toate acestea, în medii precum apa sau aerul umed, un laminat microcrackat va absorbi mai multă apă decât un laminat neclintit. Aceasta va duce la o creștere a greutății, a umidității în agentul de dimensionare a rășinii și a fibrelor, a unei scăderi a rigidității și a unei scăderi a performanței finale în timp.
Creșterea aderenței din rășină\/fibre provine de obicei din chimia rășinii și compatibilitatea acesteia cu tratamentul de suprafață chimică aplicat fibrelor. Aici, proprietățile cunoscute ale adezivilor epoxidici ajută laminatul să obțină tulpini mai mari de microcracking. Așa cum am menționat anterior, duritatea rășinii este dificil de măsurat, dar este indicată pe scară largă de tulpina sa de eșec final. O comparație a diferitelor sisteme de rășină este prezentată în figura 25.
Forța oboselii
În general, compozitele au o rezistență excelentă la oboseală în comparație cu majoritatea metalelor. Cu toate acestea, întrucât defecțiunea oboselii este adesea cauzată de acumularea treptată a unei cantități mici de daune, comportamentul de oboseală al oricărui material compozit va fi afectat de duritatea rășinii, de rezistența sa la microcracking și de numărul de goluri și de alte defecte care apar în timpul procesului de fabricație. Din acest motiv, laminatele de bază epoxidice tind să prezinte o rezistență foarte bună la oboseală în comparație cu poliester și ester de vinil, care este unul dintre motivele principale ale utilizării lor în aerostructuri.
Degradarea coroziunii apei
O caracteristică importantă a oricărei rășini, în special în mediul marin, este capacitatea sa de a rezista la degradare prin apa primită. Toate rășinile absorb oarecare apă, adăugând greutate la laminat, dar mai important modul în care apa absorbită afectează legătura de rășină și rășină\/fibră din laminat, ceea ce duce la o pierdere treptată și pe termen lung a proprietăților mecanice. Atât rășinile poliesterului, cât și cele de ester de vinil sunt sensibile la degradarea apei datorită prezenței grupurilor de ester hidrolizabil în structura moleculară.
Drept urmare, se poate aștepta ca laminatele subțiri de poliester să păstreze doar 65% din puterea de forfecare a interviului lor după un an de imersiune în apă, în timp ce laminatele de rășină epoxidică vor păstra aproximativ 90% după un an de imersiune.
Figura 26 arată efectul apei asupra laminatelor de sticlă țesute epoxidice și poliester care au fost imersate în apă la 100 de grade. Această imersiune la temperatură ridicată oferă laminatelor imersate proprietăți de degradare accelerate.
Permeabilitate
Toate laminatele din mediul marin permit cantități foarte mici de apă să treacă prin ele sub formă de vapori. Pe măsură ce apa trece, reacționează cu orice componente hidrolizabile din laminare pentru a forma celule minuscule de soluție concentrată. În cadrul ciclului osmotic, mai multă apă trece prin membrana semipermeabilă a laminatului în încercarea de a dilua această soluție. Această apă crește presiunea fluidului din interiorul celulei la 700 psi. În cele din urmă, presiunea se va deforma sau rupe laminarea sau gelcoat -ul și poate duce la o suprafață tipică „varicelă de pui”. Componentele hidrolizabile în laminat pot include murdăria și resturile prinse în timpul procesului de fabricație, dar pot include, de asemenea, legături de ester în poliesterul întărit și, într -o măsură mai mică, lath vinil.
Utilizarea unui strat bogat în rășini de lângă un strat de gel este esențial pentru rășinile de poliester pentru a reduce acest tip de degradare, dar, de obicei, singura remediu odată ce procesul începe este înlocuirea materialului afectat. Pentru a preveni infiltrarea să apară în primul rând, este necesar să se utilizeze o rășină care are atât permeabilitate scăzută, cât și rezistență ridicată la eroziunea apei. Blistering -ul poate fi eliminat practic atunci când este utilizat împreună cu un material de armare care are o rezistență similară la tratamentul de suprafață și este laminat la un standard foarte ridicat. Lanțurile de polimeri cu lanțuri pe bază de epoxidic rezistă efectelor apei mult mai bune decât multe alte sisteme de rășină. S -a dovedit că astfel de sisteme au o rezistență chimică și apă excelentă, permeabilitate scăzută a apei și proprietăți mecanice foarte bune.
Rezumatul proprietăților de rășină comparativă
Poliester, ester de vinil și rășini epoxidice discutate aici reprezintă probabil aproximativ 90% din toate sistemele de rășină termoset utilizată în compozitele structurale. În rezumat, avantajele și dezavantajele majore ale acestor tipuri sunt:
Alte rășini pentru compozite
În plus față de poliester, ester de vinil și rășini epoxidice, există multe alte sisteme de rășini de specialitate utilizate acolo unde sunt necesare proprietățile lor unice.
Rășini fenolice
Utilizate în principal acolo unde este necesară o rezistență ridicată la foc, rășinile fenolice își păstrează proprietățile bine la temperaturi ridicate. Pentru materialele vindecate la temperatura camerei, utilizarea acizilor corozivi duce la o manipulare neplăcută. Natura condensată a procesului lor de întărire tinde să conducă la includerea multor goluri și defecte de suprafață, rășina tinde să fie fragilă și are proprietăți mecanice slabe. Cost tipic: £ 2-4\/kg.
Fenil izocianat
Utilizat în principal în industria aerospațială. Proprietățile dielectrice excelente ale materialului îl fac ideal pentru utilizare în fibre dielectrice scăzute, cum ar fi cuarțul, care sunt utilizate la fabricarea radomelor. Materialul este, de asemenea, stabil la temperatură până la 200 de grade umed. Cost tipic: 40 GBP\/kg.
Rășini de silicon
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >15 GBP\/ kg.
Poliuretan
Material foarte ductil, uneori amestecat cu alte rășini, datorită proprietăților mecanice laminate relativ scăzute în compresie. Folosește izocianatele periculoase ca agenți de întărire. Cost tipic: £ 2-8\/kg.
Bismaleimide (IMC)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>50 GBP\/kg.
Polimed
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>80 £\/kg) cu materii prime toxice utilizate în procesul de fabricație. Polimeri sunt dificil de lucrat datorită reacției de condensare care eliberează apă în timpul procesului de întărire și sunt relativ fragile după întărire.PMR15 și LARC160 sunt cele două polimide cel mai frecvent utilizate în compozite.
Sursa „Frontiere în compozite”