Βιομηχανία Σύνθετων Υλικών και Σύνθετων Υλικών

Με απλά λόγια, τα ΣΥΝΘΕΤΑ ή ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ είναι υλικά που αποτελούνται από δύο ή πολλαπλά υλικά με διαφορετικές φυσικές ή χημικές ιδιότητες, αλλά όταν συνδυάζονται γίνονται ένα υλικό διαφορετικό από τα συστατικά υλικά. Πρέπει να επισημάνουμε ότι τα συστατικά παραμένουν ξεχωριστά και διακριτά στη δομή. Ο στόχος στην κατασκευή ενός σύνθετου υλικού είναι να ληφθεί ένα προϊόν που να είναι ανώτερο από τα συστατικά του και να συνδυάζει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά κάθε συστατικού. Ως παράδειγμα? Η αντοχή, το χαμηλό βάρος ή η χαμηλότερη τιμή μπορεί να είναι το κίνητρο πίσω από το σχεδιασμό και την παραγωγή ενός σύνθετου υλικού. Ο τύπος των σύνθετων υλικών που προσφέρουμε είναι σύνθετα υλικά ενισχυμένα με σωματίδια, σύνθετα σύνθετα ενισχυμένα με ίνες, συμπεριλαμβανομένων σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας / πολυμερούς μήτρας / μήτρας μετάλλου / άνθρακα-άνθρακα / υβριδικών σύνθετων, δομικών & ελασματοποιημένων σύνθετων δομών και σάντουιτς και νανοσύνθετων.

 

Οι τεχνικές κατασκευής που εφαρμόζουμε στην κατασκευή σύνθετων υλικών είναι: Pultrusion, διεργασίες παραγωγής προεμποτισμού, προηγμένη τοποθέτηση ινών, περιέλιξη νήματος, προσαρμοσμένη τοποθέτηση ινών, διαδικασία τοποθέτησης ψεκασμού υαλοβάμβακα, θυσάνιση, διαδικασία lanxide, z-pinning.
Πολλά σύνθετα υλικά αποτελούνται από δύο φάσεις, τη μήτρα, η οποία είναι συνεχής και περιβάλλει την άλλη φάση. και η διεσπαρμένη φάση που περιβάλλεται από τη μήτρα.
Σας συνιστούμε να κάνετε κλικ εδώ για ναΚΑΤΕΒΑΣΤΕ τις Σχηματικές μας απεικονίσεις Σύνθετων και Σύνθετων Υλικών Κατασκευής από την AGS-TECH Inc.
Αυτό θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε καλύτερα τις πληροφορίες που σας παρέχουμε παρακάτω. 

 

• ΣΥΝΘΕΤΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ: Αυτή η κατηγορία αποτελείται από δύο τύπους: Σύνθετα με μεγάλα σωματίδια και σύνθετα υλικά ενισχυμένα με διασπορά. Στον πρώτο τύπο, οι αλληλεπιδράσεις σωματιδίων-μήτρας δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο. Αντίθετα, ισχύει η μηχανική συνέχειας. Από την άλλη πλευρά, στα ενισχυμένα με διασπορά σύνθετα σωματίδια είναι γενικά πολύ μικρότερα σε εύρος δεκάδων νανομέτρων. Ένα παράδειγμα σύνθετου υλικού μεγάλων σωματιδίων είναι τα πολυμερή στα οποία έχουν προστεθεί πληρωτικά. Τα πληρωτικά βελτιώνουν τις ιδιότητες του υλικού και μπορεί να αντικαταστήσουν μέρος του όγκου του πολυμερούς με ένα πιο οικονομικό υλικό. Τα κλάσματα όγκου των δύο φάσεων επηρεάζουν τη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Τα σύνθετα υλικά μεγάλων σωματιδίων χρησιμοποιούνται με μέταλλα, πολυμερή και κεραμικά. Τα CERMETS είναι παραδείγματα σύνθετων κεραμικών / μετάλλων. Το πιο συνηθισμένο κεραμικό μας είναι το καρβίδιο με τσιμέντο. Αποτελείται από πυρίμαχο κεραμικό καρβιδίου όπως σωματίδια καρβιδίου βολφραμίου σε μήτρα μετάλλου όπως το κοβάλτιο ή το νικέλιο. Αυτά τα σύνθετα καρβιδίου χρησιμοποιούνται ευρέως ως εργαλεία κοπής για σκληρυμένο χάλυβα. Τα σωματίδια σκληρού καρβιδίου είναι υπεύθυνα για τη δράση κοπής και η σκληρότητά τους ενισχύεται από την όλκιμο μεταλλική μήτρα. Έτσι αποκτάμε τα πλεονεκτήματα και των δύο υλικών σε ένα μόνο σύνθετο. Ένα άλλο συνηθισμένο παράδειγμα σύνθετου υλικού μεγάλων σωματιδίων που χρησιμοποιούμε είναι τα σωματίδια αιθάλης που αναμιγνύονται με βουλκανισμένο καουτσούκ για να ληφθεί ένα σύνθετο υλικό με υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό, σκληρότητα, αντοχή σε σχίσιμο και τριβή. Ένα παράδειγμα σύνθετου υλικού ενισχυμένου με διασπορά είναι μέταλλα και κράματα μετάλλων που ενισχύονται και σκληρύνονται από την ομοιόμορφη διασπορά λεπτών σωματιδίων ενός πολύ σκληρού και αδρανούς υλικού. Όταν προστίθενται πολύ μικρές νιφάδες οξειδίου του αλουμινίου στη μεταλλική μήτρα αλουμινίου, λαμβάνουμε πυροσυσσωματωμένη σκόνη αλουμινίου που έχει ενισχυμένη αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία. 

 

• ΣΥΝΘΕΤΑ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΙΝΕΣ: Αυτή η κατηγορία σύνθετων υλικών είναι στην πραγματικότητα η πιο σημαντική. Ο στόχος που πρέπει να επιτευχθεί είναι η υψηλή αντοχή και ακαμψία ανά μονάδα βάρους. Η σύνθεση, το μήκος, ο προσανατολισμός και η συγκέντρωση των ινών σε αυτά τα σύνθετα υλικά είναι κρίσιμα για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων και της χρησιμότητας αυτών των υλικών. Υπάρχουν τρεις ομάδες ινών που χρησιμοποιούμε: μουστάκια, ίνες και σύρματα. Τα μουστάκια είναι πολύ λεπτά και μακριά μονοκρύσταλλα. Είναι από τα πιο δυνατά υλικά. Μερικά παραδείγματα υλικών μουστάκι είναι ο γραφίτης, το νιτρίδιο του πυριτίου, το οξείδιο του αλουμινίου. Οι  FIBERS από την άλλη πλευρά είναι κυρίως πολυμερή ή κεραμικά και βρίσκονται σε πολυκρυσταλλική ή άμορφη κατάσταση. Η τρίτη ομάδα είναι τα λεπτά ΣΥΡΜΑΤΑ που έχουν σχετικά μεγάλες διαμέτρους και αποτελούνται συχνά από χάλυβα ή βολφράμιο. Ένα παράδειγμα σύνθετου ενισχυμένου με σύρμα είναι τα ελαστικά αυτοκινήτων που ενσωματώνουν χαλύβδινο σύρμα μέσα σε καουτσούκ. Ανάλογα με το υλικό της μήτρας, έχουμε τα ακόλουθα σύνθετα:
ΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ-ΜΕΤΡΙΞ: Κατασκευάζονται από πολυμερή ρητίνη και ίνες ως ενισχυτικό συστατικό. Μια υποομάδα αυτών που ονομάζονται Σύνθετα Πολυμερή Ενισχυμένα με Ίνες Γυαλιού (GFRP) περιέχουν συνεχείς ή ασυνεχείς ίνες γυαλιού μέσα σε μια πολυμερή μήτρα. Το γυαλί προσφέρει υψηλή αντοχή, είναι οικονομικό, εύκολο στην κατασκευή ινών και είναι χημικά αδρανές. Τα μειονεκτήματα είναι η περιορισμένη ακαμψία και ακαμψία τους, καθώς οι θερμοκρασίες σέρβις είναι μόνο μέχρι 200 – 300 Κελσίου. Το Fiberglass είναι κατάλληλο για αμαξώματα και εξοπλισμό μεταφοράς αυτοκινήτων, αμαξώματα θαλάσσιων οχημάτων, δοχεία αποθήκευσης. Δεν είναι κατάλληλα για αεροδιαστημική ή κατασκευή γεφυρών λόγω περιορισμένης ακαμψίας. Η άλλη υποομάδα ονομάζεται σύνθετο πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (CFRP). Εδώ, ο άνθρακας είναι το ινώδες υλικό μας στη μήτρα του πολυμερούς. Ο άνθρακας είναι γνωστός για το υψηλό ειδικό μέτρο και την αντοχή του και την ικανότητά του να τα διατηρεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι ίνες άνθρακα μπορούν να μας προσφέρουν στάνταρ, ενδιάμεσους, υψηλούς και υπερυψηλούς συντελεστές εφελκυσμού. Επιπλέον, οι ίνες άνθρακα προσφέρουν ποικίλα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά και επομένως είναι κατάλληλα για διάφορες προσαρμοσμένες εφαρμογές μηχανικής. Τα σύνθετα υλικά CFRP μπορούν να θεωρηθούν ότι κατασκευάζουν αθλητικό και ψυχαγωγικό εξοπλισμό, δοχεία πίεσης και δομικά στοιχεία της αεροδιαστημικής. Ωστόσο, μια άλλη υποομάδα, τα σύνθετα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες Aramid είναι επίσης υλικά υψηλής αντοχής και συντελεστή μέτρησης. Οι αναλογίες αντοχής προς βάρος τους είναι εξαιρετικά υψηλές. Οι ίνες αραμιδίου είναι επίσης γνωστές με τις εμπορικές ονομασίες KEVLAR και NOMEX. Υπό τάνυση αποδίδουν καλύτερα από άλλα υλικά πολυμερών ινών, αλλά είναι αδύναμα στη συμπίεση. Οι ίνες αραμιδίου είναι σκληρές, ανθεκτικές στην κρούση, ανθεκτικές σε ερπυσμό και κόπωση, σταθερές σε υψηλές θερμοκρασίες, χημικά αδρανείς εκτός από ισχυρά οξέα και βάσεις. Οι ίνες αραμιδίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε αθλητικά είδη, αλεξίσφαιρα γιλέκα, ελαστικά, σχοινιά, καλύμματα καλωδίων οπτικών ινών. Υπάρχουν και άλλα υλικά ενίσχυσης ινών, αλλά χρησιμοποιούνται σε μικρότερο βαθμό. Αυτά είναι κυρίως το βόριο, το καρβίδιο του πυριτίου, το οξείδιο του αργιλίου. Το υλικό πολυμερούς μήτρας από την άλλη πλευρά είναι επίσης κρίσιμο. Καθορίζει τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του σύνθετου υλικού επειδή το πολυμερές έχει γενικά χαμηλότερη θερμοκρασία τήξης και αποδόμησης. Οι πολυεστέρες και οι βινυλεστέρες χρησιμοποιούνται ευρέως ως πολυμερής μήτρα. Χρησιμοποιούνται επίσης ρητίνες και έχουν εξαιρετική αντοχή στην υγρασία και μηχανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η ρητίνη πολυιμιδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί μέχρι περίπου 230 βαθμούς Κελσίου. 
ΣΥΝΘΕΤΑ ΜΕΤΑΛΛΩΝ-ΜΗΤΡΩΝ: Σε αυτά τα υλικά χρησιμοποιούμε όλκιμο μεταλλικό πλέγμα και οι θερμοκρασίες συντήρησης είναι γενικά υψηλότερες από τα συστατικά τους. Σε σύγκριση με τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας, αυτά μπορεί να έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, να είναι άφλεκτα και μπορεί να έχουν καλύτερη αντοχή στην αποικοδόμηση έναντι οργανικών ρευστών. Ωστόσο είναι πιο ακριβά. Υλικά ενίσχυσης όπως μουστάκια, σωματίδια, συνεχείς και ασυνεχείς ίνες. και υλικά μήτρας όπως χαλκός, αλουμίνιο, μαγνήσιο, τιτάνιο, υπερκράματα χρησιμοποιούνται συνήθως. Παραδείγματα εφαρμογών είναι εξαρτήματα κινητήρα κατασκευασμένα από μήτρα κράματος αλουμινίου ενισχυμένη με οξείδιο αλουμινίου και ίνες άνθρακα. 
ΣΥΝΘΕΤΑ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΜΗΤΡΩΝ: Τα κεραμικά υλικά είναι γνωστά για την εξαιρετικά καλή αξιοπιστία τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, είναι πολύ εύθραυστα και έχουν χαμηλές τιμές αντοχής σε θραύση. Ενσωματώνοντας σωματίδια, ίνες ή μουστάκια ενός κεραμικού στη μήτρα ενός άλλου, είμαστε σε θέση να επιτύχουμε σύνθετα υλικά με υψηλότερη αντοχή στη θραύση. Αυτά τα ενσωματωμένα υλικά αναστέλλουν βασικά τη διάδοση ρωγμών μέσα στη μήτρα με ορισμένους μηχανισμούς όπως η εκτροπή των άκρων των ρωγμών ή ο σχηματισμός γεφυρών στις επιφάνειες των ρωγμών. Για παράδειγμα, οι αλουμίνες που είναι ενισχυμένες με μουστάκια SiC χρησιμοποιούνται ως ένθετα κοπτικών εργαλείων για την κατεργασία σκληρών κραμάτων μετάλλων. Αυτά μπορούν να αποκαλύψουν καλύτερες επιδόσεις σε σύγκριση με τα καρβίδια με τσιμέντο.  
ΣΥΝΘΕΤΑ ΑΝΘΡΑΚΑ-ΑΝΘΡΑΚΑ: Τόσο ο οπλισμός όσο και η μήτρα είναι άνθρακας. Έχουν υψηλά συντελεστές εφελκυσμού και αντοχές σε υψηλές θερμοκρασίες άνω των 2000 Κελσίου, αντοχή σε ερπυσμό, υψηλές σκληρότητες θραύσης, χαμηλούς συντελεστές θερμικής διαστολής, υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτές οι ιδιότητες τα καθιστούν ιδανικά για εφαρμογές που απαιτούν αντοχή σε θερμικό σοκ. Ωστόσο, η αδυναμία των σύνθετων υλικών άνθρακα-άνθρακα είναι η ευαισθησία τους έναντι της οξείδωσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Τυπικά παραδείγματα χρήσης είναι καλούπια θερμής πίεσης, προηγμένη κατασκευή εξαρτημάτων κινητήρα στροβίλου. 
ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ : Δύο ή περισσότεροι διαφορετικοί τύποι ινών αναμειγνύονται σε μια ενιαία μήτρα. Μπορεί κανείς έτσι να προσαρμόσει ένα νέο υλικό με συνδυασμό ιδιοτήτων. Ένα παράδειγμα είναι όταν τόσο οι ίνες άνθρακα όσο και οι ίνες γυαλιού ενσωματώνονται σε μια πολυμερή ρητίνη. Οι ίνες άνθρακα παρέχουν ακαμψία και αντοχή χαμηλής πυκνότητας αλλά είναι ακριβές. Το γυαλί από την άλλη είναι φθηνό αλλά δεν έχει την ακαμψία των ινών άνθρακα. Το υβριδικό σύνθετο γυαλί-άνθρακα είναι ισχυρότερο και πιο σκληρό και μπορεί να κατασκευαστεί με χαμηλότερο κόστος.
ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΩΝ ΜΕ ΙΝΕΣ : Για συνεχή πλαστικά ενισχυμένα με ίνες με ομοιόμορφα κατανεμημένες ίνες προσανατολισμένες προς την ίδια κατεύθυνση χρησιμοποιούμε τις ακόλουθες τεχνικές.
PULTRUSION: Κατασκευάζονται ράβδοι, δοκοί και σωλήνες συνεχών μηκών και σταθερών διατομών. Οι συνεχείς περιστροφές ινών εμποτίζονται με μια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη και έλκονται μέσω μιας μήτρας χάλυβα για να προδιαμορφωθούν στο επιθυμητό σχήμα. Στη συνέχεια, περνούν μέσα από μια μήτρα ωρίμανσης επεξεργασμένης ακριβείας για να αποκτήσουν το τελικό της σχήμα. Εφόσον η μήτρα ωρίμανσης θερμαίνεται, σκληραίνει τη μήτρα της ρητίνης. Οι εξολκείς τραβούν το υλικό μέσα από τις μήτρες. Χρησιμοποιώντας εισαγόμενους κοίλους πυρήνες, μπορούμε να αποκτήσουμε σωλήνες και κοίλες γεωμετρίες. Η μέθοδος pultrusion είναι αυτοματοποιημένη και μας προσφέρει υψηλούς ρυθμούς παραγωγής. Είναι δυνατό να παραχθεί οποιοδήποτε μήκος προϊόντος. 
ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ PREPREG: Το Prepreg είναι μια ενίσχυση συνεχών ινών προεμποτισμένη με μια μερικώς σκληρυμένη πολυμερή ρητίνη. Χρησιμοποιείται ευρέως για δομικές εφαρμογές. Το υλικό έρχεται σε μορφή ταινίας και αποστέλλεται ως ταινία. Ο κατασκευαστής το καλουπώνει απευθείας και το πολυμερίζει πλήρως χωρίς να χρειάζεται να προσθέσει ρητίνη. Δεδομένου ότι τα προεμποτίσματα υφίστανται αντιδράσεις ωρίμανσης σε θερμοκρασίες δωματίου, αποθηκεύονται σε θερμοκρασίες 0 C ή χαμηλότερες. Μετά τη χρήση, οι υπόλοιπες ταινίες αποθηκεύονται ξανά σε χαμηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιούνται θερμοπλαστικές και θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες και κοινές είναι οι ενισχυτικές ίνες άνθρακα, αραμιδίου και γυαλιού. Για τη χρήση προεμποτισμάτων, αφαιρείται πρώτα το χαρτί στήριξης φορέα και στη συνέχεια η κατασκευή πραγματοποιείται με την τοποθέτηση της ταινίας προεμποτισμού σε μια εργαλειοθήκη (διαδικασία τοποθέτησης). Μπορούν να τοποθετηθούν πολλές πτυχές για να ληφθούν τα επιθυμητά πάχη. Συχνή πρακτική είναι να εναλλάσσετε τον προσανατολισμό της ίνας για να δημιουργήσετε ένα πολυστρωματικό υλικό με σταυρωτά ή γωνιακά φύλλα. Τέλος εφαρμόζεται θερμότητα και πίεση για σκλήρυνση. Τόσο η χειροκίνητη επεξεργασία όσο και οι αυτοματοποιημένες διεργασίες χρησιμοποιούνται για την κοπή προεμποτισμού και το lay-up.
ΤΥΛΙΣΗ ΝΗΜΑΤΟΣ: Οι συνεχείς ενισχυτικές ίνες τοποθετούνται με ακρίβεια σε ένα προκαθορισμένο σχέδιο ώστε να ακολουθούν ένα κοίλο  και συνήθως κυκλινδρικό σχήμα. Οι ίνες περνούν πρώτα από ένα λουτρό ρητίνης και στη συνέχεια τυλίγονται σε έναν άξονα με ένα αυτοματοποιημένο σύστημα. Μετά από αρκετές επαναλήψεις περιέλιξης επιτυγχάνονται τα επιθυμητά πάχη και η σκλήρυνση πραγματοποιείται είτε σε θερμοκρασία δωματίου είτε μέσα σε φούρνο. Τώρα αφαιρείται ο άξονας και το προϊόν ξεκαλουπώνεται. Η περιέλιξη του νήματος μπορεί να προσφέρει πολύ υψηλές αναλογίες αντοχής προς βάρος τυλίγοντας τις ίνες σε περιφερειακά, ελικοειδή και πολικά σχέδια. Οι σωλήνες, οι δεξαμενές, τα περιβλήματα κατασκευάζονται με αυτήν την τεχνική. 

 

• ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ : Γενικά αποτελούνται από ομοιογενή και σύνθετα υλικά. Επομένως οι ιδιότητες αυτών καθορίζονται από τα συστατικά υλικά και τη γεωμετρική σχεδίαση των στοιχείων του. Εδώ είναι οι κύριοι τύποι:
LAMINAR COMPOSITES : Αυτά τα δομικά υλικά είναι κατασκευασμένα από δισδιάστατα φύλλα ή πάνελ με προτιμώμενες κατευθύνσεις υψηλής αντοχής. Τα στρώματα στοιβάζονται και τσιμεντώνονται μεταξύ τους. Εναλλάσσοντας τις διευθύνσεις υψηλής αντοχής στους δύο κάθετους άξονες, παίρνουμε ένα σύνθετο που έχει υψηλή αντοχή και στις δύο κατευθύνσεις στο δισδιάστατο επίπεδο. Ρυθμίζοντας τις γωνίες των στρωμάτων μπορεί κανείς να κατασκευάσει ένα σύνθετο υλικό με αντοχή στις προτιμώμενες κατευθύνσεις. Το σύγχρονο σκι κατασκευάζεται με αυτόν τον τρόπο. 
ΠΑΝΕΛ ΣΑΝΤΟΥΙΤΣ: Αυτά τα δομικά σύνθετα είναι ελαφριά αλλά έχουν όμως υψηλή ακαμψία και αντοχή. Τα πάνελ σάντουιτς αποτελούνται από δύο εξωτερικά φύλλα κατασκευασμένα από άκαμπτο και ισχυρό υλικό όπως κράματα αλουμινίου, πλαστικά ενισχυμένα με ίνες ή χάλυβας και έναν πυρήνα ανάμεσα στα εξωτερικά φύλλα. Ο πυρήνας πρέπει να είναι ελαφρύς και τις περισσότερες φορές να έχει χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας. Δημοφιλή υλικά πυρήνα είναι οι άκαμπτοι πολυμερικοί αφροί, το ξύλο και οι κηρήθρες. Τα πάνελ σάντουιτς χρησιμοποιούνται ευρέως στον κατασκευαστικό κλάδο ως υλικό στέγης, υλικό δαπέδου ή τοίχου, καθώς και στην αεροδιαστημική βιομηχανία.  

 

• ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ : Αυτά τα νέα υλικά αποτελούνται από σωματίδια νανομεγέθους ενσωματωμένα σε μια μήτρα. Χρησιμοποιώντας νανοσύνθετα υλικά μπορούμε να κατασκευάσουμε ελαστικά υλικά που είναι πολύ καλά εμπόδια στη διείσδυση του αέρα, διατηρώντας παράλληλα αμετάβλητες τις ιδιότητες του καουτσούκ.