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Polymermatrix-Verbundwerkstoffe (PMCs) zählen zu den leichtesten Strukturmaterialien und finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und im Sportbereich. Sie werden auch in MRT-Scannern, kugelsicheren Westen und biomedizinischen Geräten eingesetzt.
Kryogene Anwendungen erfordern Verbundwerkstoffe mit höheren mechanischen Eigenschaften als bei Raumtemperatur. Dazu gehören hohe Zugfestigkeit, Duktilität, Schlagfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Es wurden verschiedene Arten von Verbundwerkstoffen für kryogene Anwendungen entwickelt. Sie wurden für den Bau von supraleitenden Magneten und kryogenen Lagersystemen verwendet.
Diese Verbundwerkstoffe bestehen aus einer duroplastischen Polymermatrix, die als Bindemittel dient und die eingearbeiteten Verstärkungen sichert. Die Polymermatrix besteht üblicherweise aus Epoxidharzen, Phenolharzen, Polyurethanharzen und Silikonen. Polymermatrix-Verbundwerkstoffe sind ein leichtes, hochfestes und korrosionsbeständiges Material. Sie können für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden.
Verschiedene Arten von faserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen wurden für kryogene Anwendungen untersucht. Dazu gehören Kohlefasern und Glasfasern. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind ein vielversprechendes Verstärkungsmaterial. Sie haben aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Sie können für Matrix-Faser-Grenzflächen auf Fasern aufgepfropft oder in die Polymermatrix eingemischt werden. Dies ist die effizienteste und zugleich wirtschaftlichste Methode zur Einarbeitung von CNTs.
Graphenoxidschichten verbessern bekanntermaßen auch die EP-Eigenschaften. Sie erhöhen den Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs. Sie können auch die Schlagfestigkeit des Materials erhöhen. Graphen/EP-Verbundwerkstoffe erreichen bei 77 K eine maximale Festigkeitsverbesserung von 10 %.
Kohlenstoffnanoröhren haben das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen zu verbessern. Sie haben eine geringe Dichte, ein hohes Aspektverhältnis und sind kostengünstig. Sie können in die Polymermatrix eingemischt, auf Fasern aufgepfropft oder in die Harzmatrix eingearbeitet werden. Die Fasern können geschnittene Multifilamente oder kontinuierliche Einzelfilamente sein.
Mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkte Verbundwerkstoffe sind vielversprechend für den Einsatz in kryogenen Anwendungen. Sie wurden jedoch noch nicht umfassend erforscht. Die hier vorgestellte Arbeit soll Wissenschaftlern helfen, die Eigenschaften von PMCs in kryogenen Umgebungen zu verstehen. Sie trägt auch zu einem besseren Verständnis der Verarbeitbarkeit dieses Materials bei.
Mehrere Studien untersuchten modifizierte Duroplaste für kryogene Anwendungen. Dabei handelt es sich um Polymerverbundstoffe, die mit Nanopartikeln, funktionellen organischen Verbindungen und Kohlenstoffnanoröhren modifiziert wurden. Diese Modifikationen dienen der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Materials.
Diese Polymere werden in Verbundwerkstoffen, beispielsweise in der Flugzeugstruktur, eingesetzt. Sie dienen auch als Matrix für glasfaserverstärkte Rohre. Sie werden auch in elektrischen Leiterplatten und in chemischen Umgebungen verwendet.
Polymerverbundwerkstoffe durchlaufen eine Reihe von Herstellungsprozessen. Dazu gehören Sprühen, Schmelzen und erneutes Verfestigen. Bei der Verarbeitung können auch technische Probleme auftreten. Beispielsweise besteht die Gefahr von Mikrorissen zwischen Harz und Fasern bei kryogenen Temperaturen.
In einer Studie wurden die Auswirkungen der Mischung von PP mit EP auf Schlagfestigkeit und Schlagzähigkeit untersucht. Die Zugfestigkeit der Mischung erhöhte sich um 11 %. Auch die Schlagzähigkeit der Mischung wurde verbessert. Die Forscher verwendeten ein kommerzielles Finite-Elemente-Analysetool, um die Wirkung des modifizierten Materials zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schlagfestigkeit der Mischung um 14,8 % zunahm.
Eine weitere Studie untersuchte die Auswirkungen der Zugabe von CNTs zu Epoxidharz. Die Autoren fanden heraus, dass die Zugabe von oxidierten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren zu Epoxidharz die Rissfestigkeit der Epoxidmatrix erhöhte. Sie stellten außerdem fest, dass sich die Grenzflächenbindung zwischen MWCNT und EP verbesserte.
Polyethersulfon wurde ebenfalls verwendet, um die mechanischen Eigenschaften des Polymers zu verbessern. Die Autoren fanden heraus, dass die beste Dispergierbarkeit von MWCNTs-NH2 bei 0,2 % in der EP-Matrix lag. Sie stellten außerdem fest, dass gleichmäßig dispergierte MWCNTs große Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen.
Die Auswirkungen dieser Modifikationen auf die mechanischen Eigenschaften des duroplastischen Polymers sind noch nicht vollständig geklärt. Dennoch haben die Modifikationen das Potenzial gezeigt, die Leistung des Materials in kryogenen Anwendungen zu verbessern.
Thermoplastische Polyimide werden durch Kondensationsreaktion aromatischer Diamine mit aromatischen Dianhydrid-Derivaten hergestellt. Diese Polyimide haben die höchste Schnitttemperatur aller Duroplaste. Sie werden in strukturellen Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, sowie in verschleißfesten Anwendungen eingesetzt. Sie sind zudem kurzzeitig bis zu 900 °F belastbar.
In diesem Bericht diskutieren die Autoren einige der neuesten Forschungsergebnisse zu modifizierten Duroplasten für kryogene Anwendungen. Die Modifikationen umfassen eine Vielzahl von Komponenten, Inklusive Kohlenstoffnanoröhren, Graphen und funktionelle organische Verbindungen.Graphen hat das Potenzial, die kryogene Elektronik zu revolutionieren. Es verfügt über die einzigartige Kombination aus Wärmeleitfähigkeit, hoher Bandbreite und geringem Stromverbrauch. Es eignet sich auch gut für passive elektronische Elemente. Darüber hinaus ist es über einen großen Temperaturbereich sehr stabil.
Bei kryogenen Temperaturen weist Graphen eine Poissonzahl nahe Null und eine hoch reversible Druckverformung auf. Es weist außerdem eine hohe Zyklenstabilität auf. Die mechanischen Eigenschaften von Graphen bei diesen Temperaturen sind denen bei Raumtemperatur sehr ähnlich.
Diese Eigenschaften sind das Ergebnis der bemerkenswerten Elastizität der Graphenschichten. Sie weisen starke Dehnungsschwingungen in der Ebene und schwache Biegeschwingungen außerhalb der Ebene auf. Die seitliche Eingrenzung der Ladungsträger verursacht jedoch eine Energielücke in den Graphen-Nanobändern. Dadurch trägt die Phononenstreuung zum Gesamtwiderstand der Proben bei.
Diese Eigenschaften machen Graphen zu einem idealen Kandidaten für passive elektronische Elemente. Darüber hinaus verfügt Graphen über hervorragende optische Eigenschaften. Es ist zudem nahezu undurchlässig für alle Gase und Moleküle. Dies macht es zu einem hervorragenden Kandidaten für den Einsatz in transparenten leitfähigen Filmen als Widerstandstemperatursensoren in kryogenen Systemen.
Graphen besitzt neben seinen temperaturinvarianten mechanischen Eigenschaften auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften. Es weist eine sehr hohe Leitfähigkeit von 4000 Wm-1 K-1 auf. Zudem transportiert es Wärme deutlich besser als Kupfer. Es eignet sich auch für mikroelektronische Geräte.
Bei tiefen kryogenen Temperaturen weist Graphen eine superkompressive Elastizität auf. Während der Kompression verformen sich die Zellwände der Graphenschicht. Diese Verformung unterstützt den Biege-/Knickverformungsmechanismus.
Darüber hinaus steigen Spannungs-Dehnungs-Kurven bei tiefen kryogenen Temperaturen schnell auf 90 % Dehnung an. Dies weicht von den Spannungs-Dehnungs-Kurven bei RT ab, die nur 30 % Dehnung aufweisen. Die Restdehnung ist aufgrund der sehr kleinen Unvollkommenheiten in der Graphenzellwand gering. Es wird geschätzt, dass die akkumulierte Restdehnung weniger als 0,6 Prozent beträgt. Dies war das erste Mal, dass diese Dehnung gemessen wurde. Bei nachfolgenden Messungen akkumulierte sie sich jedoch nicht.
Man geht davon aus, dass die thermische Stabilität, die niedrigen Temperaturen und die nicht-kinetischen Eigenschaften von Graphenschäumen auf einen Phasenübergang zurückzuführen sind. Das Material soll außerdem thermisch kontrolliert sein und keinen Massentransport aufweisen.
Im Gegensatz zu Stahl weisen Aluminiumlegierungen ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine höhere Duktilität bei kalten Temperaturen auf. Daher eignen sich Aluminiumlegierungen ideal für strukturelle Anwendungen in arktischen und anderen Umgebungen mit niedrigen Temperaturen. Diese Legierungen zeichnen sich außerdem durch überlegene Eigenschaften hinsichtlich Formbarkeit, Schlagfestigkeit und Stoßfestigkeit aus.
Aluminiumlegierungen werden in vielen Branchen für strukturelle Anwendungen eingesetzt. Zu den häufigsten Anwendungsgebieten zählen die Luftfahrt, der Schiffbau und das Militär. Auch für Offshore-Konstruktionen wie Unterwasserpipelines wird Aluminium verwendet.
Aluminiumlegierungen werden häufig als Strukturwerkstoffe für kryogene Anwendungen eingesetzt. Unter Kryotechnik versteht man Materialien, die bei Minustemperaturen flüssig sind. Die Eigenschaften verschiedener Aluminiumlegierungen variieren stark mit der Temperatur. Allerdings zeigen Aluminiumlegierungen bei Minustemperaturen nur geringfügige Änderungen ihrer Festigkeitseigenschaften. Darüber hinaus nimmt die Dehnungsfestigkeit von Aluminiumlegierungen bei Minustemperaturen leicht ab. Daher sind Kerbzugversuche zur Bestimmung der Dehnungsfestigkeit von Aluminiumlegierungen erforderlich.
Die wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumlegierungen bei Minustemperaturen sind ihre Zugfestigkeit, Duktilität und Formbarkeit. Aluminiumlegierungen weisen zudem eine hohe temporäre Festigkeit und Streckgrenze auf. Diese Eigenschaften tragen zu ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei. Diese Eigenschaften werden durch eine Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen noch weiter verbessert.
Aluminiumlegierungen werden seit vielen Jahren für kryogene Anwendungen eingesetzt. Neue Fertigungstechnologien haben jedoch zur Entwicklung besserer Aluminiumlegierungen geführt. Diese neuen Materialien weisen bei Wärmebehandlung überlegene mechanische Eigenschaften auf. Diese Legierungen können auch in anderen Niedertemperaturanwendungen eingesetzt werden.
Aluminiumlegierungen wurden bei Minustemperaturen hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit, Duktilität, Formbarkeit und Bruchform untersucht. Diese Legierungen wurden auch in Abhängigkeit ihrer quasistatischen und dynamischen Dehnungsraten untersucht. Es zeigte sich, dass sich Aluminiumlegierungen bei niedrigen Temperaturen je nach chemischer Zusammensetzung, Temperatur und Dehnungsrate unterschiedlich verhalten. Diese Unterschiede hängen auch mit mikrostrukturellen Effekten zusammen.
Diese Studien bestätigten den Portevin-Le-Chartelier-Effekt bei niedrigen Temperaturen. Darüber hinaus verifizierten sie die positive und negative Dehnungsratenempfindlichkeit von Aluminiumlegierungen. Diese Ergebnisse zeigten die wichtigsten Probleme auf, die bei der Entwicklung fortschrittlicher Aluminiumlegierungen angegangen werden müssen.
