Микроскопски анализ на композити с памет за аеронавигация

В проучване, публикувано в списанието Материали днес Комуникации, анализът е проведен на полимерни композити с памет на формата (SMPC), направени от промишлени вещества, използвани преди това в космическото пространство. Констатациите позволиха идентифицирането на възстановителните процеси на микроскопско ниво, които са от решаващо значение за способностите на паметта на формата на макроскопско ниво.

Проучвания: Микроскопско тестване на ламинати от въглеродни влакна с епоксиден междинен слой с памет за формата. Кредит на изображението: Bellisario, D., et al (2022)

Полимери с памет на формата – опора в бъдещето на няколко индустрии

Полимерните композити с памет на формата (SMPC) принадлежат към клас интелигентни архитекти на материали, които могат да изкривят и възстановят оригиналната си форма, когато бъдат стимулирани.

При термично стимулирани архитекти температурата на встъкляване (Tж) може да се използва за настройка на фазата на фиксиране и възстановяващите се качества на оригиналната форма. Интересът към тези интелигентни материали е голям в различни индустрии, включително биомедицински и авиационни области, където използването на задействане е от решаващо значение.

Поведение на паметта на формата – никой не го харесва като полимери

Реакцията на паметта на формата (SM) в въглеродните влакна често се получава чрез добавяне на полимерна рамка с характеристики на SM. Полимерите с памет на формата (SMP) могат да издържат на по-големи деформации от сплавите с памет на формата (SMA), дори когато е необходима по-малка задействаща сила, за да се възвърне изходното недеформирано състояние.

В зависимост от необходимата функция може да се използва подходяща полимерна рамка. Като цяло термореактивните смоли имат превъзходни характеристики на паметта на формата в сравнение с термопластите, а епоксидните смоли често дават най-висока производителност.

Епоксидите имат изключителни термични и механични качества и са широко използвани във всички производствени техники, използвани в сектори с голямо въздействие като аерокосмическата и автомобилната сфера.

Основна цел на изследването

Използването на термомеханично циклиране за измерване на качествата на SM е често срещан подход за оценка на поведението на паметта на формата на SMP.

Поведението на паметта на формата и взаимодействията на отделните слоеве в нанометричния мащаб все още предстои да бъдат проучени. Това изследване има за цел да анализира задълбочено тези интелигентни материали на микроскопско и макроскопско ниво, със специален акцент върху получените мезоструктури.

а) Схема на SMPC структури и б) процедура за производство на SMPC проби. © Bellisario, D., et al (2022)

методология на изследването

Тази работа използва компресионно формоване на индустриално достъпни материали за създаване на две различни полимерни композитни структури с памет за форма, подходящи за използване в въздухоплаването. Голямо покритие от въглеродни влакна, направено от налични в търговската мрежа термореактивни аерокосмически „препреги“ беше оценено за първи път за анализ на поведението на паметта на формата в микромащаб.

Приносът на междинния слой с памет на формата по силата на неговата архитектура беше изследван на микроскопично ниво. Предложените композитни ламинации съчетават архитектурните свойства на въглеродните ламинации с функционалностите на SMP. Слоят с памет на формата, поставен между двете полимерни композитни структури с памет за формата, се различаваше по такъв начин, че едната имаше тънко покритие от епоксидна смола с памет за формата, докато втората съдържаше епоксидна пяна с памет за формата.

Двете системи са създадени, за да тестват пригодността на метода на аерокосмическо формоване, като компресионно формоване, при производството на интелигентни архитекти за самолети. Това беше значително постижение за изследването, тъй като повечето предложени нови полимерни композитни материали с памет на формата в съществуващата литература не могат да бъдат класифицирани като материали от аерокосмическия клас.

Микро-CT сканиране и анализ на SMPC a) напречно сечение, b) страничен изглед и c) анализ на SMPC с междинен слой от епоксиден прах и d) напречно сечение, д) страничен изглед и е) анализ на SMPC с тънък слой от епоксидна пяна. © Bellisario, D., et al (2022)

Ключови заключения от изследването

MicroCT и SEM изображенията демонстрират силно свързване между слоя предпрепрег, подсилен с въглеродни влакна (CFRP) и епоксидния междинен слой, или под формата на тънък слой пяна или тънък филм. Хомогенността на тънкия полимерен междинен слой с памет на формата, създаден по време на комбинирано ламиниране, беше подчертана от SEM изображения, с много малко ниво на порьозност в слоя CFRP, показано от MicroCT оценка.

Проучванията на DMA разкриват, че междинните слоеве с памет на формата влияят на преходната област, която се стеснява допълнително, когато се използва смола с памет на формата. Нано-инструментирани вдлъбнатини и микро-вдлъбнатини бяха използвани за анализиране на поведението при възстановяване на формата в микромащаб и наномащаб.

Това беше първият път, когато нано-инструментираният подход беше приложен към този вид полимерни композити с памет на формата, което позволява да се изчисли температурата за SM реакция в малък регион и за двете SMPC форми.

Поведението на SM на полимерните композитни структури с памет на формата беше потвърдено в макромащаб с помощта на термомеханично циклиране с нарастващо налягане и множество термомеханични цикли.

Полимерният композит SM с тънкия лист от епоксидна пяна показва по-добри възможности за памет на формата, както беше предвидено, като се има предвид архитектурата на пяната. SM полимерният композит с междинен слой от епоксиден прах, от друга страна, показва по-ниски, но впечатляващи характеристики на паметта на формата.

Повтарящото се термомеханично циклиране повлия на поведението на SM, като същевременно поддържа архитектурната цялост на генерираните интелигентни материали. Освен това, подходящ дизайн от вида и количеството епоксидни междинни слоеве с памет на формата може значително да подобри поведението на паметта на формата.

Препратки

Белисарио, Д., Куадрини, Ф. et al. (2022 г.). Микроскопско тестване на ламинати от въглеродни влакна с епоксиден междинен слой с памет за формата. Материали днес Комуникации. Наличен в: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103854

Отказ от отговорност: Мненията, изразени тук, са тези на автора, изразени в лично качество и не представляват непременно възгледите на AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, собственик и оператор на този уебсайт. Този отказ от отговорност е част от Общите условия за използване на този уебсайт.