Glassy carbon foams as skeleton reinforcement in polymer composite

• Autorzy: Myalski J. , Hekner B.

Warianty tytułu

PL

Pianki z węgla szklistego zastosowane jako wzmocnienie kompozytów na osnowie polimerowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Glassy carbon foams were produced by the pyrolysis process using polyurethane foam with a layer of phenol-formaldehyde resin as the precursor. The pyrolysis process was conducted in vacuum conditions at 1000°C. The pyrolysis conditions were determined on the basis of carried out thermogravimetric analysis. The basic mechanical properties like the compressive strength of the carbon foams was measured and compared with the theoretical value. Furthermore, the glassy carbon foams were applied as skeleton reinforcement in epoxy resin matrix composites. Analysis of the mechanical properties revealed that the values of hardness and compressive strength of materials with spatial carbon foam are almost two times higher than for a pure matrix applied as the reference material. The major factors that influenced the final mechanical properties are the quality of the obtained foams and the amount of carbon in the material volume. Moreover, it was proved that the application of carbon foam with low mechanical properties led to significant increases in the compressive strength of the composite materials.

PL

Prezentowane w niniejszej pracy pianki z węgla szklistego zostały otrzymane w procesach pirolizy preform poliuretanowych z warstwą żywicy fenolowo-formaldehydowej. Proces pirolizy został przeprowadzony w warunkach odmiennych w stosunku do stosowanych powszechnie technologiach. W tym przypadku zastosowano próżnię oraz temperaturę 1000°C. Warunki pirolizy określono na podstawie przeprowadzonej analizy termograwimetrycznej. Właściwości mechaniczne otrzymanych pianek węglowych wyznaczono na podstawie wytrzymałości na ściskanie. Otrzymane dane porównano z wartościami teoretycznymi wyznaczonymi według równania Ashby’ego i Gibsona. Ponadto, w ramach badań wytworzono kompozyty z osnową polimerową, wzmocnione prezentowanymi pianami węglowymi. Analiza właściwości mechanicznych wykazała, że wartość twardości oraz wytrzymałości na ściskanie kompozytów wzmocnionych strukturami węglowymi jest niemal dwukrotnie wyższa od wartości czystej żywicy epoksydowej - materiału referencyjnego. Określono, że najważniejszymi czynnikami mającymi wpływ na właściwości mechaniczne są jakość wytworzonej pianki oraz ilość węgla w objętości materiału kompozytowego. Ponadto zostało udowodnione, że zastosowanie pianek węglowych o niskich właściwościach mechanicznych prowadzi do znacznego wzrostu wytrzymałości na ściskanie materiałów kompozytowych na osnowie polimerowej.

Słowa kluczowe

EN

glassy carbon; foam; cellular structure; mechanical properties

PL

węgiel szklisty; pianka; struktura komórkowa; właściwości mechaniczne; kompozyty z osnową polimerową

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 1
• Strony: 41--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Myalski J.

• Silesian University of Technology, Faculty of Material Science and Metallurgy, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Hekner B.

• Silesian University of Technology, Faculty of Material Science and Metallurgy, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Kobets L.P., Deev I.S., Carbon fibres: structure and mechanical properties, Composites Science and Technology 1998, 57, 12, 1571-1580.
• [2] Koziol M., The effect of reinforcing fabric type on mechanical performance of laminar FR epoxy composite, Composites Theory and Practice 2012, 12, 1, 60-65.
• [3] Hou L.G., Wu R.Z., Wang X.D., Zhang J.H., Zhang M.L., Dong A.P., Sun B.D., Microstructure, mechanical properties and thermal conductivity of the short carbon fiber reinforced magnesium matrix composites, Journal of Alloys and Compounds 2017, 695, 2820-2826.
• [4] Tarfaoui M., Lafdi K., El Moumen A., Mechanical properties of carbon nanotubes based polymer composites, Composites Part B: Engineering 2016, 103, 113-121.
• [5] Kozioł M., Jesionek M., Szperlich P., Addition of a small amount of multiwalled carbon nanotubes and flaked graphene to epoxy resin, Journal of Reinforced Plastics and Composites, in press, DOI: 0.1177/0731684416689144.
• [6] Shan Zhao, Zhong Zheng, Zixin Huang, Shijie Dong, Ping Luo, Zhuang Zhang, Yaowei Wang, Cu matrix composites reinforced with aligned carbon nanotubes: Mechanical, electrical and thermal properties, Materials Science and Engineering: A 2016, 675, 82-91.
• [7] Hekner B., Myalski J., Valle N., Botor-Probierz A., Sopicka-Lizer M., Wieczorek J., Friction and wear behavior of Al-SiC(n) hybrid composites with carbon addition, Composites Part B: Engineering 2017, 108, 291-300, http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.09.103
• [8] Baltog I., Baibarac M., Smaranda I., Mateav, Ilie M., Mevellec J.Y., Lefrant S., Optical properties of single-walled carbon nanotubes functionalized with copolymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene-co-pyrene), Optical Materials 2016, 62, 604-611.
• [9] Syed Nasimul Alam, Lailesh Kumar, Mechanical properties of aluminium based metal matrix composites reinforced with graphite nanoplatelets, Materials Science and Engineering: A 2016, 667, 16-32.
• [10] Qinfeng Lian, Qilang Lin, Huiyuan Liu, Changqing Fang, Kun Luo, Preparation and electrochemical performance of carbon foam by direct pyrolysis of cyanate ester resin, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2014, 109, 244-248.
• [11] Bhatia G., Aggarwal R.K., Malik M., Conversion of phenol phormaldehyde resin to glass-like carbon, Journal Material Science 1984, 19, 1022-1028.
• [12] Edwards J.A.S., Structure in carbons and carbon forms [in:] Marsh H. (ed.), Introduction to Carbon Science, Butterworths & Co., London 1989, 1-36.
• [13] Gallego N.C., Klett J.W., Carbon foams for thermal management, Carbon 2003, 41, 1461-1466.
• [14] Pilato L., Phenolic resins: A century of progress, Springer-Verlag, Berlin 2010.
• [15] Inagaki M., Kang F., Toyoda M., Konno H., Advanced Materials Science and Engineering of Carbon, Butterworth-Heinemann Publishers, Elsevier, Oxford 2014, 199.
• [16] Gibson L.J., Ashby M.F., Cellular Solids Structure and Properties, 2nd Edition, Cambridge Solid State Science Series, July 1999.
• [17] Ashby M.F., Mehl Medalist R.F., The mechanical properties of cellular solids, Metallurgical Transactions A 1983, 14, 9 1755-1769.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).