Fremstilling af kompositter og kompositmaterialer

Simpelt defineret er KOMPOSITTER eller KOMPOSITMATERIALER materialer, der består af to eller flere materialer med forskellige fysiske eller kemiske egenskaber, men når de kombineres, bliver de til et materiale, der er anderledes end de indgående materialer. Vi skal påpege, at de indgående materialer forbliver adskilte og adskilte i strukturen. Målet med at fremstille et kompositmateriale er at opnå et produkt, der er overlegent end dets bestanddele og kombinerer hver enkelt bestanddels ønskede egenskaber. Som et eksempel; styrke, lav vægt eller lavere pris kan være motivatoren bag at designe og producere en komposit. Den type kompositmaterialer, vi tilbyder, er partikelforstærkede kompositter, fiberforstærkede kompositter inklusive keramisk-matrix / polymer-matrix / metal-matrix / carbon-carbon / hybrid-kompositter, strukturelle & laminerede & sandwich-strukturerede kompositter og nanokompositter.

 

De fremstillingsteknikker, vi anvender i fremstilling af kompositmaterialer, er: Pultrusion, prepreg-produktionsprocesser, avanceret fiberplacering, filamentvikling, skræddersyet fiberplacering, glasfiberspray-oplægningsproces, tufting, lanxidproces, z-pinning.
Mange kompositmaterialer består af to faser, matrixen, som er kontinuerlig og omgiver den anden fase; og den dispergerede fase, som er omgivet af matrixen.
Vi anbefaler, at du klikker her for atDOWNLOAD vores skematiske illustrationer af kompositmaterialer og kompositmaterialefremstilling af AGS-TECH Inc.
Dette vil hjælpe dig med bedre at forstå de oplysninger, vi giver dig nedenfor. 

 

• PARTIKEL-FORSTERKTE KOMPOSITTER: Denne kategori består af to typer: kompositter med store partikler og dispersionsforstærkede kompositter. I den førstnævnte type kan partikel-matrix-interaktioner ikke behandles på atom- eller molekylært niveau. I stedet er kontinuummekanik gyldig. På den anden side er partikler i dispersionsforstærkede kompositter generelt meget mindre i intervaller på 10 nanometer. Et eksempel på komposit med store partikler er polymerer, hvortil der er tilsat fyldstoffer. Fyldstofferne forbedrer materialets egenskaber og kan erstatte noget af polymervolumenet med et mere økonomisk materiale. Volumenfraktionerne af de to faser påvirker kompositmaterialets opførsel. Store partikelkompositter bruges sammen med metaller, polymerer og keramik. CERMETS er eksempler på keramik/metalkompositter. Vores mest almindelige cermet er hårdmetal. Den består af ildfast carbidkeramik såsom wolframcarbidpartikler i en matrix af et metal såsom kobolt eller nikkel. Disse hårdmetalkompositter er meget udbredt som skærende værktøjer til hærdet stål. De hårde karbidpartikler er ansvarlige for skærevirkningen, og deres sejhed forstærkes af den duktile metalmatrix. Således opnår vi fordelene ved begge materialer i en enkelt komposit. Et andet almindeligt eksempel på en komposit med store partikler, vi bruger, er carbon black-partikler blandet med vulkaniseret gummi for at opnå en komposit med høj trækstyrke, sejhed, rive- og slidstyrke. Et eksempel på en dispersionsforstærket komposit er metaller og metallegeringer styrket og hærdet ved ensartet spredning af fine partikler af et meget hårdt og inert materiale. Når meget små aluminiumoxidflager tilsættes til aluminiummetalmatrix, opnår vi sintret aluminiumspulver, som har en forbedret højtemperaturstyrke. 

 

• FIBERFORSTERKTE KOMPOSITTER: Denne kategori af kompositter er faktisk den vigtigste. Målet at opnå er høj styrke og stivhed pr. vægtenhed. Fibersammensætningen, længden, orienteringen og koncentrationen i disse kompositter er afgørende for at bestemme egenskaberne og anvendeligheden af disse materialer. Der er tre grupper af fibre, vi bruger: knurhår, fibre og tråde. WHISKERS er meget tynde og lange enkeltkrystaller. De er blandt de stærkeste materialer. Nogle eksempler på whiskermaterialer er grafit, siliciumnitrid, aluminiumoxid.  FIBERS på den anden side er for det meste polymerer eller keramik og er i polykrystallinsk eller amorf tilstand. Den tredje gruppe er fine TRÅDE, der har relativt store diametre og ofte består af stål eller wolfram. Et eksempel på trådforstærket komposit er bildæk, der indeholder ståltråd inde i gummi. Afhængigt af matrixmaterialet har vi følgende kompositter:
POLYMER-MATRIX-KOMPOSITTER: Disse er lavet af en polymerharpiks og fibre som forstærkningsingrediens. En undergruppe af disse kaldet Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Composites indeholder kontinuerlige eller diskontinuerlige glasfibre i en polymermatrix. Glas giver høj styrke, det er økonomisk, let at fremstille til fibre og er kemisk inert. Ulemperne er deres begrænsede stivhed og stivhed, idet driftstemperaturer kun er op til 200 – 300 Celsius. Glasfiber er velegnet til bilkarosserier og transportudstyr, karosserier til marinekøretøjer, opbevaringsbeholdere. De er ikke egnede til rumfart eller brofremstilling på grund af begrænset stivhed. Den anden undergruppe kaldes Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composite. Her er kulstof vores fibermateriale i polymermatrixen. Carbon er kendt for sit høje specifikke modul og styrke og dets evne til at opretholde disse ved høje temperaturer. Kulfibre kan tilbyde os standard-, mellem-, høj- og ultrahøj trækstyrkemoduler. Desuden tilbyder kulfibre forskellige fysiske og mekaniske egenskaber og er derfor velegnet til forskellige skræddersyede tekniske applikationer. CFRP-kompositter kan betragtes som fremstilling af sports- og fritidsudstyr, trykbeholdere og strukturelle komponenter til rumfart. Endnu en anden undergruppe, Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites, er også materialer med høj styrke og modulus. Deres styrke/vægt-forhold er enestående høje. Aramidfibre er også kendt under handelsnavnene KEVLAR og NOMEX. Under spænding klarer de sig bedre end andre polymere fibermaterialer, men de er svage i kompression. Aramidfibre er seje, slagfaste, krybe- og træthedsbestandige, stabile ved høje temperaturer, kemisk inerte undtagen mod stærke syrer og baser. Aramidfibre er meget udbredt i sportsartikler, skudsikre veste, dæk, reb, fiberoptiske kabelkapper. Andre fiberforstærkningsmaterialer findes, men bruges i mindre grad. Disse er hovedsageligt bor, siliciumcarbid, aluminiumoxid. Polymermatrixmaterialet er på den anden side også kritisk. Det bestemmer den maksimale driftstemperatur for kompositten, fordi polymeren generelt har en lavere smelte- og nedbrydningstemperatur. Polyestere og vinylestere er meget udbredt som polymermatrix. Harpikser bruges også, og de har fremragende fugtbestandighed og mekaniske egenskaber. For eksempel kan polyimidharpiks bruges op til omkring 230 grader Celcius. 
METAL-MATRIX-KOMPOSITTER: I disse materialer bruger vi en duktil metalmatrix, og driftstemperaturerne er generelt højere end deres bestanddele. Sammenlignet med polymer-matrix-kompositter kan disse have højere driftstemperaturer, være ikke-brændbare og kan have bedre nedbrydningsmodstand mod organiske væsker. Men de er dyrere. Forstærkningsmaterialer såsom whiskers, partikler, kontinuerlige og diskontinuerlige fibre; og matrixmaterialer såsom kobber, aluminium, magnesium, titanium, superlegeringer er almindeligt anvendt. Eksempler på anvendelser er motorkomponenter lavet af aluminiumslegeringsmatrix forstærket med aluminiumoxid og kulfibre. 
KERAMISK-MATRIX-KOMPOSITTER: Keramiske materialer er kendt for deres fremragende høje temperaturpålidelighed. De er dog meget skøre og har lave værdier for brudsejhed. Ved at indlejre partikler, fibre eller whiskers af én keramik i matrixen af en anden er vi i stand til at opnå kompositter med højere brudsejhed. Disse indlejrede materialer hæmmer dybest set revneudbredelse inde i matrixen ved nogle mekanismer, såsom afbøjning af revnespidserne eller dannelse af broer hen over revneflader. Som et eksempel bruges alumina, der er forstærket med SiC whiskers, som skærende værktøjsindsatser til bearbejdning af hårdmetallegeringer. Disse kan afsløre bedre ydeevne sammenlignet med cementerede carbider.  
KUL-KUL-KOMPOSITTER: Både forstærkningen og matrixen er carbon. De har høje trækmoduler og styrker ved høje temperaturer over 2000 Celsius, krybemodstand, høj brudsejhed, lave termiske udvidelseskoefficienter, høje termiske ledningsevner. Disse egenskaber gør dem ideelle til applikationer, der kræver modstand mod termisk stød. Svagheden ved carbon-carbon-kompositter er imidlertid dens sårbarhed over for oxidation ved høje temperaturer. Typiske eksempler på brug er varmpressende forme, avanceret fremstilling af turbinemotorkomponenter. 
HYBRIDKOMPOSITTER: To eller flere forskellige typer fibre blandes i en enkelt matrix. Man kan således skræddersy et nyt materiale med en kombination af egenskaber. Et eksempel er, når både kul- og glasfibre er inkorporeret i en polymerharpiks. Kulfibre giver stivhed og styrke med lav densitet, men er dyre. Glasset er på den anden side billigt, men mangler kulfibernes stivhed. Glas-carbon-hybridkompositten er stærkere og sejere og kan fremstilles til en lavere pris.
BEHANDLING AF FIBERFORSTERKTE KOMPOSITTER: Til kontinuerlig fiberarmeret plast med ensartet fordelte fibre orienteret i samme retning bruger vi følgende teknikker.
PULTRUSION: Stænger, bjælker og rør af kontinuerlige længder og konstante tværsnit fremstilles. Kontinuerlige fiberrovings er imprægneret med en termohærdende harpiks og trækkes gennem en stålmatrice for at præforme dem til en ønsket form. Derefter passerer de gennem en præcisionsbearbejdet hærdningsmatrice for at opnå sin endelige form. Da hærdningsmatricen opvarmes, hærder den harpiksmatricen. Aftrækkere trækker materialet gennem matricerne. Ved hjælp af indsatte hule kerner er vi i stand til at opnå rør og hule geometrier. Pultrusionsmetoden er automatiseret og giver os høje produktionshastigheder. Enhver længde af produktet er muligt at producere. 
PREPREG PRODUKTIONSPROCES: Prepreg er en kontinuerlig fiberarmering præimprægneret med en delvis hærdet polymerharpiks. Det er meget udbredt til strukturelle applikationer. Materialet kommer i tapeform og sendes som tape. Producenten støber det direkte og hærder det fuldstændigt uden behov for at tilføje harpiks. Da prepregs undergår hærdningsreaktioner ved stuetemperatur, opbevares de ved 0 grader Celsius eller lavere temperaturer. Efter brug opbevares de resterende bånd tilbage ved lave temperaturer. Der anvendes termoplastiske og termohærdende harpikser, og forstærkningsfibre af kulstof, aramid og glas er almindelige. For at bruge prepregs fjernes først bærepapiret, og derefter udføres fremstillingen ved at lægge prepreg-tapen på en bearbejdet overflade (oplægningsprocessen). Der kan lægges flere lag op for at opnå den ønskede tykkelse. Hyppig praksis er at skifte fiberorienteringen for at fremstille et tværlags- eller vinkellagslaminat. Til sidst påføres varme og tryk til hærdning. Både håndbearbejdning og automatiserede processer bruges til at skære prepregs og lay-up.
FILAMENTVIKLING: Kontinuerlige forstærkende fibre er nøjagtigt placeret i et forudbestemt mønster for at følge en hul   og sædvanligvis cyklindirisk form. Fibrene går først gennem et harpiksbad og vikles derefter på en dorn ved hjælp af et automatiseret system. Efter flere viklingsgentagelser opnås de ønskede tykkelser, og hærdningen udføres enten ved stuetemperatur eller inde i en ovn. Nu fjernes dornen, og produktet tages ud af formen. Filamentvikling kan tilbyde meget høje styrke-til-vægt-forhold ved at vikle fibrene i periferiske, spiralformede og polære mønstre. Rør, tanke, huse er fremstillet ved hjælp af denne teknik. 

 

• STRUKTURELLE KOMPOSITTER: Generelt består disse af både homogene og kompositmaterialer. Derfor er disses egenskaber bestemt af de indgående materialer og dens geometriske udformning. Her er de vigtigste typer:
LAMINÆRE KOMPOSITTER: Disse strukturelle materialer er lavet af todimensionelle plader eller paneler med foretrukne højstyrkeretninger. Lag stables og cementeres sammen. Ved at veksle højstyrkeretningerne i de to vinkelrette akser opnår vi en komposit, der har højstyrke i begge retninger i det todimensionelle plan. Ved at justere vinklerne på lagene kan man fremstille en komposit med styrke i de foretrukne retninger. Moderne ski er fremstillet på denne måde. 
SANDWICH-PANELER: Disse strukturelle kompositmaterialer er lette, men har alligevel høj stivhed og styrke. Sandwichpaneler består af to ydre plader lavet af et stift og stærkt materiale som aluminiumslegeringer, fiberforstærket plast eller stål og en kerne mellem yderpladerne. Kernen skal være let og det meste af tiden have et lavt elasticitetsmodul. Populære kernematerialer er stive polymerskum, træ og honningkager. Sandwichpaneler er meget udbredt i byggebranchen som tagmateriale, gulv- eller vægmateriale, og også i flyindustrien.  

 

• NANOKOMPOSITTER: Disse nye materialer består af partikler i nanostørrelse indlejret i en matrix. Ved hjælp af nanokompositter kan vi fremstille gummimaterialer, der er meget gode barrierer for luftgennemtrængning, mens de bibeholder deres gummiegenskaber uændrede.