Fabricació de materials compostos i compostos

En termes senzills, els COMPOSITS o MATERIALS COMPOSTS són materials formats per dos o múltiples materials amb propietats físiques o químiques diferents, però quan es combinen es converteixen en un material diferent dels materials que els constitueixen. Hem de destacar que els materials constitutius romanen separats i diferents en l'estructura. L'objectiu de la fabricació d'un material compost és obtenir un producte que sigui superior als seus components i que combini les característiques desitjades de cada constituent. Com un exemple; La força, el baix pes o el preu més baix poden ser el motivador darrere de dissenyar i produir un compost. El tipus de compostos que oferim són compostos reforçats amb partícules, composites reforçats amb fibra, incloent-hi composites de matriu ceràmica / matriu de polímer / matriu metàl·lica / carboni-carboni / híbrids, compostos estructurals i laminats i amb estructura sandvitx i nanocomposites.

 

Les tècniques de fabricació que despleguem en la fabricació de materials compostos són: pultrusió, processos de producció de preimpregnats, col·locació avançada de fibres, bobinat de filaments, col·locació de fibres a mida, procés d'esprai de fibra de vidre, tufting, procés de lanxide, z-pinning.
Molts materials compostos estan formats per dues fases, la matriu, que és contínua i envolta l'altra fase; i la fase dispersa que està envoltada per la matriu.
Us recomanem que feu clic aquí perDESCARREGA les nostres il·lustracions esquemàtiques de la fabricació de materials compostos i compostos per AGS-TECH Inc.
Això us ajudarà a entendre millor la informació que us oferim a continuació. 

 

• COMPOSTES REFORÇATS AMB PARTÍCULES : Aquesta categoria consta de dos tipus: Composites de partícules grans i compostos reforçats per dispersió. En el primer tipus, les interaccions partícula-matriu no es poden tractar a nivell atòmic o molecular. En canvi, la mecànica del continu és vàlida. D'altra banda, en els compostos reforçats per la dispersió les partícules són generalment molt més petites en els rangs de desenes de nanòmetres. Un exemple de compost de partícules grans són els polímers als quals s'han afegit farcits. Els farciments milloren les propietats del material i poden substituir part del volum del polímer per un material més econòmic. Les fraccions de volum de les dues fases influeixen en el comportament del compost. Els compostos de partícules grans s'utilitzen amb metalls, polímers i ceràmiques. Els CERMETS són exemples de compostos ceràmics/metalls. El nostre cermet més comú és el carbur cimentat. Consisteix en ceràmica de carbur refractari com ara partícules de carbur de tungstè en una matriu d'un metall com el cobalt o el níquel. Aquests compostos de carbur s'utilitzen àmpliament com a eines de tall per a acer endurit. Les partícules de carbur dur són les responsables de l'acció de tall i la seva duresa es veu millorada per la matriu metàl·lica dúctil. Així obtenim els avantatges d'ambdós materials en un sol compost. Un altre exemple comú d'un compost de partícules grans que fem servir són les partícules de negre de carboni barrejades amb cautxú vulcanitzat per obtenir un compost amb alta resistència a la tracció, duresa, resistència a l'esquinçament i a l'abrasió. Un exemple de composite reforçat per dispersió són els metalls i els aliatges metàl·lics reforçats i endurits per la dispersió uniforme de partícules fines d'un material molt dur i inert. Quan s'afegeixen flocs d'òxid d'alumini molt petits a la matriu metàl·lica d'alumini, obtenim pols d'alumini sinteritzat que té una resistència a alta temperatura millorada. 

 

• COMPOSTES REFORÇATS AMB FIBRAS: Aquesta categoria de composites és de fet la més important. L'objectiu a aconseguir és una alta resistència i rigidesa per unitat de pes. La composició, la longitud, l'orientació i la concentració de la fibra en aquests compostos són fonamentals per determinar les propietats i la utilitat d'aquests materials. Hi ha tres grups de fibres que utilitzem: bigotis, fibres i filferros. Els bigotis són monocristalls molt prims i llargs. Es troben entre els materials més forts. Alguns exemples de materials de bigotis són el grafit, el nitrur de silici i l'òxid d'alumini.  FIBRES en canvi són majoritàriament polímers o ceràmiques i es troben en estat policristalí o amorf. El tercer grup són els filferros fins que tenen diàmetres relativament grans i estan formats sovint per acer o tungstè. Un exemple de composite reforçat amb filferro són els pneumàtics d'automòbils que incorporen filferro d'acer dins del cautxú. Depenent del material de la matriu, tenim els següents compostos:
COMPOSITS DE MATRIU DE POLÍMERS: estan fets d'una resina de polímer i fibres com a ingredient de reforç. Un subgrup d'aquests anomenats composites de polímer reforçat amb fibra de vidre (GFRP) contenen fibres de vidre contínues o discontínues dins d'una matriu de polímer. El vidre ofereix una gran resistència, és econòmic, fàcil de fabricar en fibres i és químicament inert. Els desavantatges són la seva rigidesa i rigidesa limitades, les temperatures de servei són només de 200 a 300 graus centígrads. La fibra de vidre és adequada per a carrosseries d'automòbils i equips de transport, carrosseries de vehicles marins, contenidors d'emmagatzematge. No són aptes per a l'aeronàutica ni per a la fabricació de ponts a causa de la rigidesa limitada. L'altre subgrup s'anomena compost de polímer reforçat amb fibra de carboni (CFRP). Aquí, el carboni és el nostre material de fibra a la matriu del polímer. El carboni és conegut pel seu alt mòdul específic i força i la seva capacitat per mantenir-los a altes temperatures. Les fibres de carboni ens poden oferir mòduls de tracció estàndard, intermedis, alts i ultraalts. A més, les fibres de carboni ofereixen diverses característiques físiques i mecàniques i, per tant, són adequades per a diverses aplicacions d'enginyeria personalitzades. Els compostos CFRP es poden considerar per fabricar equips esportius i recreatius, recipients a pressió i components estructurals aeroespacials. No obstant això, un altre subgrup, els compostos polimèrics reforçats amb fibra d'aramida, també són materials d'alta resistència i mòdul. La seva relació força/pes és excepcionalment alta. Les fibres d'aramida també es coneixen amb els noms comercials KEVLAR i NOMEX. Sota tensió funcionen millor que altres materials de fibra polimèrica, però són febles en compressió. Les fibres d'aramida són resistents, resistents a l'impacte, resistents a la fluïdesa i a la fatiga, estables a altes temperatures, químicament inerts excepte contra àcids i bases forts. Les fibres d'aramida s'utilitzen àmpliament en articles esportius, armilles antibales, pneumàtics, cordes, cobertes de cable de fibra òptica. Existeixen altres materials de reforç de fibra, però s'utilitzen en menor grau. Aquests són principalment bor, carbur de silici i òxid d'alumini. D'altra banda, el material de la matriu polimèrica també és crític. Determina la temperatura màxima de servei del compost perquè el polímer té generalment una temperatura de fusió i degradació més baixa. Els polièsters i els èsters vinílics s'utilitzen àmpliament com a matriu polimèrica. També s'utilitzen resines que tenen una excel·lent resistència a la humitat i propietats mecàniques. Per exemple, la resina de poliimida es pot utilitzar fins a uns 230 graus centígrads. 
COMPOSITES DE MATRIU METÀLLICA: En aquests materials utilitzem una matriu metàl·lica dúctil i les temperatures de servei són generalment superiors a les dels seus components constitutius. En comparació amb els compostos de matriu de polímer, aquests poden tenir temperatures de funcionament més altes, ser no inflamables i poden tenir una millor resistència a la degradació contra els fluids orgànics. No obstant això, són més cars. Materials de reforç com ara bigotis, partícules, fibres contínues i discontínues; i materials de matriu com ara coure, alumini, magnesi, titani, superaliatges s'estan utilitzant habitualment. Exemples d'aplicacions són components del motor fets de matriu d'aliatge d'alumini reforçat amb òxid d'alumini i fibres de carboni. 
COMPOSITS DE MATRIX CERÀMICA: els materials ceràmics són coneguts per la seva fiabilitat a alta temperatura excepcionalment bona. No obstant això, són molt fràgils i tenen valors baixos de tenacitat a la fractura. Mitjançant la incrustació de partícules, fibres o bigotis d'una ceràmica a la matriu d'una altra, som capaços d'aconseguir compostos amb major duresa a la fractura. Aquests materials incrustats bàsicament inhibeixen la propagació de les esquerdes a l'interior de la matriu mitjançant alguns mecanismes com ara desviar les puntes de les esquerdes o formar ponts a través de les cares de les esquerdes. Com a exemple, les alúminas reforçades amb bigotis de SiC s'utilitzen com a inserts d'eines de tall per mecanitzar aliatges de metall dur. Aquests poden revelar millors rendiments en comparació amb els carburs cimentats.  
COMPOSITES CARBONI-CARBON: Tant el reforç com la matriu són de carboni. Tenen mòduls de tracció elevats i resistències a altes temperatures superiors a 2000 graus centígrads, resistència a la fluència, altes dureses a la fractura, baixos coeficients d'expansió tèrmica, altes conductivitats tèrmiques. Aquestes propietats els fan ideals per a aplicacions que requereixen resistència al xoc tèrmic. La debilitat dels compostos carboni-carboni és, però, la seva vulnerabilitat davant l'oxidació a altes temperatures. Exemples típics d'ús són motlles de premsat en calent, fabricació avançada de components de motor de turbina. 
COMPOSITES HÍBRIDES: Es barregen dos o més tipus diferents de fibres en una sola matriu. Així, es pot adaptar un material nou amb una combinació de propietats. Un exemple és quan s'incorporen tant fibres de carboni com de vidre a una resina polimèrica. Les fibres de carboni proporcionen rigidesa i resistència de baixa densitat, però són cares. El vidre, en canvi, és barat, però no té la rigidesa de les fibres de carboni. El compost híbrid vidre-carboni és més fort i resistent i es pot fabricar a un cost més baix.
PROCESSAMENT DE COMPOSITS REFORÇATS AMB FIBRAS: Per a plàstics reforçats amb fibres continus amb fibres uniformement distribuïdes i orientades en la mateixa direcció, utilitzem les tècniques següents.
PULTRUSIÓ: Es fabriquen varetes, bigues i tubs de longituds contínues i seccions transversals constants. Els rovings de fibra contínua s'impregnen amb una resina termoendurible i es treuen a través d'una matriu d'acer per preformar-los a la forma desitjada. A continuació, passen per una matriu de curat mecanitzat amb precisió per aconseguir la seva forma final. Com que la matriu de curat s'escalfa, cura la matriu de resina. Els extractors treuen el material a través de les matrius. Mitjançant nuclis buits inserits, podem obtenir tubs i geometries buides. El mètode de pultrusió està automatitzat i ens ofereix alts índexs de producció. Es pot produir qualsevol llargada de producte. 
PROCÉS DE PRODUCCIÓ PREPREG: Preimpreg és un reforç de fibra contínua preimpregnat amb una resina de polímer parcialment curada. S'utilitza àmpliament per a aplicacions estructurals. El material es presenta en forma de cinta i s'envia com a cinta. El fabricant l'emmotlla directament i el cura completament sense necessitat d'afegir cap resina. Com que els preimpregnats experimenten reaccions de curació a temperatura ambient, s'emmagatzemen a 0 graus centígrads o temperatures inferiors. Després de l'ús, les cintes restants es guarden a baixes temperatures. S'utilitzen resines termoplàstiques i termoestables i són habituals les fibres de reforç de carboni, aramida i vidre. Per utilitzar preimpregnats, primer s'elimina el paper de suport del portador i després es fa la fabricació col·locant la cinta preimpregnada sobre una superfície einada (procés de col·locació). Es poden col·locar diverses capes per obtenir els gruixos desitjats. La pràctica freqüent és alternar l'orientació de la fibra per produir un laminat de capes creuades o angulars. Finalment s'aplica calor i pressió per a la curació. Tant el processament manual com els processos automatitzats s'utilitzen per tallar preimpregnats i lay-up.
BOBINACIÓ DE FILAMENTS: les fibres de reforç contínues es col·loquen amb precisió en un patró predeterminat per seguir una forma buida  i normalment ciclíndir. Les fibres passen primer per un bany de resina i després s'enrotllen sobre un mandril mitjançant un sistema automatitzat. Després de diverses repeticions d'enrotllament s'obtenen els gruixos desitjats i el curat es realitza a temperatura ambient o dins d'un forn. Ara s'elimina el mandril i es desmolda el producte. L'enrotllament del filament pot oferir relacions força-pes molt elevades enrotllant les fibres en patrons circumferencials, helicoïdals i polars. Les canonades, els dipòsits i les carcasses es fabriquen amb aquesta tècnica. 

 

• COMPOSTES ESTRUCTURALS: Generalment estan formats per materials tant homogenis com compostos. Per tant, les propietats d'aquests estan determinades pels materials constitutius i el disseny geomètric dels seus elements. Aquests són els principals tipus:
COMPOSITES LAMINARS: Aquests materials estructurals estan fets de làmines o panells bidimensionals amb direccions preferides d'alta resistència. Les capes s'apilen i s'hi cimenten. En alternar les direccions d'alta resistència en els dos eixos perpendiculars, obtenim un compost que té una gran resistència en ambdues direccions en el pla bidimensional. Ajustant els angles de les capes es pot fabricar un compost amb força en les direccions preferides. L'esquí modern es fa d'aquesta manera. 
PANELLS SANDWICH: aquests compostos estructurals són lleugers però tenen una gran rigidesa i resistència. Els panells sandvitx consisteixen en dues làmines exteriors fetes d'un material rígid i fort com ara aliatges d'alumini, plàstics reforçats amb fibra o acer i un nucli entre les làmines exteriors. El nucli ha de ser lleuger i la majoria de vegades tenir un mòdul d'elasticitat baix. Els materials bàsics populars són escumes polimèriques rígides, fusta i bresques. Els panells sandvitx s'utilitzen àmpliament a la indústria de la construcció com a material per a sostres, sòls o parets, i també a les indústries aeroespacials.  

 

• NANOCOMPOSITS : Aquests nous materials consisteixen en partícules nanomètriques incrustades en una matriu. Amb nanocomposites podem fabricar materials de cautxú que són molt bones barreres a la penetració de l'aire, mantenint les seves propietats de cautxú sense canvis.