معماری مولکولی فیبرهای آرام

فیبرهای مادون قرمز توسط زنجیره های پلیمری سفت و سخت و شبیه به میله ای متشکل از حلقه های آروماتیک متصل شده توسط آمیوت ها تعریف می شوند، این ساختار از پلی آمیدهای آروماتیک مشتق شده است، که در آن پیوندهای پلیمری به طور کامل افزایش یافته است (لکسوفیولا: 1، آرایش کششی مایع مولکولی به طور استثنایی سفت و بسیار شفاف است.

مسیر های درجه بندی حرارتی و کینetics

ثبات حرارتی الیاف آبراموئید توسط یک واکنش پیچیده از واکنش های شیمیایی که بر اساس گرمایش رخ می دهد، اداره می شود، مکانیسم تخریب اولیه، یک اثر علمی همودیتیک از پیوند آمیید C-N است که حدود ۴۵۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد را آغاز می کند، با این حال، در محیط های اکسیداتیو، تخریب اکسیژن در دماهای کم به عنوان ۳۵۰ درجه تجزیه و تحلیل می شود.

  • [300-400 درجه سانتیگراد]: از دست دادن رطوبت جذب شده و اخترهای فرار؛ شروع شکافت زنجیره ای در مناطق بی شکل.
  • [400-550 درجه سانتیگراد]: تقسیم سریع ستون فقرات پلیمر، آزاد کردن مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، هیدروژن سیانید و قطعات معطر.
  • STAGE 3 (و gt;550 ° C) : Carbonization و تشکیل یک لایه char که ممکن است برخی از حفاظت حرارتی باقی مانده ارائه دهد.

مطالعات کینزی با استفاده از تجزیه و تحلیل تراریومتری (TGA) نشان می دهد که انرژی فعال سازی برای تخریب آبراموئید از 150 تا 250 kJ /mol، بسته به درجه فیبر و میزان حرارت، عملکرد char در 800 ° C معمولا 40 تا 60٪ در شرایط بی اثر است، که به طور قابل توجهی بالاتر از پلی استر معمولی یا نایلون است، کمک به فیبرهای آتش نشانی است.

تاثیر کریستال و Orientation

بلوری بالاتر و جهت گیری مولکولی باعث افزایش ثبات حرارتی با کاهش کسری از دامنه های بی نظیر آسیب پذیر می شود، با تراز زنجیره ای نزدیک به کامل، نشان دادن کاهش دما 50 تا 100 درجه سانتیگراد بالاتر از شرایط پردازش متا-aramids مانند ترسیم، نسبت گرما، و پس از درمان می تواند بیشتر کریستال و در نتیجه عملکرد حرارتی بهبود یابد.

ثبات حرارتی در محیط های خدمات

در برنامه های مهندسی در دنیای واقعی، الیاف آبراموئید باید یکپارچگی مکانیکی را در بارهای حرارتی و مکانیکی ترکیب کنند. معیارهای عملکرد کلیدی عبارتند از:

  • حفظ قدرت کشش: پس از 100 ساعت در 200 درجه سانتیگراد در هوا، Kevlar 49 تقریبا 75٪ از قدرت کششی اصلی خود را حفظ می کند.
  • ثبات مودولوس Elastic modulus به دلیل ستون فقرات پلیمری سفت و سخت به طور نسبی پایدار باقی مانده است، اما به شدت بیش از 300 درجه سانتیگراد به عنوان زنجیره ای علمی ساقه غالب است.
  • مقاومت در برابر قطر: الیاف آرامید نشان دهنده مقاومت بسیار چشمگیر در دمای اتاق، اما نرخ خزیدن بالاتر از 200 درجه سانتیگراد، به ویژه تحت استرس بالا پایدار است.

جذب رطوبت (معمولا 3 تا 7 درصد با وزن) همچنین بر ثبات حرارتی اثر می گذارد با پلاستیک کردن مناطق بی شکل و کاهش دمای انتقال شیشه ای.

برنامه های مهندسی نیاز به ثبات حرارتی

تجهیزات حفاظتی شخصی (PPE)

Nomex استاندارد لباس های محافظ حرارتی به دلیل مقاومت ذاتی شعله و کوچک شدن حرارتی است. آن را در دنده آتش نشان، لباس راننده مسابقه و پیش بینی های فلزی ذوب شده صنعتی استفاده می شود. پارچه ذوب نمی شود یا قطره در هنگام در معرض شعله، ارائه یک مانع بحرانی (به عنوان مثال، Kev / برش) با کاهش اتصال حرارتی برای اولین بار پاسخ دادن به مخلوط.

فضا و دفاع

الیاف آرام برای اجزای هواپیما مانند خط بار، عایق موتور (cile) و پدهای ترمز، در کاربردهای نظامی، آنها در مخروط های بینی موشک، کاتترهای موتور راکت و سپر حرارتی استفاده می شوند. {1LT انعطاف پذیر توانایی مقاومت در برابر گشت و گذار کوتاه بالاتر از 500 درجه سانتیگراد در شرایط بیکار آنها را برای سیستم های حفاظت از وسایل نقلیه حرارتی دوباره ورودی مناسب می کند.

تقویت کننده کامپوزیت

کامپوزیت های تقویت شده در کالاهای ورزشی با عملکرد بالا ( راکت های تنزیل، چوب های هاکی)، شفت درایو خودرو و بدنه های دریایی استفاده می شوند. ثبات حرارتی فیبر، پنجره پردازش ماتریس کامپوزیت را به عنوان سیستم های رزین معمولی درمان در 120-180 درجه سانتیگراد؛ فیبرهای aramid در این محدوده پایدار باقی می مانند، ترموپلاستیک، ممکن است نیاز به افزایش سطح PE350 باشد.

عایق الکتریکی

کاغذ و صفحه مطبوعاتی به طور گسترده ای به عنوان عایق های الکتریکی در ترانسفورماتورها، موتورها و ژنراتورها استفاده می شود.رتبه حرارت آنها 220 درجه سانتیگراد (Class C) اجازه می دهد تا عملیات مداوم در دماهای بالا بدون تجزیه و تحلیل، عایق حفظ قدرت دی الکتریک حتی پس از طولانی مدت گرما، و آن را یک انتخاب قابل اعتماد برای تجهیزات صنعتی است.

عملکرد مقایسه حرارتی با سایر فیبرها

Fiber Type Continuous Use Temperature (°C) Decomposition Onset in Air (°C) Limiting Oxygen Index (LOI)
Para-aramid (Kevlar 49) 180–200 450 28–30
Meta-aramid (Nomex) 200–220 380 29–32
Carbon fiber (PAN-based) 300–400 600 (inert) 55–70
Polybenzimidazole (PBI) 250–300 550 41
Glass fiber (E-glass) 525 N/A (inorganic) N/A

الیاف آرام یک زمین وسط را اشغال می کنند؛ آنها بیشتر فیبرهای آلی را تشکیل می دهند، اما در رژیم های دمایی شدید، فیبرهای سرامیکی و کربن کم می شوند.

تکنولوژی های نوظهور برای افزایش ثبات حرارتی

تغییرات شیمیایی

در واحد های همسفر (به عنوان مثال، بنزیمدازول، بنزوکسaزول) به ستون فقرات aramid افزایش سفت و سخت بودن و مقاومت حرارتی پلیمر (FLT:0 تحقیق از ACS Applied Materials &؛ Interfaces نشان می دهد که co-s حاوی 2 (amino) -izer-5-benzi خواص اولیه مکانیکی در حالی که تخریب دما 20 درجه حرارت را افزایش می دهد.

پوشش نانو

استفاده از پوشش های سطحی اکسید گرافن، نیتید بوررون یا نانوذرات سیلیکا باعث ایجاد یک مانع حرارتی می شود که انتقال گرما را به هسته فیبر تأخیر می اندازد.ق.ه-به لایه رسوب ال ] O ] [FLT3 ] و Ti [FLT4:2 ] [2 ] در طول آزمایش های حرارتی نشان داده شده است.

درمان پلاسما

اکسیژن یا درمان های پلاسما آرگون می توانند سطح فیبر را پیوند دهند، کاهش قابلیت اکسیژن و افزایش تشکیل char. پارچه های چتر- ⁇ پلاسما پس از 10 دقیقه در 350 درجه سانتیگراد، 90٪ از قدرت کششی را حفظ می کنند، در مقایسه با 60٪ برای فیبر های درمان نشده.

استانداردهای تست و پروتکل ها

ثبات حرارتی با استفاده از روش های استاندارد مشخص می شود:

  • ] ASTM E1641: [ روش آزمون استاندارد برای تقسیم بندی های انحرافی توسط ترمgravimetry.
  • ISO 17493 تعیین ثبات حرارتی تحت شرایط گرمایشی چرخه ای.
  • ] ASTM D6413: [ روش آزمون استاندارد برای مقاومت در برابر شعله های نساجی (آزمون آتش هر دو دایره ای).
  • ]NASA-STD16 [[[FLT 1 ] الزامات برای قابلیت اشتعال و گاز زدایی مواد فضاپیما

تجزیه و تحلیل ترم گراومتری (TGA) همراه با طیف گسترده ای (TG-MS) قوی ترین تکنیک برای شناسایی محصولات تخریب فرار و مسیرهای واکنش پویا (DMA) بینش در مورد modulus و کاهش تغییرات به عنوان یک تابع از دما است.

حالت های شکست در خدمات عالی ⁇

درک حالت های شکست برای مهندسان طراحی بسیار مهم است. رایج ترین موارد عبارتند از:

  • [در این صورت] از دست دادن سختی به دلیل ضربه ی علمی زنجیره ای در سطح فیبر، منجر به شروع میکروکلیف می شود.
  • شکاف سر و صدا: در لمینت کامپوزیت کامپوزیت، گسترش حرارتی بین فیبرهای آئرامید و ماتریس باعث می شود که پس از دوچرخه سواری حرارتی مکرر، توهم را ایجاد کند.
  • تخریب ناشی از مواستیک ( هیدروکسیل از پیوندهای آمید شتاب یافته توسط دمای بالا و رطوبت، کاهش قدرت فیبر در طول زمان.

استراتژی های میگوئی شامل استفاده از پوشش های محافظ، استفاده از نمرات مقاوم در برابر رطوبت (به عنوان مثال، Kevlar KM2 Plus)، و طراحی اجزای با لایه های تطبیق حرارتی است.

راهنمایی های آینده و نیازهای تحقیقاتی

نسل بعدی فیبرهای آئراموئید با هدف فشار دادن دمای استفاده مداوم بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی گراد بدون قربانی کردن قابلیت های فرایندی، شامل موارد زیر است:

  • بر پایه ی آمرامز: سنتز از دیامین های معطر تجدید پذیر از دیننین برای کاهش تاثیر زیست محیطی در حالی که حفظ خواص حرارتی.
  • مدل سازی چند مقیاسی: شبیه سازی های مولکولی برای پیش بینی مسیرهای انحراف و هدایت طراحی پلیمر.
  • دوچرخه سواری از زباله های آبراموئید: توسعه روش های بازیافت شیمیایی که مونومرها را از سیستم های حفاظت حرارتی پایان عمر بازیابی می کند، با اهداف اقتصاد مدور هماهنگ می شود.

سازمان هایی مانند DuPont [FLT 1 ] و ] فیبرهای پیشرفته پیشرفته همچنان به سرمایه گذاری در بهبود عملکرد آبراموئید برای برنامه های کاربردی اعم از نسل بعدی آتش نشانی دنده به سپر حرارتی مافوق صوت ادامه می دهند.

نتیجه گیری

ثبات حرارتی الیاف آبراموئید سنگ بنای ابزار گسترده خود در محیط های مهندسی با دمای بالا است.از طریق درک عمیق از معماری مولکولی، مکانیزم های تخریب و رفتار خدمات، مهندسان می توانند این فیبرها را با اعتماد به نفس در برنامه های ایمنی و پیشرفت در اصلاح شیمیایی، پوشش نانو کانیت، و فرآیندهای تولید به طور پیوسته در حال گسترش پاکت عملیاتی از الیاف یکرام، اطمینان از توانایی اتصال به عنوان یک پلت فرم حفظ مواد و دوام برای حفظ مواد باقی می ماند.