Կոշտացման խեժի դերը տևական և թեթև կոմպոզիտներ ստեղծելու գործում

Կոշտացման խեժը որպես թեթև, բարձր ամրության կոմպոզիտների հիմք

Կոմպոզիտ նյութերի նախագծման մեջ կոշտացման խեժի դերի ըմբռնումը

Էպօքսի խեժի մոլեկուլային մակարդակով կառուցվածքը իսկապես դրան հնարավորություն է տալիս հիանալի կոմպոզիտներ ստեղծելու: Այն ունի բավականին ցածր խտություն՝ 1,1-ից մինչև 1,4 գրամ խորանարդ սանտիմետրում, սակայն դրան մեջ մտնում է բավականին շատ խաչաձև կապեր: Արդյունքում ստանում ենք մի նյութ, որն ինքն իր մեջ նյութ է և բավականաչափ թեթև, որպեսզի աշխատել տարբեր ամրացնող նյութերի հետ, ինչպիսիք են ածխածնային մանրաթելը կամ ապակեմանրաթելը: Երբ այս բաղադրիչները միանում են, դրանք ճնշումը հավասարաչափ բաշխում են ամբողջ կառուցվածքի վրա: Անցյալ տարի հրապարակված վերջին հետազոտությունները ցույց տվեցին նաև մի հետաքրքիր բան: Էպօքսի խառնուրդներ, որոնք պարունակում էին ընդամենը 5% բջջանյութի հիմքի վրա հիմնված ավելացումներ, հարվածի դեպքում ավելի քան 250% ավելի ամուր էին, քան սովորական տեսակները, որոնք չունեին այդպիսի ավելացումներ: Ճյուղային ինժեներները սիրում են աշխատել այս նյութի հետ, քանի որ նրանք կարող են կարգավորել խեժի թույլ կամ խիտ լինելը մշակման ընթացքում, ինչպես նաև կարող են վերահսկել այն, թե ինչքան արագ է այն պնդանում՝ կախված նրանից, թե ինչ տեսակի մանրաթելեր են նրանք օգտագործում: Սա նշանակում է, որ արտադրողները կարող են ստեղծել մասեր, որոնք համապատասխանում են ճշգրիտ տեխնիկական պահանջներին՝ միաժամանակ պահպանելով ընդհանուր քաշը ցածր:

Ինչու է էպօքսի խեժը առաջարկում գերազանց մեխանիկական ամրություն թեթև կոմպոզիտային կառուցվածքներում

Ծանրությունը ցածր պահելու համար ապահովող ամրություն տալու համար օժտված է կովալենտ կապերով, ինչը դարձնում է այն ինքնաթիռների և ավտոմեքենաների համար շատ կարևոր նյութ: Թերմոպլաստները չեն կարող մրցել, քանի որ նրանք մղձի ճնշման տակ ձգվում են ժամանակի ընթացքում: Էպօքսիդը մնում է կայուն, նույնիսկ երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մոտ 180 աստիճան Ցելսիուսին: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել մանրամասներ էպօքսիդի մանրաթելերի հետ աշխատելու մասին: Երբ խառնվում է ճիշտ, այն ստեղծում է ամուր կապ մանրաթելերի և մատրիցային նյութերի միջև, ինչը իրոք ավելացնում է ճկման դիմադրությունը մոտ 19%-ով այդ բարդ համակարգերում մանրաթելերի մի քանի տեսակների դեպքում: Մեկ այլ մեծ առավելություն է էպօքսիդի ցածր սեղմումը ամրանալու ընթացքում, 2%-ից պակաս, ուստի ներսում օդի պարկեր չեն առաջանում: Սա նշանակում է, որ էպօքսիդից պատրաստված մասերը պահպանում են իրենց կառուցվածքային ամբողջականությունը, նույնիսկ երբ արտադրվում են ավելի մեծ չափերով առանց որակի վատթարացման:

Էպօքսի խռնվածքի համեմատումը այլ պոլիմեր մատրիցների հետ խտության և արդյունավետության տեսանկյունից

Չնայած ֆենոլային և պոլիէսթեր խռնվածքները ավելի ցածր արժեքով տարբերակներ են, էպօքսին գերազանցում է դրանք հիմնարար ոլորտներում.

Էպօքսիների 40%-ով ցածր խոնավության կլանում ֆենոլային տարբերակների համեմատ, որը այն նախընտրելի է դարձնում խոնավ միջավայրերի համար, իսկ դրա միացման ամրությունը (18–24 ՄՊա) գերազանցում է պոլիէսթերի 10–15 ՄՊա միջակայքը: Այս հատկությունները հաստատում են էպօքսին թեթև կոմպոզիտների համար օպտիմալ ընտրությունը, որոնք պահանջում են երկարաժամկետ տևունակություն:

Հիմնարար մեխանիկական հատկություններ՝ լարման, ճկման և հարվածի դիմադրությունը էպօքսի կոմպոզիտների մոտ

Լարման ամրության բարելավումը՝ օպտիմալացված էպօքսի խեժի բաղադրատոմսի միջոցով

Էպօքսի կոմպոզիտները այսօր կարող են հասնել ձգման դիմադրության 600 ՄՊա-ից ավելի շնորհիվ նյութերի խառնման ավելի լավ եղանակների: 2018 թվականի հետազոտությունները ցույց տվեցին, որ երբ գրաֆենային նանոսալիկներ խառնվում են այդ խեժերին, տեղի է ունենում մի հետաքրքիր երևույթ: Ամրությունը մեծանում է մոտ 35 տոկոսով սովորական տարբերակների համեմատ, քանի որ այդ փոքրիկ սալերը օգնում են լարվածությունը տարածել ավելի հավասարաչափ, քան թողնել, որ այն կուտակվի մեկ կետում: Այս լավ աշխատանքի համար պատասխանատու է մոլեկուլների միջև կապերի խտության և միկրոմակարդակում ավելացված ամրապնդման ճիշտ հարաբերակցությունը գտնելը: Այս բարելավումները նշանակում են, որ թեթև մասերը դեռ կարող են դիմանալ լուրջ ճնշման իրենց երկարությամբ, այդ իսկ պատճառով էլ դրանք ավելի շատ են օգտագործվում ինքնաթիռների կառուցման մեջ, որտեղ կշիռը կարևոր է, բայց չի կարելի զոհել ամրությունը:

Կոնստրուկտիվ բեռների տակ մանրաթելով ամրացված էպօքսի կոմպոզիտների ճկման արդյունավետությունը

Ածխածնի մանրաթելերով հարմարված էպօքսի կոմպոզիտները ցուցաբերում են 0,0965 ԳՊա (ASTM D790) ճկման դիմադրություն՝ 28%-ով ավելի բարձր, քան բիսմալեիմիդ խեժերը նույն խտությունների դեպքում: Նրանց գերազանց կոշտության և քաշի հարաբերակցությունը առաջանում է խեժի մանրաթելերի համաչափ դասավորման կարողությունից ցանկացած պրոցեսի ընթացքում, ինչպես նաև դիմադրում են դեֆորմացիաներին քամու տուրբինի թեփերին բնորոշ եռակետ ճկման իրավիճակներում:

Կոնտակտային դիմադրություն և էներգիայի կլանում էպօքսի հիմքով թեթև նյութերում

Նանոտեխնոլոգիական կերպով ստեղծված էպօքսի մատրիցները կլանում են 21,3 Ջ/մ² կոնտակտային էներգիա (ASTM D256)՝ 40%-ով ավելի բարձր, քան սովորական ջերմակայուն նյութերը: Երբ նյութերը ենթարկվում են Շարպիի կոնտակտային փորձարկումների, դրանք ցուցաբերում են վերահսկվող ճաքերի տարածում միկրոսկոպիկ ռետինե մասնիկների ցրման միջոցով, 2020 թվականի կոմպոզիտային հետազոտություններով հաստատված մեթոդ:

Տվյալների տեսլական հայեցակետ՝ էպօքսի կոմպոզիտների մեխանիկական հատկությունների միջին ցուցանիշները (ASTM ստանդարտներ)

Տվյալները վերցված են պոլիմերային կոմպոզիտների արդյունավետության համեմատություններից (2023)

Աղյուսակը ցույց է տալիս էպօքսիի եզակի դիրքը՝ իսկ ցիանատ էսթերները ցուցադրում են ավելի բարձր հարվածային դիմադրություն, էպօքսին պահպանում է ավելի լավ համակարգված հավասարակշռություն ամրության, մշակման և միջավայրի դիմադրության միջև։

Հաստատուն հարմարավետություն ապահովելու համար մանրաթելերի և նանոնյութերի համալրման մեթոդները

Կոմպոզիտների արդյունավետության որոշման մեջ մանրաթել-մատրիցա կպչուն հերթականության նշանակությունը

Շատ լավ միջերեսային կապ մանրաթելերի և էպօքսի մատրիցայի միջև ապահովում է լարվածության արդյունավետ փոխանցումը, կանխելով մեխանիկական բեռների տակ շերտազատումը։ Մակերեսային մշակումները, ինչպես պլազմային քլորացումը և սիլան կապակցման նյութերը, մանրաթելերի կպչուն ուժը մեծացնում են մինչև 60%-ով չմշակված մանրաթելերի համեմատ, անմիջականորեն բարելավելով մեխանիկական դիմադրությունը բեռնված կիրառումներում։

Մակերեսային մշակումներ և մանրաթելերի համալրման միջերեսներ էպօքսի խռնված խեժերի համակարգերում

Բարդ ինտերֆեյսի ինժեներական տեխնիկան ուղղված է մանրաթելերի խոնավացման և քիմիական համատեղելիության օպտիմալացմանը: Օրինակ, էլեկտրական դաշտի կողմից հարթված ածխածնի նանոխողովակների ցանցերը ածխածնի մանրաթելերի շերտերի միջև միջշերտային հեռացման դիմադրությունը մեծացնում են 40%-ով՝ պահպանելով մշակման հնարավորությունը: Այս մեթոդները նվազեցնում են ինտերֆեյսի վրա առկա խոռոչները, ինչը կարևոր գործոն է ավիատիզմի համար նախատեսված կոմպոզիտներում:

Էպօքսի կոմպոզիտներում հիբրիդ բնական մանրաթելերի ամրապնդում

Ծովածորի կամ ջուտի մանրաթելերի համակցումը սինթետիկ ամրապնդման հետ հավասարակշռում է կայուն զարգացումը և արդյունավետությունը: Հիբրիդ համակարգերը, որոնք ներառում են ցելյուլոզային նանոթելեր, ավելի բարձր են 23%-ով սպեկտրային կոշտությամբ ավանդական ապակեմանրաթել կոմպոզիտների համեմատ՝ նվազեցնելով նյութի արժեքը 18%-ով: Այս կենսակոմպոզիտները պահպանում են իրենց ձգման դիմադրության 90%-ը 1000 խոնավության ցիկլներից հետո:

Էպօքսի խռնվածքի մեջ ածխածնի նանոխողովակների և գրաֆենի ներդրում

Գրաֆենի օքսիդի 0.3–0.7 կշռային % ավելացումը բարելավում է էպօքսիի ձգման մոդուլը 28%-ով և էլեկտրահաղորդականությունը՝ վեց կարգով: Ածխածնի մանրաթելերի վրա աճող հարթակավոր ածխածնային նանոխողովակները ստեղծում են հիերարխիկ կառուցվածքներ 3,858 psi ճկման ամրությամբ, որը 65%-ով բարձր է չհա reinforceազորված համակարգերից, մինչդեռ ավելացնում է ընդամենը 2% խտություն:

Էպօքսի կոմպոզիտների մեխանիկական հատկությունները և նանոլցանյութերի միջոցով դրանց օպտիմալացումը

Նանոնյութերի ինտեգրումը թույլ է տալիս միաժամանակ բարելավել ամրությունը (հարվածային դիմադրության ավելացումը մինչև 55%) և ճեղքման դիմացկունությունը: Լավ տարածված երկչափ նանոթերթերը, ինչպես օրինակ՝ հեքսագոնալ բորոն նիտրիդը, բարելավում են ջերմացրումը՝ առանց ազդելու բետոնացման կինետիկայի վրա, որի շնորհիվ էպօքսի կոմպոզիտները մտնում են բարձր ջերմաստիճանային արդյունաբերական կիրառությունների ոլորտում:

Էպօքսի կոմպոզիտների բետոնացման գործընթացները և երկարաժամկետ կատարումը

Բետոնացման ջերմաստիճանը և ժամանակը ինչպես ազդում են էպօքսի կոմպոզիտների մեխանիկական հատկությունների վրա

Էպոքսիդային կոմպոզիտների ամրության վրա մեծ ազդեցություն են ունենում ամրացման ընթացքում տերմպորատուրան եւ ժամանակը: Օդատիեզերական որակի նյութերը շատ հատուկ մաքրման ջերմաստիճաններ են պահանջում մոտ 150-180 աստիճան ցելսիուս մի քանի ժամ, որպեսզի հասնեն 320-400 ՄՊԱ-ի միջեւ տպավորիչ ձգողական ուժերին: Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ երբ այս էպոքսիային նյութերը պատշաճ կերպով ամրացվում են իրենց իդեալական ջերմաստիճանում, փոխարենը պարզապես նստելու սենյակային ջերմաստիճանում, դրանք մոտ 22 տոկոսով ավելի ուժեղ են դառնում ճկման մոդուլուսի առումով: Դա տեղի է ունենում, քանի որ պոլիմերային շղթաները իրականում ամբողջությամբ միանում են միմյանց հետ ճիշտ ամրացման ընթացքում: Որոշ արտադրողներ, որոնք աշխատում են ավելի արագ արտադրության գործընթացներ իրականացնելու համար, ստեղծել են հատուկ կոշտացնող սարքեր, որոնք թույլ են տալիս դրանք ընդամենը մի քանի վայրկյանում կոշտացնել 120 աստիճանի ջերմաստիճանում։ Այս արագ բուժման մեթոդները նվազեցնում են լրացուցիչ մշակման քայլերը ՝ առանց մեծ ուժի զոհաբերման, սովորաբար պահպանում են ավանդական դանդաղ մեթոդների միջոցով ձեռք բերվածի մոտ 95% -ը:

Հաստացման հետագա ազդեցությունը չափսերի կայունության եւ ջերմային դիմադրության վրա

Երբ նյութերը ենթարկվում են հետնյութարկման մոտավորապես 80-ից մինչև 100 աստիճան Ցելսիուս ջերմաստիճանում մոտ երկուից մինչև չորս ժամ, դրանք ստանում են մոտ 40 տոկոսով ավելի քիչ մնացորդային լարումներ: Սա նրանց տալիս է ավելի մեծ չափական կայունություն, ինչը շատ կարևոր է բժշկական սարքերի համար նախատեսված մասեր պատրաստելիս, որտեղ ճշգրտությունը շատ կարևոր է: Ջերմադիմադրությունը ևս բարելավվում է: Նյութերը հետնյութարկման առաջ կարողանում են դիմանալ մինչև 120 աստիճան ջերմաստիճանին, սակայն մշակումից հետո դրանք պահպանում են իրենց ամբողջականությունը նույնիսկ 180 աստիճան ջերմաստիճանում: Սա շատ կարևոր է ավտոմեքենաների և տրակտորների շարժիչների մոտ օգտագործվող կոմպոզիտային նյութերի համար, որտեղ ջերմաստիճանները բարձր են: Գիտական հետազոտությունները ցույց են տվել, որ էպօքսի մատրիցները, որոնք մշակվել են այս եղանակով, պահում են իրենց ապակեյացման սկզբնական ջերմաստիճանի (Tg) մոտ 85 տոկոսը նույնիսկ 1000 ջերմային ցիկլներից հետո: Համեմատելով այն նյութերի հետ, որոնք միայն մեկ փուլ նյութարկման են ենթարկվել, տարբերությունը կազմում է մոտ 30 տոկոսային միավորներ հետնյութարկված նյութերի օգտին:

Երկարաժամկետ ավելացման վարքը և էպօքսի հիմքով նյութերի միջավայրի վատթարացումը

Երբ փորձարկվում է խոնավ պայմաններում մոտ տասը տարի, էպօքսի կոմպոզիտները պահպանում են իրենց սկզբնական հատկությունների ավելի քան 90 տոկոսը, եթե դրանք պարունակում են UV դիմադրության ավելացուցիչներ: Սակայն սովորական խեժերի համար առանց այդ հատուկ բաղադրիչների պատմությունը փոխվում է: Դրանք միտմամբ կորցնում են 15-20 տոկոս իրենց ուժից ընդամենը հինգ տարվա ընթացքում, քանի որ խոնավությունը քայքայում է դրանք և փոքրիկ ճաքեր սկսում են տարածվել նյութի միջով: Ամենահետաքրքիրն այն է, որ վերջերս բաները բավականին բարելավվել են: Նոր բաղադրություններ, որոնք պատրաստված են թույլատրելի բուսական էպօքսիներից, իրականում բավականին լավ են դիմանում ավանդական յուղային հիմքով նյութերի դեմ: Այդ առաջադեմ նյութերը ցածր ջրային ցանցի ազդեցության տակ 8000 ժամ մասնակցելուց հետո ցուցադրում են ճկնության միայն 8 տոկոսային անկում, ինչը իսկապես արժեքավոր է հաշվի առնելով այն, ինչի դիմաց դրանք դիմանում են:

Կիրառումներ և ապագայի միտումներ էպօքսի հիմքով թեթև կառուցվածքներում

Կոմպոզիտային նյութերում էպօքսի խեժերի կիրառումը աերատիեզերական և ավտոմոբիլային ոլորտներում

Էպօքսի խեժը կարևոր դեր է խաղում աերատիեզերական և ավտոմոբիլային ճյուղերում, քանի որ այն քաշի նկատմամբ առաջարկում է հզոր ամրություն և լավ պաշտպանություն կոռոզիայի դեմ: Ինքնաթիռների համար այդ ածխածնային մանրաթելերով հա reinforceացված էպօքսի կոմպոզիտները կառուցվածքային մասերի ավելի քան կեսը կազմում են: Դա օգնում է նվազեցնել վառելիքի օգտագործումը 15-20 տոկոսով: Ավտոմեքենաների արտադրողները էպօքսի նյութեր են տեղադրում EV մարտկոցների կոնտեյներներում և ավելի թեթև մարմնի մասեր են ստեղծում: Այս մոտեցումը կրճատում է ավտոմեքենայի ընդհանուր քաշը 10-12 տոկոսով՝ անվտանգությունը բաց թողնելով բացասական հետևանքների դեպքում: Ըստ 2024 թվականի արդյունաբերական զեկույցների՝ էպօքսի տորթերը և պաշտպանիչ ծածկույթները արդեն կազմում են ավտոմեքենաներում թեթև նյութերի շուկայի 33% -ը: Այս աճը տեղի է ունենում ընկերությունների վրա ճնշում է գործադրվում ավելի կանաչ լինելու և անհրաժեշտ է նյութեր, որոնք կարող են դիմանալ ջերմաստիճանների վերև 180 աստիճան Ցելսիուս առանց քայքայման:

Ծանրաբեռնված էներգետիկայի համակարգերում առաջադեմ էպօքսի կոմպոզիտներ

Էպօքսի խեժերով ամրացված քամու տուրբինների թեփուկները ցուցադրում են պոլիէսթերի հիմքի վրա հիմնված համակարգերի համեմատ 30%-ով ավելի բարձր դիմադրություն ձգստման դեմ, ինչը կարևոր է ծովային տեղակայման համար, որտեղ առկա են ցիկլային բեռնվածքները: Էպօքսի-ապակի հիբրիդների կիրառմամբ արեւային սարքերի ամրակցման կառուցվածքները ափամերձ շրջաններում կարող են տևել 40 տարի, քանի որ նրանց մանրաթելերի դիմադրությունը խոնավության դեմ նվազեցնում է շերտավորման վտանգը:

Ապագայի հեռանկար. ինքնաբուժվող և զգայունացված հնարավորություններ ունեցող էպօքսի կոմպոզիտներ

Գիտնականները ուսումնասիրում են էպօքսի խառնուրդներ, որոնք ներդրված են մանրագույն միկրոկապսուլներով, որոնք կարողանում են ինքնուրույն վերականգնել ճեղքերը մեխանիկական լարվածության ազդեցությամբ: Սկզբնական փորձարկումները ցույց են տվել, որ այդպիսի ինքնաբուժվող նյութերը կարող են երկկրակի երկարացնել կոմպոզիտային կառուցվածքների կյանքը այն, ինչ մենք այսօր տեսնում ենք: Մինչդեռ, ավիատիզմի համար նախատեսված ածխածնային մանրաթելերով հա reinforceապցված պոլիմեր մասերին գրաֆենային նանոսկավաներ ավելացնելը թույլ է տալիս ճշգրիտ հսկել լարվածությունը իրական ժամանակում: Այս մոտեցումը զգալիորեն կրճատել է ինքնաթիռների սպասարկման ծախսերը ըստ ծրագրերի, չնայած իրական խնայողությունները տարբերվում են կախված լինելով նավատորմի չափերից և օգտագործման օրինաչափություններից: Քանի որ Արդյունաբերություն 4.0 գաղափարները տարածվում են ամբողջ աշխարհում, այս էպօքսի կոմպոզիտների նորամուծումները կարող են դառնալ ավելի խելացի ենթակառուցվածքային համակարգերի հիմք հաջորդ տասնամյակների ընթացքում, չնայած ներկայումս առկա են զանգվածային արտադրության տեխնիկական սահմանափակումներ:

ՀՏՀ էպօքսի խառնուրդների կոմպոզիտների վերաբերյալ

Ի՞նչ են էպօքսի խառնուրդների կոմպոզիտների սովորական կիրառման ոլորտները

Էպօքսի խեժի կոմպոզիտները հաճախ օգտագործվում են ավիատիերական և ավտոմոբիլային ոլորտներում կոնստրուկտիվ մասերի համար՝ դրանց բարձր ամրության կշռի հարաբերակցության և կոռոզիայի դիմադրության շնորհիվ: Դրանք նաև օգտագործվում են վերականգնվող էներգիայի կիրառման ոլորտում, ինչպես օրինակ՝ քամու տուրբինների թերթեր և արեւային վահանիկների շրջանակներ:

Ինչպե՞ս է ցանկացած ջերմաստիճանը ազդում էպօքսի խեժի կոմպոզիտների վրա:

Ցանկացած ջերմաստիճանը կարող է էական ազդեցություն ունենալ էպօքսի կոմպոզիտների մեխանիկական հատկությունների վրա: Շուրջ 150-180 աստիճան Ցելսիուս ջերմաստիճանում մի քանի ժամ տևող ճիշտ ցանկացած ջերմաստիճանը բարելավում է ձգման ամրությունը և ճկվողական մոդուլը՝ ամբողջական պոլիմերային շղթայի կապերի ձևավորման միջոցով:

Կարո՞ղ են էպօքսի խեժի կոմպոզիտները օգտագործվել խոնավ միջավայրերում:

Այո, էպօքսի խեժի կոմպոզիտները նախընտրելի են խոնավ միջավայրերի համար՝ դրանց ֆենոլային տարբերակների համեմատ 40% ցածր խոնավության կլանման շնորհիվ: Նրանց հիանալի քիմիական դիմադրությունը նաև կանխում է այդպիսի պայմաններում վատթարացումը:

Կարո՞ղ են էպօքսիով հիմնված նյութերը շրջակա միջավայրի համար անվտանգ լինել:

Էպօքսի հիմքով նյութերը կարող են էկոլոգիապես մաքրություն ձեռք բերել բուսական էպօքսիների կամ այլ կայուն համալրումների ներդրման միջոցով։ Այս նոր բաղադրատոմսերը ցուցաբերում են ավելի լավ դիմադրություն շրջակա միջավայրի նկատմամբ, քան ավանդական յուղային հիմքով նյութերը։

Ի՞նչ առաջադիմություն է սպասվում էպօքսի խեժերի կոմպոզիտների ոլորտում ապագայում։

Ապագայի առաջադիմությունը էպօքսի խեժերի կոմպոզիտներում ներառում է ինքնաբուժման հնարավորություններ և ճնշման իրացիկ հսկում։ Գիտնականները հետազոտում են միկրոկապսուլների տեխնոլոգիան և գրաֆենային թիթեղները՝ նյութի կյանքի տևողությունը և կատարման հսկումը բարելավելու համար։