Η επίδραση της θερμοκρασίας του καλουπιού στην αντοχή της διεπιφανειακής συγκόλλησης στη διαδικασία επίστρωσης και χύτευσης του θερμοπλαστικού CF-PAEK (PEEK).
Τα σύνθετα υλικά από θερμοπλαστικά ανθρακονήματα υψηλής απόδοσης παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως υψηλή σκληρότητα, αντοχή στην κρούση, χαμηλή απορρόφηση υγρασίας και εξαιρετική περιβαλλοντική απόδοση. Η έρευνα για αυτόν τον τύπο σύνθετου υλικού συνεχίζεται, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη διαφόρων σύνθετων θερμοπλαστικών ινών άνθρακα με διαφορετικές μήτρες, καθώς και αρκετές εφικτές τεχνικές επεξεργασίας, όπως χύτευση με έγχυση, χύτευση με συμπίεση και χύτευση επίστρωσης. Η τεχνολογία τήξης σε υψηλές θερμοκρασίες θεωρείται από καιρό ως μία από τις κύριες μεθόδους για την παρασκευή σύνθετων υλικών από θερμοπλαστικά ανθρακονήματα. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει τις επιδράσεις της θερμοκρασίας καλουπιού στη διεπιφανειακή αντοχή συγκόλλησης για συνεχή πολυαρυλαιθερική κετόνη ενισχυμένη με ίνες άνθρακα (CF-PAEK) και βραχεία κετόνη πολυαιθέρα ενισχυμένη με ίνες άνθρακα (CF-PEEK) κατά τη διαδικασία χύτευσης επίστρωσης, ενσωματώνοντας πληροφορίες από την επαγγελματική βιβλιογραφία .
Παρασκευή επικαλυμμένων σύνθετων υλικών από θερμοπλαστικό CF-PAEK και CF-PEEK
Συνεχή σύνθετα θερμοπλαστικά πολυαρυλαιθέρα κετόνης (CF-PAEK) ενισχυμένα με ίνες άνθρακα παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μονοκατευθυντικές ίνες άνθρακα, οι οποίες στη συνέχεια διαμορφώθηκαν σε συνεχή σύνθετα ελάσματα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα μέσω χύτευσης με συμπίεση. Η κετόνη πολυαιθέρα (PEEK) και η ενισχυμένη με κοντές ίνες άνθρακα κετόνη πολυαιθέρα (SCF-PEEK) επιλέχθηκαν ως υλικά έγχυσης, εγχύθηκαν σε καλούπια που τοποθετήθηκαν στην επιφάνεια των ελασμάτων CF-PAEK και διατηρήθηκαν υπό πίεση για ορισμένο χρονικό διάστημα για την παραγωγή μικτών επικαλυμμένα σύνθετα υλικά. Αφού αφέθηκε ο αέρας να κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου, τα χυτευμένα σύνθετα από θερμοπλαστικά ανθρακονήματα αφαιρέθηκαν και κόπηκαν σε σταθερά μεγέθη. Στη συνέχεια διεξήχθησαν διάφορες δοκιμές απόδοσης, συμπεριλαμβανομένης της δοκιμής μηχανικών ιδιοτήτων, της ανάλυσης με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM), της δοκιμής κλασμάτων όγκου, της δοκιμής ρεολογικής συμπεριφοράς και της δοκιμής νανοχαρακτηρισμού. Τα δεδομένα της δοκιμής καταγράφηκαν γραφικά και εξήχθησαν αντίστοιχα συμπεράσματα μέσω συγκριτικών μελετών πολλαπλών συνόλων δειγμάτων.
Η επίδραση της θερμοκρασίας του καλουπιού στη διεπιφανειακή αντοχή συγκόλλησης των θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών CF-PAEK (PEEK).
1.Καμπύλες Ιξώδους-Θερμοκρασίας Ρητινών PAEK και PEEK: Το παραπάνω σχήμα δείχνει τις καμπύλες ιξώδους-θερμοκρασίας για τις ρητίνες PAEK και PEEK. Τα δεδομένα δείχνουν ότι το ιξώδες του PAEK κυμαίνεται από περίπου 89 έως 237 Pa·s σε θερμοκρασίες μεταξύ 340 μοιρών και 400 μοιρών, ενώ το ιξώδες του PEEK κυμαίνεται από 203 έως 330 Pa·s σε θερμοκρασίες μεταξύ 360 μοιρών και 420 μοιρών. Και οι δύο θερμοπλαστικές ρητίνες παρουσιάζουν συμπεριφορά αραίωσης διάτμησης, με το ιξώδες να μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Όσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες του τήγματος ρητίνης, τόσο καλύτερη είναι η διάχυση, η οποία επηρεάζει θετικά την αντοχή της διεπιφανειακής σύνδεσης.
2. Αντοχή σε διάτμηση επικαλυμμένων σύνθετων υλικών σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού: Το παραπάνω σχήμα δείχνει τις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για υλικά PEEK και SCF-PEEK σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού. Το σχήμα β παρουσιάζει τα δεδομένα διατμητικής αντοχής για PEEK/CCF-PAEK και SCF-PEEK/CCF-PAEK σε ποικίλες θερμοκρασίες καλουπιού. Οι διατμητικές αντοχές του PEEK/CCF-PAEK είναι 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa και 68 MPa, ενώ οι διατμητικές αντοχές των SCF-PEEK/CCF-PAEK είναι 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa και 71 MPa.
Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του καλουπιού, η αντοχή στη διάτμηση των δειγμάτων βελτιώνεται. Επιπλέον, λόγω της ενίσχυσης από κοντές ίνες άνθρακα, η αντοχή στη διάτμηση των SCF-PEEK/CCF-PAEK είναι μεγαλύτερη. Η θερμοκρασία καλουπιού επηρεάζει τον χρόνο διατήρησης της θερμοκρασίας διεπαφής μεταξύ του εγχυόμενου τήγματος (PEEK και SCF-PEEK) και του πολυστρωματικού υλικού CCF-PAEK, καθώς και το χρόνο επαφής πριν από τη σκλήρυνση. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του καλουπιού, η θερμοκρασία της διεπιφανειακής στρώσης αυξάνεται σταδιακά, προάγοντας την τήξη και τη διάχυση της ρητίνης ΠΑΕΚ σε χαμηλότερες θερμοκρασίες τήξης, ενισχύοντας έτσι τη διεπιφανειακή αντοχή συγκόλλησης.
3. Τρόποι αστοχίας διάτμησης επικαλυμμένων σύνθετων δειγμάτων σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού: Το παραπάνω σχήμα δείχνει τις διατομές αστοχίας διάτμησης των σύνθετων επικαλυμμένων με PEEK/CCF-PAEK σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού. Αποκαλύπτει ότι κάτω από τη δράση των δυνάμεων διάτμησης, αρχίζουν να σχηματίζονται ρωγμές και στις δύο πλευρές του δείγματος και να εκτείνονται προς το κέντρο. Όταν η θερμοκρασία του καλουπιού έχει ρυθμιστεί στους 220 μοίρες και στους 240 μοίρες, η αστοχία του PEEK/CCF-PAEK προκύπτει κυρίως από τη διεπιφανειακή αποκόλληση, υποδεικνύοντας σχετικά ασθενή διεπιφανειακή ισχύ συγκόλλησης (Εικόνες α και β). Αντίθετα, όταν η θερμοκρασία του καλουπιού αυξάνεται στους 260 μοίρες και 280 μοίρες, η αστοχία του PEEK/CCF-PAEK οφείλεται κυρίως σε θραύση μεταξύ των φύλλων, υποδηλώνοντας ισχυρότερη δύναμη διεπιφανειακής σύνδεσης (Εικόνες c και d).
Το παραπάνω σχήμα δείχνει τις διατομές αστοχίας διάτμησης των σύνθετων επικαλυμμένων SCF-PEEK/CCF-PAEK σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού, με κατάσταση δείγματος παρόμοια με αυτή των σύνθετων υλικών PEEK/CCF-PAEK. Σε θερμοκρασίες καλουπιού 220 μοιρών και 240 μοιρών, η αστοχία της διεπιφανειακής συγκόλλησης παραμένει ένα σημαντικό ζήτημα (Εικόνες α και β). Όταν η θερμοκρασία του καλουπιού αυξάνεται στους 260 μοίρες και 280 μοίρες, η αστοχία του SCF-PEEK/CCF-PAEK χαρακτηρίζεται από ενδιάμεσο σπάσιμο του CCF-PAEK και αστοχία κάμψης του SCF-PEEK (Σχήματα c και d). Λόγω της παραμόρφωσης κάμψης και της ενδιάμεσης διατμητικής παραμόρφωσης που προκαλείται από τη διαδικασία επίστρωσης, όταν η αντοχή της διεπιφανειακής σύνδεσης εξασθενεί, μπορεί να προκύψει αποκόλληση μεταξύ των PEEK, SCF-PEEK και CCF-PAEK. Καθώς αυξάνεται η ισχύς της διεπιφανειακής σύνδεσης, η διεπιφανειακή αποκόλληση στο σύνθετο υλικό μειώνεται σταδιακά, ενώ η διαστρωματική θραύση της ρητίνης αυξάνεται.
Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι οι τρόποι αστοχίας διεπιφανείας του σύνθετου υλικού αλλάζουν με την αύξηση της θερμοκρασίας του καλουπιού. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, η θερμοκρασία διεπαφής είναι χαμηλότερη και το τήγμα στο καλούπι έγχυσης ψύχεται πιο γρήγορα, με αποτέλεσμα πιο αργή μοριακή διάχυση και ασθενέστερη πρόσφυση. Η διατμητική αστοχία εκδηλώνεται ως αστοχία διεπιφανείας, που χαρακτηρίζεται από μηχανική σύνδεση. Καθώς η θερμοκρασία του καλουπιού αυξάνεται, η επιφάνεια του σπασίματος του PEEK σταδιακά αυξάνεται. Οι υψηλότερες θερμοκρασίες καλουπιού αυξάνουν τη θερμοκρασία διεπαφής μεταξύ της ρητίνης PEEK και του PAEK, αυξάνοντας τον χρόνο ανάμειξης πριν από τη σκλήρυνση, γεγονός που διευκολύνει τη διαδικασία τήξης της ρητίνης. Όταν η θερμοκρασία διεπαφής υπερβαίνει τη θερμοκρασία τήξης του ΠΑΕΚ, σχηματίζεται ένα ευτηκτικό στρώμα ρητίνης στη διεπιφάνεια, ενισχύοντας την αντοχή της διεπιφανειακής πρόσφυσης.
4.Καμπύλες Φορτίου-Βάθους Nanointation των επικαλυμμένων σύνθετων υλικών σε διαφορετικές θερμοκρασίες καλουπιού: Οι καμπύλες στο παραπάνω σχήμα δείχνουν ότι για το ίδιο φορτίο εσοχής, το βάθος της εσοχής μειώνεται σταδιακά με την αύξηση της θερμοκρασίας του καλουπιού, υποδηλώνοντας ότι η φέρουσα ικανότητα της ρητίνης στη διεπιφάνεια ενισχύεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του καλουπιού. Για το σύνθετο υλικό PEEK/CCF-PAEK, σε θερμοκρασία καλουπιού 260 μοιρών, η φέρουσα ικανότητα της ρητίνης διεπαφής είναι παρόμοια με αυτή του PEEK, υποδεικνύοντας ότι το επικαλυμμένο σύνθετο έχει φτάσει σε κατάσταση λιωμένης ρητίνης που αναμιγνύεται με το στρώμα έγχυσης ρητίνη (PEEK), επιτυγχάνοντας σχεδόν την ίδια αντοχή. Σε σύγκριση με το PEEK, το σύνθετο υλικό SCF-PEEK/CCF-PAEK παρουσιάζει υψηλότερα φορτία στη διεπαφή, υποδηλώνοντας ότι η προσθήκη κοντών ινών άνθρακα ενισχύει τη ρητίνη στη διεπαφή, επιτρέποντάς της να φέρει υψηλότερα φορτία.
Όταν το βάθος της εσοχής είναι μικρό, το μέτρο μειώνεται γρήγορα με την αύξηση του βάθους της εσοχής (Εικόνα β), δείχνοντας σημαντική διακύμανση στην καμπύλη συντελεστή κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης. Μόλις το βάθος ξεπεράσει τα 250 nm, οι τιμές των συντελεστών αρχίζουν να εξομαλύνονται με την αύξηση του βάθους. Σε βάθη μεγαλύτερα από 500 nm, η καμπύλη συντελεστή γίνεται πιο σταθερή. Σε θερμοκρασία καλουπιού 220 μοιρών, η καμπύλη βάθους-μέτρου για σύνθετα υλικά με επίστρωση PEEK/CCF-PAEK είναι σχετικά ασταθής, με χαμηλότερο συντελεστή 4,2 GPa. Αυτό δείχνει ότι σε θερμοκρασία καλουπιού 260 μοιρών, το τήγμα μπορεί να σχηματίσει ένα στρώμα συνύπαρξης ρητίνης με την επιφανειακή ρητίνη του προπλάσματος, με αποτέλεσμα ένα μέτρο συγκρίσιμο με αυτό του PEEK.
Η καμπύλη συντελεστή βάθους για σύνθετα με επικάλυψη SCF-PEEK/CCF-PAEK είναι σχετικά ομαλή, υποδεικνύοντας ότι η προσθήκη κοντών ινών άνθρακα μπορεί να ενισχύσει το μέτρο της ρητίνης στη διεπιφάνεια. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του καλουπιού, αυξάνεται σταδιακά και ο συντελεστής. Σε θερμοκρασία καλουπιού 260 μοιρών, η αύξηση είναι σημαντική, φτάνοντας έως και 5,5 GPa, η οποία σχετίζεται με τη μετάβαση στην κατάσταση διεπιφανειακής σύνδεσης σε αυτή τη θερμοκρασία. Αυτό δείχνει ότι οι δύο τύποι ρητινών στη διεπαφή μπορούν να λιώσουν και να διαχυθούν ο ένας στον άλλο. Επιπρόσθετα, οι κοντές ίνες άνθρακα μπορούν να ενσωματωθούν μέσα στη διεπιφανειακή στρώση όταν η ρητίνη βρίσκεται σε λιωμένη κατάσταση, γεγονός που συμβάλλει στην αύξηση του συντελεστή.
