Производство на композитни материали и композитни материали

Просто определени, КОМПОЗИТИТЕ или КОМПОЗИТНИТЕ МАТЕРИАЛИ са материали, състоящи се от два или множество материали с различни физични или химични свойства, но когато се комбинират, те стават материал, който е различен от съставните материали. Трябва да отбележим, че съставните материали остават отделни и различни в структурата. Целта при производството на композитен материал е да се получи продукт, който е по-добър от неговите съставки и съчетава желаните характеристики на всяка съставка. Като пример; силата, ниското тегло или по-ниската цена могат да бъдат мотиваторът зад проектирането и производството на композит. Типовете композити, които предлагаме, са композити, подсилени с частици, композити, подсилени с влакна, включително композити с керамична матрица / полимерна матрица / метална матрица / въглерод-въглерод / хибридни композити, структурни и ламинирани и сандвич-структурирани композити и нанокомпозити.

 

Техниките за производство, които използваме в производството на композитни материали, са: пултрузия, производствени процеси на препрег, усъвършенствано поставяне на влакна, навиване на нишки, персонализирано поставяне на влакна, процес на нанасяне на фибростъкло със спрей, туфтинг, процес на ланксид, z-пининг.
Много композитни материали са съставени от две фази, матрицата, която е непрекъсната и заобикаля другата фаза; и дисперсната фаза, която е заобиколена от матрицата.
Препоръчваме ви да щракнете тук, заИЗТЕГЛЕТЕ нашите схематични илюстрации на композити и производство на композитни материали от AGS-TECH Inc.
Това ще ви помогне да разберете по-добре информацията, която ви предоставяме по-долу. 

 

• КОМПОЗИТИ, ПОДДЪРНЕНИ С ЧАСТИЦИ: Тази категория се състои от два типа: композити с големи частици и композити, укрепени с дисперсия. В първия тип взаимодействията частица-матрица не могат да бъдат третирани на атомно или молекулярно ниво. Вместо това е валидна механиката на континуума. От друга страна, в дисперсно усилените композити частиците обикновено са много по-малки в диапазона от десетки нанометри. Пример за композит с големи частици са полимери, към които са добавени пълнители. Пълнителите подобряват свойствата на материала и могат да заменят част от обема на полимера с по-икономичен материал. Обемните фракции на двете фази влияят на поведението на композита. Композитите с големи частици се използват с метали, полимери и керамика. CERMETS са примери за керамични / метални композити. Нашият най-разпространен металокерамика е циментиран карбид. Състои се от огнеупорна карбидна керамика като частици от волфрамов карбид в матрица от метал като кобалт или никел. Тези карбидни композити се използват широко като режещи инструменти за закалена стомана. Твърдите карбидни частици са отговорни за действието на рязане и тяхната якост е подобрена от пластичната метална матрица. Така получаваме предимствата на двата материала в един композит. Друг често срещан пример за композит с големи частици, който използваме, са частици от сажди, смесени с вулканизиран каучук, за да се получи композит с висока якост на опън, издръжливост, устойчивост на разкъсване и абразия. Пример за дисперсно укрепен композит са метали и метални сплави, укрепени и закалени чрез равномерно разпръскване на фини частици от много твърд и инертен материал. Когато много малки люспи от алуминиев оксид се добавят към алуминиева метална матрица, ние получаваме синтерован алуминиев прах, който има повишена якост при висока температура. 

 

• КОМПОЗИТИ, ПОДДЪРНЕНИ С ВЛАКНА: Тази категория композити всъщност е най-важната. Целта, която трябва да се постигне, е висока якост и твърдост на единица тегло. Съставът на влакната, дължината, ориентацията и концентрацията в тези композити са от решаващо значение за определяне на свойствата и полезността на тези материали. Има три групи влакна, които използваме: мустаци, влакна и телове. WHISKERS са много тънки и дълги монокристали. Те са сред най-здравите материали. Някои примерни материали за мустаци са графит, силициев нитрид, алуминиев оксид.  FIBERS от друга страна са предимно полимери или керамика и са в поликристално или аморфно състояние. Третата група са фини ЖИЛИ, които имат относително големи диаметри и се състоят често от стомана или волфрам. Пример за подсилен с тел композит са автомобилните гуми, които включват стоманена тел в гумата. В зависимост от материала на матрицата имаме следните композити:
ПОЛИМЕРНО-МАТРИЧНИ КОМПОЗИТИ: Изработени са от полимерна смола и влакна като подсилваща съставка. Подгрупа от тях, наречени композити от подсилени със стъклени влакна полимери (GFRP), съдържат непрекъснати или прекъснати стъклени влакна в полимерна матрица. Стъклото предлага висока якост, икономично е, лесно се произвежда във влакна и е химически инертно. Недостатъците са тяхната ограничена твърдост и твърдост, работните температури са само до 200 – 300 градуса по Целзий. Фибростъклото е подходящо за каросерии на автомобили и транспортно оборудване, каросерии на морски превозни средства, контейнери за съхранение. Те не са подходящи за космическото производство или за създаване на мостове поради ограничена твърдост. Другата подгрупа се нарича композитен полимер, подсилен с въглеродни влакна (CFRP). Тук въглеродът е нашият влакнест материал в полимерната матрица. Въглеродът е известен със своя висок специфичен модул и якост и способността си да ги поддържа при високи температури. Въглеродните влакна могат да ни предложат стандартни, междинни, високи и свръхвисоки модули на опън. Освен това въглеродните влакна предлагат разнообразни физически и механични характеристики и следователно са подходящи за различни инженерни приложения по поръчка. CFRP композитите могат да се считат за производство на спортно и развлекателно оборудване, съдове под налягане и авиационни структурни компоненти. И все пак друга подгрупа, армираните с арамидни влакна полимерни композити също са материали с висока якост и модул. Техните съотношения на якост към тегло са изключително високи. Арамидните влакна са известни и с търговските имена KEVLAR и NOMEX. При напрежение те се представят по-добре от другите материали от полимерни влакна, но са слаби при натиск. Арамидните влакна са здрави, устойчиви на удар, пълзене и умора, стабилни при високи температури, химически инертни, освен срещу силни киселини и основи. Арамидните влакна се използват широко в спортни стоки, бронирани жилетки, гуми, въжета, обвивки на оптични кабели. Съществуват и други материали за армиране с влакна, но се използват в по-малка степен. Това са главно бор, силициев карбид, алуминиев оксид. Материалът на полимерната матрица от друга страна също е критичен. Той определя максималната работна температура на композита, тъй като полимерът обикновено има по-ниска температура на топене и разграждане. Полиестерите и виниловите естери се използват широко като полимерна матрица. Използват се и смоли, които имат отлична устойчивост на влага и механични свойства. Например полиимидната смола може да се използва до около 230 градуса по Целзий. 
КОМПОЗИТИ С МЕТАЛНА МАТРИЦА: В тези материали ние използваме пластична метална матрица и работните температури обикновено са по-високи от техните съставни компоненти. В сравнение с композитите с полимерна матрица, те могат да имат по-високи работни температури, да бъдат незапалими и може да имат по-добра устойчивост на разграждане срещу органични течности. Те обаче са по-скъпи. Подсилващи материали като нишки, частици, непрекъснати и прекъснати влакна; и масово се използват матрични материали като мед, алуминий, магнезий, титан, суперсплави. Примерни приложения са компоненти на двигателя, изработени от матрица от алуминиева сплав, подсилена с алуминиев оксид и въглеродни влакна. 
КЕРАМИЧНО-МАТРИЧНИ КОМПОЗИТИ: Керамичните материали са известни със своята изключително добра надеждност при високи температури. Те обаче са много крехки и имат ниски стойности за якост на счупване. Чрез вграждане на частици, влакна или мустаци от една керамика в матрицата на друга ние сме в състояние да постигнем композити с по-висока якост на счупване. Тези вградени материали основно възпрепятстват разпространението на пукнатини вътре в матрицата чрез някои механизми като отклоняване на върховете на пукнатините или образуване на мостове през повърхностите на пукнатините. Като пример, алуминиевият оксид, който е подсилен със SiC нишки, се използва като вложки за режещи инструменти за обработка на твърди метални сплави. Те могат да разкрият по-добри характеристики в сравнение с циментираните карбиди.  
ВЪГЛЕРОД-ВЪГЛЕРОДНИ КОМПОЗИТИ: Както армировката, така и матрицата са въглеродни. Те имат високи модули на опън и якост при високи температури над 2000 градуса по Целзий, устойчивост на пълзене, висока якост на счупване, ниски коефициенти на термично разширение, висока топлопроводимост. Тези свойства ги правят идеални за приложения, изискващи устойчивост на термичен удар. Слабостта на въглерод-въглеродните композити обаче е тяхната уязвимост срещу окисление при високи температури. Типични примери за използване са горещо пресовани форми, усъвършенствано производство на компоненти на турбинни двигатели. 
ХИБРИДНИ КОМПОЗИТИ: Два или повече различни вида влакна се смесват в една матрица. По този начин човек може да приспособи нов материал с комбинация от свойства. Пример е, когато както въглеродните, така и стъклените влакна са включени в полимерна смола. Въглеродните влакна осигуряват твърдост и здравина с ниска плътност, но са скъпи. Стъклото от друга страна е евтино, но му липсва твърдостта на въглеродните влакна. Стъкло-въглеродният хибриден композит е по-здрав и по-здрав и може да бъде произведен на по-ниска цена.
ОБРАБОТКА НА КОМПОЗИТИ, ПОДДЪРНЕНИ С ВЛАКНА: За непрекъснати подсилени с влакна пластмаси с равномерно разпределени влакна, ориентирани в една и съща посока, ние използваме следните техники.
PULTRUSION: Произвеждат се пръти, греди и тръби с непрекъснати дължини и постоянни напречни сечения. Ровингите с непрекъснати влакна се импрегнират с термореактивна смола и се изтеглят през стоманена матрица, за да се оформят предварително в желаната форма. След това те преминават през прецизно обработена матрица за втвърдяване, за да постигнат крайната си форма. Тъй като матрицата за втвърдяване се нагрява, тя втвърдява матрицата от смола. Тегличите изтеглят материала през матриците. Използвайки вложени кухи сърца, ние можем да получим тръби и кухи геометрии. Методът на пултрузия е автоматизиран и ни предлага висока производителност. Всякаква дължина на продукта е възможна за производство. 
ПРОИЗВОДСТВЕН ПРОЦЕС НА ПРЕДВАРИТЕЛНИ ПРЕПРЕГИ: Препрегът е армировка от непрекъснати влакна, предварително импрегнирана с частично втвърдена полимерна смола. Той се използва широко за структурни приложения. Материалът идва под формата на лента и се изпраща като лента. Производителят го формира директно и го втвърдява напълно, без да е необходимо да добавя смола. Тъй като препрегите претърпяват реакции на втвърдяване при стайна температура, те се съхраняват при 0 градуса по Целзий или по-ниски температури. След употреба останалите ленти се съхраняват обратно при ниски температури. Използват се термопластични и термореактивни смоли, а усилващите влакна от въглерод, арамид и стъкло са обичайни. За да използвате предварително импрегнирани материали, носещата хартия първо се отстранява и след това производството се извършва чрез полагане на предварително импрегнираната лента върху обработена с инструменти повърхност (процесът на поставяне). Няколко слоя могат да бъдат положени, за да се получат желаните дебелини. Честа практика е да се редува ориентацията на влакната, за да се получи ламинат с напречен или ъглов слой. Накрая се прилагат топлина и налягане за втвърдяване. Както ръчната обработка, така и автоматизираните процеси се използват за рязане на препреги и поставяне.
НАМОТВАНЕ НА НИШКИ: Непрекъснатите подсилващи влакна са точно позиционирани в предварително определен модел, за да следват куха  и обикновено кръгла форма. Влакната първо преминават през баня със смола и след това се навиват върху дорник от автоматизирана система. След няколко повторения на навиване се получават желаните дебелини и втвърдяването се извършва при стайна температура или в пещ. Сега дорникът се отстранява и продуктът се изважда от формата. Намотаването на нишките може да предложи много високи съотношения на якост към тегло чрез навиване на влакната в периферни, спирални и полярни модели. Тръби, резервоари, обвивки се произвеждат с помощта на тази техника. 

 

• СТРУКТУРНИ КОМПОЗИТИ: Обикновено те са съставени както от хомогенни, така и от композитни материали. Следователно свойствата им се определят от съставните материали и геометричния дизайн на елементите. Ето основните видове:
ЛАМИНАРНИ КОМПОЗИТИ: Тези структурни материали са направени от двуизмерни листове или панели с предпочитани посоки с висока якост. Слоевете се подреждат и циментират заедно. Чрез редуване на посоките на висока якост в двете перпендикулярни оси, ние получаваме композит, който има висока якост и в двете посоки в двуизмерната равнина. Чрез регулиране на ъглите на слоевете може да се произведе композит със здравина в предпочитаните посоки. Модерните ски се произвеждат по този начин. 
САНДВИЧ ПАНЕЛИ: Тези структурни композитни материали са леки, но въпреки това имат висока твърдост и здравина. Сандвич панелите се състоят от два външни листа, изработени от твърд и здрав материал като алуминиеви сплави, подсилени с влакна пластмаси или стомана и сърцевина между външните листове. Сърцевината трябва да е лека и през повечето време да има нисък модул на еластичност. Популярни основни материали са твърда полимерна пяна, дърво и пчелни пити. Сандвич панелите се използват широко в строителната индустрия като покривен материал, под или стенен материал, а също и в космическата индустрия.  

 

• НАНОКОМПОЗИТИ: Тези нови материали се състоят от наноразмерни частици, вградени в матрица. Използвайки нанокомпозити, ние можем да произвеждаме каучукови материали, които са много добри бариери за проникване на въздух, като същевременно поддържат своите каучукови свойства непроменени.