Анализ прочности композитов на основе полиэфирэфиркетона и углеродного волокна с высокотемпературным аппретом

Рассмотрено влияние введения нано- и микроразмерных добавок в аппретирующие композиции на основе полиамидокислот на прочность межфазного взаимодействия в композитных материалах на основе углеродного волокна. По методу Оуэнса – Вендта (Owens – Wendt method) была рассчитана удельная свободная поверхностная энергия предложенных аппретирующих композиций. Вычисленные значения использовали для расчета работы адгезии на границе раздела аппретированное волокно – полиэфирэфиркетон. Адгезионная прочность в композитах на основе аппретированного волокна и полиэфирэфиркетона была определена экспериментально при помощи метода pull-out (вытягивание волокна из блока матрицы). Образцы волокна с наиболее перспективными аппретами были использованы для получения композитных материалов и определения их физико-механических свойств. Результаты испытаний показали, что экспериментальные образцы сопоставимы по прочности с композитами, которые получены на основе волокна, обработанного коммерчески доступными аппретирующими составами. 

1. Beaumont P.W.R., Soutis C., Hodzic A. The structural integrity of carbon fiber composites: fifty years of progress and achievement of the science, development and applications // Springer. – 2016. – P. 969.

2. Tang S., Hu C. Design, Preparation and Properties of Carbon Fiber Reinforced Ultra-High Temperature Ceramic Composites for Aerospace Applications: A Review // Journal of Materials Science & Technology. – 2017. – V. 33, N 2. – P. 117. DOI:10.1016/j.jmst.2016.08.004

3. Das T. K., Ghosh P., Das N. Ch . Preparation, development, outcomes, and application versatility of carbon fiber-based polymer composites: a review // Adv Compos Hybrid Mater. – 2019. – V. 2, N 2. – P. 214. DOI:10.1007/s42114-018-0072-z

4. Goh G.D., Dikshit V., Nagalingam A.P., Goh G.L., Agarwala S., Sing S.L., Wei J., Yeong W.Y. Characterization of mechanical properties and fracture mode of additively manufactured carbon fiber and glass fiber reinforced thermoplastics // Materials & Design. – 2018. – V. 137. – P. 79. DOI:10.1016/j.matdes.2017.10.021

5. Parandoush P., Zhou C., Lin D. 3D Printing of Ultrahigh Strength Continuous Carbon Fiber Composites // Advanced Engineering Materials. – 2019. – V. 21, N 2. – P. 1800622. DOI:10.1002/adem.201800622

6. Wu G. M., Schultz J. M. Processing and properties of solution impregnated carbon fiber reinforced polyethersulfone composites // Polym. Compos. – 2000. – V. 21, N 2. – P. 223. DOI:10.1002/pc.10179

7. Soutis C. Fibre reinforced composites in aircraft construction // Prog. Aerosp. Sci. – 2005. – V. 41, N 2. – P. 143. DOI:10.1016/j.paerosci.2005.02.004

8. Holmes M. Aerospace looks to composites for solutions // Reinf. Plast. – 2017. – V.61, N 4. – P. 237. DOI:10.1016/j.repl.2017.06.079

9. Sudhin AU, Remanan M., Ajeesh G., Jayana rayanan K. Comparison of Properties of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic and Thermosetting Composites for Aerospace Applications // Materials Today: Proceedings. – 2020. – V. 24, N 2. – P. 453–462. DOI:10.1016/j.matpr.2020.04.297

10. Veazey D., Hsu T., Gomez E. D. Next generation high-performance carbon fiber thermoplastic composites based on polyaryletherketones // J. Appl. Polym. Sci. – 2017. – V. 134, N 6. – P. 44441. DOI:10.1002/app.44441

11. Phillips R., Glauser T., Månson J.-A. E. Thermal stability of PEEK/carbon fiber in air and its influence on consolidation // Polym. Compos. – 1997. – V. 18, N 4. – P. 500. DOI:10.1002/pc.10302

12. Barile C., Casavola C., De Cillis F. Mechanical comparison of new composite materials for aerospace applications // Composites Part B. – 2019. – V. 162. – P. 122. DOI:10.1016/j.compositesb.2018.10.101

13. Dilsiz N., Wightman J.P. Surface analysis of unsized and sized carbon fibers // Carbon. – 1999. – V. 37, N 7. – P. 1105. DOI:10.1016/S0008-6223(98)00300-5

14. Chen J., Wang K., Zhao Y. Enhanced interfacial interactions of carbon fiber reinforced PEEK composites by regulating PEI and graphene oxide complex sizing at the interface // Compos. Sci. Technol. – 2018. – V. 154. – P. 175. https://DOI.org/10.1016/j.compscitech.2017.11.005

15. Giraud I., Franceschi S., Perez E., Lacabanne C., Dantras E. Influence of new thermoplastic sizing agents on the mechanical behavior of poly(ether ketone ketone)/carbon fiber composites // J. Appl. Polym. Sci. – 2015. – V.132, N 38. – P. 42550. doi:10.1002/app.42550

16. Chuang S.L., Chu Ning-Jo, Whang W.T. Effect of polyamic acids on interfacial shear strength in carbon fiber/aromatic thermoplastics // J. Appl. Polym. Sci. – 1990. – V. 41, N 1–2. – P. 373. DOI:10.1002/app.1990.070410129

17. Yuan C., Li D., Yuan X., Liu L., Huang Y. Preparation of semi-aliphatic polyimide for organic-solvent-free sizing agent in CF/PEEK composites // Compos. Sci. Technol. – 2021. – V. 201. – P. 108490. DOI:10.1016/j.compscitech.2020.108490

18. Yuan H., Zhang S., Lu C., He S., An F. Improved interfacial adhesion in carbon fiber/polyether sulfone composites through an organic solvent-free polyamic acid sizing // Appl. Surf. Sci. – 2013. – V. 279. – P. 279. DOI:10.1016/j.apsusc.2013.04.085

19. Toray Cetex® TC1200 PEEK Product data sheet TC1200_PDS_v3_2019-11-13, Р. 4

20. Пат. RU2687447C1. Способ получения легированных йодом углеродных нанотрубок / Егоров А. С., Иванов В. С., Богдановская М. В., 2019.

21. Okassa L. N., Marchais H., Douziech-Eyrolles L., Cohen-Jonathan S., Souce M., Dubois P., Chourpa I. Development and characterization of sub-micron poly(d,l-lactide-co-glycolide) particles loaded with magnetite/maghemite nanoparticles // Int. J. Pharm. – 2005. – V. 302, N 1–2. – P. 187. DOI:10.1016/j.ijpharm.2005.06.024

22. Fowkes F.M. Attractive forces at interfaces // Ind. Engr. Chem. – 1964. – V. 56, N 12. – P. 40. DOI:10.1021/ie50660a008

23. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // J. Appl. Polym. Sci. – 1969. – V. 13, N 8. – P. 1741. DOI:10.1002/app.1969.070130815

24. Kozbial A., Li Z., Conaway C., McGinley R., Dhingra S., Vahdat V., Zhou F., D’Urso B., Liu H., Li L. Study on the Surface Energy of Graphene by Contact Angle Measurements // Langmuir. – 2014. – V. 30, N 28. – P. 8598. DOI:10.1021/la5018328