Длина стекловолокна: почему она определяет предельные эксплуатационные характеристики композитных материалов.

Тот же состав PA66, та же традиционная концентрация коротких стекловолокон — но прочность на растяжение детали, изготовленной методом литья под давлением, составляет лишь половину от прочности детали, изготовленной методом компрессионного формования.

Инженер-материаловед был озадачен: если сырье и содержание волокон абсолютно одинаковы, почему же наблюдается такая огромная разница в характеристиках?

Ответ кроется всего в двух словах:длина волокна.

В процессе литья под давлением высокоскоростные сдвиговые силы внутри шнека могут разрушать стекловолокна до средней длины всего лишь...200–400 мкмНапротив, более щадящий процесс компрессионного формования позволяет стекловолокнам сохранять свою длину.2–4 мм или даже длиннее.

Упрочняющий эффект стекловолокна в основном зависит отСоотношение сторон волокна (Д/Д)Чем длиннее волокно и чем выше соотношение сторон, тем эффективнее передается напряжение между полимерной матрицей и волокнами, что в конечном итоге повышает предел прочности композита.

Модель Келли-Тайсона: фундаментальное уравнение, лежащее в основе армирования волокнами.

В 1965 году Келли и Тайсон предложили модель вытягивания одиночного волокна, которая с тех пор стала одной из теоретических основ армированных волокнами композитных материалов. Ее основное уравнение удивительно простое:

гдеσcэто прочность композитного материала.σmэто прочность матрицы.Вф— это объемная доля волокна, иσfэто прочность волокна.

Физический смысл критической длины волокна (Lc)

Для эффективной передачи нагрузки от матрицы к волокну касательное напряжение на границе раздела волокно-матрица должно действовать на достаточной длине внедренного волокна.

гдеддиаметр волокна иτ— это прочность на сдвиг на границе раздела фаз.

• Длина волокна > 740 мкм:Эффективное подкрепление
• Длина волокна Эффективность подкрепления резко падает.
• Длина волокна ≈ 200 мкм:Значительно меньше критической длины, что приводит к существенному снижению эффективности армирования.

Межфазная прочность на сдвиг τ: ключевая переменная, которую часто упускают из виду.

В модели Келли-Тайсона,τопределяет критическую длину волокнаЛкЧем выше прочность на сдвиг на границе раздела фаз, тем короче критическая длина волокна, что позволяет более коротким волокнам более эффективно выдерживать нагрузку.

1. Физическое трение:Механическое сцепление между шероховатой поверхностью волокна и полимерной матрицей.
2. Химическое взаимодействие:Химическое взаимодействие между средствами обработки поверхности волокон или связующими агентами и полимерной матрицей.

Например, в случае полипропилена, армированного стекловолокном, используется следующее:ПП-г-МАГможет значительно улучшить адгезию на границе раздела фаз и уменьшить критическую длину волокна.

Ловушка соотношения сторон

Многие производители лекарственных препаратов в первую очередь ориентируются наСодержание стекловолокна (мас.%)при наблюдениидлина волокнаЭто одно из самых распространенных заблуждений в отношении армированных волокном пластмасс.

Фундаментальное различие междуДлинноволоконное стекловолокно (LGF)иКороткое стекловолокно (SGF)Таким образом, важна не просто концентрация волокон, а способность сохранять достаточно высокое соотношение длины и диаметра волокон после обработки.

Сравнение решений: коротковолокно, длинноволокно и непрерывное волокно.

Практические рекомендации по составлению рецептур

1. Система с короткими стекловолокнамиДетали, изготовленные методом литья под давлением

• В процессе экструзии на двухшнековом экструдере стекловолокно следует вводить черезбоковой питатель. Поддерживайте скорость вращения винта ниже указанного значения.300 об/минчтобы свести к минимуму повреждение волокон.
• При литье под давлением используйтебольший затвор и соответствующим образом регулируемая скорость впрыскадля уменьшения вторичных повреждений волокон.
• Следует оценить длину волокна.после обработкивместо того, чтобы полагаться исключительно на исходную длину волокна.

2. Система с длинными стекловолоконными волокнами/ Компрессионное формование и LFT

• Начальная длина стекловолокна:10–25 ммвнедряется посредством специализированных процессов пропитки, таких какГМТ или ЛФТ-Д.
• Конечная длина волокна может быть сохранена приблизительно на уровне...2–6 мм.
• Прочность на растяжение может быть значительно выше, чем у обычных деталей, армированных короткими волокнами.
• Стоимость материалов может увеличиться на20–30%Однако в конструкционных приложениях улучшение характеристик может значительно перевесить дополнительные затраты.

3. Выбор связующего агента

Типичные виды отказов