تقاضای صنعت هوافضا برای مواد کامپوزیت سبک ، با استحکام بالا و بسیار قابل اعتماد ، پیشرفت هایی را در فن آوری فیبر کربن مبتنی بر رزین مبتنی بر اپوکسی ایجاد کرده است ، با تمرکز بر طراحی ساختاری چند مقیاس و تقویت بین سطحی. در این مقاله به طور منظم به بررسی مکانیسم های تقویت کننده سطحی و اثرات هم افزایی چند مقیاس از دیدگاه ها از جمله اصلاح سطح فیبر کربن ، تنظیم نانورها ، سخت شدن ماتریس رزین و بهینه سازی فرآیند می پردازد. با استفاده از مطالعات موردی آماده سازی از قبل از سطح هوافضا ، یک مسیر فنی را برای ادغام شبیه سازی دینامیک مولکولی با بهینه سازی جفت پارامتر فرآیند ، ارائه پشتیبانی نظری برای توسعه کامپوزیت هوافضا نسل بعدی ارائه می دهد.
Composites اپوکسی تقویت شده فیبر کربن (CFRP) ، CFRP به دلیل قدرت خاص ، مقاومت در برابر خستگی و انعطاف پذیری طراحی ، به یک ماده اصلی برای ساختارهای بارگذاری اولیه هوافضا تبدیل شده است. با این حال ، چالش ها همچنان ادامه دارد: قدرت پیوند بین سطحی کافی به دلیل عدم تحرک سطح فیبر کربن ، کمبودهای چقرمگی از ماتریس رزین بسیار متقاطع و کنترل تخلخل در طول تولید مؤلفه پیچیده. تحقیقات اخیر بر تنظیم تقویت چند مقیاس و فن آوری های پیوند شیمیایی بین سطحی تأکید دارد. اثرات هم افزایی از نانوذرات ، ساختارهای شستشو و طراحی رابط سطح مولکولی می تواند به طور قابل توجهی راندمان انتقال بار و تحمل آسیب را بهبود بخشد.
I. اصلاح سطح فیبر کربن چند مقیاس
1,پیوند شیمیایی و اکسیداسیون
اکسیداسیون: اکسیداسیون فاز گازی (مخلوط O₃\/O₂) یا فاز مایع (غوطه وری HNO₃) گروه های کربوکسیل\/هیدروکسیل را برای تقویت خیس شدن معرفی می کند.
پیوند: پیوند نفتالین دییمید (NDI) یا پلی اتیلنیمین (PEI) پیوند پیوندهای کووالانسی بین الیاف و اپوکسی ایجاد می کند. PEI (MW {1}}) مقاومت برشی سطحی (IFSS) را 38.9 ٪ و قدرت خمشی 36.7 ٪ افزایش می دهد.
2,اصلاح ترکیبی نانوری
پیوند CNTS: CNTs لنگر از طریق انباشت π-π و واکنشهای کربوکسیل آمین ساختارهای "پرچ" ایجاد می کند. در CF-PEI\/CNT-COOH {4}}: 1 نسبت جرم ، IFSS 74.1 ٪ و قدرت خمشی 55.2 ٪ افزایش می یابد.
Anchoring Go: ورق های Go به صورت عمودی برای انتقال استرس ، لایه های مدیوس متوسط را تشکیل می دهند. بهینه cf-pei\/go =40: 1 نسبت کنترل فاصله بین لایه نانو به دست می آید.
3,رابط های Whiskerization و Nanofiber
پوشش نانوالیاف آرامید (CI-ANF) کلر شده: الیاف تحت درمان با پلاسما با شبکه های CI-ANF از طریق تقویت کننده تقویت کننده IFS توسط 79.8 ٪ و مقاومت برشی پرتوهای کوتاه (SBS) توسط 33.7 ٪ از طریق نیروهای ون در والس ، پیوندهای هیدروژن و π-π- π) بدون تعامل با هم تداخل ایجاد شده است.
ii. سخت کننده و کنترل رئولوژی اپوکسی ماتریس
1,شبکه های بین المللی واکنشی
ذرات لاستیکی پوسته هسته یا مخلوط ترموپلاستیک\/اپوکسی شبکه های بین المللی را تشکیل می دهند. در 10 ٪ محتوای سخت گیر ، قدرت فشرده سازی پس از تأثیر (CAI) به 330 مگاپاسکال می رسد ، چقرمگی شکستگی 40 ٪ افزایش می یابد و تنها 6 درجه TG کاهش می یابد.
2,بهینه سازی رئولوژی
رقیق کننده های واکنشی (به عنوان مثال ، بوتیل گلیسیدیل اتر) ویسکوزیته رزین را از 5000 به 1500 مگاپاسکال کاهش می دهد ، باعث بهبود آغشته سازی فیبر و به حداقل رساندن تخلخل prepreg می شود.
iii هم افزایی فرآیند چند مقیاس
1,تنظیم رابط و ذوب شدن ذوب
سازنده سازنده باعث افزایش چسبندگی فیبر\/ترموپلاستیک می شود (به عنوان مثال ، بهبود چشمگیر IFSS).
کنترل ترانس کریستالیونیت: بهینه سازی دما\/زمان ضخامت لایه ترانس کریستالی و استحکام بین سطحی را افزایش می دهد.
2,مطالعات موردی هوافضا
T800 فیبر کربن\/اپوکسی: چگالی ناحیه ای 120 گرم در متر مربع ، میزان رزین 38 ٪ ، استحکام کششی 2800 مگاپاسکال (کاربردهای پوست بال).
رزین Toray T1100G\/3960: مقاومت کششی 6.3 GPA ، مدول 310 GPA (بدنه Airbus A350).
IV مکانیسم های سطحی و خصوصیات
مدل های رابط چند مقیاس
- تئوری اتصال مکانیکی: زبری سطح باعث افزایش لنگر فیبر\/رزین می شود.
- نظریه پیوند شیمیایی: پیوندهای کووالانسی از طریق گروههای عملکردی پیوند یافته.
- نظریه interphase: لایه های مدیولهای متوسط غلظت استرس را کاهش می دهند.
تکنیک های میکروسکوپی
- XPS: تجزیه و تحلیل شیمی سطح.
- SEM: حالت های مورفولوژی\/عدم موفقیت.
- AFM: نقشه برداری شیب مدول زبری\/الاستیک.
V. نتیجه گیری و چشم انداز
مقدمات فیبر کربن مبتنی بر اپوکسی نیاز به اصلاح چند مقیاس ، سخت شدن ماتریس و هم افزایی فرآیند برای پیشبرد برنامه های هوافضا دارند. دستورالعمل های آینده:
- سازهای سازگار مبتنی بر زیستی: گزینه های تجدید پذیر برای کاهش اثرات زیست محیطی.
- دوقلوهای دیجیتال: شبیه سازی فرآیند برای بهینه سازی تخلخل و توزیع فیبر.
- رابط های خود درمانی: پیوندهای کووالانسی پویا\/تعامل سوپرامولکولی برای ترمیم آسیب.
از طریق نوآوری بین رشته ای ، این کامپوزیت ها به برنامه های افراطی مانند تیغه های موتور و پروب های فضا ، سوق داده می شوند و سیستم های هوافضا را به سمت پارادایم های سبک تر ، قوی تر و باهوش تر سوق می دهند.
منبع: کامپوزیت های محیط زیست