وبلاگ در باره پیشرفت های CFRP مقاومت گرما را در هوافضا افزایش می دهد

در جستجوی مواد با عملکرد بالا، پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) در صنایع هوافضا، خودرو،و صنایع تجهیزات ورزشی به دلیل نسبت استثنایی قدرت به وزن و سفتی آنهابا این حال، مانند تمام مواد مهندسی، CFRP محدودیت های خود را دارد، به ویژه در مقاومت گرما، که به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان آن در کاربردهای دمای بالا تاثیر می گذارد.

مقاومت گرمایی CFRP توسط یک عامل واحد تعیین نمی شود بلکه توسط تعامل بین الیاف کربن و ماتریس پلیمر آنها تعیین می شود.درک این رابطه برای ارزیابی عملکرد حرارتی کلی بسیار مهم است.

این الیاف که عمدتاً از اتم های کربن تشکیل شده اند، ثبات حرارتی قابل توجهی را نشان می دهند. اکثر الیاف کربن در دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد یکپارچگی ساختاری را حفظ می کنند.به این معنی که آنها به ندرت به حلقه ضعیف در مقاومت گرما CFRP تبدیل می شوند..

تحقیقات نشان می دهد که گونه های تخصصی مانند فیبر کربن مبتنی بر پچ می توانند تا 3000 درجه سانتیگراد در جوهای بی اثر با از دست دادن قدرت ناچیز مقاومت کنند.

برخلاف الیاف، مواد متریکسی رایج مانند رزین اپوکسی، پلی اورتان و وینیل استر معمولا بین 150-250 درجه سانتیگراد تخریب می شوند. فراتر از این آستانه ها، نرم شدن متریکس، تجزیه،و اکسیداسیون رخ می دهد، به طور چشمگیری مقاومت کامپوزیت را کاهش می دهد

تجزیه و تحلیل مکانیکی پویا نشان می دهد که رزین های اپوکسی در نزدیکی دمای انتقال شیشه ای (Tg) ، کاهش شدید در مدول ذخیره را تجربه می کنند و از دست دادن سفتی را نشان می دهند.

پیوند بین فیبر و ماتریس به طور قابل توجهی بر عملکرد حرارتی تأثیر می گذارد. دمای بالا این رابط را تضعیف می کند و انتقال بار و ظرفیت ساختاری کلی را کاهش می دهد.

میکروسکوپی اسکن الکترونی تایید می کند که بعد از پیری حرارتی، افزایش عدم اتصال فیبر متریکس، نشان دهنده تأثیر مضر گرما بر چسبندگی رابط است.

محدودیت های دمای عملیاتی CFRP به طور قابل توجهی با مواد ماتریس متفاوت است:

• رزین های اپوکسی:گسترده ترین ماتریس مورد استفاده (120-150 ° C) ، مناسب برای برنامه های کاربردی هوافضا و خودرو اما با مقاومت گرمایی متوسط.
• رژ های پلی اورتان:ارائه عملکرد کمی بهتر (150-180 °C) ، ترجیح داده می شود برای اجزای مورد نیاز انعطاف پذیری و مقاومت در برابر لباس.
• از مواد شیمیایی:مقاومت شیمیایی و تحمل حرارت متوسط (180-200 ° C) ، ایده آل برای محیط های خشن.
• رزین های فنولیک:ثبات حرارتی بالاتری (250 درجه سانتیگراد+) را ارائه می دهد، که در کاربردهای شدید مانند اجزای نوزل موشک استفاده می شود.

محققان روش های مختلفی را برای افزایش محدودیت های حرارتی CFRP استفاده می کنند:

رزین های با کارایی بالا مانند پلی آمید ها و پلی اتری اتریکتون (PEEK) در مقایسه با گزینه های معمولی به طور قابل توجهی در برابر دماهای بالاتر مقاومت می کنند.در قطعات موتور جت که در معرض گرما و فشار مکانیکی شدید هستند استفاده می شود.

این پیشرفت ها شامل:

• شامل افزودنی های مقاوم در برابر گرما مانند نانوسیلیکا یا نانولوله های کربن برای افزایش Tg و نقاط تجزیه
• مخلوط رزین برای ترکیب مزیت های مواد
• اصلاحات شیمیایی برای تغییر ساختار مولکولی برای بهبود ثبات

انتخاب فیبرهای کربن با درجه بالاتر و بهینه سازی جهت گیری و غلظت آنها می تواند عملکرد حرارتی را بهبود بخشد.

استفاده از موانع حرارتی سرامیکی یا سیلیکونی، ماتریس را از قرار گرفتن در معرض گرما محافظت می کند.

درمان های سطحی مانند عملکرد اکسیداتیو یا عوامل اتصال سیلان پیوند فیبر ماتریکس را تقویت می کنند و عملکرد در دمای بالا را افزایش می دهند.

قابلیت های حرارتی CFRP قابلیت زندگی آن را در محیط های سخت تعیین می کند:

• هوافضا:اجزای موتور، نوزل های موشک و سیستم های حفاظت حرارتی
• خودرو:قطعات موتور، سیستم های خروجی و اجزای ترمز
• انرژی:لوله کشی و پوشش راکتور با دمای بالا
• ورزش:وسایل نقلیه با عملکرد بالا و تجهیزات نیاز به مقاومت گرما

پیشرفت های آینده بر توسعه رزین های جدید، تکنیک های تولید بهبود یافته و مدل سازی عملکرد حرارتی دقیق تر برای گسترش کاربردهای CFRP در دمای بالا متمرکز خواهد بود.