Was ist ein thermoplastischer Verbundwerkstoff?

In den letzten Jahren haben sich faserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe auf Basis thermoplastischer Harze rasant weiterentwickelt, und die Forschung und Entwicklung dieser Art von Hochleistungsverbundwerkstoffen löst weltweit einen Aufschwung aus. Thermoplastisches Verbundmaterial bezieht sich auf thermoplastische Polymere (wie Polyether (PE), Polyamid (PA), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetherimid (PEI), Polyetherketonketon (PEKK) und Polyetheretherketon (PEEK) als Matrix, Verbundwerkstoff Materialien aus verschiedenen kontinuierlichen/diskontinuierlichen Fasern (wie Kohlefaser, Glasfaser, Aramidonfaser usw.) als Verstärkungsmaterialien.

Thermoplastische Lipid-basierte Verbundwerkstoffe umfassen hauptsächlich langfaserverstärktes Granulat (LFT), kontinuierlich faserverstärktes Prepreg-Streifen-MT und glasfaserverstärkte thermoplastische Verbundwerkstoffe (CMT). Entsprechend den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen umfasst die Harzmatrix PP/PAPRT/PELPCPES/PEEKPI/PA und andere thermoplastische technische Kunststoffe, und die Dimensionstypen umfassen alle möglichen Faserarten wie Glastrockenvitriol und Borodimension. Mit der Entwicklung der thermoplastischen Harzmatrix-Verbundtechnologie und der Entwicklung recycelbarer Materialien hat die rasante Entwicklung der Vielfalt recycelter Materialien in entwickelten Ländern in Europa und den Vereinigten Staaten mehr als 30 % der Gesamtmenge an Baummatrix-Verbundmaterialien ausgemacht .

Thermoplastische Matrix

Thermoplastische Matrix ist ein thermoplastisches Material mit guten mechanischen Eigenschaften und Hitzebeständigkeit, das zur Herstellung verschiedener Industriegüter verwendet werden kann. Die thermoplastische Matrix zeichnet sich durch hohe Festigkeit, hohe Hitzebeständigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus.

Derzeit werden im Luftfahrtbereich hauptsächlich hochtemperaturbeständige und leistungsstarke Harzsubstrate wie PEEK, PPS und PEI als thermoplastische Harze eingesetzt. Unter diesen findet amorphes PEI aufgrund seiner niedrigeren Verarbeitungstemperatur und Verarbeitungskosten mehr Anwendung in Flugzeugstrukturen als teilkristallines PPS und PEEK mit hoher Formtemperatur.

Thermoplastisches Harz hat bessere mechanische Eigenschaften und chemische Korrosionsbeständigkeit, höhere Betriebstemperatur, hohe spezifische Festigkeit und Härte, ausgezeichnete Bruchzähigkeit und Schadenstoleranz, ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, kann komplexe geometrische Formen und Strukturen formen, einstellbare Wärmeleitfähigkeit, Recyclingfähigkeit, gute Stabilität unter rauen Bedingungen Umgebungen, wiederholbare Form-, Schweiß- und Reparatureigenschaften.

Das Verbundmaterial aus thermoplastischem Harz und Verstärkungsmaterial zeichnet sich durch Haltbarkeit, hohe Zähigkeit, hohe Schlagfestigkeit und Schadenstoleranz aus. Faser-Prepregs müssen nicht mehr bei niedrigen Temperaturen gelagert werden, die Lagerdauer des Prepregs ist unbegrenzt; Kurzer Formzyklus, schweißbar, hohe Produktionseffizienz, einfache Reparatur; Abfälle können recycelt werden; Die Gestaltungsfreiheit des Produkts ist groß, es können komplexe Formen hergestellt werden, es bietet Anpassungsfähigkeit und viele andere Vorteile.

Verstärkungsmaterial

Die Eigenschaften thermoplastischer Verbundwerkstoffe hängen nicht nur von den Eigenschaften von Harzen und verstärkten Fasern ab, sondern stehen auch in engem Zusammenhang mit den Faserverstärkungsmethoden, die drei Grundformen haben: Kurzfaserverstärkung, Langfaserverstärkung und Endlosfaserverstärkung.

Im Allgemeinen beträgt die Länge der Stapelfaserverstärkung 0,2 bis 0,6 mm, und da die meisten Fasern einen Durchmesser von weniger als 70 μm haben, sieht die Stapelfaser eher wie ein Pulver aus. Kurzfaserverstärkte Thermoplaste werden im Allgemeinen durch Einmischen von Fasern in einen geschmolzenen Thermoplast hergestellt. Aufgrund der Faserlänge und der zufälligen Ausrichtung in der Matrix ist es relativ einfach, eine gute Benetzung zu erreichen. Kurzfaserverbundwerkstoffe lassen sich im Vergleich zu langfaser- und endlosfaserverstärkten Materialien am einfachsten mit minimaler Verbesserung der mechanischen Eigenschaften herstellen. Kurzfaserverbundstoffe werden in der Regel geformt oder extrudiert, um endgültige Teile zu bilden, da kurze Fasern weniger Einfluss auf die Fließfähigkeit haben.

Die Faserlänge langfaserverstärkter Verbundwerkstoffe beträgt im Allgemeinen etwa 20 mm und wird normalerweise durch Benetzen der kontinuierlichen Fasern mit Harz und Schneiden auf eine bestimmte Länge hergestellt. Das üblicherweise verwendete Verfahren ist das Pultrusionsformen, bei dem ein mit Fasern und thermoplastischem Harz vermischter Endlosvorgarn durch eine spezielle Formdüse gezogen wird. Derzeit können die Struktureigenschaften langfaserverstärkter thermoplastischer PEEK-Verbundwerkstoffe durch FDM-Druck mehr als 200 MPa erreichen, der Modul kann mehr als 20 GPa erreichen und die Leistung wird durch Spritzgießen besser sein.

Die Fasern in durch Endlosfasern verstärkten Verbundwerkstoffen sind „kontinuierlich“ und haben eine Länge von einigen Metern bis zu mehreren tausend Metern. Endlosfaser-Verbundwerkstoffe ergeben im Allgemeinen Laminate, Prepregs oder geflochtene Stoffe usw., indem Endlosfasern mit der gewünschten thermoplastischen Matrix imprägniert werden.

(LFT-G® langfaserverstärkte thermoplastische Compounds )

Was sind die Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen?

Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, die aus verstärkten Fasermaterialien wie Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern usw. und Matrixmaterialien durch Wickel-, Form- oder Pultrusionsverfahren hergestellt werden. Entsprechend den verschiedenen Verstärkungsmaterialien werden gängige faserverstärkte Verbundwerkstoffe in glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (GFK), kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK) und aramidfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (AFRP) unterteilt.

Denn faserverstärkte Verbundwerkstoffe weisen die folgenden Eigenschaften auf:
(1) Die spezifische Festigkeit ist hoch und der spezifische Modul ist groß
(2) Die Materialeigenschaften sind gestaltbar
(3) Gute Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit
(4) Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ähnlich Diese Eigenschaften machen FRP-Materialien so, dass sie den Anforderungen moderner Bauwerke mit großer Spannweite, hoher Höhe, schwerer Last, geringem Gewicht, hoher Festigkeit und der Entwicklung unter rauen Bedingungen gerecht werden, aber auch den Anforderungen der modernen Industrialisierung des Hochbaus gerecht werden

Es wird immer häufiger in einer Vielzahl von Zivilgebäuden, Brücken, Autobahnen, Ozeanen, Wasserbauwerken, unterirdischen Bauwerken und anderen Bereichen eingesetzt.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe haben große Entwicklungsaussichten

Dem Bericht zufolge wird der weltweite Markt für thermoplastische Verbundwerkstoffe bis 2030 voraussichtlich 66,2 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 7,8 % im Prognosezeitraum. Dieser Anstieg ist auf die wachsende Produktnachfrage in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie sowie auf das exponentielle Wachstum in der Bauindustrie zurückzuführen. Thermoplastische Verbundwerkstoffe werden beim Bau von Wohngebäuden, Infrastruktur und Wasserversorgungsanlagen eingesetzt. Eigenschaften wie hervorragende Festigkeit, Zähigkeit und die Fähigkeit, recycelt und umgeformt zu werden, machen thermoplastische Verbundwerkstoffe ideal für die Herstellung in Bauanwendungen.

Thermoplastische Verbundwerkstoffe werden auch bei der Herstellung von Lagertanks, Leichtbaukonstruktionen, Fensterrahmen, Strommasten, Geländern, Rohren, Paneelen und Türen verwendet. Die Automobilindustrie ist einer der Hauptanwendungsbereiche. Hersteller konzentrieren sich auf die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und ersetzen dazu Metall und Stahl durch leichte thermoplastische Verbundwerkstoffe. Kohlefaser wiegt beispielsweise ein Fünftel so viel wie Stahl und trägt so dazu bei, das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu reduzieren. Nach Angaben der Europäischen Kommission wird die CO2-Emissionsobergrenze für Autos bis 2024 von 130 Gramm pro Kilometer auf 95 Gramm pro Kilometer angehoben, was voraussichtlich die Nachfrage nach thermoplastischen Verbundwerkstoffen in der Automobilindustrie erhöhen wird.