多功能复合材料的力学行为 复材云集|复合材料
MCVE技术公司与IMT Nord Europe的材料和工艺中心合作，最近对其玻璃纤维织物功能化解决方案的使用进行了验证和鉴定。这篇文章解释了如何赋予复合材料电子功能，而不损害其最终用途的机械性能。
MCVE技术公司拥有EOPROM专利，这是一种铜基配方，可以将轨道添加到各种类型的材料上。其Eopromflex工艺使用丝网印刷法和铜金属化浴(类似于印刷电路行业使用的方法)沉积在由玻璃或天然纤维制成的柔性织物上。
自2019年成立以来，MCVE一直专注于生产功能化玻璃纤维材料，以期将其集成到复合材料中。多年来，MCVE的技术已经在各种应用的复合材料的各种织物上通过概念验证得到了验证。这一经验让该公司展示了EOPROM与玻璃纤维织物结合的铜金属化的强度。事实上，由于其可焊性，EOPROM为印刷电子功能创造了一个强大的连接。在IMT教授、塑料和复合材料专家Patricia Krawczak的指导下，IMT Nord Europe开展了名为“通过在织物上印刷功能性成分的集成实现复合材料仪器化:开发、加工性和特性”的研究。
图1:九个测试样本设计
其目的是表明使用EOPROM配方通过浸渍工艺将功能化层整合到复合材料中不会影响材料的机械性能。
试验设计
为了确定轨道宽度的影响，设计了宽度为0.8 mm、1.5 mm和3 mm的三条单纵向线。还设计了用于加热电路的四个弯曲设计。有两个具有不同排距的纵向弯曲和两个各具有可变排距的横向弯曲。最后一种设计是专门针对尺寸较小的弯曲试样的。除了宽度不同的单线外，所有其他轨道的宽度都是1.5毫米。
样品制造
轨道是用EOPROM浆料通过丝网印刷设计制作的。丝网印刷后，将样品放在干燥箱中，然后浸入各种金属浴中。这些浴的目的是在EOPROM浆料上沉积一层铜。复合板由以下部件制成:
图2:示出了层堆叠的图
由缎面玻璃纤维制成的加固材料层，具有近乎平衡的编织(52/48)，重量为296g/m。Samaro材料参考PO12768。
一层功能性玻璃纤维织物(包含铜轨道),采用非平衡编织(60/40 ),重量为202g/m。Porcher材料参考号7628。
Gurit Prime 37树脂和AMPREG 3X慢速硬化剂，质量比为100:29。
制造的板的尺寸为250×25×2毫米；有四种不同的配置。
对于拉伸试样:
–2.24毫米厚
–[(0 R)9/ (0华氏度)/ (0华氏度)]
对于平面剪切试样:
–2.24毫米厚
–[(45 R)9/ (0华氏度)/ ( 45华氏度)]
对于三点弯曲试样和短梁剪切试样:
–[(0 R)10/ (0华氏度)/ (0华氏度)10 ]
–[(0 R)19/ (0华氏度)/ (0华氏度)1 ]
在环境温度和-900毫巴下使用浸渍工艺16小时来制造各种板。将板脱模，然后在55℃下后固化24小时。
拉伸时的机械特性
使用ISO 527-4标准NF，允许纵向弹性模量(E)和拉伸强度σM待定。
应用了以下测试参数:
–位移速度:2毫米/分钟
–下降40%后，测试停止
通过几种方法测量位移，用伸长计或通过DIC(数字图像相关),在某些情况下还通过十字头位移。
在单纵向线的情况下，拉伸试验结果表明铜表面积和弹性模量之间的线性相关性。在纵向弯曲的情况下，弯曲数量的增加(以及弯曲之间间距的减小)提高了模量。在横向弯曲的情况下，弯曲之间空间的减小降低了弹性模量值。
这些抗拉强度测试的结果表明，在横向设计的情况下，铜迹线数量的增加意味着抗拉强度的下降。对单线的进一步检查似乎表明，存在一个抗拉强度下降较大的线宽值。因此，最好使用小于2毫米的线。
温度循环对拉伸性能的影响
目标工业应用之一是集成加热。因此，事先检查其影响至关重要。
应用了热循环:
–七个30分钟的热循环，然后在环境温度下循环30分钟
–对于设计19: 4.2伏/ 2.8安
–对于设计20: 3.4伏/ 2.3安
–表面温度约为67℃
–另一侧的温度≈64℃
将经受热应力的试样与一系列未经受热应力的试样进行比较。
考虑到标准偏差，测量结果显示，经受过热循环的试样之间的值与未经受热循环的试样之间的值非常接近。因此，温度循环对机械性能的影响非常小。
图3:纵向弹性模量与铜表面积的关系
图4:平面剪切强度值的范围
平面剪切试验
进行的第二个机械试验是平面内剪切试验，根据NF EN ISO 14129标准，通过45°拉伸试验进行。它使得面内剪切模量G12和面内剪切强度τ12米待定。
复合材料中存在的铜导致平面剪切模量G下降12。然而，这些值仍然在这种材料所能预期的数量级之内。
通过这些测试，我们了解到设计导向可以产生强大的影响。虽然纵向设计似乎是有利的，但应避免横向设计。
三点弯曲试验
考虑的第三个试验是根据NF EN ISO 14125标准进行的三点弯曲试验。它允许弯曲断裂应力σ消防队（firebrigade）和弯曲模量(例如f)待定。
铜对弯曲弹性模量的影响几乎可以忽略不计，当功能层靠近表面放置时更是如此。对制造过程至关重要的镀金属浴对弯曲性能没有显著影响。
铜的存在对弯曲模量和弯曲强度都有相当积极的影响。因此，有可能将功能层集成到将承受弯曲应力而不损失机械性能的部件中。
镀金属浴与参考相比没有明显的偏差，因此在尺寸上不会出现明显的恶化。
图5:弯曲模量的取值范围(功能层位于中性轴(左)或靠近试样拉伸状态一侧(右)
短梁剪切试验
根据NF EN ISO 14130标准，最后考虑的测试是通过三点弯曲测试的ILSS剪切测试。它能确定层间剪切强度τ13米.
这些试验特别调查了三个方面:铜的存在的影响，镀金属浴对上浆的影响。
由于大多数试样没有分层，层间剪切强度值无法量化。然而，获得的下限值保持在预期的数量级内，并且数值没有明显下降。
图6:层间剪切强度的数值范围(放置在中性轴(右侧)或靠近试样拉伸状态一侧(右侧)的功能层)
机械试验的结论
这项研究的重点是检查将功能部件集成到复合材料中的影响。
用EOPROM功能化的亚麻织物。铜MCVE上的锡焊料
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