聚合物复合材料泡沫注射过程中纤维旋转与平移的实验观察与转化

Vahid Shaayegan a, Amir Ameli b, Sai Wang a, Chul B. Park a

摘要：我们研究了分散碳纤维与高压生长细胞之间的相互作用。用聚苯乙烯/碳纤维/二氧化碳体系进行泡沫注射成型试验原位可视化技术。我们发现，纤维在生长细胞附近既有平移又有旋转的位移。它们的旋转和平移位移用可视化快照定量测量。这些被认为是一个强大的功能细胞大小，初始细胞纤维距离，初始纤维角。我们开发了一个分析模型。描述瞬时光纤的方向和位置，并将其作为相应的单元大小的函数。光纤的初始方向和位置。理论预测与实验结果吻合得很好。实验结果。这表明模型在纤维位移预测中的准确性。我们的研究进一步揭示了泡沫对导电聚合物复合材料逾渗阈值的影响机理。

与金属相比，导电高分子复合材料（CPC）提供了许多优势。这些措施包括化学电阻，阻隔性能，低密度，快速，廉价的制造方法。因此，这类导电材料的应用增加了。它们用于电磁接口屏蔽、执行器和燃料电池双极板。建立（电）连接，微型或纳米填料可以添加到粉末状或纤维状聚合物基体。在所有的填料中，碳纤维（CF）的应用更受欢迎。与纳米填料比较，它的渗流阈值较低，其高宽比相对大，加工成本相对低。内含的纤维和渗流阈值电平影响客观的的功能性、加工性和制造成本。当一个高纤维含量增加导电性，它限制他们的加工窗口和增加他们的成本。因此，一个低纤维加载将尝试更有利，但证明是在一个高的冰度复合材料的电导。

纤维的取向和排列起着决定性的作用。确定CPC的导电性、电磁干扰屏蔽效能和介电行为等功能特性。研究还表明，纤维的严重排列增加了渗滤阈值，降低了导电率。例如，注塑件的通孔导电性已被证明比机器方向低了好几个数量级。这是由于机器方向或纤维的面内取向。此外，在某些应用中，如双极板，在平面和通平面方向都需要高导电率。因此，任何能降低CPC功能各向异性的东西。通过控制纤维取向的性能将是非常有价值的。

Zhang等人报道固体CPC中引入蜂窝结构以降低渗流阈值和提高复合材料电导率的方法。溶解发泡剂通过提高纤维的分散性和分布性，降低纤维的聚集和断裂，降低了电渗流阈值。Amel等人讨论了发泡对聚丙烯/不锈钢纤维复合材料中纤维断裂的影响，并得出了显著的降低渗流阈值的结论。

许多研究人员已经证明了重排和在CPC泡沫细胞生长过程中发生的纤维、血小板和高宽比添加剂的排列调整是提高CPC功能的主要机制之一。 Okamoto等人在微孔发泡聚合物/纳米粘土复合材料。观察到的纳米粘土沿细胞壁的曲率，由于压缩/拉伸基体周围生长的细胞，而随机取向远离细胞区。Nam、Yuan、Turng等人详细说明：等人。发现泡沫阻碍了泡沫注塑件的流动诱导纤维取向，提高了通孔电导率。Ameli等人观察，PP/多壁碳纳米管复合材料提高了发泡的电导率，并认为这是由于碳纳米管上的最佳空隙的重排和重新定位，在进一步恶化后。Thompson等人报道在泡沫增强通过含碳黑的平面复合导电，只与有CF填充的炭黑有相反的影响。Ameli等人表明，随着纤维与纤维接触的增加，PP/CF复合材料的通孔导电率增加，均匀性提高。他们认为，泡沫的改变和增加的纤维在厚度方向的方向，通过双轴拉伸基质周围生长的细胞在核心区的CPC泡沫。在皮层中，溶解的发泡剂的塑化作用通过降低熔体粘度和所施加的剪切力来减少固体层的厚度和纵向纤维取向的程度。在发泡注射成型（FIM）与PP/MWCNT纳米复合材料进行了实验，Ameli等人。表明细胞生长在多壁碳纳米管中形成独特的排列。多壁碳纳米管的平移和旋转位移被限制在相邻的细胞之间，这使CPC泡沫材料与固体材料相比有优异的介电性能。因此，纤维填料的取向和再取向以及发泡过程中的扰动对CPC的功能特性有着重要的影响。纤维取向在注塑成型中得到了广泛的研究。Folgar和Tucker介绍了一个模型来预测纤维取向分布函数，他们提出了一个唯象关系，包括纤维–纤维相互作用系数。Advani and Tucker后来推出了二阶张量来描述纤维取向方向。Bay and Tucker模拟了一个中心门控盘和一个薄膜选通带的注射成型中的填充和纤维取向，并将它们与实验测量的纤维取向进行了比较。然后，王等人改从Ref.方向张量方程，提出了减少应变封闭（RSC）模型。对于短纤维的速度方向后账户，基于Jeffery的方程比以往的模型。其他人提出了改进方向预测所需计算工作的方法。

尽管有丰富的纤维取向预测的文献，但对纤维位移的关注较少，即在泡沫注射成型过程中的旋转和/或平移。因此，发泡纤维重新定位和互联互通和/或分布的影响需要更多的调查。大多数分析已经进行了稳定的标本，并已提出的假设根据所获得的属性。具体而言，目前还没有关于分散纤维在生长细胞周围的实时行为的观察报告，尽管可视化已用于研究塑料和复合材料注塑过程中的充型现象。为了继续我们的工作，我们采用原位可视化技术来研究和定量分析泡沫的影响（即细胞生长过程中基质的双轴拉伸）对纤维的平移和取向的影响。我们还提出了一个几何模型来进一步研究和预测接近生长细胞的纤维位移。通过实验测量和模型分析，我们确定了执行的最终取向和在泡沫材料的纤维位置的最有影响的因素。

2 实验