Vergelijking van harseigenschappen
De keuze van het harssysteem dat in een component moet worden gebruikt, is afhankelijk van een aantal eigenschappen, de volgende zijn waarschijnlijk de belangrijkste in de meeste samengestelde structuren:
1. Bondingseigenschappen
2. Mechanische eigenschappen
3. Microscopische scheurweerstand
4. Vermoeidheidsterkte
5. Afbraak van watercorrosie
Bondingseigenschappen
Er is besproken hoe de hechtingseigenschappen van het harssysteem belangrijk zijn om het volledige bereik van mechanische eigenschappen van de composiet te bereiken. In sandwichstructuren is de hechting van de harsmatrix aan de vezelversterking of kernmateriaal belangrijk.
Polyesterharsen hebben meestal de laagste hechtingseigenschappen van de drie hier beschreven systemen. Vinyl Lester harsen vertonen betere bindingseigenschappen dan polyesters, maar epoxyharssystemen bieden de beste prestaties van alle lijmen en worden daarom vaak aangetroffen in veel hoogwaardig kleefstoffen. Dit komt door hun chemische samenstelling en de aanwezigheid van polaire hydroxyl- en ethergroepen. Aangezien epoxyharsen genezen met een lage krimpsnelheid, worden de verschillende oppervlaktecontacten die zijn vastgesteld tussen de vloeibare hars en de hechtingen niet verstoord tijdens het uithardingsproces. De bindingseigenschappen van epoxyharsen zijn met name nuttig bij de constructie van honingraatkernlaminaten, waarbij een klein bindingsoppervlak betekent dat maximale binding vereist is.
De sterkte van de binding tussen hars en vezel hangt niet alleen af van de bindingseigenschappen van het harssysteem, maar wordt ook beïnvloed door de oppervlaktecoating van de versterkende vezels.
Mechanische eigenschappen
Twee belangrijke mechanische eigenschappen van elk harssysteem zijn treksterkte en stijfheid. Figuren 22 en 23 tonen de resultaten van tests die worden uitgevoerd op commercieel verkrijgbare polyester-, vinyllester- en epoxyharssystemen die worden genezen na 20 graden en 80 graden.
Na een uithardingsperiode van zeven dagen bij kamertemperatuur is te zien dat typische epoxyharsen hogere prestaties bieden in termen van zowel sterkte als stijfheid dan typische polyesters en vinylesters. De gunstige effecten van uitharding gedurende vijf uur na 80 graden zijn ook te zien.
Even belangrijk voor samengestelde ontwerpers en bouwers is de hoeveelheid krimp van de hars tijdens en na het uitharden. Krimp is te wijten aan de herschikking en heroriëntatie van harsmoleculen in de vloeibare en semi-gelfasen. Polyesters en vinylesters vereisen een aanzienlijke hoeveelheid moleculaire herschikking om een uitgeharde toestand te bereiken en kan krimp van maximaal 8%vertonen. De verschillende aard van de epoxy-reactie resulteert echter in zeer weinig herschikking en de afwezigheid van vluchtige bi-producten, waardoor de typische epoxy-krimp wordt verminderd tot ongeveer 2%. Tot op zekere hoogte is de afwezigheid van krimp verantwoordelijk voor de betere mechanische eigenschappen van epoxy dan polyester, omdat krimp wordt geassocieerd met interne spanningen die het materiaal kunnen verzwakken.
Bovendien leidt krimp in de dikte van het laminaat tot "print-through" van het versterkende vezelpatroon, wat een moeilijk en duur cosmetisch defect is om te elimineren.
Microscopische scheuren
De sterkte van een laminaat wordt meestal overwogen in termen van hoeveel belasting het kan weerstaan voordat het volledig faalt. Deze ultieme sterkte of brekende kracht is het punt waarop de hars catastrofale breuk vertoont en de versterkende vezels breken.
Voordat deze ultieme sterkte wordt bereikt, zal het laminaat echter een stressniveau bereiken waarbij de hars begint te kraken van de vezelwapeninglagen die niet zijn afgestemd op de uitgeoefende belasting, en deze scheuren zullen zich voortplanten door de harsmatrix. Dit staat bekend als "transversale microscheuren" en hoewel het laminaat nog niet volledig is mislukt, is het breukproces al begonnen. Ingenieurs die een duurzame structuur willen, moeten er daarom voor zorgen dat hun laminaten dit punt niet overschrijden onder reguliere servicebelastingen.
De spanning die een laminaat kan bereiken vóór micro-cracking is sterk afhankelijk van de taaiheid en bindingseigenschappen van het harssysteem. Voor brosse harssystemen, zoals de meeste polyesters, gebeurt dit lang voordat het laminaat faalt, en beperkt daarom de spanning die dergelijke laminaten kunnen weerstaan. Recente tests hebben bijvoorbeeld aangetoond dat voor polyester\/glas geweven zwervende laminaten, microcracking typisch optreedt bij ongeveer 0. 2% stam, met uiteindelijke schade die niet opduikt tot 2. 0% stam. Dit komt overeen met een bruikbare sterkte van slechts 10% van de ultieme sterkte. Omdat de ultieme sterkte van het laminaat onder spanning wordt bepaald door de vezelsterkte, verminderen deze hars microschracks niet onmiddellijk de ultieme prestaties van het laminaat.
In omgevingen zoals water of vochtige lucht zal een microcroctreklaminaat echter meer water absorberen dan een niet -gescheurd laminaat. Dit zal resulteren in een toename van het gewicht, het vocht in de hars- en vezelafmetingsmiddel, een afname van de stijfheid en een afname van de uiteindelijke prestaties in de tijd.
De toename van hars\/vezeladhesie komt meestal voort uit de chemie van de hars en de compatibiliteit ervan met de chemische oppervlaktebehandeling die op de vezels wordt toegepast. Hier helpen de bekende eigenschappen van epoxy-lijmen het laminaat hogere microscheurende stammen te bereiken. Zoals eerder vermeld, is harsstuwheid moeilijk te meten, maar wordt veel aangegeven door de ultieme faalspanning. Een vergelijking van verschillende harssystemen wordt getoond in figuur 25.
Vermoeidheidsterkte
Over het algemeen hebben composieten een uitstekende vermoeidheidsweerstand in vergelijking met de meeste metalen. Aangezien het falen van vermoeidheid echter vaak wordt veroorzaakt door de geleidelijke accumulatie van een kleine hoeveelheid schade, zal het vermoeidheidsgedrag van composietmateriaal worden beïnvloed door de taaiheid van de hars, de weerstand tegen microscheuren en het aantal leegte en andere defecten die zich voordoen tijdens het productieproces. Om deze reden vertonen epoxybasislaminaten de neiging om zeer goede vermoeidheidsweerstand te vertonen in vergelijking met polyester en vinylester, wat een van de belangrijkste redenen is voor hun gebruik in aerostructuren.
Afbraak van watercorrosie
Een belangrijk kenmerk van elke hars, vooral in de mariene omgeving, is het vermogen om afbraak te weerstaan door binnenkomende water. Alle harsen absorberen wat water, die gewicht toevoegen aan het laminaat, maar nog belangrijker hoe het geabsorbeerde water de hars- en hars\/vezelbinding in het laminaat beïnvloedt, wat leidt tot een geleidelijk en langdurig verlies van mechanische eigenschappen. Zowel polyester- als vinylestersen zijn gevoelig voor waterafbraak als gevolg van de aanwezigheid van hydrolyseerbare estergroepen in de moleculaire structuur.
Dientengevolge kan worden verwacht dat dunne polyesterlaminaten slechts 65% van hun tussenlaagschuifsterkte behouden na een jaar van onderdompeling in water, terwijl epoxyharslaminaten na een jaar van onderdompeling ongeveer 90% zullen behouden.
Figuur 26 toont het effect van water op epoxy en polyester geweven glaslaminaten die werden ondergedompeld in water na 100 graden. Deze onderdompeling op hoge temperatuur geeft de ondergedompelde laminaten versnelde afbraakeigenschappen.
Permeabiliteit
Alle laminaten in de mariene omgeving laten zeer kleine hoeveelheden water erdoorheen gaan in de vorm van damp. Naarmate het water erdoorheen gaat, reageert het met eventuele hydrolyseerbare componenten in het laminaat om kleine cellen met geconcentreerde oplossing te vormen. Onder de osmotische cyclus gaat meer water door het semipermeabele membraan van het laminaat in een poging deze oplossing te verdunnen. Dit water verhoogt de vloeistofdruk in de cel tot 700 psi. Uiteindelijk zal de druk het laminaat of de gelcoat vervormen of breken en kan het resulteren in een typisch "waterpokken" -oppervlak. Hydrolyseerbare componenten in het laminaat kunnen vuil en puin bevatten dat tijdens het productieproces gevangen zit, maar kunnen ook esterbindingen in het genezen polyester bevatten en, in mindere mate, vinyl -lat.
Het gebruik van een harsrijke laag naast een geljas is essentieel voor polyesterharsen om dit type afbraak te verminderen, maar meestal is de enige remedie zodra het proces begint het getroffen materiaal te vervangen. Om te voorkomen dat infiltratie zich in de eerste plaats voordoet, is het noodzakelijk om een hars te gebruiken met zowel lage permeabiliteit als een hoge weerstand tegen watererosie. Bl uiten kan vrijwel worden geëlimineerd wanneer ze worden gebruikt in combinatie met een versterkingsmateriaal dat een vergelijkbare weerstand heeft tegen oppervlaktebehandeling en wordt gelamineerd tot een zeer hoge standaard. Polymeerketens met op epoxy gebaseerde ketens weerstaan de effecten van water veel beter dan veel andere harssystemen. Van dergelijke systemen is aangetoond dat ze uitstekende chemische en waterweerstand hebben, lage waterpermeabiliteit en zeer goede mechanische eigenschappen.
Samenvatting van vergelijkende harseigenschappen
De hier besproken hier besproken polyester, vinylester en epoxyharsen vertegenwoordigen waarschijnlijk ongeveer 90% van alle thermosetharssystemen die worden gebruikt in structurele composieten. Samenvattend zijn de belangrijkste voor- en nadelen van deze typen:
Andere harsen voor composieten
Naast polyester, vinylester en epoxyharsen worden er veel andere specialistische harssystemen gebruikt waar hun unieke eigenschappen nodig zijn.
Fenolische harsen
Voornamelijk gebruikt waar hoge brandweerstand vereist is, behouden fenolische harsen hun eigenschappen goed bij hoge temperaturen. Voor uitgeharde materialen van kamertemperatuur leidt het gebruik van corrosieve zuren tot onaangename behandeling. De gecondenseerde aard van hun uithardingsproces heeft de neiging om te resulteren in de opname van vele leegte en oppervlaktefouten, de hars is meestal bros en heeft slechte mechanische eigenschappen. Typische kosten: £ 2-4\/kg.
Fenyl -isocyanaat
Voornamelijk gebruikt in de ruimtevaartindustrie. De uitstekende diëlektrische eigenschappen van het materiaal maken het ideaal voor gebruik in lage diëlektrische vezels zoals kwarts, die worden gebruikt bij de productie van radomes. Het materiaal is ook temperatuurstabiel tot 200 graden nat. Typische kosten: £ 40\/kg.
Siliconenharsen
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.
Polyurethaan
Sterk ductiel materiaal, soms gemengd met andere harsen, vanwege relatief lage laminaatmechanische eigenschappen in compressie. Gebruikt gevaarlijke isocyanaten als uithardingsmiddelen. Typische kosten: £ 2-8\/kg.
Bismaleimide (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.
Polyimide
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) met giftige grondstoffen die in het productieproces worden gebruikt. Polyimiden zijn moeilijk om mee te werken vanwege de condensatiereactie die water vrijgeeft tijdens het uithardingsproces en zijn relatief bros na het uitharden. PMR15 en LARC160 zijn de twee meest gebruikte polyimiden in composieten.
Bron "Frontiers in composieten"