Thermische Eigenschaften von Verbundwerkstoffen

Faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe werden häufig als Strukturbauteile eingesetzt, die extrem hohen oder niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind. Diese Anwendungen umfassen:

• Kfz-Motorkomponenten
• Luftfahrt- und Militärprodukte
• Elektronik- und Leiterplattenkomponenten
• Öl- und Gasausrüstung

Die Wärmeleistung eines GFK-Verbundwerkstoffs ist ein direktes Ergebnis der Harzmatrix und des Härtungsprozesses. Isophthal-, Vinylester- und Epoxidharze weisen im Allgemeinen sehr gute thermische Leistungseigenschaften auf. Orthophthalharze weisen meist schlechte thermische Leistungseigenschaften auf.

Darüber hinaus kann dasselbe Harz je nach Aushärtungsprozess, Aushärtungstemperatur und Aushärtungszeit sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise erfordern viele Epoxidharze eine "Nachhärtung", um die höchsten thermischen Leistungseigenschaften zu erreichen.

Eine Nachhärtung ist das Verfahren zum Hinzufügen von Temperatur für eine Zeitdauer zu einem Verbundwerkstoff, nachdem die Harzmatrix bereits durch die wärmehärtende chemische Reaktion ausgehärtet ist. Eine Nachhärtung kann dabei helfen, die Polymermoleküle auszurichten und zu organisieren, wodurch die strukturellen und thermischen Eigenschaften weiter verbessert werden.

Tg - Die Glasübergangstemperatur

FRP-Verbundwerkstoffe können in strukturellen Anwendungen verwendet werden, die erhöhte Temperaturen erfordern. Bei höheren Temperaturen kann der Verbundwerkstoff jedoch die Modul-Eigenschaften verlieren. Das heißt, das Polymer kann "erweichen" und weniger steif werden. Der Verlust des Moduls ist bei niedrigeren Temperaturen allmählich, jedoch hat jede Polymerharzmatrix eine Temperatur, bei deren Erreichen der Verbundstoff von einem glasartigen Zustand in einen gummiartigen Zustand übergeht. Dieser Übergang wird als "Glasübergangstemperatur" oder Tg bezeichnet. (Wird im Gespräch allgemein als "T sub g" bezeichnet.).

Beim Entwerfen eines Verbundwerkstoffs für eine strukturelle Anwendung ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Tg des FRP-Verbundwerkstoffs höher ist als die Temperatur, der er jemals ausgesetzt sein könnte. Auch bei nicht strukturellen Anwendungen ist die Tg wichtig, da sich der Verbundstoff bei Überschreitung der Tg kosmetisch verändern kann.

Tg wird am häufigsten mit zwei verschiedenen Methoden gemessen:

DSC - Differential Scanning Calorimetry

Dies ist eine chemische Analyse, die die Energieabsorption erfasst. Ein Polymer benötigt eine bestimmte Energiemenge für die Übergangszustände, ähnlich wie Wasser eine bestimmte Temperatur benötigt, um in Dampf überzugehen.

DMA - Dynamisch Mechanische Analyse

Dieses Verfahren mißt physikalisch die Steifheit, wenn Wärme angewendet wird, wenn eine rasche Abnahme der Moduleigenschaften auftritt und die Tg erreicht ist.

Obwohl beide Methoden zum Testen der Tg eines Polymerverbundwerkstoffs genau sind, ist es wichtig, dieselbe Methode zu verwenden, wenn ein Verbundwerkstoff oder eine Polymermatrix mit einer anderen verglichen wird. Dies reduziert Variablen und liefert einen genaueren Vergleich.