Композиты - это материалы, состоящие из двух или более различных компонентов, которые, в отличие от традиционных материалов, могут быть синхронизированы по своим свойствам и структуре. Композиты, усиленные коротким срезом волокна (SFRC) широко используются в автомобилях, строительстве и аэрокосмической промышленности и других областях, имеют преимущества низкой себестоимости производства, высокой ударной прочности, легкого веса, высокой жесткости и прочности. Однако из - за сложного воздействия ориентации волокон, производственных процессов и микроструктуры материалов прогнозирование их механических свойств по - прежнему является сложным.

Исследование было проведено Thermo Fisher Scientific, Synopsys, 3Dmagination, Waygate Technologies и Институтом высокомолекулярной инженерии Северо - западного университета прикладных наук в Швейцарии. Используя микрокомпьютерную томографию (microCT) и трехмерный анализ изображений, механические испытания и численное моделирование, команда систематически демонстрирует переработанные композиты из короткоуглеродного волокна, усиленного полиамидом 11 (rCF - PA11), чтобы исследовать их потенциал в устойчивом производстве.

01. Подготовка проб

Исследования с использованием переработанного углеродного волокна T700 и биополиамида 11 (PA11) в качестве основного материала, процесс подготовки включает:

T700 Разложение растворителя углеродного волокна (solvolysis), корректировка размеров волокна (resizing)

2. Смешанная композиция с PA11 (15 wt.%)

Изолирование шелка и 3D - печать

Рисунок 1: Схема процесса подготовки регенерированного углеродного волокна

Печать использует технологию Additive Fusion Technology (AFT) от 9T Labs, которая сочетает в себе непрерывную многослойную печать с высоковольтным слиянием для достижения плотной структуры и высокопроизводительных композитов. Контролируя температуру сопла, скорость экструзии и высоту слоя, убедитесь, что углеродное волокно распределено равномерно и не повреждено.

Затем в закрытой пресс - форме применяется нагрев и давление для слияния, чтобы устранить межслойные пористости и улучшить сцепление интерфейса волокна - матрицы.

Рисунок 4: Кривая напряжения - деформации композитов, усиленных коротким волокном

02.Тест на механические свойства

Образец с ориентацией 0 ° и 90 ° изготавливается с использованием стандарта DIN 527 - 1 для квазистатических испытаний на растяжение при комнатной температуре.

Результаты показали:

• Образец направления 0°: высокая жесткость, хрупкий разрыв, производительность в основном доминирует волокна;

• Образец направления 90°: низкая начальная жесткость, выраженная нелинейность, демонстрирующая доминирующие характеристики полимеров;

• Различия между образцами одинаковой ориентации минимальны, что указывает на хорошую повторяемость результатов эксперимента.

03.КТ - сканирование с высоким разрешением

Два сканирования с помощью системы Waygate Technologies Phoenix V. Tome. x M300:

• Сканирование всей выборки: анализ общего распределения волокон (7,3 мкм³)

• Локальное сканирование с высоким разрешением: сосредоточение внимания на центральной области образца (2 мкм³)

Рисунок 5: 3D - реконструированная объемная карта КТ и локальное сечение

Рисунок 6: Результаты объемного рендеринга при КТ - сканировании с высоким разрешением

04. Разделение изображений и отслеживание волокон

Использование Thermo Scientific ™ Avizo ™ Модуль XFiber для программного обеспечения 3D Pro, который разделяет данные реконструкции КТ с отслеживанием волокнистых центров. Алгоритм извлекает одно волокно путем сопоставления шаблонов с трассировкой по линиям и вычисляет его длину, ориентацию, кривизну и изгиб. В итоге было получено более 198 000 данных из волокон, и результаты были экспортированы в тензорной форме в Ansys для ограниченного метамоделирования.

Рисунок 7: Разделение одного волокна и локальное расширение

Рисунок 8: Карта ориентации волокон в регионе

Рисунок 9: Экспорт тензорных данных ориентации для моделирования

Благодаря микроскопическим КТ - изображениям и точным алгоритмам отслеживания исследователи смогли количественно оценить ориентационное распределение волокон и характеристики интерфейса, заложив основу для последующего механического моделирования и анализа поведения разрушения.