Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền liên kết bề mặt trong quá trình phủ và đúc nhựa nhiệt dẻo CF-PAEK (PEEK).
Vật liệu tổng hợp sợi carbon nhiệt dẻo hiệu suất cao thể hiện những ưu điểm như độ bền cao, chống va đập, hấp thụ độ ẩm thấp và hiệu suất môi trường tuyệt vời. Nghiên cứu về loại vật liệu composite này đang được tiến hành, dẫn đến sự phát triển của nhiều loại vật liệu tổng hợp sợi carbon nhiệt dẻo với các ma trận khác nhau, cũng như một số kỹ thuật xử lý khả thi, bao gồm ép phun, ép nén và đúc phủ. Công nghệ nóng chảy ở nhiệt độ cao từ lâu đã được coi là một trong những phương pháp chính để điều chế vật liệu tổng hợp sợi carbon nhiệt dẻo. Bài viết này sẽ giới thiệu ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền liên kết bề mặt đối với polyaryl ether ketone được gia cố bằng sợi carbon liên tục (CF-PAEK) và xeton polyether ether được gia cố bằng sợi carbon ngắn (CF-PEEK) trong quá trình đúc lớp phủ, tích hợp những hiểu biết sâu sắc từ tài liệu chuyên môn. .
Chuẩn bị vật liệu tổng hợp được phủ từ nhựa nhiệt dẻo CF-PAEK và CF-PEEK
Các vật liệu tổng hợp polyaryl ether ketone (CF-PAEK) nhựa nhiệt dẻo được gia cố bằng sợi carbon liên tục được điều chế bằng cách sử dụng sợi carbon một chiều, sau đó được tạo thành các tấm composite được gia cố bằng sợi carbon liên tục thông qua quá trình đúc nén. Polyether ether ketone (PEEK) và polyether ether ketone ngắn được gia cố bằng sợi carbon (SCF-PEEK) được chọn làm vật liệu phun, được bơm vào các khuôn đặt trên bề mặt của tấm CF-PAEK và duy trì dưới áp suất trong một thời gian nhất định để tạo ra hỗn hợp. vật liệu tổng hợp được phủ. Sau khi để không khí nguội đến nhiệt độ phòng, vật liệu tổng hợp sợi carbon dẻo nhiệt đúc được loại bỏ và cắt theo kích thước cố định. Sau đó, nhiều thử nghiệm hiệu suất khác nhau đã được tiến hành, bao gồm thử nghiệm tính chất cơ học, phân tích kính hiển vi điện tử quét (SEM), thử nghiệm phần khối lượng, thử nghiệm hành vi lưu biến và thử nghiệm vết lõm nano. Dữ liệu thử nghiệm được lập biểu đồ và kết luận tương ứng được rút ra thông qua các nghiên cứu so sánh của nhiều bộ mẫu.
Ảnh hưởng của nhiệt độ khuôn đến độ bền liên kết bề mặt của vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo CF-PAEK (PEEK).
1. Đường cong nhiệt độ nhớt của nhựa PAEK và PEEK: Hình trên thể hiện đường cong độ nhớt-nhiệt độ của nhựa PAEK và PEEK. Dữ liệu chỉ ra rằng độ nhớt của PAEK dao động từ khoảng 89 đến 237 Pa·s ở nhiệt độ từ 340 độ đến 400 độ, trong khi độ nhớt của PEEK dao động từ 203 đến 330 Pa·s ở nhiệt độ từ 360 độ đến 420 độ. Cả hai loại nhựa nhiệt dẻo đều có tính chất cắt mỏng, độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Độ nhớt của nhựa tan chảy càng thấp thì khả năng khuếch tán càng tốt, điều này ảnh hưởng tích cực đến độ bền liên kết giữa các bề mặt.
2. Độ bền cắt của vật liệu tổng hợp được phủ ở nhiệt độ khuôn khác nhau: Hình a ở trên thể hiện đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu PEEK và SCF-PEEK ở các nhiệt độ khuôn khác nhau. Hình b trình bày dữ liệu cường độ cắt cho PEEK/CCF-PAEK và SCF-PEEK/CCF-PAEK ở các nhiệt độ khuôn khác nhau. Độ bền cắt của PEEK/CCF-PAEK là 56 MPa, 65 MPa, 70 MPa và 68 MPa, trong khi độ bền cắt của SCF-PEEK/CCF-PAEK là 77 MPa, 79 MPa, 85 MPa và 71 MPa.
Kết quả chỉ ra rằng khi nhiệt độ khuôn tăng thì độ bền cắt của mẫu được cải thiện. Ngoài ra, do được gia cố từ sợi carbon ngắn nên độ bền cắt của SCF-PEEK/CCF-PAEK cao hơn. Nhiệt độ khuôn ảnh hưởng đến thời gian duy trì nhiệt độ bề mặt giữa lớp nóng chảy được bơm vào (PEEK và SCF-PEEK) và tấm CCF-PAEK, cũng như thời gian tiếp xúc trước khi đóng rắn. Khi nhiệt độ khuôn tăng lên, nhiệt độ của lớp giao diện tăng dần, thúc đẩy quá trình nóng chảy và khuếch tán của nhựa PAEK ở nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, từ đó tăng cường độ bền liên kết giữa các bề mặt.
3. Các dạng hư hỏng cắt của mẫu composite được phủ ở nhiệt độ khuôn khác nhau: Hình trên thể hiện mặt cắt ngang bị phá hủy do cắt của vật liệu composite được phủ PEEK/CCF-PAEK ở các nhiệt độ khuôn khác nhau. Nó cho thấy rằng dưới tác dụng của lực cắt, các vết nứt bắt đầu hình thành ở cả hai phía của mẫu và kéo dài về phía tâm. Khi nhiệt độ khuôn được đặt ở mức 220 độ và 240 độ, sự hư hỏng của PEEK/CCF-PAEK chủ yếu là do sự phân tách bề mặt, cho thấy độ bền liên kết giữa các bề mặt tương đối yếu (Hình a và b). Ngược lại, khi nhiệt độ khuôn tăng lên 260 độ và 280 độ, sự hỏng hóc của PEEK/CCF-PAEK chủ yếu là do đứt gãy giữa các lớp, cho thấy độ bền liên kết giữa các bề mặt mạnh hơn (Hình c và d).
Hình trên cho thấy mặt cắt ngang bị phá hủy do cắt của vật liệu tổng hợp được phủ SCF-PEEK/CCF-PAEK ở các nhiệt độ khuôn khác nhau, với điều kiện mẫu tương tự như điều kiện của vật liệu tổng hợp PEEK/CCF-PAEK. Ở nhiệt độ khuôn là 220 độ và 240 độ, sự hỏng liên kết giữa các bề mặt vẫn là một vấn đề lớn (Hình a và b). Khi nhiệt độ khuôn tăng lên 260 độ và 280 độ, sự hư hỏng của SCF-PEEK/CCF-PAEK được đặc trưng bởi sự đứt gãy giữa các lớp của CCF-PAEK và sự hư hỏng do uốn của SCF-PEEK (Hình c và d). Do biến dạng uốn và biến dạng cắt giữa các lớp do quá trình phủ gây ra, khi độ bền liên kết giữa các bề mặt yếu đi, sự phân tách có thể xảy ra giữa PEEK, SCF-PEEK và CCF-PAEK. Khi cường độ liên kết giữa các bề mặt tăng lên, độ phân tách bề mặt trong composite giảm dần, trong khi độ đứt gãy giữa các lớp của nhựa tăng lên.
Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng các dạng hư hỏng bề mặt của vật liệu composite thay đổi khi nhiệt độ khuôn tăng. Ở nhiệt độ thấp hơn, nhiệt độ giao diện thấp hơn và sự tan chảy trong khuôn phun nguội nhanh hơn, dẫn đến khuếch tán phân tử chậm hơn và độ bám dính yếu hơn. Sự phá hủy do cắt biểu hiện như sự phá hủy bề mặt, đặc trưng bởi sự liên kết cơ học. Khi nhiệt độ khuôn tăng lên, diện tích bề mặt gãy của PEEK tăng dần. Nhiệt độ khuôn cao hơn sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt giữa nhựa PEEK và PAEK, tăng thời gian trộn trước khi đóng rắn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nóng chảy của nhựa. Khi nhiệt độ bề mặt tiếp xúc vượt quá nhiệt độ nóng chảy của PAEK, lớp nhựa eutectic sẽ hình thành tại bề mặt phân cách, tăng cường độ bền liên kết giữa các bề mặt.
4. Đường cong độ sâu tải trọng nano của vật liệu tổng hợp được phủ ở nhiệt độ khuôn khác nhau: Các đường cong trong hình trên chỉ ra rằng đối với cùng một tải trọng vết lõm, độ sâu vết lõm giảm dần khi nhiệt độ khuôn tăng lên, cho thấy khả năng chịu tải của nhựa tại bề mặt tiếp xúc tăng lên khi nhiệt độ khuôn tăng lên. Đối với composite PEEK/CCF-PAEK, ở nhiệt độ khuôn 260 độ, khả năng chịu tải của nhựa giao diện tương tự như PEEK, chứng tỏ composite đã phủ đã đạt đến trạng thái nhựa nóng chảy trộn với lớp phun nhựa (PEEK), đạt được độ bền gần như giống hệt nhau. So với PEEK, hỗn hợp SCF-PEEK/CCF-PAEK thể hiện tải trọng cao hơn ở bề mặt tiếp xúc, cho thấy rằng việc bổ sung các sợi carbon ngắn giúp tăng cường nhựa ở bề mặt tiếp xúc, cho phép nó chịu tải cao hơn.
Khi độ sâu vết lõm nhỏ, mô đun giảm nhanh khi độ sâu vết lõm tăng dần (Hình b), cho thấy sự thay đổi đáng kể của đường cong mô đun trong giai đoạn này. Khi độ sâu vượt quá 250 nm, các giá trị mô đun bắt đầu giảm dần theo độ sâu ngày càng tăng. Ở độ sâu lớn hơn 500 nm, đường cong mô đun trở nên ổn định hơn. Ở nhiệt độ khuôn 220 độ, đường cong mô đun độ sâu của vật liệu tổng hợp được phủ PEEK/CCF-PAEK tương đối không ổn định, với mô đun thấp hơn là 4,2 GPa. Điều này chỉ ra rằng ở nhiệt độ khuôn 260 độ, chất tan chảy có thể tạo thành lớp nhựa cùng tồn tại với nhựa bề mặt của phôi, tạo ra mô đun tương đương với mô đun PEEK.
Đường cong mô đun độ sâu của vật liệu tổng hợp được phủ SCF-PEEK/CCF-PAEK tương đối trơn tru, cho thấy rằng việc bổ sung các sợi carbon ngắn có thể tăng cường mô đun của nhựa tại bề mặt tiếp xúc. Khi nhiệt độ khuôn tăng lên, mô đun cũng tăng dần. Ở nhiệt độ khuôn là 260 độ, mức tăng là đáng kể, đạt tới 5,5 GPa, liên quan đến sự chuyển đổi trạng thái liên kết bề mặt ở nhiệt độ này. Điều này chỉ ra rằng hai loại nhựa ở bề mặt phân cách có thể tan chảy và khuếch tán vào nhau. Ngoài ra, các sợi carbon ngắn có thể tự nhúng vào trong lớp giao thoa khi nhựa ở trạng thái nóng chảy, điều này góp phần làm tăng mô đun.
