Термопластики, содержащие армирование короткими волокнами, впервые были представлены на рынке в 1960-х годах. [1] Наиболее распространенным типом волокон, используемых в термопластиках с короткими волокнами, являются стекловолокно и углеродное волокно [2] . Добавление коротких волокон в термопластичные смолы улучшает эксплуатационные характеристики композита для легких применений. [1] Кроме того, термопластиковые композиты с короткими волокнами проще и дешевле в производстве, чем композиты, армированные непрерывными волокнами. [1] Этот компромисс между стоимостью и эксплуатационными характеристиками позволяет использовать термопластики с короткими волокнами в бесчисленном количестве применений.
Механические свойства композитов, армированных короткими волокнами, в значительной степени зависят от распределения длины волокон (FLD) и распределения ориентации волокон (FOD). [3] В частности, прочность композитов, армированных короткими волокнами, увеличивается с увеличением средней длины волокон и с уменьшением среднего угла ориентации волокон (угла между осью волокон и направлением нагрузки). [3] [4] Модуль упругости (E) несоосных полимерных композитов, армированных короткими волокнами, зависит от распределения длин и ориентаций волокон в структуре композита. [5] В целом, модуль упругости композита увеличивается с уменьшением среднего угла ориентации волокон и с увеличением коэффициента ориентации волокон; а модуль упругости увеличивается с увеличением средней длины волокон, когда средняя длина волокон мала. Когда средняя длина волокон велика, она почти не влияет на модуль упругости композитов, армированных короткими волокнами. [5]
Важным характеризующим параметром композитов с короткими волокнами является соотношение сторон (s), определяемое как отношение длины (l) к диаметру (d) волокон, используемых в качестве армирования:
Значение s может варьироваться в зависимости от типа и конструкции волокна, принимая значения приблизительно от 50 до 500. [6] Соотношения сторон могут влиять на такие свойства, как деформация до разрушения и ударная вязкость. Более высокое соотношение сторон приведет к более низким значениям деформации при разрушении и ударной вязкости из-за угловатых частиц, вызывающих образование трещин. [7]
Короткие армированные волокнами композиты все чаще используются в качестве конструкционного материала, поскольку они обеспечивают превосходные механические свойства и могут быть легко изготовлены с помощью быстрого и недорогого процесса литья под давлением, экструзии и с помощью техники напыления . [8] Важной проблемой для коротких волокон термопластичных композитов является образование и рост пустот в ходе производственных процессов. Было показано, что пустоты имеют тенденцию зарождаться на концах волокон, и их содержание зависит от условий обработки, концентрации волокон и длины волокон. [8] Например, в процессе литья под давлением рост пузырьков подавляется охлаждением материала под давлением. Измерения плотности подтверждают гораздо более низкое содержание пустот (-1%) в образцах, полученных литьем под давлением, по сравнению с экструдатами. [8] Другим фактором, играющим важную роль в образовании пустот, является скорость охлаждения. При охлаждении расплава сначала затвердевают внешние поверхностные слои. Эти слои сдерживают усадку материала внутри расплава. Это приводит к внутреннему образованию пустот. В результате более медленные скорости охлаждения уменьшают содержание пустот в композите. Наконец, в экструдированной структуре более длинные волокна приводят к более высокому содержанию пустот. Это неожиданное поведение [8] обусловлено преодолением других факторов, таких как вязкость, давление экструзии и скорость сдвига, которые делают анализ этого явления очень сложным.
Коротковолокнистые термопластики можно моделировать как матрицу с волокнистыми включениями. [9] Согласно модели включений, напряжение внутри материала пропорционально произведению объемной доли включений и напряжения внутри одного включения. [10] Другими словами, напряжение внутри композита пропорционально объемной доле волокон и напряжению на одном волокне. Используя теорию среднего поля и модель Мори-Танака, напряжения внутри коротковолокнистого термопластика можно моделировать вычислительно. [9] Предполагая, что матрица является ньютоновским материалом , ползучесть от приложенного напряжения сдвига можно аппроксимировать из равновесной термодинамики. [11] Это даст информацию о реологическом отклике композита .
Коротковолокнистые армированные термопластики имеют широкий спектр применения благодаря свойствам армирования волокнами. [2] Коротковолокнистые термопластики способны выдерживать до 30 000 фунтов на квадратный дюйм приложенной растягивающей нагрузки и имеют модуль упругости порядка 2 x 10 6 фунтов на квадратный дюйм. [1] Они идеально подходят для применений, для которых прочность имеет решающее значение, требуется крупносерийное производство, а длительный срок хранения и переработка лома являются важными вопросами. [1] При всех этих эксплуатационных возможностях одним из самых больших преимуществ использования коротковолокнистых армированных термопластиков является их простота обработки и пригодность к повторной переработке. [1] [12] Простота обработки стала ключевым фактором для широкого использования коротковолокнистых армированных термопластиков. [2] Эффективные методы обработки и возможность переработки лома обеспечивают значительное снижение затрат по сравнению с термореактивными соединениями и металлами. По этой причине коротковолокнистые армированные термопластики востребованы в электротехнической и электронной, автомобильной, нефтедобывающей, химической и оборонной промышленности. [1] Хотя термопластики с короткими волокнами за последние годы значительно усовершенствовались и заняли прочное место на колоссальном рынке, дальнейшее совершенствование технологий компаундирования и обработки, а также усовершенствование конструкции деталей могут значительно расширить диапазон рабочих характеристик этих материалов, что позволит использовать их в большем количестве областей применения в будущем.
Литье под давлением является традиционным экономически эффективным методом производства термопластиков с короткими волокнами. Условия обработки, такие как температура и давление пресс-формы, а также время заполнения, геометрия детали, положение и количество инжекционных литников являются основными факторами, влияющими на распределение волокон. [12] В результате, в зависимости от общей толщины изготовленных деталей, а также расстояния от стенки пресс-формы, можно наблюдать различные распределения ориентации волокон. В тонком слое в средней толщине ориентации волокон предпочтительно перпендикулярны направлению потока пресс-формы, в то время как в двух толщинах вблизи стенки волокна предпочтительно соответствуют направлению потока пресс-формы. [4]
Аспект термопластиков, который отличает их от металлических материалов, заключается в их зависящих от времени свойствах, а также относительно низких температурах плавления. В результате частота, с которой прикладывается нагрузка, или скорость приложенной нагрузки является определяющим фактором механических свойств таких материалов. Из-за низкой теплопроводности термопластиков выделяемое тепло из-за рассеивания энергии при приложении нагрузки приводит к самонагреву или термической деградации. В термопластиках с короткими волокнами фрикционный нагрев между волокном и матрицей, а также более высокая интенсивность напряжения вблизи концов волокон увеличивают степень самонагрева. [13]
