Kompoziti i proizvodnja kompozitnih materijala

Jednostavno definirani, KOMPOZITI ili KOMPOZITNI MATERIJALI su materijali koji se sastoje od dva ili više materijala s različitim fizičkim ili kemijskim svojstvima, ali kada se kombiniraju postaju materijal koji se razlikuje od sastavnih materijala. Moramo istaknuti da sastavni materijali ostaju odvojeni i različiti u strukturi. Cilj u proizvodnji kompozitnog materijala je dobiti proizvod koji je bolji od svojih sastojaka i kombinira željena svojstva svakog sastojka. Kao primjer; snaga, mala težina ili niža cijena mogu biti motivacija iza dizajniranja i proizvodnje kompozita. Vrsta kompozita koje nudimo su kompoziti ojačani česticama, kompoziti ojačani vlaknima uključujući kompozite keramičke matrice/polimerne matrice/metalne matrice/ugljik-ugljik/hibridne kompozite, strukturne i laminirane kompozite i kompozite sendvič strukture te nanokompozite.

 

Tehnike izrade koje primjenjujemo u proizvodnji kompozitnih materijala su: pultruzija, procesi proizvodnje preprega, napredno postavljanje vlakana, namotavanje filamenta, prilagođeno postavljanje vlakana, postupak postavljanja raspršivanjem staklenih vlakana, tufting, lanksidni postupak, z-pinning.
Mnogi kompozitni materijali sastoje se od dvije faze, matrice, koja je kontinuirana i okružuje drugu fazu; i disperzne faze koja je okružena matriksom.
Preporučujemo da kliknete ovdje zaPREUZMITE naše shematske ilustracije kompozita i proizvodnje kompozitnih materijala od strane AGS-TECH Inc.
To će vam pomoći da bolje razumijete informacije koje vam pružamo u nastavku. 

 

• KOMPOZITI OJAČANI ČESTICAMA: Ova se kategorija sastoji od dvije vrste: kompoziti s velikim česticama i kompoziti ojačani disperzijom. U prvom tipu, interakcije čestica-matrica ne mogu se tretirati na atomskoj ili molekularnoj razini. Umjesto toga vrijedi mehanika kontinuuma. S druge strane, u kompozitima ojačanim disperzijom čestice su općenito mnogo manje u rasponima desetaka nanometara. Primjer kompozita velikih čestica su polimeri kojima su dodana punila. Punila poboljšavaju svojstva materijala i mogu zamijeniti dio polimernog volumena s ekonomičnijim materijalom. Volumni udjeli dviju faza utječu na ponašanje kompozita. Kompoziti velikih čestica koriste se s metalima, polimerima i keramikom. KERMETI su primjeri keramičkih/metalnih kompozita. Naš najčešći kermet je cementni karbid. Sastoji se od vatrostalne karbidne keramike kao što su čestice volfram karbida u matrici metala kao što je kobalt ili nikal. Ovi karbidni kompoziti naširoko se koriste kao alati za rezanje kaljenog čelika. Čestice tvrdog karbida odgovorne su za djelovanje rezanja, a njihova žilavost je poboljšana duktilnom metalnom matricom. Tako dobivamo prednosti oba materijala u jednom kompozitu. Još jedan uobičajeni primjer kompozita s velikim česticama koji koristimo su čestice čađe pomiješane s vulkaniziranom gumom kako bi se dobio kompozit visoke vlačne čvrstoće, žilavosti, otpornosti na trganje i abraziju. Primjer kompozita ojačanog disperzijom su metali i metalne legure ojačani i očvrsnuti jednolikom disperzijom finih čestica vrlo tvrdog i inertnog materijala. Kada se vrlo male ljuskice aluminijevog oksida dodaju metalnoj matrici aluminija, dobivamo sinterirani aluminijski prah koji ima povećanu čvrstoću na visokim temperaturama. 

 

• KOMPOZITI OJAČANI VLAKNIMA: Ova kategorija kompozita je zapravo najvažnija. Cilj koji treba postići je visoka čvrstoća i krutost po jedinici težine. Sastav vlakana, duljina, orijentacija i koncentracija u ovim kompozitima ključni su za određivanje svojstava i korisnosti ovih materijala. Tri su skupine vlakana koje koristimo: brkovi, vlakna i žice. BRISOVI su vrlo tanki i dugi monokristali. Među najjačim su materijalima. Neki primjeri materijala za brkove su grafit, silicijev nitrid, aluminijev oksid.  VLAKNA su s druge strane uglavnom polimeri ili keramika i nalaze se u polikristalnom ili amorfnom stanju. Treća skupina su fine ŽICE koje imaju relativno velike promjere i često se sastoje od čelika ili volframa. Primjer kompozita ojačanog žicom su automobilske gume koje sadrže čeličnu žicu unutar gume. Ovisno o materijalu matrice, imamo sljedeće kompozite:
POLIMER-MATRIČNI KOMPOZITI: Izrađuju se od polimerne smole i vlakana kao sastojka za pojačanje. Podskupina ovih zvanih polimernih kompozita ojačanih staklenim vlaknima (GFRP) sadrži kontinuirana ili diskontinuirana staklena vlakna unutar polimerne matrice. Staklo nudi visoku čvrstoću, ekonomično je, lako se proizvodi u vlakna i kemijski je inertno. Nedostaci su njihova ograničena krutost i krutost, radne temperature su samo do 200 – 300 Celzijusa. Stakloplastika je prikladna za karoserije automobila i transportnu opremu, karoserije brodskih vozila, kontejnere za skladištenje. Nisu prikladni za zrakoplovstvo niti za izradu mostova zbog ograničene krutosti. Druga podskupina naziva se polimerni kompozit ojačan ugljičnim vlaknima (CFRP). Ovdje je ugljik naš vlaknasti materijal u polimernoj matrici. Ugljik je poznat po svom visokom specifičnom modulu i čvrstoći i sposobnosti da ih održava na visokim temperaturama. Karbonska vlakna nam mogu ponuditi standardne, srednje, visoke i ultravisoke vlačne module. Nadalje, ugljična vlakna nude različite fizičke i mehaničke karakteristike i stoga su prikladna za različite inženjerske primjene po mjeri. CFRP kompoziti mogu se smatrati za proizvodnju sportske i rekreacijske opreme, tlačnih posuda i konstrukcijskih komponenti za zrakoplovstvo. Ipak, druga podskupina, polimerni kompoziti ojačani aramidnim vlaknima također su materijali visoke čvrstoće i modula. Njihov omjer snage i težine je izuzetno visok. Aramidna vlakna poznata su i pod trgovačkim nazivima KEVLAR i NOMEX. Pod napetosti imaju bolje performanse od drugih materijala od polimernih vlakana, ali su slabi u kompresiji. Aramidna vlakna su čvrsta, otporna na udarce, puzanje i zamor, stabilna na visokim temperaturama, kemijski inertna osim protiv jakih kiselina i baza. Aramidna vlakna naširoko se koriste u sportskoj opremi, pancirnim prslucima, gumama, užadi, omotačima optičkih kabela. Postoje i drugi materijali za ojačanje vlaknima, ali se koriste u manjoj mjeri. To su uglavnom bor, silicijev karbid, aluminijev oksid. S druge strane, materijal polimerne matrice također je kritičan. Određuje maksimalnu radnu temperaturu kompozita jer polimer općenito ima nižu temperaturu taljenja i razgradnje. Poliesteri i vinil esteri naširoko se koriste kao polimerne matrice. Također se koriste smole koje imaju izvrsnu otpornost na vlagu i mehanička svojstva. Na primjer, poliimidna smola može se koristiti do oko 230 Celzijevih stupnjeva. 
KOMPOZITI METALNE MATRICE: U ovim materijalima koristimo duktilnu metalnu matricu, a radne temperature općenito su više nego njihove sastavne komponente. U usporedbi s kompozitima polimerne matrice, oni mogu imati više radne temperature, biti nezapaljivi i mogu imati bolju otpornost na razgradnju u organskim tekućinama. Međutim, oni su skuplji. Materijali za pojačanje kao što su vlakna, čestice, kontinuirana i diskontinuirana vlakna; i matrični materijali kao što su bakar, aluminij, magnezij, titan, superlegure se obično koriste. Primjeri primjene su komponente motora izrađene od matrice aluminijske legure ojačane aluminijevim oksidom i ugljičnim vlaknima. 
KOMPOZITI KERAMIKA-MATRICA: Keramički materijali poznati su po svojoj izvanredno dobroj pouzdanosti pri visokim temperaturama. Međutim, oni su vrlo krti i imaju niske vrijednosti za žilavost loma. Ugrađivanjem čestica, vlakana ili viskira jedne keramike u matricu druge možemo postići kompozite s većom otpornošću na lom. Ovi ugrađeni materijali u osnovi inhibiraju širenje pukotina unutar matrice nekim mehanizmima kao što je skretanje vrhova pukotina ili stvaranje mostova preko lica pukotina. Kao primjer, aluminijev oksid koji je ojačan SiC brkovima koristi se kao uložak alata za obradu tvrdih metalnih legura. Oni mogu pokazati bolje performanse u usporedbi s cementnim karbidima.  
KARBON-KARBON KOMPOZITI: I ojačanje kao i matrica su ugljik. Imaju visoke vlačne module i čvrstoće na visokim temperaturama iznad 2000 Celzijusa, otpornost na puzanje, visoku otpornost na lom, niske koeficijente toplinske ekspanzije, visoku toplinsku vodljivost. Ova svojstva ih čine idealnim za primjene koje zahtijevaju otpornost na toplinski udar. Međutim, slabost ugljik-ugljik kompozita je njihova osjetljivost na oksidaciju na visokim temperaturama. Tipični primjeri upotrebe su kalupi za vruće prešanje, proizvodnja naprednih komponenti turbinskih motora. 
HIBRIDNI KOMPOZITI: Dvije ili više različitih vrsta vlakana miješaju se u jednu matricu. Tako se može oblikovati novi materijal kombinacijom svojstava. Primjer je kada su i karbonska i staklena vlakna ugrađena u polimernu smolu. Karbonska vlakna daju krutost i snagu male gustoće, ali su skupa. Staklo je s druge strane jeftino, ali mu nedostaje krutost karbonskih vlakana. Staklo-ugljik hibridni kompozit je jači i čvršći i može se proizvoditi po nižoj cijeni.
OBRADA KOMPOZITA OJAČANIH VLAKNIMA: Za kontinuiranu plastiku ojačanu vlaknima s ravnomjerno raspoređenim vlaknima usmjerenim u istom smjeru koristimo sljedeće tehnike.
PULTRUZIJA: Izrađuju se šipke, grede i cijevi kontinuiranih duljina i konstantnih presjeka. Kontinuirana vlaknasta rovinga impregnirana su termoreaktivnom smolom i provučena kroz čeličnu matricu kako bi se prethodno oblikovala u željeni oblik. Zatim prolaze kroz precizno strojno izrađenu matricu za stvrdnjavanje kako bi postigli svoj konačni oblik. Budući da se matrica za stvrdnjavanje zagrijava, ona stvrdnjava matricu smole. Izvlakači izvlače materijal kroz matrice. Koristeći umetnute šuplje jezgre, možemo dobiti cijevi i šuplje geometrije. Metoda pultruzije je automatizirana i nudi nam visoke stope proizvodnje. Moguća je izrada bilo koje duljine proizvoda. 
PROIZVODNI PROCES PREPREGA: Prepreg je ojačanje od kontinuiranih vlakana prethodno impregnirano djelomično stvrdnutom polimernom smolom. Široko se koristi za strukturne primjene. Materijal dolazi u obliku trake i isporučuje se kao traka. Proizvođač ga izravno oblikuje i potpuno stvrdnjava bez potrebe za dodavanjem smole. Budući da se preprezi podvrgavaju reakcijama stvrdnjavanja na sobnoj temperaturi, skladište se na 0 C ili nižim temperaturama. Nakon upotrebe preostale trake pohranjuju se na niskim temperaturama. Koriste se termoplastične i termoreaktivne smole, a česta su i ojačavajuća vlakna od ugljika, aramida i stakla. Da bi se koristili prepregovi, najprije se uklanja noseći papir za podlogu, a zatim se izvodi izrada polaganjem prepreg trake na površinu obrađenu alatom (postupak postavljanja). Može se postaviti nekoliko slojeva kako bi se postigle željene debljine. Česta praksa je izmjenjivanje orijentacije vlakana kako bi se proizveo križni ili kutni laminat. Na kraju se primjenjuju toplina i pritisak za stvrdnjavanje. I ručna obrada kao i automatizirani procesi koriste se za rezanje preprega i postavljanje.
NAMOTAVANJE FILAMENTA: Kontinuirana ojačavajuća vlakna točno su postavljena u unaprijed određeni uzorak kako bi slijedila šuplji  i obično kružni oblik. Vlakna prvo prolaze kroz smolnu kupku, a zatim se pomoću automatiziranog sustava namotavaju na trn. Nakon nekoliko ponavljanja namotavanja postižu se željene debljine i stvrdnjavanje se izvodi na sobnoj temperaturi ili u pećnici. Sada je trn uklonjen i proizvod je izvađen iz kalupa. Namatanje filamenta može ponuditi vrlo visoke omjere čvrstoće i težine namotavanjem vlakana u obodnim, spiralnim i polarnim uzorcima. Cijevi, spremnici, kućišta proizvode se ovom tehnikom. 

 

• STRUKTURALNI KOMPOZITI: Općenito se sastoje od homogenih i kompozitnih materijala. Stoga su njihova svojstva određena sastavnim materijalima i geometrijskim dizajnom njegovih elemenata. Evo glavnih vrsta:
LAMINARNI KOMPOZITI: Ovi strukturni materijali izrađeni su od dvodimenzionalnih listova ili ploča s preferiranim smjerovima visoke čvrstoće. Slojevi se slažu i cementiraju zajedno. Izmjenom smjerova visoke čvrstoće u dvije okomite osi dobivamo kompozit koji ima veliku čvrstoću u oba smjera u dvodimenzionalnoj ravnini. Podešavanjem kutova slojeva može se proizvesti kompozit čvrstoće u željenim smjerovima. Moderne skije se proizvode na ovaj način. 
SENDVIČ PANELI: Ovi strukturni kompoziti su lagani, ali ipak imaju veliku krutost i snagu. Sendvič paneli se sastoje od dvije vanjske ploče izrađene od krutog i jakog materijala poput aluminijskih legura, plastike ojačane vlaknima ili čelika i jezgre između vanjskih ploča. Jezgra mora biti lagana i većinu vremena mora imati nizak modul elastičnosti. Popularni osnovni materijali su krute polimerne pjene, drvo i saće. Sendvič paneli naširoko se koriste u građevinskoj industriji kao krovni materijal, podni ili zidni materijal, a također i u zrakoplovnoj industriji.  

 

• NANOKOMPOZITI: Ovi novi materijali sastoje se od čestica nano veličine umetnutih u matricu. Korištenjem nanokompozita možemo proizvesti gumene materijale koji su vrlo dobre barijere za prodor zraka, a istovremeno zadržavaju nepromijenjena svojstva gume.