Jämförelse av hartsegenskaper
Valet av hartsystem som ska användas i alla komponenter beror på ett antal av dess egenskaper, följande är förmodligen de viktigaste i de flesta sammansatta strukturer:
1. Bindningsegenskaper
2. Mekaniska egenskaper
3. Mikroskopisk sprickmotstånd
4. Trötthetsstyrka
5. Nedbrytning av vattenkorrosion
Bindningsegenskaper
Det har diskuterats hur vidhäftningsegenskaperna hos hartsystemet är viktiga för att uppnå hela mekaniska egenskaperna hos kompositen. I smörgåsstrukturer är vidhäftningen av hartsmatrisen till fiberförstärkningen eller kärnmaterialet viktigt.
Polyesterhartser har vanligtvis de lägsta vidhäftningsegenskaperna för de tre system som beskrivs här. Vinyllesterhartser uppvisar bättre bindningsegenskaper än polyestrar, men epoxihartssystem ger den bästa prestanda för alla lim och finns därför ofta i många höghållfast lim. Detta beror på deras kemiska sammansättning och närvaron av polära hydroxyl- och etergrupper. Eftersom epoxihartser botas med låg krympningshastighet, störs de olika ytkontakterna mellan vätskeshartset och vidhäftarna inte under härdningsprocessen. Bindningsegenskaperna hos epoxihartser är särskilt användbara vid konstruktion av bikakadens kärnlaminat, där en liten bindningsytan innebär att maximal bindning krävs.
Styrkan hos bindningen mellan harts och fiber beror inte bara på bindningsegenskaperna i hartsystemet, utan påverkas också av ytbeläggningen av förstärkningsfibrerna.
Mekaniska egenskaper
Två viktiga mekaniska egenskaper hos alla hartsystem är draghållfasthet och styvhet. Figurerna 22 och 23 visar resultaten av tester utförda på kommersiellt tillgängliga polyester-, vinyllester- och epoxysystem som härdas vid 20 grader och 80 grader.
Efter en sju-dagars härdningsperiod vid rumstemperatur kan man se att typiska epoxihartser erbjuder högre prestanda både vad gäller styrka och styvhet än typiska polyestrar och vinylestrar. De gynnsamma effekterna av härdning i fem timmar efter 80 grad kan också ses.
Lika viktigt för sammansatta designers och byggare är mängden krympning av hartset under och efter härdning. Krympning beror på omarrangemang och omorientering av hartsmolekyler i vätskan och halvgelfaser. Polyestrar och vinylestrar kräver en betydande mängd molekylär omarrangemang för att nå ett botat tillstånd och kan visa krympning på upp till 8%. Emellertid resulterar den olika naturen hos epoxi-reaktionen i mycket liten omarrangemang och frånvaron av flyktiga bi-produkter, vilket minskar typisk epoxi-krympning till cirka 2%. I viss utsträckning är frånvaron av krympning ansvarig för de bättre mekaniska egenskaperna hos epoxi än polyester, eftersom krympning är förknippad med inre spänningar som kan försvaga materialet.
Dessutom leder krympningen i laminatets tjocklek till "tryckning" av det förstärkande fibermönstret, vilket är en svår och dyr kosmetisk defekt att eliminera.
Mikroskopiska sprickor
Styrkan hos ett laminat beaktas vanligtvis i termer av hur mycket belastning det kan tåla innan det misslyckas helt. Denna ultimata styrka eller brytstyrka är den punkt där hartset uppvisar katastrofala sprickor och förstärkningsfibrerna bryts.
Innan denna ultimata styrka uppnås kommer laminatet emellertid att nå en stressnivå där hartset kommer att börja spricka från fiberförstärkningsskikten som inte är i linje med den applicerade belastningen, och dessa sprickor kommer att spridas genom hartsmatrisen. Detta kallas "tvärgående mikrokrackning" och även om laminatet ännu inte har misslyckats helt har brottprocessen redan börjat. Ingenjörer som vill ha en hållbar struktur måste därför se till att deras laminat inte överskrider denna punkt under regelbundna servicelaster.
Den belastning som ett laminat kan uppnå innan mikro-cracking är mycket beroende av hartsystemets seghet och bindningsegenskaper. För spröda hartsystem, såsom de flesta polyestrar, inträffar detta långt innan laminatet misslyckas och begränsar därför den stam som sådana laminat tål. Till exempel har de senaste testerna visat att för polyester\/glas vävda rovande laminat förekommer mikrokrackning vanligtvis vid 0. 2% stam, med slutskador som inte inträffar förrän 2. 0% stam. Detta motsvarar en användbar styrka på endast 10% av den ultimata styrkan. Eftersom den ultimata styrkan hos laminatet under spänning bestäms av fiberstyrkan, minskar dessa hartsmikrokracks inte omedelbart laminatets ultimata prestanda.
I miljöer som vatten eller fuktig luft kommer emellertid ett mikrokrackat laminat att absorbera mer vatten än ett okrackat laminat. Detta kommer att resultera i en ökning av vikten, fukt i harts- och fiberstorleksmedel, en minskning av styvhet och en minskning av den ultimata prestanda över tid.
Ökningen i hart\/fiber vidhäftning härrör vanligtvis från hartsets kemi och dess kompatibilitet med den kemiska ytbehandlingen som appliceras på fibrerna. Här hjälper de välkända egenskaperna hos epoxilim att laminatet uppnå högre mikrokrackande stammar. Som nämnts tidigare är hartshuffhet svårt att mäta, men indikeras allmänt av dess ultimata misslyckningsstam. En jämförelse av olika hartsystem visas i figur 25.
Trötthetsstyrka
I allmänhet har kompositer utmärkt trötthetsresistens jämfört med de flesta metaller. Eftersom trötthetsfel ofta orsakas av den gradvisa ackumuleringen av en liten mängd skador, kommer trötthetsbeteendet hos eventuellt sammansatt material att påverkas av hartsens seghet, dess motstånd mot mikrokrackning och antalet tomrum och andra defekter som uppstår under tillverkningsprocessen. Av denna anledning tenderar epoxibaslaminat att uppvisa mycket god trötthetsresistens jämfört med polyester och vinylester, vilket är en av de främsta orsakerna till deras användning i aerostrukturer.
Vattenkorrosionsnedbrytning
Ett viktigt kännetecken för alla harts, särskilt i den marina miljön, är dess förmåga att motstå nedbrytning genom inkommande vatten. Alla hartser absorberar lite vatten och lägger till vikten till laminatet, men ännu viktigare hur det absorberade vattnet påverkar harts- och harts\/fiberbindningen i laminatet, vilket leder till en gradvis och långvarig förlust av mekaniska egenskaper. Både polyester- och vinylesterhartser är mottagliga för nedbrytning av vatten på grund av närvaron av hydrolyserbara estergrupper i molekylstrukturen.
Som ett resultat kan tunna polyesterlaminat förväntas behålla endast 65% av deras mellanlagringsskjuvhållfasthet efter ett års nedsänkning i vatten, medan epoxihartslaminat kommer att behålla cirka 90% efter ett års nedsänkning.
Figur 26 visar effekten av vatten på epoxi och polyestervävda glaslaminat som var nedsänkta i vatten vid 100 grader. Denna nedsänkning av hög temperatur ger de nedsänkta laminaten accelererade nedbrytningsegenskaper.
Permeabilitet
Alla laminat i den marina miljön tillåter mycket små mängder vatten att passera genom dem i form av ånga. När vatten går igenom reagerar det med alla hydrolysbara komponenter i laminatet för att bilda små celler med koncentrerad lösning. Under den osmotiska cykeln passerar mer vatten genom det semipermeabla membranet i laminatet i ett försök att utspäda denna lösning. Detta vatten ökar vätsketrycket inuti cellen till 700 psi. Så småningom kommer trycket att deformeras eller brister laminatet eller gelcoaten och kan resultera i en typisk "vattkoppor" -yta. Hydrolyserbara komponenter i laminatet kan inkludera smuts och skräp som fångats under tillverkningsprocessen, men kan också inkludera esterbindningar i den botade polyestern och, i mindre utsträckning, vinylling.
Användningen av ett hartsrikt skikt bredvid en gelrock är viktigt för polyesterhartser för att minska denna typ av nedbrytning, men vanligtvis är det enda botemedel när processen börjar ersätta det drabbade materialet. För att förhindra att infiltration inträffar i första hand är det nödvändigt att använda ett harts som har både låg permeabilitet och hög resistens mot vattenerosion. Blåsning kan praktiskt taget elimineras när den används i samband med ett förstärkande material som har ett liknande motstånd mot ytbehandling och är laminerad till en mycket hög standard. Polymerkedjor med epoxibaserade kedjor motstår effekterna av vatten mycket bättre än många andra hartsystem. Sådana system har visat sig ha utmärkt kemisk och vattenmotstånd, låg vattenpermeabilitet och mycket goda mekaniska egenskaper.
Sammanfattning av jämförande hartsegenskaper
Polyester, vinylester och epoxihartser som diskuteras här representerar troligen cirka 90% av alla termosethartssystem som används i strukturella kompositer. Sammanfattningsvis är de viktigaste fördelarna och nackdelarna med dessa typer:
Andra hartser för kompositer
Förutom polyester, vinylester och epoxihartser finns det många andra specialsystem som används där deras unika egenskaper behövs.
Fenolhartser
Huvudsakligen används när hög brandmotstånd krävs, behåller fenolhartser sina egenskaper väl vid höga temperaturer. För rumstemperatur härdade material leder användningen av frätande syror till obehaglig hantering. Den kondenserade karaktären av deras härdningsprocess tenderar att resultera i att många tomrum och ytfel inkluderas. Typisk kostnad: £ 2-4\/kg.
Fenylisocyanat
Huvudsakligen används inom flygindustrin. De utmärkta dielektriska egenskaperna hos materialet gör det idealiskt för användning i låga dielektriska fibrer såsom kvarts, som används vid tillverkning av radomer. Materialet är också temperaturstabil upp till 200 graders våt. Typisk kostnad: £ 40\/kg.
Silikonhartser
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >£ 15\/ kg.
Polyuretan
Mycket duktilt material, ibland blandat med andra hartser, på grund av relativt låga laminatmekaniska egenskaper i komprimering. Använder farliga isocyanater som härdningsmedel. Typisk kostnad: £ 2-8\/kg.
Bismaleimid (BMI)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>£ 50\/kg.
Polyimid
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>£ 80\/kg) med giftiga råvaror som används i tillverkningsprocessen. Polyimider är svåra att arbeta med på grund av kondensationsreaktionen som frigör vatten under härdningsprocessen och är relativt spröda efter härdning.PMR15 och LARC160 är de två mest använda polyimiderna i kompositer.
Källa "Frontiers in Composites"