ייצור חומרים מרוכבים וחומרים מרוכבים

בהגדרה פשוטה, קומפוזיטים או חומרים מרוכבים הם חומרים המורכבים משני או מספר חומרים בעלי תכונות פיזיקליות או כימיות שונות, אך בשילובם הם הופכים לחומר שונה מהחומרים המרכיבים אותם. עלינו לציין שהחומרים המרכיבים נשארים נפרדים ונבדלים במבנה. המטרה בייצור חומר מרוכב היא להשיג מוצר עדיף על מרכיביו ומשלב את התכונות הרצויות של כל מרכיב. לדוגמא; חוזק, משקל נמוך או מחיר נמוך יותר עשויים להיות המניע מאחורי עיצוב וייצור קומפוזיט. סוג החומרים המרוכבים שאנו מציעים הם חומרים מרוכבים מחוזקים בחלקיקים, חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים כולל קרמיקה-מטריקס / פולימר-מטריקס / מתכת-מטריקס / פחמן-פחמן / מרוכבים היברידיים, חומרים מרוכבים מבניים ולמינים וכריכים וננו-מרוכבים.

 

טכניקות הייצור שאנו מפעילים בייצור חומרים מרוכבים הן: Pultrusion, תהליכי ייצור prepreg, מיקום סיבים מתקדם, סיפוף נימה, מיקום סיבים מותאם, תהליך הנחת ריסוס פיברגלס, ציוץ, תהליך lanxide, Z-pinning.
חומרים מרוכבים רבים מורכבים משני שלבים, המטריצה, שהיא רציפה ומקיפה את השלב השני; והפאזה המפוזרת אשר מוקפת במטריקס.
אנו ממליצים ללחוץ כאן כדיהורד את האיורים הסכמטיים שלנו של ייצור חומרים מרוכבים וחומרים מרוכבים על ידי AGS-TECH Inc.
זה יעזור לך להבין טוב יותר את המידע שאנו מספקים לך למטה. 

 

• חומרים מרוכבים מחוזקים בחלקיקים: קטגוריה זו מורכבת משני סוגים: מרוכבים בעלי חלקיקים גדולים וחומרים מרוכבים מחוזקים בפיזור. בסוג הקודם, לא ניתן לטפל באינטראקציות של חלקיקים-מטריקס ברמה האטומית או המולקולרית. במקום זאת, מכניקת הרצף תקפה. מצד שני, בחלקיקים מרוכבים המחוזקים בפיזור הם בדרך כלל הרבה יותר קטנים בעשרות טווחי ננומטר. דוגמה לרכיבים מרוכבים של חלקיקים גדולים היא פולימרים שאליהם נוספו חומרי מילוי. חומרי המילוי משפרים את תכונות החומר ועשויים להחליף חלק מנפח הפולימר בחומר חסכוני יותר. שברי הנפח של שני השלבים משפיעים על התנהגות המרוכב. מרוכבים חלקיקים גדולים משמשים עם מתכות, פולימרים וקרמיקה. ה-CERMETS הם דוגמאות לרכבי קרמיקה/מתכת. הצרמט הנפוץ ביותר שלנו הוא קרביד צמנט. הוא מורכב מקרמיקה קרביד עקשן כגון חלקיקי טונגסטן קרביד במטריצה של מתכת כגון קובלט או ניקל. חומרי קרביד אלה נמצאים בשימוש נרחב ככלי חיתוך לפלדה מוקשה. חלקיקי הקרביד הקשים אחראים לפעולת החיתוך והקשיחות שלהם מוגברת על ידי מטריצת המתכת המתכתית. כך אנו משיגים את היתרונות של שני החומרים במרוכב אחד. דוגמה נפוצה נוספת לקומפוזיט של חלקיקים גדולים שאנו משתמשים בהם היא חלקיקי פחמן שחור מעורבבים עם גומי מגופר לקבלת חומר מרוכב בעל חוזק מתיחה גבוה, קשיחות, עמידות בפני קריעה ושחיקה. דוגמה לחומר מרוכב מחוזק בפיזור היא מתכות וסגסוגות מתכת שמחוזקות ומתקשות על ידי פיזור אחיד של חלקיקים עדינים מחומר קשה ואינרטי מאוד. כאשר מוסיפים פתיתי תחמוצת אלומיניום קטנים מאוד למטריצת מתכת אלומיניום, אנו משיגים אבקת אלומיניום סנטרית בעלת חוזק משופר בטמפרטורה גבוהה. 

 

• חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים: קטגוריה זו של חומרים מרוכבים היא למעשה החשובה ביותר. המטרה להשיג היא חוזק ונוקשות גבוהים ליחידת משקל. הרכב הסיבים, האורך, הכיוון והריכוז בחומרים מרוכבים אלה הם קריטיים בקביעת התכונות והתועלת של חומרים אלה. ישנן שלוש קבוצות של סיבים שאנו משתמשים: שפם, סיבים וחוטים. WHISKERS הם גבישים בודדים דקים וארוכים. הם בין החומרים החזקים ביותר. כמה חומרי שפם לדוגמה הם גרפיט, סיליקון ניטריד, תחמוצת אלומיניום.  FIBERS לעומת זאת הם בעיקר פולימרים או קרמיקה והם במצב פולי-גבישי או אמורפי. הקבוצה השלישית היא WIRES עדינים בעלי קטרים גדולים יחסית ומורכבים לעתים קרובות מפלדה או טונגסטן. דוגמה לקומפוזיט מחוזק תיל הוא צמיגי רכב המשלבים חוטי פלדה בתוך גומי. בהתאם לחומר המטריצה, יש לנו את החומרים המרוכבים הבאים:
פולימר-מטריקס מורכבים: אלה עשויים משרף פולימרי וסיבים כמרכיב החיזוק. תת-קבוצה של אלה הנקראת חומרי פולימר מחוזקים בסיבי זכוכית (GFRP) מכילה סיבי זכוכית רציפים או לא רציפים בתוך מטריצת פולימר. זכוכית מציעה חוזק גבוה, היא חסכונית, קלה לייצור לסיבים והיא אינרטית מבחינה כימית. החסרונות הם הקשיחות והקשיחות המוגבלת שלהם, טמפרטורות השירות הן רק עד 200 - 300 צלזיוס. פיברגלס מתאים למרכבי רכב וציוד תחבורה, מרכבי רכב ימיים, מכולות אחסון. הם אינם מתאימים לתעופה וחלל ולא לייצור גשרים בגלל קשיחות מוגבלת. תת-הקבוצה השנייה נקראת Composite Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP). כאן, פחמן הוא חומר הסיבים שלנו במטריצת הפולימר. פחמן ידוע במודולוס ובחוזק הספציפיים הגבוהים שלו וביכולתו לשמור על אלה בטמפרטורות גבוהות. סיבי פחמן יכולים להציע לנו מודולי מתיחה סטנדרטיים, בינוניים, גבוהים ואולטרה-גבוהים. יתר על כן, סיבי פחמן אכן מציעים מאפיינים פיזיים ומכאניים מגוונים ולכן מתאימים ליישומים הנדסיים מותאמים אישית שונים. חומרים מרוכבים CFRP יכולים להיחשב לייצור ציוד ספורט ופנאי, כלי לחץ ורכיבים מבניים תעופה וחלל. עם זאת, תת-קבוצה נוספת, חומרי הפולימרים המחוזקים בסיבים אראמיד הם גם חומרים בעלי חוזק גבוה ומודולוס. יחסי החוזק והמשקל שלהם גבוהים להפליא. סיבי ארמיד ידועים גם בשמות המסחריים KEVLAR ו-NOMEX. תחת מתח הם מתפקדים טוב יותר מחומרי סיבים פולימריים אחרים, אך הם חלשים בדחיסה. סיבי ארמיד קשים, עמידים בפני פגיעות, עמידים לזחילה ועייפות, יציבים בטמפרטורות גבוהות, אינרטי כימית למעט חומצות ובסיסים חזקים. סיבי ארמיד נמצאים בשימוש נרחב במוצרי ספורט, אפודים חסיני כדורים, צמיגים, חבלים, כיסויי כבל סיבים אופטיים. חומרי חיזוק סיבים אחרים קיימים אך משמשים במידה פחותה. אלה הם בורון, סיליקון קרביד, תחמוצת אלומיניום בעיקר. חומר המטריצה הפולימרי מצד שני הוא גם קריטי. זה קובע את טמפרטורת השירות המקסימלית של המרוכב מכיוון שלפולימר יש בדרך כלל טמפרטורת התכה ופירוק נמוכה יותר. פוליאסטרים ואסטרים ויניל נמצאים בשימוש נרחב כמטריצת הפולימר. נעשה שימוש גם בשרף ויש להם עמידות מצוינת ללחות ותכונות מכניות. למשל שרף פוליאמיד יכול לשמש עד כ-230 מעלות צלזיוס. 
חומרים מרוכבים של מתכת-מטריקס: בחומרים אלו אנו משתמשים במטריצת מתכת רקיעה וטמפרטורות השירות גבוהות בדרך כלל מהרכיבים המרכיבים אותם. בהשוואה לחומרים מרוכבים של פולימר-מטריקס, אלה יכולים להיות בעלי טמפרטורות עבודה גבוהות יותר, להיות לא דליקים ועשויים להיות בעלי עמידות טובה יותר להתפרקות נגד נוזלים אורגניים. עם זאת הם יקרים יותר. חומרי חיזוק כגון שפם, חלקיקים, סיבים רציפים ובלתי רציפים; וחומרי מטריקס כגון נחושת, אלומיניום, מגנזיום, טיטניום, סגסוגות-על נמצאים בשימוש נפוץ. יישומים לדוגמה הם רכיבי מנוע העשויים ממטריקס מסגסוגת אלומיניום מחוזקת בתחמוצת אלומיניום וסיבי פחמן. 
תרכובות קרמיקה-מטריקס: חומרים קרמיים ידועים באמינותם הטובה ביותר בטמפרטורות גבוהות. עם זאת הם שבירים מאוד ויש להם ערכים נמוכים עבור קשיחות שבר. על ידי הטבעת חלקיקים, סיבים או שפם של קרמיקה אחת לתוך המטריצה של אחר, אנו מסוגלים להשיג חומרים מרוכבים בעלי קשיחות שבר גבוהה יותר. חומרים מוטבעים אלה בעצם מעכבים את התפשטות הסדקים בתוך המטריצה על ידי כמה מנגנונים כגון הסטת קצות הסדקים או יצירת גשרים על פני הסדקים. כדוגמה, אלומיניום המחוזקים בשפם SiC משמשים כתוספות לכלי חיתוך לעיבוד סגסוגות מתכת קשות. אלה יכולים לחשוף ביצועים טובים יותר בהשוואה לקרבידים מוצקים.  
פחמן-פחמן מרוכבים: גם החיזוק וגם המטריצה הם פחמן. יש להם מודולי מתיחה גבוהים וחוזק בטמפרטורות גבוהות מעל 2000 צלזיוס, עמידות לזחילה, קשיחות גבוהה לשברים, מקדמי התפשטות תרמית נמוכים, מוליכות תרמית גבוהה. מאפיינים אלה הופכים אותם לאידיאליים עבור יישומים הדורשים עמידות בפני זעזועים תרמיים. החולשה של חומרים מרוכבים פחמן-פחמן היא עם זאת פגיעותו בפני חמצון בטמפרטורות גבוהות. דוגמאות אופייניות לשימוש הן תבניות בכבישה חמה, ייצור רכיבי מנועי טורבינה מתקדמים. 
חומרים מרוכבים היברידיים: שני סוגים שונים או יותר של סיבים מעורבבים במטריצה אחת. כך ניתן להתאים חומר חדש עם שילוב של תכונות. דוגמה לכך היא כאשר גם סיבי פחמן וגם סיבי זכוכית משולבים בשרף פולימרי. סיבי פחמן מספקים קשיחות וחוזק בצפיפות נמוכה אך הם יקרים. הזכוכית לעומת זאת זולה אך חסרה את הקשיחות של סיבי פחמן. הקומפוזיט ההיברידי מזכוכית-פחמן חזק וקשיח יותר וניתן לייצרו בעלות נמוכה יותר.
עיבוד של חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים: עבור פלסטיק רציף מחוזק בסיבים עם סיבים בפיזור אחיד המכוונים לאותו כיוון, אנו משתמשים בטכניקות הבאות.
PULTRUSION: מוטות, קורות וצינורות באורך רציף וחתכים קבועים מיוצרים. רצועות סיבים רציפים מוספגים בשרף תרמוסטי ונמשכים דרך תבנית פלדה כדי ליצור אותם מראש לצורה הרצויה. לאחר מכן, הם עוברים דרך תבנית ריפוי במכונה מדויקת כדי להגיע לצורתה הסופית. מכיוון שתבנית הריפוי מחוממת, היא מרפאה את מטריצת השרף. מושכים שואבים את החומר דרך הקוביות. באמצעות ליבות חלולות מוכנסות, אנו מסוגלים להשיג צינורות וגיאומטריות חלולות. שיטת ה-pultrusion היא אוטומטית ומציעה לנו קצבי ייצור גבוהים. ניתן לייצר כל אורך של מוצר. 
תהליך ייצור PREPREG: Prepreg הוא חיזוק סיבים רציפים הספוג מראש בשרף פולימרי שנרפא חלקית. זה נמצא בשימוש נרחב עבור יישומים מבניים. החומר מגיע בצורת קלטת ונשלח כקלטת. היצרן מעצב אותו ישירות ומרפא אותו במלואו ללא צורך בהוספת שרף. מכיוון שהפרפרים עוברים תגובות ריפוי בטמפרטורת החדר, הם מאוחסנים בטמפרטורות של 0 מעלות צלזיוס או נמוכות יותר. לאחר השימוש שאר הקלטות מאוחסנות בחזרה בטמפרטורות נמוכות. נעשה שימוש בשרף תרמופלסטי ותרמוסטי ונפוצים סיבי חיזוק של פחמן, ארמיד וזכוכית. כדי להשתמש ב-prepregs, תחילה מסירים את נייר הגיבוי של הנשא ולאחר מכן מבוצעת הייצור על ידי הנחת סרט ה-prepreg על משטח מנוצל (תהליך ה-lay-up). ניתן להניח מספר שכבות כדי להשיג את העובי הרצוי. תרגול תכוף הוא להחליף את כיוון הסיבים כדי לייצר לרבד צולב או זווית. לבסוף מופעלים חום ולחץ לצורך ריפוי. גם עיבוד ידני וגם תהליכים אוטומטיים משמשים לחיתוך prepregs והנחת.
פיתול נימה: סיבי חיזוק רציפים ממוקמים במדויק בתבנית קבועה מראש כדי לעקוב אחר צורה   חלולה ובדרך כלל מחזורית. הסיבים עוברים תחילה אמבט שרף ולאחר מכן נרפפים על גבי ציר על ידי מערכת אוטומטית. לאחר מספר חזרות פיתולים מתקבלים עוביים רצויים ומתבצע אשפרה או בטמפרטורת החדר או בתוך תנור. כעת מסירים את המדרל ומפרקים את המוצר. פיתול נימה יכול להציע יחסי חוזק למשקל גבוהים מאוד על ידי סלילה של הסיבים בדפוסים היקפיים, סלילניים וקוטביים. צינורות, מיכלים, מארזים מיוצרים בטכניקה זו. 

 

• חומרים מרוכבים מבניים: בדרך כלל אלה מורכבים מחומרים הומוגניים ומרוכבים כאחד. לכן המאפיינים של אלה נקבעים על ידי החומרים המרכיבים והעיצוב הגיאומטרי של האלמנטים שלו. להלן הסוגים העיקריים:
חומרים מרוכבים למינריים: חומרים מבניים אלה עשויים מיריעות או לוחות דו מימדיים עם כיוונים מועדפים בעלי חוזק גבוה. השכבות מוערמות ומוצקות יחד. על ידי החלפת כיווני החוזק הגבוה בשני הצירים הניצבים, נקבל קומפוזיט בעל חוזק גבוה בשני הכיוונים במישור הדו-ממדי. על ידי התאמת זוויות השכבות ניתן לייצר קומפוזיט בעל חוזק בכיוונים המועדפים. סקי מודרני מיוצר בדרך זו. 
לוחות סנדוויץ': חומרים מרוכבים מבניים אלה הם קלים אך עם זאת יש להם קשיחות וחוזק גבוהים. לוחות סנדוויץ' מורכבים משתי יריעות חיצוניות העשויות מחומר קשיח וחזק כמו סגסוגות אלומיניום, פלסטיק מחוזק בסיבים או פלדה וליבה בין היריעות החיצוניות. הליבה צריכה להיות קלת משקל ורוב הזמן בעלת מודול גמישות נמוך. חומרי ליבה פופולריים הם קצף פולימרי קשיח, עץ וחלות דבש. לוחות סנדוויץ' נמצאים בשימוש נרחב בתעשיית הבנייה כחומר קירוי, חומר רצפה או קירות, וגם בתעשיות התעופה והחלל.  

 

• ננו-מרוכבים: חומרים חדשים אלה מורכבים מחלקיקי חלקיקים בגודל ננו המשובצים במטריצה. באמצעות ננו מרוכבים נוכל לייצר חומרי גומי שהם מחסומים טובים מאוד לחדירת אוויר תוך שמירה על תכונות הגומי שלהם ללא שינוי.