Решения проблем смачивания смолы в композитах из углеродно-арамидных тканей и влияние на содержание пустот и механические характеристики

I. Сложности гибридных композитов

углеродно-арамидная ткань Гибридный композит — это материал, разработанный для экстремальных условий эксплуатации, сочетающий высокую жесткость и прочность углеродных волокон в сочетании с исключительной ударопрочностью и устойчивостью к повреждениям арамидных волокон. Эта смесь имеет решающее значение в таких технических секторах, как аэрокосмическая техника, автомобилестроение и производство высокопроизводительного спортивного оборудования. Однако производство этих гибридных компонентов представляет собой серьезное техническое препятствие: присущая арамидным волокнам низкая поверхностная энергия, что часто приводит к плохому смачиванию смолы и, как следствие, к высокому содержанию пустот и ухудшению механических свойств. Компания Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. специализируется на комплексной разработке и производстве высокоэффективных волокнистых композитных материалов. Работая на базе промышленного комплекса площадью 32 000 квадратных метров, включая производственные помещения с точным контролем, такие как мастерские с климат-регулированием и зоны очистки 100 000 классов, мы используем интегрированные инновации в материалах и инженерный опыт. Как универсальная фабрика, наши возможности охватывают весь процесс: от ткачества и производства препрегов до конечного производства композитных материалов с использованием таких технологий, как автоклав, RTM и PCM.

3k 1000d/1500d обычная/саржевая ткань из арамидного углерода и смешанного углеродного волокна

II. Проблема смачивания смолы: низкая поверхностная энергия арамида

Смачивание регулируется принципами химии поверхности, в частности балансом между поверхностной энергией волокна и поверхностным натяжением смолы. Арамидные волокна благодаря своей высокоориентированной ароматической полимерной структуре химически инертны и имеют очень низкую поверхностную энергию (часто около 30-40 мН/м). Эта низкая поверхностная энергия приводит к большому углу контакта со стандартными эпоксидными или винилэфирными смолами, предотвращая капиллярное действие (растекание) смолы и тщательное проникновение в пучки волокон. Отсутствие межфазной адгезии резко ухудшает передачу структурной нагрузки, которая является основной целью любого композита.

А. Решение для препрега из арамидного волокна с низкой поверхностной энергией

Для процесса препрега, где смола частично отверждается на волокне, раствор препрега с низкой поверхностной энергией из арамидного волокна часто включает в себя изменение условий обработки для улучшения проникновения. Обычно это включает повышение температуры препрега для временного снижения вязкости смолы и применение более высокого давления на начальном этапе пропитки. Хотя процесс препрега (широко используемый Dongli) обычно дает более низкое содержание пустот, чем мокрая укладка, благодаря контролируемому содержанию смолы и вакуумной консолидации, арамидный компонент по-прежнему представляет проблемы по сравнению с легко смачиваемыми углеродными волокнами в углерод-арамидной ткани. Сравнение методов обработки подчеркивает сложность:

III. Решения: модификация поверхности и оптимизация смолы

Инженеры должны активно вмешиваться, чтобы улучшить интерфейс углеродно-арамидной ткани, используя либо модификацию поверхности волокна, либо корректировку состава смолы.

А. Обработка поверхности для приклеивания арамидных волокон к смоле

most impactful intervention is pre-treating the aramid filaments. Effective surface treatment for aramid fiber resin adhesion includes chemical etching (e.g., acid or alkaline solutions) or plasma treatment. These processes introduce active functional groups (elike hydroxyl or carboxyl groups) onto the aramid surface, increasing its surface energy and creating strong covalent bonds or hydrogen bonds with the polymer matrix. The critical trade-off is ensuring the treatment improves adhesion without causing structural damage to the aramid's highly crystalline structure, which would compromise its inherent tensile strength.

Б. Методы улучшения смачивания смолы углеродно-арамидной ткани

Если модификация волокна невозможна, необходимо использовать модификацию смолы. Методы улучшения смачивания смолы углеродно-арамидной ткани направлены на доведение поверхностного натяжения смолы до уровня ниже поверхностной энергии волокна (уравнение Янга). Это предполагает добавление в рецептуру смолы определенных поверхностно-активных веществ или нереакционноспособных разбавителей. Кроме того, такие процессы, как трансферное формование смолы (RTM) или вакуумная инфузия смолы (VARI), используемые на предприятии Dongli, основаны на точном вакуумном давлении и контролируемой скорости потока, чтобы механически нагнетать смолу в плотно сплетенные арамидные пучки, компенсируя плохое естественное смачивание.

IV. Последствия: пустотное содержимое и механическая деградация.

Неспособность добиться достаточного смачивания смолой оказывает прямое, поддающееся количественной оценке негативное воздействие на структурную целостность и характеристики готовой детали из композитного материала из углерод-арамидной ткани.

А. Гибридный углеродно-арамидный композит. Воздействие пустотного содержания.

Недостаток смачивания смолы является основной причиной пористости или содержания пустот (пузырьков воздуха, захваченных внутри ламината). Пустоты действуют как концентраторы напряжений и места зарождения трещин. Влияние содержания пустот в гибридном углеродно-арамидном композите наиболее сильно влияет на свойства матрицы, особенно на прочность на межламинарный сдвиг (ILSS). Высокое содержание пустот резко снижает способность материала сопротивляться расслоению. Ухудшение механических свойств из-за пустот хорошо документировано:

Б. Механические свойства углеродно-арамидной ткани с мокрой укладкой

Для композитных структур, изготовленных с использованием метода механических свойств углеродно-арамидной ткани с мокрой укладкой, плохое смачивание также существенно ухудшает ключевые эксплуатационные характеристики, обеспечиваемые арамидным волокном. Арамид включен в первую очередь из-за его высокой способности поглощать энергию (ударопрочность). Если смола не полностью прилипает к арамидному волокну, нагрузка не может эффективно передаваться, что снижает способность волокна останавливать распространение трещин, что ставит под угрозу ударопрочность и резко снижает усталостную долговечность всего ламината.

V. Контроль качества и полная экспертиза процесса

В Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. мы устраняем проблемы смачивания и образования пустот с помощью полностью интегрированного комплексного подхода. Наша контролируемая производственная среда, включающая 100 000 зон очистки, сводит к минимуму загрязнение, которое может нарушить смачивание. Мы используем передовые производственные процессы, в том числе автоклавные, RTM, RMCP, PCM, WCM и технологии напыления, гарантируя, что каждый этап, от исследований и разработок высокопроизводительных волокнистых тканей до конечного композитного продукта, соответствует строгим стандартам качества, минимизируя содержание пустот и гарантируя заданные механические характеристики.

VI. Проектирование интерфейса

Максимизация структурных и механических характеристик композита из углеродно-арамидной ткани зависит от успешной разработки интерфейса «волокно-смола», позволяющего преодолеть низкую поверхностную энергию арамида. Будь то сложные методы растворения препрега с низкой поверхностной энергией арамидного волокна или предварительная обработка волокна с использованием поверхностной обработки для методов адгезии арамидного волокна к смоле, важен тщательный контроль процесса и применение материаловедческих технологий. Покупатели B2B, которым нужны высоконадежные компоненты, должны сотрудничать с производителями, обладающими опытом и полным контролем процесса, такими как Dongli, чтобы гарантировать, что низкое содержание пустот напрямую приводит к высокой механической прочности и исключительной долговечности.

VII. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос 1: Почему арамидное волокно устойчиво к смачиванию смолой?

• Ответ: Арамидное волокно состоит из высокоориентированных ароматических полимерных цепей, которые химически инертны и не имеют активных функциональных групп на поверхности. Это приводит к изначально низкой поверхностной энергии, из-за чего смолы с высоким поверхностным натяжением скатываются (высокий угол контакта), а не растекаются и не проникают эффективно.

Вопрос 2. Какой самый распространенный дефект возникает из-за плохого смачивания смолы в углеродно-арамидной ткани?

• Ответ: Самым распространенным дефектом является высокое содержание пустот (пористость). Несмоченные пучки волокон задерживают пузырьки воздуха во время процесса отверждения, и эти пустоты действуют как критические концентраторы напряжений, особенно ослабляя прочность на межламинарный сдвиг (ILSS) воздействия содержания пустот в гибридном углерод-арамидном композите.

Вопрос 3: Что более эффективно для решения проблемы низкой поверхностной энергии: обработка поверхности волокна или снижение вязкости смолы?

• Ответ: Обработка поверхности волокна (например, плазменная или химическая), как правило, более эффективна, поскольку она химически изменяет поверхностную энергию волокна, способствуя фактическому химическому соединению. Снижение вязкости смолы, один из методов улучшения смачивания смолы углеродно-арамидной ткани, помогает механически, но не улучшает химическую прочность адгезии на границе раздела.

Вопрос 4: Как плохое смачивание влияет на ударопрочность, которая является ключевым преимуществом арамидного волокна?

• Ответ: Плохое смачивание изолирует арамидные волокна от несущей полимерной матрицы. Во время удара энергия не может эффективно передаваться от матрицы к высокопрочным арамидным волокнам, что предотвращает поглощение энергии волокнами и останавливает распространение трещин, что ставит под угрозу общие ударные характеристики композита.

Вопрос 5: Почему производителям нужны специализированные условия (например, зоны очистки 100 000 классов) для обработки углеродно-арамидной ткани?

• Ответ: Точные условия окружающей среды имеют решающее значение, поскольку поверхностные загрязнения (например, пыль, масло или влага) могут резко снизить и без того низкую поверхностную энергию волокна, что приведет к еще большему ухудшению смачивания смолы. Чистые помещения гарантируют, что материал обрабатывается в оптимальных условиях без загрязнений, чтобы максимизировать потенциал выбранного препрега с низкой поверхностной энергией из арамидного волокна.