Los materiales compuestos son materiales compuestos por dos o más componentes diferentes, a diferencia de los materiales tradicionales, sus propiedades y estructuras se pueden diseñar simultáneamente. Los materiales compuestos reforzados con fibra de corte corto (sfrc) son ampliamente utilizados en automóviles, construcción y aeroespacial, y tienen las ventajas de bajo costo de fabricación, alta resistencia al impacto, peso ligero, rigidez y resistencia. Sin embargo, debido a los complejos efectos de la orientación de la fibra, el proceso de fabricación y la microestructura del material, la predicción de sus propiedades mecánicas sigue siendo un desafío.

El estudio fue llevado a cabo conjuntamente por Thermo Fisher science, synopsys, 3dmagination, waygate Technologies y el Instituto de ingeniería de polímeros de la Universidad de Ciencia y Tecnología Aplicadas del noroeste de suiza. El equipo de investigación exploró su potencial en la fabricación sostenible caracterizando sistemáticamente los materiales compuestos de poliamida 11 (rff - pa11) reforzados con fibra de carbono corta reciclada a través de tomografía computarizada (microct) y análisis de imágenes tridimensionales, pruebas mecánicas y modelado numérico.

01. preparación de muestras

El estudio utiliza fibra de carbono t700 reciclada y poliamida biológica 11 (pa11) como materiales de matriz, y el proceso de preparación incluye:

1. descomposición por disolvente de fibra de carbono t700 (solvolysis), ajuste del tamaño de la fibra (resizing)

2. compuesto con pa11 (15% en peso)

3. extrusión en filamentos y moldeo por Impresión 3D

Figura 1: diagrama esquemático del proceso de preparación de fibra de carbono reciclada

La impresión utiliza la tecnología de fusión aditiva (aft) de 9T labs, que combina la impresión en cascada continua con la fusión de alta presión para lograr estructuras densas y compuestos de alto rendimiento. Al controlar la temperatura del aspersor, la velocidad de extrusión y la altura de la capa, se garantiza que la fibra de carbono se distribuya uniformemente y no se dañe.

Posteriormente, el calentamiento y la presión se aplican en el molde cerrado para el tratamiento de fusión, eliminando los poros entre capas y mejorando la fuerza de Unión de la interfaz fibra - matriz.

Figura 4: curva de tensión - tensión de los compuestos reforzados con fibra corta

02.Prueba de propiedades mecánicas

Las muestras orientadas a 0 ° y 90 ° Se prepararon con el estándar Din 527 - 1 y se realizaron pruebas de tracción cuasiestática a temperatura ambiente.

Los resultados muestran:

• Muestra en la dirección de 0 °: alta rigidez, fractura frágil, y las propiedades están dominadas principalmente por fibra;

• Muestras en dirección a 90 °: baja rigidez inicial, no lineal significativa, mostrando las características dominantes del polímero;

• Las diferencias entre las muestras de la misma orientación son muy pequeñas, lo que indica que los resultados experimentales son bien repetibles.

03.Tomografía computarizada de alta resolución

Dos tomografías computarizadas a través del sistema waygate Technologies Phoenix V | tome | X m300:

• Escaneo de muestra completa: análisis de la distribución general de la fibra (7,3 micras de voxel)

• Escaneo local de alta resolución: preste atención a la zona central de la muestra (2 micras de voxel)

Figura 5: volumen de TC y sección transversal local reconstruida en 3D

Figura 6: resultados de la representación de volumen de la tomografía computarizada de alta resolución

04. segmentación de imágenes y rastreo de fibras

Aprovechar Thermo Science ™ Avizo ™ El módulo xfiber del software 3D pro divide y rastrea la línea central de fibra de los datos de reconstrucción de tc. El algoritmo extrae una sola fibra a través de la coincidencia de plantillas y el rastreo de líneas, y calcula su longitud, orientación, curvatura y curvatura. Finalmente se obtuvieron más de 198000 datos de fibra y los resultados se exportaron a ANSYS en forma de tensión para el modelado de elementos limitados.

Figura 7: División de una sola fibra y ampliación local

Figura 8: mapa de distribución de la orientación de la fibra en la región

Figura 9: derivar datos de tensión de orientación para simulación

A través de imágenes de TC microscópicas y algoritmos de seguimiento precisos, los investigadores pueden cuantificar la distribución de orientación y las características de interfaz de las fibras, sentando las bases para el modelado mecánico posterior y el análisis del comportamiento de fractura.