Výroba kompozitů a kompozitních materiálů

Jednoduše definováno, KOMPOZITY nebo KOMPOZITNÍ MATERIÁLY jsou materiály sestávající ze dvou nebo více materiálů s různými fyzikálními nebo chemickými vlastnostmi, ale když se zkombinují, stanou se materiálem, který se liší od základních materiálů. Musíme zdůraznit, že základní materiály zůstávají ve struktuře oddělené a odlišné. Cílem při výrobě kompozitního materiálu je získat produkt, který je lepší než jeho složky a kombinuje požadované vlastnosti každé složky. Jako příklad; síla, nízká hmotnost nebo nižší cena mohou být motivací při navrhování a výrobě kompozitu. Typy kompozitů, které nabízíme, jsou kompozity vyztužené částicemi, kompozity vyztužené vlákny včetně kompozitů s keramickou matricí / polymerovou matricí / kovovou matricí / uhlík-uhlík / hybridní kompozity, strukturní a laminované a sendvičové kompozity a nanokompozity.

 

Výrobní techniky, které používáme při výrobě kompozitních materiálů, jsou: Pultruze, výrobní procesy prepregu, pokročilé umístění vláken, navíjení filamentů, navíjení vláken na míru, proces nanášení skleněných vláken sprejem, všívání, lanxide proces, z-pinning.
Mnoho kompozitních materiálů se skládá ze dvou fází, matrice, která je spojitá a obklopuje druhou fázi; a dispergovanou fázi, která je obklopena matricí.
Doporučujeme kliknout semSTÁHNĚTE SI naše schématická vyobrazení výroby kompozitů a kompozitních materiálů společností AGS-TECH Inc.
To vám pomůže lépe porozumět informacím, které vám poskytujeme níže. 

 

• KOMPOZITY VYZTUŽENÉ ČÁSTICEMI: Tato kategorie se skládá ze dvou typů: kompozity s velkými částicemi a kompozity zesílené disperzí. U prvního typu nelze interakce mezi částicí a matricí řešit na atomové nebo molekulární úrovni. Místo toho platí mechanika kontinua. Na druhou stranu v disperzně zpevněných kompozitech jsou částice obecně mnohem menší v řádech desítek nanometrů. Příkladem kompozitu s velkými částicemi jsou polymery, do kterých byla přidána plniva. Plniva zlepšují vlastnosti materiálu a mohou nahradit část objemu polymeru ekonomičtějším materiálem. Objemové podíly dvou fází ovlivňují chování kompozitu. Kompozity s velkými částicemi se používají s kovy, polymery a keramikou. CERMETY jsou příklady keramických / kovových kompozitů. Náš nejběžnější cermet je slinutý karbid. Skládá se ze žáruvzdorné karbidové keramiky, jako jsou částice karbidu wolframu v matrici z kovu, jako je kobalt nebo nikl. Tyto karbidové kompozity jsou široce používány jako řezné nástroje pro kalenou ocel. Tvrdé karbidové částice jsou zodpovědné za řezný účinek a jejich houževnatost je zvýšena tažnou kovovou matricí. Získáváme tak výhody obou materiálů v jediném kompozitu. Dalším běžným příkladem kompozitu s velkými částicemi, který používáme, jsou částice sazí smíchané s vulkanizovanou pryží za účelem získání kompozitu s vysokou pevností v tahu, houževnatostí, odolností proti roztržení a oděru. Příkladem disperzně zpevněného kompozitu jsou kovy a kovové slitiny zpevněné a vytvrzené rovnoměrnou disperzí jemných částic velmi tvrdého a inertního materiálu. Když se do hliníkové kovové matrice přidají velmi malé vločky oxidu hlinitého, získáme slinutý hliníkový prášek, který má zvýšenou pevnost při vysokých teplotách. 

 

• KOMPOZITY VYZTUŽENÉ VLÁKNY: Tato kategorie kompozitů je ve skutečnosti nejdůležitější. Cílem je dosáhnout vysoké pevnosti a tuhosti na jednotku hmotnosti. Složení vláken, délka, orientace a koncentrace v těchto kompozitech jsou rozhodující pro určení vlastností a užitečnosti těchto materiálů. Existují tři skupiny vláken, která používáme: whiskery, vlákna a dráty. WHISKERS jsou velmi tenké a dlouhé monokrystaly. Patří mezi nejpevnější materiály. Některé příklady materiálů s vousy jsou grafit, nitrid křemíku, oxid hlinitý.  FIBERS na druhé straně jsou většinou polymery nebo keramika a jsou v polykrystalickém nebo amorfním stavu. Třetí skupinou jsou jemné DRÁTY, které mají relativně velké průměry a sestávají často z oceli nebo wolframu. Příkladem drátem vyztuženého kompozitu jsou pneumatiky automobilů, které obsahují ocelový drát uvnitř pryže. V závislosti na materiálu matrice máme následující kompozity:
KOMPOZITY POLYMER-MATRIX: Jsou vyrobeny z polymerní pryskyřice a vláken jako výztužné složky. Podskupina těchto kompozitů s názvem Glass Fibre-Reinforced Polymer (GFRP) obsahuje spojitá nebo nespojitá skleněná vlákna v polymerní matrici. Sklo nabízí vysokou pevnost, je ekonomické, snadno se zpracovává na vlákna a je chemicky inertní. Nevýhodou je jejich omezená tuhost a tuhost, provozní teploty pouze do 200 – 300 stupňů Celsia. Sklolaminát je vhodný pro automobilové karoserie a dopravní zařízení, karoserie námořních vozidel, skladovací kontejnery. Kvůli omezené tuhosti nejsou vhodné pro letectví ani výrobu mostů. Druhá podskupina se nazývá kompozit polymeru vyztužený uhlíkovými vlákny (CFRP). Zde je uhlík naším vláknitým materiálem v polymerní matrici. Uhlík je známý svým vysokým specifickým modulem a pevností a schopností udržovat je při vysokých teplotách. Uhlíková vlákna nám mohou nabídnout standardní, střední, vysoké a ultravysoké moduly v tahu. Kromě toho uhlíková vlákna nabízejí různé fyzikální a mechanické vlastnosti, a proto jsou vhodná pro různé zakázkové inženýrské aplikace. Kompozity CFRP lze považovat za výrobu sportovních a rekreačních zařízení, tlakových nádob a konstrukčních součástí leteckého průmyslu. Další podskupina, polymerní kompozity vyztužené aramidovými vlákny, jsou také materiály s vysokou pevností a modulem. Jejich poměr pevnosti k hmotnosti je mimořádně vysoký. Aramidová vlákna jsou známá také pod obchodními názvy KEVLAR a NOMEX. Pod napětím fungují lépe než jiné materiály z polymerních vláken, ale jsou slabé v tlaku. Aramidová vlákna jsou houževnatá, odolná proti nárazu, tečení a únavě, stabilní při vysokých teplotách, chemicky inertní s výjimkou silných kyselin a zásad. Aramidová vlákna jsou široce používána ve sportovních potřebách, neprůstřelných vestách, pneumatikách, lanech, pláštích kabelů z optických vláken. Existují i jiné materiály pro vyztužení vláken, ale používají se v menší míře. Jedná se především o bór, karbid křemíku, oxid hlinitý. Materiál polymerní matrice je na druhé straně také kritický. Určuje maximální provozní teplotu kompozitu, protože polymer má obecně nižší teplotu tání a degradace. Polyestery a vinylestery jsou široce používány jako polymerní matrice. Používají se také pryskyřice, které mají vynikající odolnost proti vlhkosti a mechanické vlastnosti. Například polyimidovou pryskyřici lze použít až do teploty asi 230 stupňů Celsia. 
KOMPOZITY KOVOVÉ MATRICE: V těchto materiálech používáme tažnou kovovou matrici a provozní teploty jsou obecně vyšší než u jejich složek. Ve srovnání s kompozity s polymerní matricí mohou mít vyšší provozní teploty, být nehořlavé a mohou mít lepší odolnost proti degradaci vůči organickým tekutinám. Jsou však dražší. Výztužné materiály, jako jsou whiskery, částice, kontinuální a nespojitá vlákna; a běžně se používají matricové materiály, jako je měď, hliník, hořčík, titan, superslitiny. Příkladem použití jsou součásti motoru vyrobené z matrice z hliníkové slitiny vyztužené oxidem hliníku a uhlíkovými vlákny. 
KOMPOZITY KERAMIC-MATRIX: Keramické materiály jsou známé svou mimořádně dobrou spolehlivostí při vysokých teplotách. Jsou však velmi křehké a mají nízké hodnoty lomové houževnatosti. Zapuštěním částic, vláken nebo whiskerů jedné keramiky do matrice druhé jsme schopni dosáhnout kompozitů s vyšší lomovou houževnatostí. Tyto vložené materiály v podstatě zabraňují šíření trhlin uvnitř matrice některými mechanismy, jako je vychylování špiček trhlin nebo vytváření můstků přes čela trhlin. Například aluminy, které jsou vyztuženy SiC whiskery, se používají jako břitové destičky pro obrábění tvrdokovových slitin. Ty mohou odhalit lepší výkony ve srovnání se slinutými karbidy.  
KOMPOZITY UHLÍK-UHLÍK: Výztuha i matrice jsou uhlíkové. Mají vysoké moduly tahu a pevnosti při vysokých teplotách nad 2000 stupňů Celsia, odolnost proti tečení, vysokou lomovou houževnatost, nízké koeficienty tepelné roztažnosti, vysokou tepelnou vodivost. Tyto vlastnosti je činí ideálními pro aplikace vyžadující odolnost proti tepelným šokům. Slabinou uhlík-uhlíkových kompozitů je však jejich zranitelnost vůči oxidaci při vysokých teplotách. Typickými příklady použití jsou formy pro lisování za tepla, pokročilá výroba součástí turbínových motorů. 
HYBRIDNÍ KOMPOZITY: Dva nebo více různých typů vláken jsou smíchány v jedné matrici. Dá se tak ušít na míru nový materiál s kombinací vlastností. Příkladem je, když jsou do polymerní pryskyřice zabudována uhlíková i skleněná vlákna. Uhlíková vlákna poskytují tuhost a pevnost s nízkou hustotou, ale jsou drahá. Sklo je na druhé straně levné, ale postrádá tuhost uhlíkových vláken. Hybridní kompozit sklo-uhlík je pevnější a houževnatější a lze jej vyrábět s nižšími náklady.
ZPRACOVÁNÍ KOMPOZITŮ VYZTUŽENÝCH VLÁKNY: Pro kontinuální plasty vyztužené vlákny s rovnoměrně rozmístěnými vlákny orientovanými ve stejném směru používáme následující techniky.
PULTRUSION: Vyrábí se tyče, nosníky a trubky spojitých délek a konstantních průřezů. Nepřetržité prameny vláken jsou impregnovány termosetovou pryskyřicí a protahovány ocelovou matricí, aby se předtvarovaly do požadovaného tvaru. Dále procházejí přesně obrobenou vytvrzovací matricí, aby dosáhly konečného tvaru. Protože se vytvrzovací forma zahřívá, vytvrzuje pryskyřičnou matrici. Stahováky protahují materiál přes matrice. Pomocí vložených dutých jader jsme schopni získat trubky a duté geometrie. Metoda pultruze je automatizovaná a nabízí nám vysokou produktivitu. Je možné vyrobit libovolnou délku produktu. 
PROCES VÝROBY PREPREG: Prepreg je výztuž z nekonečných vláken předem impregnovaná částečně vytvrzenou polymerní pryskyřicí. Je široce používán pro konstrukční aplikace. Materiál je dodáván ve formě pásky a je dodáván jako páska. Výrobce jej přímo formuje a plně vytvrzuje bez nutnosti přidávat jakoukoliv pryskyřici. Protože prepregy podléhají vytvrzovacím reakcím při pokojové teplotě, skladují se při 0 °C nebo nižších teplotách. Po použití jsou zbývající pásky uloženy zpět při nízkých teplotách. Používají se termoplastické a termosetové pryskyřice a běžná jsou výztužná vlákna z uhlíku, aramidu a skla. Pro použití prepregů se nejprve odstraní nosný podkladový papír a poté se provede výroba položením prepregové pásky na upravený povrch (proces kladení). Pro dosažení požadované tloušťky lze položit několik vrstev. Častou praxí je střídat orientaci vláken za účelem vytvoření vrstveného nebo šikmého laminátu. Nakonec se pro vytvrzení aplikuje teplo a tlak. Pro řezání prepregů a kladení se používá ruční zpracování i automatizované procesy.
NAVÍJENÍ FILAMENTU: Souvislá výztužná vlákna jsou přesně umístěna v předem určeném vzoru, aby sledovala dutý  a obvykle cyklický tvar. Vlákna nejprve projdou pryskyřičnou lázní a poté jsou automatizovaným systémem navinuta na trn. Po několika opakováních navíjení se získají požadované tloušťky a vytvrzování se provádí buď při pokojové teplotě nebo v peci. Nyní je trn odstraněn a výrobek je vyjmut z formy. Vinutí vlákna může nabídnout velmi vysoké poměry pevnosti k hmotnosti navíjením vláken v obvodových, spirálových a polárních vzorech. Trubky, nádrže, pláště jsou vyráběny touto technikou. 

 

• KONSTRUKČNÍ KOMPOZITY: Obvykle se skládají z homogenních i kompozitních materiálů. Vlastnosti těchto prvků jsou proto určovány materiálem a geometrickým designem jejich prvků. Zde jsou hlavní typy:
LAMINÁRNÍ KOMPOZITY: Tyto konstrukční materiály jsou vyrobeny z dvourozměrných plechů nebo panelů s preferovanými směry vysoké pevnosti. Vrstvy jsou naskládány a slepeny dohromady. Střídáním vysokopevnostních směrů ve dvou kolmých osách získáme kompozit, který má vysokou pevnost v obou směrech ve dvourozměrné rovině. Nastavením úhlů vrstev lze vyrobit kompozit s pevností ve výhodných směrech. Moderní lyže se vyrábí tímto způsobem. 
SANDWICH PANELY: Tyto strukturální kompozity jsou lehké, ale přesto mají vysokou tuhost a pevnost. Sendvičové panely se skládají ze dvou vnějších plechů vyrobených z tuhého a pevného materiálu, jako jsou hliníkové slitiny, vlákny vyztužené plasty nebo ocel, a jádro mezi vnějšími plechy. Jádro musí být lehké a většinou musí mít nízký modul pružnosti. Populárními materiály jádra jsou tuhé polymerní pěny, dřevo a voštiny. Sendvičové panely jsou široce používány ve stavebnictví jako střešní materiál, podlahový nebo stěnový materiál a také v leteckém průmyslu.  

 

• NANOKOMPOZITY : Tyto nové materiály se skládají z částic o velikosti nanočástic uložených v matrici. Pomocí nanokompozitů můžeme vyrábět pryžové materiály, které velmi dobře brání pronikání vzduchu při zachování jejich pryžových vlastností beze změny.