Porównanie właściwości żywicy
Wybór systemu żywicy, który ma być stosowany w dowolnym komponencie, zależy od wielu jego właściwości, następujące są prawdopodobnie najważniejsze w większości struktur kompozytowych:
1. Właściwości wiązania
2. Właściwości mechaniczne
3. Mikroskopowa odporność na pęknięcie
4. Siła zmęczenia
5. Degradacja korozji wody
Właściwości wiązania
Omówiono, w jaki sposób właściwości przyczepności układu żywicy są ważne w osiągnięciu pełnego zakresu właściwości mechanicznych kompozytu. W strukturach kanapkowych ważna jest przyczepność matrycy żywicy do zbrojenia lub materiału rdzenia.
Żywice poliestrowe zazwyczaj mają najniższe właściwości przyczepności trzech opisanych tutaj systemów. Żywice winylowe Lester wykazują lepsze właściwości wiązania niż poliestry, ale systemy żywicy epoksydowej zapewniają najlepszą wydajność wszystkich klejów, a zatem często znajdują się w wielu klejach o dużej wytrzymałości. Wynika to z ich składu chemicznego i obecności grup hydroksylowych i eterowych polarnych. Ponieważ żywice epoksydowe wyleczają się z niską szybkością skurczania, różne styki powierzchniowe ustalone między żywicą ciekłą i adheredami nie są zakłócane podczas procesu utwardzania. Właściwości wiązania żywic epoksydowych są szczególnie przydatne w budowie laminatów rdzenia plastra miodu, w których niewielka powierzchnia wiązania oznacza, że wymagane jest maksymalne wiązanie.
Siła wiązania między żywicą a włóknem zależy nie tylko od właściwości wiązania układu żywicy, ale wpływa również na powłokę powierzchniową włókien wzmacniających.
Właściwości mechaniczne
Dwie ważne właściwości mechaniczne dowolnego układu żywicy to wytrzymałość na rozciąganie i sztywność. Ryciny 22 i 23 pokazują wyniki testów przeprowadzonych na dostępnych w handlu poliester, winylu Lester i systemie żywicy epoksydowej wyleczone na 20 stopni i 80 stopni.
Po siedmiodniowym okresie utwardzania w temperaturze pokojowej można zauważyć, że typowe żywice epoksydowe oferują wyższą wydajność zarówno pod względem wytrzymałości, jak i sztywności niż typowe poliestry i estry winylowe. Można również zobaczyć korzystne skutki utwardzania przez pięć godzin po 80 stopniach.
Równie ważne dla kompozytowych projektantów i budowniczych jest skurcz żywicy podczas i po utwardzaniu. Skurcz wynika z rearanżacji i reorientacji cząsteczek żywicy w fazach ciekłej i pół-żelowej. Poliestry i estry winylowe wymagają znacznej przegrupowania molekularnego, aby osiągnąć stan utwardzony i mogą wykazywać skurcz do 8%. Jednak różna natura reakcji epoksydowej powoduje bardzo niewielkie przegrupowanie i brak lotnych produktów bi-produktów, zmniejszając typowy kurczenie się epoksydowe do około 2%. W pewnym stopniu brak skurczu jest odpowiedzialny za lepsze właściwości mechaniczne epoksydu niż poliester, ponieważ skurcz jest związany z naprężeniami wewnętrznymi, które mogą osłabić materiał.
Ponadto skurcz w grubości laminatu prowadzi do „przedruku” wzoru włókna wzmacniającego, który jest trudną i kosztowną wadą kosmetyczną do wyeliminowania.
Pęknięcia mikroskopowe
Siła laminatu jest zwykle rozważana pod względem tego, ile obciążenia można wytrzymać, zanim całkowicie się nie powiedzie. Ta ostateczna siła lub siła zerwania jest punktem, w którym żywica wykazuje katastrofalne pękanie i pęknięcie włókien wzmacniających.
Jednak przed osiągnięciem tej ostatecznej wytrzymałości laminat osiągnie poziom naprężenia, w którym żywica zacznie pękać z warstw wzmacniających włókno, które nie są wyrównane z przyłożonym obciążeniem, a pęknięcia te będą rozprzestrzeniać się przez matrycę żywicy. Jest to znane jako „poprzeczne mikrokracowanie” i chociaż laminat jeszcze się nie zawiódł, proces pękania już się rozpoczął. Inżynierowie, którzy chcą trwałej struktury, muszą zatem zapewnić, że ich laminaty nie przekraczają tego punktu w ramach regularnych obciążeń serwisowych.
Odkształcenie, które laminat może osiągnąć przed mikro-szarpaniem, jest bardzo zależne od właściwości wytrzymałości i wiązania układu żywicy. W przypadku kruchego systemów żywicy, takich jak większość poliestrów, występuje to na długo przed awarią laminatu, a zatem ogranicza odkształcenie, które takie laminaty mogą wytrzymać. Na przykład ostatnie testy wykazały, że w przypadku laminatów tkanin poliesterowych\/szkła, mikrokracowanie zwykle występuje przy około 0. Odpowiada to użytecznej sile tylko 10% najwyższej siły. Ponieważ ostateczna wytrzymałość laminatu pod napięciem jest określana przez wytrzymałość włókien, mikrookrakty żywiczne nie od razu zmniejszają ostateczną wydajność laminatu.
Jednak w środowiskach, takich jak woda lub wilgotne powietrze, mikrokrerakowy laminat pochłonie więcej wody niż nieokreślony laminat. Spowoduje to wzrost masy, wilgoci w środku żywicy i światłowodu, spadek sztywności i spadek ostatecznej wydajności w czasie.
Wzrost przyczepności żywicy\/włókien zwykle wynika z chemii żywicy i jej zgodności z chemicznym obróbką powierzchniową zastosowaną do włókien. W tym przypadku dobrze znane właściwości klejów epoksydowych pomagają laminować osiągnąć wyższe szczepy mikrokredycyjne. Jak wspomniano wcześniej, wytrzymałość żywicy jest trudna do zmierzenia, ale jest powszechnie wskazywana przez jego najwyższe odkształcenie awarii. Porównanie różnych systemów żywicy pokazano na rycinie 25.
Siła zmęczenia
Zasadniczo kompozyty mają doskonałą odporność na zmęczenie w porównaniu do większości metali. Ponieważ jednak niewydolność zmęczeniowa jest często spowodowana stopniowym gromadzeniem się niewielkiej ilości uszkodzeń, na zachowanie zmęczeniowe dowolnego materiału kompozytowego będzie miało wpływ twardość żywicy, jej odporność na mikrokrakię oraz liczbę pustek i innych defektów występujących podczas procesu produkcyjnego. Z tego powodu laminaty podstawy epoksydowej wykazują bardzo dobrą odporność na zmęczenie w porównaniu z estrem poliestrowym i winylowym, co jest jednym z głównych powodów ich zastosowania w aerostrukturach.
Degradacja korozji wody
Ważną cechą każdej żywicy, szczególnie w środowisku morskim, jest jego zdolność do wytrzymywania degradacji przez przychodzącą wodę. Wszystkie żywice pochłaniają część wody, zwiększając wagę do laminatu, ale co ważniejsze, jak woda wchłonięta wpływa na wiązanie żywicy i żywicy\/włókna w laminatu, co prowadzi do stopniowej i długoterminowej utraty właściwości mechanicznych. Zarówno żywice poliestrowe, jak i estru winylowe są podatne na degradację wody z powodu obecności hydrolizowanych grup estrów w strukturze molekularnej.
W rezultacie można oczekiwać, że cienkie laminaty poliestrowe zachowają tylko 65% siły ścinania między warstwami po roku zanurzenia w wodzie, podczas gdy laminaty żywicy epoksydowej zatrzymają około 90% po roku zanurzenia.
Rycina 26 pokazuje wpływ wody na laminaty szkła epoksydowego i poliestrowego, które zanurzono w wodzie w wysokości 100 stopni. To zanurzenie w wysokiej temperaturze daje zanurzone laminaty przyspieszone właściwości degradacji.
Przepuszczalność
Wszystkie laminaty w środowisku morskim pozwalają przepływać przez nie małe ilości wody w postaci pary. Gdy woda przechodzi, reaguje z dowolnymi hydrolizowanymi składnikami w laminatu, tworząc małe komórki stężonego roztworu. W cyklu osmotycznym więcej wody przechodzi przez półprzepuszczalną błonę laminatu, próbując rozcieńczyć ten roztwór. Ta woda zwiększa ciśnienie płynu wewnątrz komórki do 700 psi. Ostatecznie ciśnienie deformuje lub pęknie laminat lub płaszcz żelowy i może powodować typową powierzchnię „ospy wietrznej”. Hydrolizowane składniki w laminatu mogą obejmować brud i zanieczyszczenia uwięzione podczas procesu produkcyjnego, ale mogą również obejmować wiązania estrowe w utwardzonym poliestru i, w mniejszym stopniu, winylowe lath.
Zastosowanie warstwy bogatej w żywicę obok płaszcza żelowego jest niezbędne dla żywic poliestrowych w celu zmniejszenia tego rodzaju degradacji, ale zwykle jedynym lekarstwem po rozpoczęciu procesu jest zastąpienie dotkniętego materiału. Aby zapobiec wystąpieniu infiltracji, konieczne jest użycie żywicy, która ma zarówno niską przepuszczalność, jak i wysoką odporność na erozję wody. Blister można praktycznie wyeliminować, gdy jest stosowany w połączeniu z materiałem wzmacniającym, który ma podobny odporność na obróbkę powierzchni i jest laminowana do bardzo wysokiego standardu. Łańcuchy polimerowe z łańcuchami epoksydowymi odpowiadają wpływowi wody znacznie lepiej niż wiele innych systemów żywicy. Wykazano, że takie systemy mają doskonałą odporność chemiczną i wodną, niską przepuszczalność wody i bardzo dobre właściwości mechaniczne.
Podsumowanie właściwości żywicy porównawczej
Omawiane tutaj żywice poliestrowe, winylowe i żywice epoksydowe prawdopodobnie stanowią około 90% wszystkich systemów żywicy termosetowej stosowanych w kompozytach strukturalnych. Podsumowując, główne zalety i wady tego typu są:
Inne żywice kompozytów
Oprócz żywicy poliestrowej, estru winylowego i epoksydowego, istnieje wiele innych specjalistycznych systemów żywicy, w których potrzebne są ich unikalne właściwości.
Żywice fenolowe
Głównie stosowany tam, gdzie wymagana jest wysoka odporność na ogień, żywice fenolowe dobrze zachowują swoje właściwości w wysokich temperaturach. W przypadku materiałów utwardzanych w temperaturze pokojowej zastosowanie kwasów żrących prowadzi do nieprzyjemnego obsługi. Skondensowany charakter ich procesu utwardzania ma tendencję do włączenia wielu pustek i wad powierzchniowych, żywica ma tendencję do kruchości i ma słabe właściwości mechaniczne. Typowy koszt: £ 2-4\/kg.
Izocyjanian fenylu
Stosowane głównie w branży lotniczej. Doskonałe właściwości dielektryczne materiału sprawiają, że jest idealny do stosowania w niskich włókien dielektrycznych, takich jak kwarc, które są stosowane w produkcji radomy. Materiał jest również stabilny temperaturę do 200 stopni mokry. Typowy koszt: 40 £\/kg.
Żywice silikonowe
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 £\/ kg.
Poliuretan
Materiał o wysoce plastycznym, czasem mieszany z innymi żywicami, ze względu na stosunkowo niskie laminowane właściwości mechaniczne w ściskanie. Wykorzystuje niebezpieczne izocyjaniany jako środki utwardzające. Typowy koszt: £ 2-8\/kg.
Bismaleimid (BMI)
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 £\/kg.
Poliimid
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) z toksycznymi surowcami stosowanymi w procesie produkcyjnym. Poliimidy są trudne do pracy ze względu na reakcję kondensacyjną, która uwalnia wodę podczas procesu utwardzania i są stosunkowo kruche po utwardzaniu. PMR15 i LARC160 są dwoma najczęściej stosowanymi poliimidami w kompozytach.
Źródło „granice w kompozytach”