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Polymermatrix-Verbundwerkstoffe (PMCs) gehören zu den leichtesten Strukturwerkstoffen und finden Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und im Sport. Sie werden auch in MRT-Scannern, kugelsicheren Westen und biomedizinischen Geräten verwendet.
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 werden aus einer duroplastischen Polymermatrix hergestellt, die als Bindemittel dient und die eingearbeiteten Verstärkungen fixiert. Die Polymermatrix besteht normalerweise aus Epoxidharzen, Phenolharzen, Polyurethanharzen und Silikonen. Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe sind ein leichtes, hochfestes und korrosionsbeständiges Material. Sie können für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden.
Mehrere Arten von faserverstärkten Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen wurden für kryogene Anwendungen untersucht. Dazu gehören Kohlenstofffasern und Glasfasern. Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) sind ein vielversprechendes Verstärkungsmaterial. Sie haben aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie können auf die Fasern aufgepfropft werden, um die Grenzflächen zwischen Matrix und Fasern zu bilden. Sie werden auch in die Polymermatrix eingemischt. Dies ist die effizienteste Art, CNTs einzubringen. Sie sind auch am wirtschaftlichsten.
Graphenoxidblätter sind auch dafür bekannt, dass sie die EP-Eigenschaften verbessern. Es hat sich gezeigt, dass diese Schichten den Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit des Verbundstoffs erhöhen. Sie haben auch das Potenzial, die Schlagfestigkeit des Materials zu verbessern. Graphen/EP-Verbundwerkstoffe haben eine maximale Festigkeitsverbesserung von 10 % bei 77 K erreicht.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen mit Polymermatrix zu verbessern. Sie haben eine geringe Dichte, ein hohes Aspektverhältnis und sind kostengünstig. Sie können der Polymermatrix beigemischt, auf Fasern aufgepfropft oder in die Harzmatrix eingearbeitet werden. Die Fasern können aus geschnittenen Multifilamenten oder kontinuierlichen Einzelfilamenten bestehen.
Mit Kohlenstoffnanoröhrchen verstärkte Verbundwerkstoffe sind vielversprechend für den Einsatz in der Tieftemperaturtechnik. Allerdings sind sie noch nicht gründlich untersucht worden. Die hier vorgestellte Arbeit wird den Wissenschaftlern helfen, die Eigenschaften von PMCs in kryogenen Umgebungen zu verstehen. Sie wird auch dazu beitragen, die Verarbeitbarkeit dieses Materials besser zu verstehen.
In mehreren Studien wurden modifizierte duroplastische Polymere für kryogene Anwendungen untersucht. Dabei handelt es sich um polymere Verbundwerkstoffe, die mit Nanopartikeln, funktionellen organischen Verbindungen und Kohlenstoff-Nanoröhren modifiziert wurden. Diese Modifikationen werden zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Materials eingesetzt.
Diese Polymere werden in Verbundwerkstoffanwendungen, wie z. B. in Flugzeugen, 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 Herstellungsverfahren. Dazu gehören Sprühen, Schmelzen und Wiederverfestigen. Es gibt auch technische Probleme, die während der Verarbeitung auftreten können. Zum Beispiel gibt es Bedenken wegen Mikrorissen zwischen Harz und Fasern bei kryogenen Temperaturen.
In einer Studie wurden die Auswirkungen der Mischung von PP mit EP auf die Schlagzähigkeit und Kerbschlagzähigkeit untersucht. Die Zugfestigkeit der Mischung stieg um 11 %. Auch die Schlagzähigkeit der Mischung wurde verbessert. Die Forscher verwendeten ein kommerzielles Finite-Elemente-Analyseprogramm, um die Auswirkungen des modifizierten Materials zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Schlagzähigkeit des Gemischs um 14,8 % zunahm.
In einer anderen Studie wurden die Auswirkungen des Zusatzes von CNT zu Epoxidharz untersucht. Die Autoren stellten fest, dass die Zugabe von oxidierten mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren zu Epoxidharz die Risszähigkeit der Epoxidmatrix erhöhte. Sie stellten außerdem fest, dass sich die Grenzflächenhaftung zwischen MWCNT und Epoxidharz verbesserte.
Polyethersulfon wurde ebenfalls verwendet, um die mechanischen Eigenschaften des Polymers zu verbessern. Die Autoren stellten fest, dass die beste Dispergierbarkeit von MWCNTs-NH2 bei 0,2 % in der EP-Matrix lag. Sie fanden auch heraus, dass gleichmäßig dispergierte MWCNTs große Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen.
Die Auswirkungen dieser Änderungen auf die mechanischen Eigenschaften des duroplastischen Polymers sind noch nicht vollständig bekannt. Dennoch haben die Modifikationen das Potenzial, die Leistung des Materials bei Tieftemperaturanwendungen zu verbessern.
Thermoplastische Polyimide werden durch Kondensationsreaktion von aromatischen Diaminen mit aromatischen Dianhydridderivaten hergestellt. Diese Polyimide haben die höchste Schnitttemperatur aller Duroplaste. Sie werden in strukturellen Anwendungen, wie z. B. in Flugzeugen, sowie in verschleißfesten Anwendungen eingesetzt. Sie können auch kurzzeitig bis zu 900 Grad Celsius ausgesetzt werden.
In dieser Übersicht erörtern die Autoren einige der jüngsten Forschungsarbeiten über modifizierte duroplastische Polymere für kryogene Anwendungen. Die Modifikationen umfassen eine Vielzahl von Komponenten, Inklusive Kohlenstoff-Nanoröhrchen, 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 ist auch ein guter Kandidat für passive elektronische Elemente. Außerdem ist es über einen großen Temperaturbereich hinweg sehr stabil.
Bei kryogenen Temperaturen weist Graphen eine Poissonzahl von nahezu Null und eine äußerst reversible Druckverformung auf. Außerdem weist es eine hohe Zyklenstabilität auf. Die mechanischen Eigenschaften von Graphen bei diesen Temperaturen sind auch denen von RT sehr ähnlich.
Diese Eigenschaften sind das Ergebnis der bemerkenswerten Elastizität der Graphenblätter. Sie haben starke Dehnungsmoden in der Ebene und weiche Biegemoden außerhalb der Ebene. Der seitliche Einschluss von Ladungsträgern verursacht jedoch eine Energielücke in den Graphen-Nanobändern. Dies führt dazu, dass die Phononenstreuung zum Gesamtwiderstand der Proben beiträgt.
Diese Eigenschaften machen Graphen zu einem perfekten Kandidaten für passive elektronische Elemente. Darüber hinaus hat Graphen hervorragende optische Eigenschaften. Außerdem ist es für alle Gase und Moleküle praktisch undurchlässig. Dies macht es zu einem ausgezeichneten Kandidaten für die Verwendung in transparenten, leitenden Filmen als Widerstandstemperaturdetektoren in kryogenen Systemen.
Neben seinen temperaturunabhängigen mechanischen Eigenschaften hat Graphen auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften. Es weist eine sehr hohe Leitfähigkeit von 4000 Wm-1 K-1 auf. Außerdem transportiert es Wärme viel besser als Kupfer. Es ist auch für mikroelektronische Geräte geeignet.
Bei tiefen kryogenen Temperaturen weist Graphen eine superkompressive Elastizität auf. Beim Zusammendrücken verformen sich die Zellwände der Graphenschicht. Diese Verformung unterstützt den Verformungsmechanismus des Biegens und Knickens.
Darüber hinaus steigen die Spannungs-Dehnungskurven bei tiefkalten 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 kumulierte Restdehnung weniger als 0,6 Prozent beträgt. Dies war das erste Mal, dass diese Dehnung gemessen wurde. Bei späteren Messungen hat sie sich jedoch nicht akkumuliert.
Es wird angenommen, dass die thermisch stabilen, bei niedrigen Temperaturen auftretenden und nicht kinetischen Eigenschaften von Graphenschäumen das Ergebnis eines Phasenübergangs sind. Es wird auch angenommen, dass das Material thermisch kontrolliert wird und kein Massentransport stattfindet.
Im Gegensatz zu Stahl weisen Aluminiumlegierungen ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und Verformbarkeit bei kalten Temperaturen auf. Dies bedeutet, dass Aluminiumlegierungen ideal für strukturelle Anwendungen in arktischen und anderen Niedrigtemperaturumgebungen sind. Diese Legierungen haben auch hervorragende Eigenschaften in Bezug auf Verformbarkeit, Schlagfestigkeit und Stoßfestigkeit.
Aluminiumlegierungen werden für strukturelle Anwendungen in vielen Branchen eingesetzt. Einige der häufigsten Anwendungen für Aluminiumlegierungen sind in der Luftfahrt, im Schiffbau und im Militär. Dieses Material wird auch für Offshore-Strukturen wie Unterwasser-Pipelines verwendet.
Aluminiumlegierungen werden häufig als Konstruktionswerkstoffe für kryogene Anwendungen verwendet. Kryogenik bezieht sich auf Materialien, die bei Temperaturen unter Null flüssig sind. Die Eigenschaften der verschiedenen Aluminiumlegierungen variieren erheblich mit der Temperatur. Die Festigkeitseigenschaften von Aluminiumlegierungen ändern sich bei Minustemperaturen jedoch nur geringfügig. Darüber hinaus nimmt die Dehnungsfestigkeit von Aluminiumlegierungen bei Minusgraden leicht ab. Dies bedeutet, dass Aluminiumlegierungen zur Beurteilung ihrer Dehnungsfestigkeit Kerbzugversuche benötigen.
Die wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumlegierungen bei Minustemperaturen sind ihre Zugfestigkeit, Duktilität und Verformbarkeit. Aluminiumlegierungen weisen auch eine vorübergehende Beständigkeit und Streckspannung auf. Diese Merkmale tragen zu ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei. Diese Eigenschaften werden weiter verbessert, wenn Aluminiumlegierungen einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
Aluminiumlegierungen werden schon seit vielen Jahren für kryogene Anwendungen eingesetzt. Neue Fertigungstechnologien haben jedoch zur Entwicklung besserer Aluminiumlegierungen geführt. Diese neuen Werkstoffe weisen bessere mechanische Eigenschaften auf, wenn sie einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Legierungen können auch in anderen Tieftemperaturanwendungen eingesetzt werden.
Aluminiumlegierungen wurden im Hinblick auf ihre Zugfestigkeit, Duktilität, Formbarkeit und Bruchform bei Temperaturen unter Null Grad untersucht. Diese Legierungen wurden auch in Abhängigkeit von ihren quasistatischen und dynamischen Verformungsgeschwindigkeiten untersucht. Es zeigte sich, dass sich Aluminiumlegierungen bei niedrigen Temperaturen je nach chemischer Zusammensetzung, Temperatur und Dehnungsgeschwindigkeit unterschiedlich verhalten. Diese Unterschiede wurden auch mit mikrostrukturellen Effekten in Verbindung gebracht.
Diese Studien bestätigten den Portevin-Le Chartelier-Effekt für niedrigere Temperaturen. Darüber hinaus bestätigten sie die positive und negative Empfindlichkeit von Aluminiumlegierungen gegenüber Dehnungsgeschwindigkeiten. Diese Ergebnisse weisen auf die wichtigsten Probleme hin, die bei der Entwicklung moderner Aluminiumlegierungen angegangen werden müssen.
