应用案例 | 飞行汽车关键材料开发的热分析方案

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飞行汽车

关键材料开发的热分析方案











引言



飞行汽车作为低空经济的重要组成部分，在解决城市交通拥堵、观光旅行、农业活动、公共安全领域和军事领域中都有着巨大的发展潜力和市场前景。飞行汽车的发展也将带动如航空制造、新能源、新材料、电子信息等相关产业的发展。



为了保证飞行汽车的安全性能、使用寿命以及经济性，飞行汽车对其关键材料之一的机翼材料的要求也更为严苛。

碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）作为综合性能优越的高度工程化材料，具有高比模量和高比强度，与铝和钢相比，碳纤维的比强度约高出十倍。







因此，在过去的几十年中，CFRP已成功应用于航空航天、汽车、铁路运输、海洋和风能行业。常见的碳纤维复合材料固化成型工艺是复杂的热、化学和力学性能急剧变化的过程，要想得到质量好的复合材料结构件，必须选择最佳的固化工艺参数，包括固化温度、压力及加压点、升降温速率和保温时间等。而固化温度、升降温速率、保温时间、固化后产品的力学性能和尺寸稳定性等关键工艺参数可以利用示差扫描量热法（DSC）、动态热机械法（DMA）和静态热机械分析法（TMA）进行研究，从而指导配方的改进和确认最佳的固化工艺。



实验细节





样品已分别提前在140℃和150℃下固化60min和30min，之后选择合适的样品量使用提前校准过的DSC 3、DMA 1和TMA/SDTA 2+ 进行测试。



结果分析





DSC 1测试结果



DSC结果显示，样品在140℃和150℃下固化60min和30min后表现出的玻璃化转变温度分别为108.32℃和121.09℃，之后表现出较为平坦的基线，证明两种工艺都能使样品固化完全，但150℃的固化条件可形成热稳定性更好的产品。



DSC 测试结果图



DMA 1测试结果



DMA结果同样证实了相同的结论，样品分别在102.08℃和117.44℃表现出力学性能下降的起始点，之后在119.58℃和130.58℃表现出玻璃化转变温度，除此之外，两种不同的工艺对样品在室温下的模量影响较小，温度高于玻璃化转变后样品仍能保持10GPa级别的模量，证明了耐温性较好的力学模量，但 150℃工艺固化的样品在高温表现出了更为出色的力学性能。



DMA 测试结果图



TMA/SDTA 2+测试结果险



之后选择150℃下固化30min 的样品进行TMA测试，分别测试了样品厚度方向（Z轴方向）和X/Y方向（纤维增强方向）的热膨胀过程，结果显示，TMA测出的玻璃化温度大约在120℃，Z轴方向的CTE较大，但沿着纤维增强的X/Y方向表现出了优异的热膨胀系数，这代表了样品在X/Y方向的尺寸非常稳定。



TMA/SDTA 测试结果图



结论



飞行汽车机翼复合材料的热性能可以使用DSC，DMA和TMA进行全方位表征，得到了略有差异的玻璃化转变温度（具体原因可翻阅本公众号之前文章“不同热分析技术测试玻璃化温度—哪个更准？”），固化工艺和配方可根据DSC/DMA/TMA的结果进行优化，样品的性能也可根据测试结果进行监测和评估。