Vật liệu composite là vật liệu bao gồm hai hoặc nhiều thành phần khác nhau, không giống như vật liệu truyền thống, hiệu suất và cấu trúc của chúng có thể được thiết kế đồng bộ. Vật liệu composite gia cố sợi cắt ngắn (SFRC) được sử dụng rộng rãi trong ô tô, xây dựng và hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Nó có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, cường độ va đập cao, trọng lượng nhẹ, độ cứng và sức mạnh cao. Tuy nhiên, việc dự đoán các tính chất cơ học của sợi vẫn còn nhiều thách thức do tác động phức tạp của định hướng sợi, quy trình sản xuất và cấu trúc vi mô của vật liệu.

Nghiên cứu này được thực hiện bởi Thermo Fisher Scientific, Synopsys, 3Dmagination, Waygate Technologies và Viện Kỹ thuật Polymer của Đại học Khoa học Ứng dụng Tây Bắc Thụy Sĩ. Nhóm nghiên cứu đã khám phá tiềm năng của nó trong sản xuất bền vững bằng cách mô tả một cách có hệ thống vật liệu composite polyamide 11 (rCF-PA11) được gia cố bằng sợi carbon ngắn tái tạo bằng cách chụp cắt lớp vi máy tính (microCT) với phân tích hình ảnh ba chiều, kiểm tra cơ học và mô hình số.

01. Chuẩn bị mẫu

Nghiên cứu sử dụng sợi carbon T700 tái chế với polyamide sinh học 11 (PA11) làm vật liệu ma trận và quy trình chuẩn bị bao gồm:

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

2. Hỗn hợp trộn với PA11 (15 wt.%)

3. đùn thành sợi với khuôn in 3D

Hình 1: Sơ đồ quy trình chuẩn bị sợi carbon tái chế

In ấn sử dụng công nghệ Additive Fusion Technology (AFT) của 9T Labs, kết hợp in chồng liên tục với nhiệt hạch áp suất cao cho cấu trúc dày đặc và composite hiệu suất cao. Đảm bảo rằng sợi carbon được phân phối đồng đều và không bị hư hại bằng cách kiểm soát nhiệt độ đầu phun, tốc độ đùn và độ cao của lớp.

Sau đó áp dụng nhiệt và áp suất trong khuôn kín để xử lý hợp nhất, loại bỏ các lỗ chân lông giữa các lớp, cải thiện lực liên kết giao diện sợi ma trận.

Hình 4: Căng thẳng - Đường cong căng thẳng của vật liệu composite gia cố sợi ngắn

02.Kiểm tra tính chất cơ học

Các mẫu có định hướng 0 ° và 90 ° được chuẩn bị theo tiêu chuẩn DIN 527-1 để kiểm tra độ bền kéo gần như tĩnh ở nhiệt độ phòng.

Kết quả hiển thị:

• Mẫu hướng 0 °: độ cứng cao, gãy giòn, hiệu suất chủ yếu do sợi thống trị;

• Mẫu định hướng 90 °: độ cứng ban đầu thấp, phi tuyến tính đáng kể, thể hiện các đặc điểm thống trị polymer;

• Sự khác biệt giữa các mẫu có cùng hướng là rất nhỏ, cho thấy kết quả thí nghiệm có thể lặp lại tốt.

03.Quét CT độ phân giải cao

Hai CT scan được thực hiện thông qua hệ thống Waygate Technologies Phoenix V | tome | x M300:

• Quét mẫu đầy đủ: phân phối tổng thể các sợi phân tích (7,3 μm³ voxels)

• Quét độ phân giải cao cục bộ: tập trung vào khu vực trung tâm của mẫu (2μm³ votin)

Hình 5: Biểu đồ khối lượng CT và biểu đồ mặt cắt cục bộ cho tái tạo 3D

Hình 6: Kết quả hiển thị khối lượng của quét CT độ phân giải cao

04. Phân chia hình ảnh và theo dõi sợi

Sử dụng Thermo Scientific ™ Avizo ™ Mô-đun XFiber cho phần mềm 3D Pro để phân chia dữ liệu tái tạo CT và theo dõi đường trung tâm sợi. Thuật toán này trích xuất sợi đơn thông qua khớp mẫu và theo dõi đường, tính toán chiều dài, định hướng, độ cong và độ cong của nó. Hơn 198.000 sợi dữ liệu cuối cùng đã được thu thập và kết quả được xuất dưới dạng tensor đến Ansys để mô hình hóa phần tử hữu hạn.

Hình 7: Phân chia sợi đơn và khuếch đại cục bộ

Hình 8: Sơ đồ phân phối định hướng sợi trong khu vực

Hình 9: Xuất dữ liệu Tensor định hướng để mô phỏng

Thông qua hình ảnh microCT và các thuật toán theo dõi chính xác, các nhà nghiên cứu có thể định lượng sự phân bố định hướng và đặc điểm giao diện của sợi, đặt nền tảng cho mô hình cơ học tiếp theo và phân tích hành vi đứt gãy.