Elektrogesponnene kurze Nylon-6-Nanofasern zur Verbesserung der Schadensresistenz von Kohlenstoffverbundwerkstoffen

21. März 2023

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von der Newcastle University in Singapur

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und ihres hohen Moduls bevorzugte Strukturmaterialien. Die laminierte Konstruktion aus Kohlenstoffverbundwerkstoffen und die anisotrope Beschaffenheit machen sie jedoch empfindlich gegenüber äußeren Belastungen. Da eine spröde Matrix die Eigenschaften in und aus der Ebenenrichtung steuert, sind interlaminare harzreiche Regionen besonders anfällig für Matrixrisse. Solche beginnenden Schäden entwickeln sich schließlich zu lebensverkürzenden Brüchen, wie z. B. einer Delaminierung unter Belastung im Modus II.

Es wurden verschiedene Techniken eingesetzt, um die Rissentstehung und -ausbreitung zu stoppen und so die Schadensresistenz von Verbundwerkstoffen zu verbessern. Einer der vielversprechendsten Ansätze besteht darin, Epoxidharz mit Nanopartikeln zu modifizieren, da diese ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen und Rissen im Mikrometerbereich entgegenwirken können. Nanopartikel sind jedoch eng mit der Agglomeration in der Mikrostruktur verbunden, die als versprödete Schadensauslöser dienen kann.

Elektrogesponnene kurze Nylon-6-Nanofasern (Abbildung a) wurden als alternative Epoxidverstärkung vorgeschlagen, da ihre mechanischen Masseneigenschaften mit denen von Epoxid vergleichbar waren. Von Nanofasern mit großer Oberfläche und großem Aspektverhältnis wurde erwartet, dass sie energieabsorbierende Grenzflächen und Zähigkeitsmechanismen im Nanomaßstab einführen (Abbildung b). Die Herstellung umfasste das Spinnen und Kürzen von Nanofasern, gefolgt von der Modifizierung von Epoxidharz, um mittels Vakuumverpackung einen Kohlenstofffaserverbundstoff herzustellen. Die Proben wurden unter quasistatischer Eindruckbelastung gemäß ASTM D6264/D6264M-17 getestet.

Die Ergebnisse zeigten eine Verbesserung von 8,7, 8,8 und 53 % bei Spitzenkraft, Verschiebung und elastischer Zähigkeit bei optimaler Nanofaserkonzentration. Das externe gerichtete Schadenswachstum wurde unterdrückt und die Schadensfläche geringfügig vergrößert. Bei optimaler Nanofaserkonzentration verringerte sich die delaminierte Fläche um 12,6 %. Die Unterdrückung von Druckfaserversagen und die verbesserte interlaminare Bindung wurden als überlegene Leistung angesehen.

Diese neu entwickelten elektrogesponnenen nanofaserverstärkten Kohlenstoffverbundwerkstoffe versuchen, das klassische Problem der schlechten Schadensresistenz von Verbundwerkstoffen anzugehen, über die häufig in Luft- und Raumfahrt-, Schiffs- und Automobilanwendungen berichtet wird. Eine Verbesserung der Schadensresistenz dürfte die Kosten der zerstörungsfreien Prüfung und die Einführung von Verbundstrukturen mit niedrigem Sicherheitsfaktor senken.

Die Arbeit wurde von Usaid Ahmed Shakil vom Center for Advanced Composite Materials (CACM) der Universiti Teknologi Malaysia geleitet und von sechs Teammitgliedern unterstützt, nämlich den Professoren Shukur Bin Abu Hassan, Yazid Bin Yahya, Muhammad Asyraf Bin Muhammad Rizal und Ahmad Ilyas Bin Rushdan , Mat Uzir bin Wahit von der Universiti Teknologi Malaysia und Mohd Ruzaimi Mat Rejab von der Universiti Malaysia Pahang. Es wurde in der Zeitschrift Polymer Composites veröffentlicht.

Der außerordentliche Professor Kheng Lim Goh von der Newcastle University in Singapur mit Fachkenntnissen in Materialtechnologie fungierte bei diesem Projekt als technischer Berater. Außerordentlicher Professor Goh bemerkt: „Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe werden aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit inzwischen in der Flugzeug- und Automobilindustrie gut eingesetzt, wodurch Flugzeuge und Fahrzeuge treibstoffeffizienter und kostengünstiger sind. Unfälle passieren jedoch zwangsläufig Wenn dies auftritt, kann die Reparatur in Bezug auf Material und Bearbeitungszeit kostspielig sein. Die Modifizierung des Kohlefaserverbundwerkstoffs, um ihn schlagfester zu machen, ist der Schlüssel zur Milderung des Problems.

„Ich freue mich sehr, dass es dem Team sehr gelungen ist, diese Methode zur Verbesserung der Schlageigenschaften der Kohlefaserverbundwerkstoffe zu entwickeln. Ich freue mich sehr, dass die Methode und die Ergebnisse veröffentlicht wurden.“

Mehr Informationen: Usaid Ahmed Shakil et al, Elektrogesponnene kurze Nanofasern zur Verbesserung der Schadensresistenz von Kohlefaserverbundwerkstoffen, Polymer Composites (2023). DOI: 10.1002/pc.27246

Zur Verfügung gestellt von der Newcastle University in Singapur