< Terug naar vorige pagina
Project
Hybridisatie van zelfversterkte composieten: modellering en verificatie van een nieuw hybride concept.
Het gebruik van koolstofvezelversterkte composieten is sterk gegroeid in de laatste decennia. Zij bieden uitstekende mechanische eigenschappen in combinatie met een lage densiteit, wat hen een ideale oplossing maaktvoor lichtgewicht toepassingen. Hun grootste nadeel is echter hun lage taaiheid. In tegenstelling tot koolstofvezelcomposieten hebben zelfversterkte composieten een uitstekende taaiheid, maar een relatief lage stijfheid en sterkte. Deze composieten bestaan uit een polymeervezel in een matrix, waarbij beiden van hetzelfde polymeer gemaakt zijn. Deze thesis heeft als doel om door het klassieke taaiheid-stijfheidsdilemma te breken. Dit gebeurt door het hybridiseren van koolstofvezels met zelfversterktpolypropyleen (SRPP) om zo een nieuw materiaal te ontwikkelen dat zoweltaai als stijf is. De nadruk ligt op het optimaliseren van de trekeigenschappen en impactweerstand van deze nieuwe hybride composieten.
Vooraleer SRPP te hybridiseren is het belangrijk om de invloed van de procesparameters op de mechanische eigenschappen van SRPP te begrijpen. Warmcompactie gebruikt georiënteerde monocomponent tapes en smelt hun buitenkant om de matrix te vormen. Dit proces heeft een nauw procesvenster, waardoor het inherent gevoelig is aan de procesparameters. Deze thesis toonde aan dat een verhoging van de procestemperatuur of tijd zowel de hoeveelheid matrix als de moleculaire relaxatie van georiënteerde polymeertapes verhoogt. Dit versterkte de binding tussen de lagen, wat een klein effect heeft op de trekeigenschappen maar een groot effect op de impactweerstand. De druk was nog belangrijker omdat een te lage druk de penetratie-impactweerstand sterk verlaagde. Deze impactweerstand is het belangrijkste voordeel van SRPP en daarom zijn ook potentiële problemen met het testen hiervan onderzocht.
Hybridisatie van SRPP met koolstofvezels leidde tot de ontwikkeling van een nieuwe familie van hybride composieten met een unieke combinatie van stijfheid, sterkte, finale breukrek en impactweerstand. Inter- en intralaag hybrides werden ontwikkeld en geoptimaliseerd. Voor interlaag hybrides werd aangetoond hoe de schade ontwikkeling in trekbelasting gecontroleerd kan worden door het veranderen van dekoolstofvezelvolumefractie, de koolstofvezel- en SRPP-oriëntatie en de relatieve laagdikte. Een geschikte keuze van deze parameters kan leiden tot pseudoductiel gedrag, waarbij de koolstofvezellagen meerdere keren kunnen falen. Voor intralaag hybrides is het belang van de intralaaghechting aangetoond. Deze parameter is cruciaal aangezien een sterke intralaaghechting de finale breukrek en impactweerstand verlaagt, maar wel de buigeigenschappen verbetert. Een sterkere hechting tussen koolstofvezel enpolypropyleen had een gelijkaardig, maar sterker effect.
Het experimentele werk werd ondersteund door een uitgebreide modelleerstudie.Een nieuw en flexibel model voor unidirectionele hybride composieten werd ontwikkeld. Dit model werd eerst uitgewerkt voor niet-hybride composieten en de voordelen en beperkingen werden aan het licht gebracht. Een diepgaande experimentele validatie werd uitgevoerd door de modelvoorspellingen te vergelijken met synchrotron computertomografie. Dit leidde tot uiterst belangrijke aanbevelingen voor verdere model-ontwikkelingen. Hetmodel werd dan uitgebreid naar hybride composieten en een uitgebreide parametrische studie werd uitgevoerd. Deze studie bestudeerde vooral het hybride effect, wat een synergistisch effect is dat voor een verhoging van de koolstofvezelbreukrek zorgt door hybridisatie met een ductielere vezel. Het hybride effect werd kan vergroot worden door de volumefractie aan koolstofvezel te verlagen of door beide vezels goed te dispergeren. De mechanische eigenschappen van de ductiele vezel zijn niet cruciaal, zolang zijn breukrek minstens twee maal groter is dan die van koolstofvezel. Het gebruik van polypropyleenvezel in plaats van glasvezel zou dus niet leiden tot een groter hybride effect. Het belangrijkste voordeel vande ductiele polypropyleenvezels ligt daarom in zijn potentieel voor hetbekomen van een grotere finale breukrek in hybride koolstofvezel-composieten. De voorspelde hybride effecten werden ook vergeleken met experimentele metingen. Deze validatie was de eerste in zijn soort waarbij een goede overeenkomst gevonden werd. Dit toont aan dat het model de belangrijkste aspecten van het hybride effect kan vatten.
Uiteindelijk werden de experimentele resultaten gecombineerd met de modelleerinzichten om zo een road map op te stellen voor het optimaliseren van hybride zelfversterkte composieten. Deze road map kan ook gebruikt worden voor hetoptimaliseren van andere hybride zelfversterkte composieten. Dit onderzoek toont de potentiële voordelen van hybride composieten aan. Dit zou een drijvende kracht moeten vormen voor verder onderzoek naar hybride composieten en verbeteringen in procestechnologieën voor het maken van goedgedispergeerde hybride composieten.
Vooraleer SRPP te hybridiseren is het belangrijk om de invloed van de procesparameters op de mechanische eigenschappen van SRPP te begrijpen. Warmcompactie gebruikt georiënteerde monocomponent tapes en smelt hun buitenkant om de matrix te vormen. Dit proces heeft een nauw procesvenster, waardoor het inherent gevoelig is aan de procesparameters. Deze thesis toonde aan dat een verhoging van de procestemperatuur of tijd zowel de hoeveelheid matrix als de moleculaire relaxatie van georiënteerde polymeertapes verhoogt. Dit versterkte de binding tussen de lagen, wat een klein effect heeft op de trekeigenschappen maar een groot effect op de impactweerstand. De druk was nog belangrijker omdat een te lage druk de penetratie-impactweerstand sterk verlaagde. Deze impactweerstand is het belangrijkste voordeel van SRPP en daarom zijn ook potentiële problemen met het testen hiervan onderzocht.
Hybridisatie van SRPP met koolstofvezels leidde tot de ontwikkeling van een nieuwe familie van hybride composieten met een unieke combinatie van stijfheid, sterkte, finale breukrek en impactweerstand. Inter- en intralaag hybrides werden ontwikkeld en geoptimaliseerd. Voor interlaag hybrides werd aangetoond hoe de schade ontwikkeling in trekbelasting gecontroleerd kan worden door het veranderen van dekoolstofvezelvolumefractie, de koolstofvezel- en SRPP-oriëntatie en de relatieve laagdikte. Een geschikte keuze van deze parameters kan leiden tot pseudoductiel gedrag, waarbij de koolstofvezellagen meerdere keren kunnen falen. Voor intralaag hybrides is het belang van de intralaaghechting aangetoond. Deze parameter is cruciaal aangezien een sterke intralaaghechting de finale breukrek en impactweerstand verlaagt, maar wel de buigeigenschappen verbetert. Een sterkere hechting tussen koolstofvezel enpolypropyleen had een gelijkaardig, maar sterker effect.
Het experimentele werk werd ondersteund door een uitgebreide modelleerstudie.Een nieuw en flexibel model voor unidirectionele hybride composieten werd ontwikkeld. Dit model werd eerst uitgewerkt voor niet-hybride composieten en de voordelen en beperkingen werden aan het licht gebracht. Een diepgaande experimentele validatie werd uitgevoerd door de modelvoorspellingen te vergelijken met synchrotron computertomografie. Dit leidde tot uiterst belangrijke aanbevelingen voor verdere model-ontwikkelingen. Hetmodel werd dan uitgebreid naar hybride composieten en een uitgebreide parametrische studie werd uitgevoerd. Deze studie bestudeerde vooral het hybride effect, wat een synergistisch effect is dat voor een verhoging van de koolstofvezelbreukrek zorgt door hybridisatie met een ductielere vezel. Het hybride effect werd kan vergroot worden door de volumefractie aan koolstofvezel te verlagen of door beide vezels goed te dispergeren. De mechanische eigenschappen van de ductiele vezel zijn niet cruciaal, zolang zijn breukrek minstens twee maal groter is dan die van koolstofvezel. Het gebruik van polypropyleenvezel in plaats van glasvezel zou dus niet leiden tot een groter hybride effect. Het belangrijkste voordeel vande ductiele polypropyleenvezels ligt daarom in zijn potentieel voor hetbekomen van een grotere finale breukrek in hybride koolstofvezel-composieten. De voorspelde hybride effecten werden ook vergeleken met experimentele metingen. Deze validatie was de eerste in zijn soort waarbij een goede overeenkomst gevonden werd. Dit toont aan dat het model de belangrijkste aspecten van het hybride effect kan vatten.
Uiteindelijk werden de experimentele resultaten gecombineerd met de modelleerinzichten om zo een road map op te stellen voor het optimaliseren van hybride zelfversterkte composieten. Deze road map kan ook gebruikt worden voor hetoptimaliseren van andere hybride zelfversterkte composieten. Dit onderzoek toont de potentiële voordelen van hybride composieten aan. Dit zou een drijvende kracht moeten vormen voor verder onderzoek naar hybride composieten en verbeteringen in procestechnologieën voor het maken van goedgedispergeerde hybride composieten.
Datum:7 sep 2010 → 8 jan 2015
Trefwoorden:Light-weight, Hybridization, Composites, Self-reinforced
Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie, Composieten en hybride materialen, Process engineering, Polymere materialen
Project type:PhD project