使用TGA对碳纤维增强聚合物的质量控制

确定纤维纤维增强聚合物（CFRP）质量控制的纤维体积分数至关重要。这样做是为了确保其在航空航天，风能和汽车等领域中使用的有利的机械和物理特性。

由Dominik Grund发表在《聚合物测试》杂志上，是最新和新型的热重测试方法之一，它考虑了加热速率，分析气氛和样品尺寸，可有效确保材料的高质量。在这里，使用的步骤质量控制中的TGA总结了碳纤维增强的聚合物。

航空航天，风能和汽车的三个部门已经确定了其产品的碳纤维增强聚合物（CFRP）的各种优势。这些包括低密度，高比特性以及耐腐蚀性，从而提高了CFRP在许多应用中的使用。至关重要的是选择基质材料，纤维长度，方向和纤维含量的独特组合。结果，该复合材料可以量身定制，以用于特定的应用领域。

v_F，代表纤维体积分数，是材料的机械和物理特性。因此，v_F成为CFRP质量控制中最关键的指标。2019年3月，Dominik Grund，Manuel Orlishausen和Iman Taha在《聚合物测试》杂志上发表了一篇文章¹，从而构成了本文的基础。

有更好的湿化学方法替代品

湿化学方法通常用于测定纤维体积分数，将CFRP样品暴露于在高温下高度氧化的酸。为了规避各种健康，安全和环境问题，并确保以更有效的方式确保CFRP的高质量 - 该文章的作者建议使用TGA的焚化方法比所有替代方案都具有显着优势。这是因为可以根据其热稳定性的差异来分离不同的纤维类型。

v的确定_F使用两阶段的热疗法程序

作者面临的主要挑战之一是减轻树脂和纤维降解过程之间的重叠。发现使用的两阶段分析程序使用TGA给出CFRP的纤维体积分数最准确的值。动态加热的第一步是在惰性气氛中进行的，从而分解了铣削CRFP样品的树脂。

此后，将样品冷却至室温。然后，第二个加热步骤随后是在技术空气中的MRC（质量率控制）条件下进行的加热，以分解树脂CHAR。

图1。两阶段的铣削CFRP（P6）TGA，包括惰性大气中的动态加热（第一个加热阶段），其次是技术空气中的MRC加热（第二加热阶段）。

铣削CFRP的TGA测量¹

为什么使用TGA进行两阶段分析可提供最佳结果

该过程中需要排队三个关键参数，以达到有意义的退化曲线，可用于确定V_F。

气氛

在技​​术空气的气氛中可以观察到两个退化阶段。实际上，第二阶段可以归因于碳纤维的热降解。话虽如此，第一阶段的质量损失指向树脂和纤维的降解，在温度范围（300 - 700°C）的重叠中，它们在重叠中解析，因此禁止效应分离。

在惰性气氛中，矩阵能够完全分解，而不会对碳纤维进行任何热影响。然而，留下了重要的炭含量。因此，通过结合两个大气，可以进行单个组件降解的分离。的确，这是作者所考虑的最关键的步骤。

加热率

恒定加热速率为5 k/min，分解为线性。但是，MRC分解会导致更详细的信号，因此在分解阶段之间提供了更清晰的分离，可以直接用于计算V_F。

样本量

当与MRC加热速率结合使用时，技术空气的气氛表明树脂的焚化和纤维分解的开始，无法明确区分固体样品。这是因为该信号在450°C和600°C之间显示出相对较宽的高原。

相反，铣削样品显示出平滑的热重曲线，在第一派生曲线上具有明显的峰值。正如作者强调的那样，铣削样品在V中也具有较低的标准偏差_F和残留质量。因此，这使得计算纤维体积分数更有利。

TGA程序显示相等的纤维体积分数

作者验证了TGA程序反对常用的湿化学分析。结果显示V中有1.1％的差异_F在这两种方法之间，这一事实可以归因于TGA期间碳纤维的轻微降解。但是，对于湿化学分析，这种偏差属于可接受的误差范围。

使用热重分析的Dominik Grund程序为确定纤维体积摩擦的方法提供了一种方法，以有效地控制CFRP的质量。此外，TGA的过程可以自动化，并且不需要持续的监督。

参考和进一步阅读

1. Grund，Dominik＆Orlishausen，Manuel＆Taha，Iman。（2019）。使用热重测方法测定碳纤维增强聚合物的纤维体积分数。聚合物测试。75.第358 - 366页。10.1016/j.polemertesting.2019.02.031。

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