Eksperymentalne wdrożenie nowej metody wytwarzania kompozytów: naświetlanie gołych włókien na powierzchni kompozytu metodą miękkiej warstwy
6 października 2017
Przedstawiono protokół odsłaniania gołych włókien na powierzchni kompozytu poprzez eliminację obszaru bogatego w żywicę. Włókna są odsłaniane podczas wytwarzania kompozytów, a nie przez obróbkę powierzchni. Odsłonięte kompozyty węglowe charakteryzują się wysoką przewodnością elektryczną w kierunku przekroju i grubością oraz wysokimi właściwościami mechanicznymi.
Ogólnym celem tej procedury jest wytworzenie kompozytu zbrojonego włóknami z odsłoniętymi włóknami na powierzchni, bez stosowania jakiejkolwiek obróbki powierzchniowej. Technika ta pozwala na odsłonięcie gołych włókien na powierzchni kompozytu bez konieczności wykorzystania kosztownych i nieefektywnych metod modyfikacji powierzchni. Główną zaletą tej techniki jest poprawa przewodnictwa elektrycznego oraz wytrzymałości mechanicznej kompozytu.
Technika ta charakteryzuje się również wysoką wydajnością. Aby przygotować jednokierunkową tkaninę z włókna węglowego, preimpregnowaną żywicą epoksydową, należy układać kwadraty prepregu o ułamkowej zawartości włókien od 50 do 60% w sekwencji obejmującej orientacje pod kątem 0 stopni i 90 stopni, aby zapobiec rozwarstwianiu laminatu. Aby przygotować każdy kwadrat prepregu z tkaniny węglowej o splotcie płóciennym, należy najpierw oczyścić tkaninę acetonem lub etanolem.
Umieść tkaninę na czystej powierzchni lub na beztkaninowej chusteczce laboratoryjnej i pozwól acetonowi odparować w warunkach otoczenia. Oderwij jedną z warstw ochronnych arkusza żywicy epoksydowej w formie folii o temperaturze utwardzania 125 °C. Nałóż pojedynczy arkusz folii z żywicą epoksydową na czystą tkaninę węglową.
Umieść tkaninę stroną z żywicą epoksydową skierowaną w dół na płycie grzejnej ustawionej na 70 °C. Podgrzewaj tkaninę przez 10 sekund, aby wstępnie nasycić ją żywicą. Pozostaw tkaninę prepreg do ochłodzenia w warunkach otoczenia przez 10 minut.
Następnie usuń pozostałą folię ochronną ze strony pokrytej żywicą epoksydową. Ułóż tkaninę prepreg o splotcie płóciennym w pożądanej kolejności warstw, aby utworzyć laminat z tkaniny węglowej o splocie płóciennym. Aby przygotować laminat z nieutkanego filcu węglowego, nałóż trójwarstwowy arkusz epoksydowy na każdą stronę kawałka czystego, suchego filcu węglowego.
Podgrzewaj pokryte epoksydem boki filcu w temperaturze 70 °C przez 10 sekund każdy, przykładając masę na górze. Pozostaw filc typu prepreg do ostygnięcia na 10 minut, a następnie odklej pozostałe arkusze podkładowe. Następnie przemyj arkusze nieperforowanej folii odlepnej z fluorowanego etylenu propylenu o grubości 25 µm etanolem lub acetonem.
Ostrożnie osusz arkusze FEP za pomocą bezpyłowych chusteczek, unikając powstawania zagnieceń lub mikrootworów. Upewnij się, że arkusze są wolne od zanieczyszczeń i cząstek stałych. Następnie umieść każdy czysty i suchy arkusz pomiędzy bezpyłowymi chusteczkami i przechowuj je w czystym, plastikowym etui chroniącym przed kurzem.
Aby rozpocząć wytwarzanie kompozytu, należy nałożyć środki rozdzielające do form silikonowych na formę kompresyjną. Przetrzeć formę ściereczkami bezpyłowymi, tak aby pozostawić jedynie cienką warstwę środka rozdzielającego. Następnie przyciąć kawałek przygotowanego laminatu z włókna węglowego tak, aby był nieco mniejszy niż wnęka formy.
Umieść arkusz czystej folii FEP o grubości 25 µm na dolnej formie. Połóż laminat na formie i przykryj go folią FEP o grubości 25 lub 100 µm, w zależności od rodzaju włókna. Ostrożnie wygładź folię tak, aby między miękką warstwą a laminatem nie pozostały pęcherzyki powietrza.
Następnie zamknij formę kompresyjną. Rozgrzej prasę termiczną do 150 °C i umieść w niej formę kompresyjną. W przypadku kompozytu z włóknami jednokierunkowymi stosuj stały nacisk 20 MPa przez 30 minut.
W przypadku kompozytu tkanego przyłóż ciśnienie 20 megapascals przez cztery minuty, zwolnij nacisk i natychmiast ponownie przyłóż 20 megapascals. Powtarzaj tę czynność w celu odpowietrzenia materiału, aż lepkość żywicy zacznie wzrastać. Następnie utrzymuj ciśnienie na poziomie 20 megapascals, aż kompozyt będzie utwardzał się łącznie przez 30 minut.
W przypadku kompozytu filcowego powoli zwiększaj ciśnienie do 3 MPa, uważając, aby go nie przekroczyć. Utwardzaj materiał pod ciśnieniem 3 MPa przez 30 minut. Po utwardzeniu próbki, bez zwalniania nacisku, ochłodź formę kompresyjną do temperatury poniżej 120 °C.
Następnie zwolnić nacisk, wyjąć formę i wybić wykonany egzemplarz. Obrazy z pomiarów za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, wykonane pod kątem pięciu stopni, wykazały, że włókna były widoczne w większych szczegółach w kompozytach wykonanych metodą warstwy miękkiej niż w przypadku konwencjonalnego prasowania. Przypisano to eliminacji warstwy bogatej w żywicę na powierzchni kompozytu.
Mimo usunięcia warstwy żywicy epoksydowej, włókna nie wykazały widocznych defektów. Przewodność elektryczna w kierunku grubości była większa w kompozytach wykonanych metodą miękkiej warstwy, z odpowiadającym temu spadkiem rezystancji powierzchniowej poniżej 20 milliohms per square centimeter przy ciśnieniu zagęszczania wynoszącym 1,38 megapascals. Zmierzona wytrzymałość na rozciąganie kompozytów z miękką warstwą była porównywalna z wytrzymałością tych wykonanych konwencjonalną metodą prasowania.
Kompozyty z tkaniny tkanej i filcu wykazały wzrosty odpowiednio o 22% i 15%. Wzrosty te przypisano miękkiej warstwie wywierającej równomierny nacisk na powierzchnię kompozytu. Postępując zgodnie z tą procedurą, będą Państwo w stanie bez trudności wykonać kompozyt z odsłoniętymi włóknami.
Mechanizm jest prosty. A przy dobrej znajomości materiału wdrożenie jest jeszcze prostsze. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o jej doprecyzowaniu, aby dostosować ją do konkretnego zastosowania.
Należy uwzględnić warunki utwardzania kompozytu oraz właściwości termiczne miękkiej warstwy i odpowiednio dostosować procedurę, aby uzyskać pożądane wyniki.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół wytwarzania kompozytów wzmacnianych włóknami, w których gołe włókna są odsłonięte na powierzchni bez konieczności stosowania obróbki powierzchniowej. Technika ta poprawia przewodnictwo elektryczne oraz właściwości mechaniczne kompozytów, zachowując jednocześnie wysoką wydajność produkcji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Materiały kompozytowe
- Przewodność elektryczna
- Właściwości mechaniczne
Wstęp
- Tradycyjne metody obróbki powierzchni kompozytów mogą być kosztowne i nieefektywne.
- Odsłonięcie włókien może znacząco poprawić właściwości kompozytu.
- Wysoka frakcja objętościowa włókien jest niezbędna dla uzyskania optymalnych właściwości.
- Jednokierunkowe tkaniny z włókna węglowego są powszechnie stosowane w produkcji kompozytów.
Cel badania
- Opracowanie metody odsłaniania gołych włókien podczas wytwarzania kompozytów.
- Wyeliminowanie konieczności stosowania powyprodukcyjnych obróbek powierzchniowych.
- Poprawa właściwości elektrycznych i mechanicznych kompozytów.
Zastosowane metody
- Przygotowanie jednokierunkowej tkaniny z włókna węglowego preimpregnowanej żywicą epoksydową.
- Układanie kwadratów prepregu o ułamkowej zawartości włókien od 50 do 60%.
- Dobór orientacji włókien w celu zapobiegania rozwarstwianiu laminatu.
- Oczyszczanie tkaniny acetonem lub etanolem przed użyciem.
Główne wyniki
- Skuteczne odsłonięcie gołych włókien na powierzchni kompozytu.
- Poprawiona przewodność elektryczna w kierunku poprzecznym.
- Ulepszone właściwości mechaniczne materiału kompozytowego.
- Wysoka wydajność osiągnięta w procesie wytwarzania.
Wnioski
- Zaproponowana metoda jest skuteczna w poprawie właściwości kompozytów.
- Stanowi ona kosztowo efektywną alternatywę dla tradycyjnych metod obróbki powierzchniowej.
- Dalsze badania mogłyby zoptymalizować ten proces pod kątem różnych zastosowań.
Najczęściej Zadawane Pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta umożliwia bezpośrednią ekspozycję włókien wzmacniających podczas wytwarzania kompozytu, co eliminuje kosztowne etapy obróbki końcowej. Dzięki poprawie przewodnictwa elektrycznego w kierunku grubości materiału oraz zachowaniu integralności mechanicznej, wspiera ona rozwój wielofunkcyjnych komponentów do magazynowania energii i systemów elektrochemicznych. Podejście to zwiększa przewidywalność właściwości materiałowych, redukując ryzyko na wczesnym etapie doboru materiałów dla płyt bipolarnych i podobnych zastosowań.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia ocenę oddziaływań między włóknem a osnową bez artefaktów wynikających z modyfikacji powierzchniowej.
- Wartość operacyjna: Redukuje zmienność wynikającą z niespójnych zabiegów powierzchniowych w różnych partiach materiału.
Przesiewanie i opracowywanie testu
- Wartość naukowa: Zapewnia powtarzalną ekspozycję włókien dla spójnego pomiaru właściwości elektrycznych.
- Wartość operacyjna: Eliminuje potrzebę stosowania oddzielnych stanowisk do przygotowania powierzchni w badaniach wysokoprzepustowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Potwierdza korelację między poziomem ekspozycji włókien a wydajnością funkcjonalną w testach prototypów.
- Wartość operacyjna: Usprawnia skalowanie produkcji poprzez zintegrowanie przygotowania powierzchni z cyklem formowania.
Integracja potoku i przepływu pracy
Technika ta znajduje zastosowanie w wczesnych etapach opracowywania materiałów, w których przewodność elektryczna i stabilność mechaniczna są wspólnie optymalizowane przed integracją systemową.
- Biologia odkrywcza: Nie dotyczy; metoda odnosi się do właściwości fizykochemicznych, a nie do celów biologicznych.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzowaną ocenę kompozytów przewodzących do zastosowań w elektrodach lub płytach bipolarnych.
- Analityka: Ułatwia ilościowe porównanie przewodności w poprzek grubości oraz wytrzymałości na rozciąganie w różnych wariantach materiałów.
- Badania translacyjne: Wspiera iteracyjne doskonalenie składów kompozytów dla prototypów urządzeń do magazynowania energii.
- Ponowne wykorzystanie w przemyśle: Stanowi adaptowalne do platformy podejście do formowania, które można zastosować w różnych systemach włókno-żywica.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną poprzez eliminację bogatych w żywicę warstw powierzchniowych, które maskują wewnętrzne właściwości włókien.
- Wartość operacyjna: Zwiększa wydajność produkcji poprzez połączenie odsłaniania włókien z utwardzaniem w jednym kroku.
- Wartość strategiczna: Obniża ryzyko kwalifikacji materiałów dzięki poprawie powtarzalności parametrów elektrycznych i mechanicznych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia szybsze podejmowanie decyzji go/no-go w przypadku kandydatów na kompozyty przewodzące poprzez dostarczenie wiarygodnych danych o wydajności na wczesnym etapie.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w zakresie układania kompozytów oraz parametrów prasowania na gorąco.
- Wymaga precyzyjnej kontroli ciśnienia, temperatury oraz kompatybilności folii separacyjnej.
- Wymaga standaryzacji obsługi folii FEP w celu zapobiegania powstawaniu zmarszczek lub zanieczyszczeń.
- Wiąże się z dostosowaniem sekwencji układania warstw i profili ciśnienia w zależności od architektury włókien (jednokierunkowej, tkanej, filcowej).
- Ograniczone koniecznością zapewnienia stabilności termicznej folii separacyjnych podczas cykli utwardzania.
