Feuerfester Faserverbund

Feuerfester Faserverbundstoff ist ein Material, das dazu dient, einen Gegenstand im Brandfall sicher zu machen.feuerfester FaserverbundEs besteht normalerweise aus einer Kombination von zwei oder mehr Materialien wie Kohlefaser und Polymerharz. Aufgrund seiner hohen Hitzebeständigkeit und Festigkeit ist es eine großartige Option für viele verschiedene Anwendungen. Es ist außerdem chemikalien- und abriebfest. Dies macht es zu einer guten Wahl für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und anderen anspruchsvollen Branchen wie der Schifffahrt sowie der Öl- und Gasindustrie.

Während Verbundwerkstoffe in einigen Anwendungen Vorteile gegenüber Metallteilen bieten, stellt ihre inhärente Entflammbarkeit eine erhebliche Einschränkung dar. Dieses brandbedingte Risiko stellt erhebliche Sicherheitsbedenken für die Flugzeug-, Eisenbahn- und Schifffahrtsindustrie dar, in der FRP-Strukturen zunehmend eingesetzt werden. Eine große Herausforderung besteht darin, Lösungen zur Verbesserung des Brandverhaltens von Verbundwerkstoffen zu entwickeln.

Trotz ihrer beeindruckenden makroskopischen mechanischen Eigenschaften zersetzen und kollabieren herkömmliche Kohlefaser- (CF) und glasfaserverstärkte Polymermatrix-Verbundwerkstoffe bei Feuer, wobei giftige Gase und Rauch freigesetzt werden und die seitliche Flammenausbreitung beschleunigt wird. Darüber hinaus leiten anorganische CF- und Glasfasern die thermische Energie, die das Feuer in die Verbundstruktur an der freiliegenden Grenzfläche treibt. Dies ist ein erhebliches Sicherheitsrisiko für die Betreiber von Verbundkonstruktionen und die Mannschaften, die diese bedienen, prüfen und reparieren.

Die Entflammbarkeit von Verbundwerkstoffen kann durch die Verwendung von Additiven erheblich verbessert werden, die entweder passiv den Gehalt an organischen Brennstoffen und damit Rauch reduzieren oder aktiv flammenunterdrückende oder kühlende Gase freisetzen oder sogar intumeszierend wirken und sich ausdehnen, um eine zusätzliche Wärmeisolationsdicke bereitzustellen und die Entzündung zu verzögern oder zu unterdrücken. Diese Zusatzstoffe werden typischerweise dem Verbundwerkstoff zugesetzt oder darin eingebettet. UC verwendet eine Vielzahl von Kernmaterialien in unseren Verbundstrukturen, um spezifische Kundenanforderungen an die Feuerhemmung zu erfüllen, darunter Nomex-Waben, Aluminium-Waben, Phenolschaum und spezielles Sperrholz/Balsaholz.

Besonders attraktiv sind Matrix-Faser-Verbundwerkstoffe, die so formuliert sind, dass sie Schäden durch heiße, korrosive Gase widerstehen, in der Raketen- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Eine integrierte Oberflächenschicht aus Keramikgewebe hält extremer Hitze stand, verhindert die Flammenausbreitung ins Innere und hemmt die Diffusion von Sauerstoff, der das Matrixharz abbaut, wodurch ihre allgemeine Haltbarkeit, chemische Beständigkeit und Flammhemmung verbessert wird.

Obwohl Polycarbonat (PC) in der modernen Materialwissenschaft ein wichtiger technischer Thermoplast ist, stellen seine flammhemmenden Eigenschaften nach wie vor eine wichtige Einschränkung dar. Durch die Einbindung von kurzen Kohlenstofffasern (SCF) in die PC-Matrix wird deren Entflammbarkeitsleistung erheblich verbessert, sodass sie den UL-94 V-0-Standards entspricht. Der Effekt ist jedoch nur vorübergehend und kann bei hohen SCF-Gehalten nicht aufrechterhalten werden.

Um dieses Problem anzugehen, haben Shang et al. entwickelte ein SCF/PC-Verbundsystem, das Polyphenylensulfid (PPS) enthält, das zwischen den Kohlenstofflagen des Verbundwerkstoffs eingelagert ist. Das PPS ergänzte die verstärkende Wirkung von SCF und zusammen verstärkten sie die umfassende Flammschutzwirkung von PC, wie durch Kegelkalorimetrie und Tröpfchenzündtests bestätigt wurde.

Durch die Etablierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen auf molekularer Ebene und den Entwurf neuartiger Polymerarchitekturen schlägt diese Studie einen grundlegend neuen Weg zur Verbesserung der Flammhemmung von Verbundwerkstoffen auf PA-Basis vor. Insbesondere ermöglicht die Kombination molekularer Designstrategien mit rechnerischen Methoden wie Molekulardynamiksimulationen und Modellen des maschinellen Lernens einen rationaleren Designansatz, um den umfangreichen kombinatorischen Raum von Flammschutzmitteln, Matrixsystemen und Fasern zu steuern.