Aviācijas un kosmosa industrijas pieprasījums pēc viegliem, -izturīgiem un ļoti uzticamiem kompozītmateriāliem ir veicinājis sasniegumus epoksīdsveķu-bāzes oglekļa šķiedras priekšapstrādes tehnoloģijā, koncentrējoties uz vairāku-mērogu strukturālo dizainu un saskarnes uzlabošanu. Šajā rakstā sistemātiski tiek pētīti saskarnes pastiprināšanas mehānismi un vairāku{4} mēroga sinerģiski efekti no perspektīvām, tostarp oglekļa šķiedras virsmas modifikācijas, nanopastiprinājuma regulēšanas, sveķu matricas rūdīšanas un procesa optimizācijas. Izmantojot aviācijas -pakāpes iepriekšējas sagatavošanas gadījumu izpēti, tajā ir piedāvāts tehnisks ceļš, integrējot molekulārās dinamikas simulācijas ar procesa parametru savienošanas optimizāciju, nodrošinot teorētisku atbalstu nākamās paaudzes aviācijas un kosmosa kompozītu izstrādei.
Oglekļa šķiedru pastiprināti epoksīda kompozītmateriāli (CFRP), CFRP ir kļuvis par galveno materiālu aviācijas un kosmosa primārās slodzes{0}}nesošajām konstrukcijām, pateicoties tā augstajai īpatnējai izturībai, noguruma izturībai un dizaina elastībai. Tomēr problēmas joprojām pastāv: nepietiekama saskarnes savienojuma stiprība oglekļa šķiedras virsmas inerces dēļ, stingrības trūkumi no ļoti šķērssaistām sveķu matricām un porainības kontrole sarežģītu komponentu ražošanas laikā. Jaunākie pētījumi akcentē daudz-mērogu stiegrojuma regulēšanu un saskarnes ķīmiskās savienošanas tehnoloģijas. Sinerģiski efekti, ko rada nanodaļiņas, ūsas struktūras un molekulārā -līmeņa saskarnes dizains, var ievērojami uzlabot slodzes pārneses efektivitāti un toleranci pret bojājumiem.
I. Mēroga oglekļa šķiedras virsmas modifikācijas-
1,Ķīmiskā potēšana un oksidēšana
Oksidācija: Gāzes -fāzes (O₃/O₂ maisījumi) vai šķidrās-fāzes (HNO₃ iegremdēšana) oksidēšana ievieš karboksil/hidroksilgrupas, lai uzlabotu mitrināmību.
Potēšana: potēšana ar amino-terminētu naftalīndiimīdu (NDI) vai polietilēnimīnu (PEI) izveido kovalentās saites starp šķiedrām un epoksīdu. PEI (MW=600) palielina saskarnes bīdes izturību (IFSS) par 38,9% un lieces izturību par 36,7%.
2,Nanopastiprinājuma hibrīda modifikācija
CNT potēšana: CNT, kas noenkuroti ar π-π sakraušanu un karboksil-amīna reakcijām, rada "kniedes" struktūras. Ja masas attiecība ir CF-PEI/CNT-COOH=2:1, IFSS palielinās par 74,1% un lieces izturība par 55,2%.
GO noenkurošana: vertikāli izlīdzinātas GO loksnes veido vidēju{0}}modulu starpslāņus spriedzes pārnešanai. Optimāla CF-PEI/GO=40:1 attiecība nodrošina nanomēroga starpslāņu atstatuma kontroli.
3,Whiskerization un nanofiber saskarnes
Hlorēta aramīda nanošķiedras (CI-ANF) pārklājums: plazmas-apstrādātas šķiedras, kas pārklātas ar CI-ANF tīkliem, izmantojot iegremdējamo-pārklājumu, uzlabo IFSS par 79,8% un īso-staru bīdes izturību (SBS) par 33,7% ar vanu, hidrobonu un ūdeņraža spēku. π-π mijiedarbība, nesamazinot stiepes izturību.
II. Epoksīda matricas rūdīšana un reoloģijas kontrole
1,Reaktīvie savstarpējie tīkli
Gumijas-čaulas daļiņas vai termoplastu/epoksīda maisījumi veido savstarpēji šķērsojošus tīklus. Pie 10% stingrāka satura kompresijas-pēc-trieciena (CAI) izturība sasniedz 330 MPa, izturība pret lūzumiem palielinās par 40%, samazinoties tikai par 6 grādu Tg.
2,Reoloģijas optimizācija
Reaktīvie šķīdinātāji (piemēram, butilglicidilēteris) samazina sveķu viskozitāti no 5000 līdz 1500 mPa·s, uzlabojot šķiedru impregnēšanu un līdz minimumam samazinot prepreg porainību.
III. Vairāku- mēroga procesu sinerģija
1,Interfeisa regulēšana un kausējuma impregnēšana
Saderības līdzekļi uzlabo šķiedru/termoplastisko adhēziju (piemēram, ievērojami uzlabo IFSS).
Transkristāliskuma kontrole: temperatūras/laika optimizācija palielina transkristāliskā slāņa biezumu un saskarnes izturību.
2,Aerospace Prepreg gadījumu izpēte
T800 oglekļa šķiedra/epoksīds: laukuma blīvums 120 g/m², sveķu saturs 38%, stiepes izturība 2800 MPa (spārnu apvalki).
Toray T1100G/3960 sveķi: stiepes izturība 6,3 GPa, modulis 310 GPa (Airbus A350 fizelāža).
IV. Saskarnes mehānismi un raksturojums
Vairāki-mēroga interfeisa modeļi
- Mehāniskās bloķēšanas teorija: virsmas raupjums uzlabo šķiedru/sveķu noenkurošanu.
- Ķīmiskās saites teorija: kovalentās saites, izmantojot potētas funkcionālās grupas.
- Starpfāzu teorija: vidēja{0}}modula starpslāņi mazina stresa koncentrāciju.
Mikroskopijas metodes
- XPS: virsmas ķīmiskā analīze.
- SEM: saskarnes morfoloģija/atteices režīmi.
- AFM: raupjuma/elastības moduļa gradienta kartēšana.
V. Secinājumi un perspektīvas
Epoksīda-bāzes oglekļa šķiedras prepregiem ir nepieciešamas vairāku{1} mēroga modifikācijas, matricas rūdīšana un procesa sinerģija, lai uzlabotu kosmosa lietojumus. Nākotnes virzieni:
- Bio{0}}saderības līdzekļi: atjaunojamas alternatīvas, lai samazinātu ietekmi uz vidi.
- Digitālie dvīņi: procesa simulācijas, lai optimizētu porainību un šķiedru sadalījumu.
- Pašdziedinošas saskarnes: dinamiskas kovalentās saites/supramolekulāras mijiedarbības bojājumu novēršanai.
Izmantojot starpdisciplinārus jauninājumus, šie kompozītmateriāli paplašināsies līdz ekstrēmos lietojumos, piemēram, dzinēju lāpstiņās un dziļās{0}}kosmosa zondēs, virzot kosmosa sistēmas uz vieglākām, spēcīgākām un viedākām paradigmām.
Avots: Composites Eco-Circle