Kompozitok és kompozit anyagok gyártása

Egyszerűen definiálva a KOMPOZITOK vagy KOMPOZIT ANYAGOK olyan anyagok, amelyek két vagy több anyagból állnak, eltérő fizikai vagy kémiai tulajdonságokkal, de kombinálva olyan anyaggá válnak, amely különbözik az alkotó anyagoktól. Rá kell mutatnunk, hogy az alkotó anyagok a szerkezetben különállóak és különállóak maradnak. A kompozit anyagok gyártása során az a cél, hogy olyan terméket kapjunk, amely felülmúlja az összetevőit, és egyesíti az egyes összetevők kívánt tulajdonságait. Mint például; szilárdság, kis súly vagy alacsonyabb ár lehet a motiváló tényező a kompozit tervezése és gyártása mögött. Az általunk kínált kompozit típusok részecske-erősítésű kompozitok, szálerősítésű kompozitok, beleértve a kerámia-mátrix / polimer-mátrix / fém-mátrix / szén-szén / hibrid kompozitokat, szerkezeti és laminált és szendvics-szerkezetű kompozitokat és nanokompozitokat.

 

A kompozit anyagok gyártásában alkalmazott gyártási technikák a következők: Pultruzió, prepreg gyártási eljárások, fejlett szálelhelyezés, száltekercselés, testreszabott szálelhelyezés, üvegszálas permetezési eljárás, tuftelés, lanxid eljárás, z-tűzés.
Sok kompozit anyag két fázisból áll, a mátrixból, amely folytonos és körülveszi a másik fázist; és a diszpergált fázist, amelyet a mátrix vesz körül.
Javasoljuk, hogy kattintson ideTöltsd le sematikus illusztrációinkat az AGS-TECH Inc. által gyártott kompozitokról és kompozit anyagokról.
Ez segít jobban megérteni az alább közölt információkat. 

 

• RÉSZECSKEL MEGERŐSÍTETT KOMPOZITOK: Ez a kategória két típusból áll: nagy szemcsés kompozitok és diszperziósan erősített kompozitok. Az előbbi típusnál a részecske-mátrix kölcsönhatások sem atomi, sem molekuláris szinten nem kezelhetők. Ehelyett a kontinuum mechanika érvényes. Másrészt a diszperziós szilárdságú kompozitokban a részecskék általában sokkal kisebbek, több tíz nanométeres tartományban. A nagy szemcsés kompozit példája a polimerek, amelyekhez töltőanyagokat adtak. A töltőanyagok javítják az anyag tulajdonságait, és a polimer térfogatának egy részét gazdaságosabb anyaggal helyettesíthetik. A két fázis térfogati hányada befolyásolja a kompozit viselkedését. A nagy szemcsés kompozitokat fémekkel, polimerekkel és kerámiákkal használják. A CERMETS a kerámia/fém kompozitok példái. A legelterjedtebb cermetünk a keményfém. Tűzálló karbid kerámiából, például volfrám-karbid részecskékből áll egy fém mátrixában, például kobaltban vagy nikkelben. Ezeket a keményfém kompozitokat széles körben használják vágószerszámként edzett acélhoz. A kemény karbid részecskék felelősek a forgácsolásért, szívósságukat pedig a képlékeny fémmátrix fokozza. Így mindkét anyag előnyeit egyetlen kompozitban kapjuk meg. Az általunk használt nagy részecskékből álló kompozitok másik gyakori példája a korom részecskék, amelyeket vulkanizált gumival keverünk össze, így nagy szakítószilárdságú, szívósságú, szakítószilárdságú és kopásállóságú kompozitot kapunk. A diszperziós szilárdságú kompozitra példa a fémek és fémötvözetek, amelyeket egy nagyon kemény és inert anyag finom részecskéinek egyenletes diszperziójával erősítettek meg és edzettek. Ha nagyon kis alumínium-oxid-pelyheket adunk az alumínium-fémmátrixhoz, szinterezett alumíniumport kapunk, amely fokozott magas hőmérsékleti szilárdsággal rendelkezik. 

 

• SZÁLLAL MEGERŐSÍTETT KOMPOZITOK: A kompozitok ezen kategóriája valójában a legfontosabb. Az elérendő cél a nagy szilárdság és merevség egységsúlyra vonatkoztatva. A szálak összetétele, hossza, orientációja és koncentrációja ezekben a kompozitokban kritikus fontosságú ezen anyagok tulajdonságainak és hasznosságának meghatározásában. Három szálcsoportot használunk: bajusz, rost és huzal. A WHISKERS nagyon vékony és hosszú egykristályok. A legerősebb anyagok közé tartoznak. Néhány példa a whisker anyagokra a grafit, szilícium-nitrid, alumínium-oxid. A  FIBRES viszont többnyire polimerek vagy kerámiák, és polikristályos vagy amorf állapotban vannak. A harmadik csoport a finomhuzalok, amelyek viszonylag nagy átmérőjűek, és gyakran acélból vagy volfrámból állnak. A dróttal megerősített kompozit példája az autógumik, amelyek acélhuzalt tartalmaznak a gumi belsejében. A mátrix anyagától függően a következő kompozitokat kínáljuk:
POLIMER-MATRIX KOMPOZITOK: Ezek polimer gyantából és szálakból készülnek, mint erősítő összetevő. Ezeknek az üvegszállal megerősített polimer (GFRP) kompozitok egy alcsoportja folytonos vagy nem folytonos üvegszálakat tartalmaz egy polimer mátrixon belül. Az üveg nagy szilárdságú, gazdaságos, könnyen szálká alakítható és kémiailag semleges. Hátránya korlátozott merevségük és merevségük, az üzemi hőmérséklet csak 200-300 Celsius fokig terjed. Az üvegszál alkalmas autókarosszériákhoz és szállítóeszközökhöz, tengeri járművek karosszériájához, tárolókonténerekhez. A korlátozott merevség miatt nem alkalmasak űrrepülésre vagy hidak készítésére. A másik alcsoport a Carbon Fiber-Reforced Polymer (CFRP) kompozit. Itt a szén a szálanyagunk a polimer mátrixban. A szén magas fajlagos modulusáról és szilárdságáról ismert, valamint arról, hogy képes ezeket magas hőmérsékleten fenntartani. A szénszálak szabványos, közepes, nagy és ultranagy szakítószilárdságú modulokat kínálnak számunkra. Ezen túlmenően a szénszálak változatos fizikai és mechanikai jellemzőket kínálnak, ezért alkalmasak különféle egyedi mérnöki alkalmazásokhoz. A CFRP kompozitok sport- és szabadidős felszerelések, nyomástartó edények és repülőgép-szerkezeti alkatrészek gyártására is alkalmasak. Egy másik alcsoport, az aramidszál-erősítésű polimer kompozitok szintén nagy szilárdságú és modulusú anyagok. Erősség-tömeg arányuk kiemelkedően magas. Az aramid szálak KEVLAR és NOMEX márkanéven is ismertek. Feszültség alatt jobban teljesítenek, mint más polimer szálas anyagok, de tömörítésük gyengébb. Az aramid szálak szívósak, ütésállóak, kúszás- és kifáradásállóak, magas hőmérsékleten stabilak, kémiailag semlegesek, kivéve az erős savakkal és lúgokkal szemben. Az aramid szálakat széles körben használják sportszerekben, golyóálló mellényekben, gumiabroncsokban, kötelekben, száloptikai kábelköpenyekben. Más szálerősítő anyagok is léteznek, de ezeket kisebb mértékben használják. Ezek elsősorban a bór, a szilícium-karbid, az alumínium-oxid. Másrészt a polimer mátrix anyaga szintén kritikus. Ez határozza meg a kompozit maximális üzemi hőmérsékletét, mivel a polimer általában alacsonyabb olvadási és bomlási hőmérséklettel rendelkezik. A poliésztereket és a vinil-észtereket széles körben használják polimer mátrixként. Gyantákat is használnak, amelyek kiváló nedvességállósággal és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Például a poliimid gyanta körülbelül 230 Celsius-fokig használható. 
FÉM-MÁTRIX KOMPOZITOK: Ezekben az anyagokban képlékeny fémmátrixot használunk, és az üzemi hőmérsékletek általában magasabbak, mint az alkotóelemeik. A polimer-mátrix kompozitokhoz képest ezek magasabb üzemi hőmérsékletűek, nem gyúlékonyak, és jobban ellenállnak a szerves folyadékokkal szemben. Ezek azonban drágábbak. Erősítő anyagok, például bordák, részecskék, folytonos és nem folytonos szálak; és mátrix anyagokat, például réz, alumínium, magnézium, titán, szuperötvözetek általánosan használják. Alkalmazási példák: alumínium-oxiddal és szénszálakkal megerősített alumíniumötvözet mátrixból készült motoralkatrészek. 
KERÁMIA-MATRIX KOMPOZITOK: A kerámia anyagok kiemelkedően jó magas hőmérsékleti megbízhatóságukról ismertek. Mindazonáltal nagyon törékenyek, és alacsony a törési szilárdságuk. Az egyik kerámia részecskéinek, rostjainak vagy bajuszainak beágyazásával egy másik kerámia mátrixába nagyobb törési szilárdságú kompozitokat érhetünk el. Ezek a beágyazott anyagok alapvetően gátolják a repedések terjedését a mátrixon belül bizonyos mechanizmusok révén, mint például a repedéscsúcsok eltérítése vagy a repedések felületein átívelő hidak kialakítása. Például a szilícium-karbid bordákkal megerősített alumínium-oxidokat vágószerszám-betétként használják keményfémötvözetek megmunkálásához. Ezek jobb teljesítményt mutatnak a cementált karbidokhoz képest.  
SZÉN-SZÉN KOMPOZITOK: Mind az erősítés, mind a mátrix karbon. Nagy szakítószilárdságuk van 2000 Celsius-fok feletti magas hőmérsékleten, kúszásállóságuk, nagy törési szilárdságuk, alacsony hőtágulási együtthatójuk és nagy hővezető képességük van. Ezek a tulajdonságok ideálissá teszik azokat a hősokkállóságot igénylő alkalmazásokhoz. A szén-szén kompozitok gyengesége azonban a magas hőmérsékleten történő oxidációval szembeni sebezhetőségük. Tipikus példák a felhasználásra a forró présformák, a fejlett turbinamotor-alkatrészek gyártása. 
HIBRID KOMPOZITOK: Két vagy több különböző típusú szálat kevernek össze egyetlen mátrixban. Így a tulajdonságok kombinációjával új anyagot lehet szabni. Példa erre, amikor szén- és üvegszálakat is beépítenek egy polimer gyantába. A szénszálak alacsony sűrűségű merevséget és szilárdságot biztosítanak, de drágák. Az üveg viszont olcsó, de hiányzik belőle a szénszál merevsége. Az üveg-szén hibrid kompozit erősebb és szívósabb, és alacsonyabb költséggel gyártható.
SZÁLLAL ERŐSÍTETT KOMPOZITOK FELDOLGOZÁSA: Folytonos szálerősítésű műanyagokhoz, amelyekben egyenletes eloszlású, azonos irányba orientált szálak a következő technikákat alkalmazzuk.
PULTRUZIÓ: Folyamatos hosszúságú és állandó keresztmetszetű rudakat, gerendákat és csöveket gyártanak. A folytonos szálas előfonatokat hőre keményedő gyantával impregnálják, és egy acél szerszámon keresztül húzzák a kívánt alakra. Ezután egy precíziósan megmunkált keményítőszerszámon mennek keresztül, hogy elérjék végső formáját. Mivel a keményítőszerszámot felmelegítik, a gyantamátrixot kikeményíti. A lehúzók áthúzzák az anyagot a matricákon. A behelyezett üreges magok segítségével csöveket és üreges geometriákat tudunk előállítani. A pultrúziós módszer automatizált, és magas termelési arányt kínál számunkra. Bármilyen hosszúságú termék gyártható. 
PREPREG GYÁRTÁSI FOLYAMAT: A Prepreg egy részlegesen kikeményedett polimer gyantával előimpregnált folytonos szálerősítő. Széles körben használják szerkezeti alkalmazásokhoz. Az anyag szalag formájában érkezik, és szalagként szállítják. A gyártó közvetlenül megformázza, és gyanta hozzáadása nélkül teljesen kikeményedik. Mivel a prepregek szobahőmérsékleten térhálósodási reakciókon mennek keresztül, 0 Celsius-fok vagy ennél alacsonyabb hőmérsékleten tárolják őket. Használat után a megmaradt szalagokat alacsony hőmérsékleten tároljuk. Hőre lágyuló és hőre keményedő gyantákat használnak, és gyakoriak a szén, aramid és üveg erősítőszálai. A prepreg használatához először eltávolítják a hordozó hátlappapírt, majd a gyártást úgy végzik el, hogy a prepreg szalagot egy szerszámozott felületre fektetik (a lay-up folyamat). A kívánt vastagság eléréséhez több réteget is fel lehet rakni. Gyakori gyakorlat az, hogy a szálak orientációját váltogatják kereszt- vagy szögrétegű laminátum előállításához. Végül hőt és nyomást alkalmazunk a kikeményítéshez. Mind a kézi megmunkálást, mind az automatizált folyamatokat alkalmazzák a prepregek vágásához és a felrakáshoz.
FILAMENT TEKERCSELÉSE: A folytonos erősítő szálak pontosan vannak elrendezve egy előre meghatározott mintában, hogy kövessék az üreges   és általában a kör alakú formát. A szálak először egy gyantafürdőn mennek keresztül, majd egy automata rendszerrel feltekerik egy tüskére. Többszöri tekercselés után megkapjuk a kívánt vastagságot, és a térhálósítást szobahőmérsékleten vagy kemencében végezzük. Most a tüskét eltávolítjuk, és a terméket szétszereljük. A száltekercselés nagyon magas szilárdság/tömeg arányt kínálhat a szálak kerületi, spirális és poláris mintázatú tekercselésével. A csövek, tartályok, burkolatok ezzel a technikával készülnek. 

 

• SZERKEZETI KOMPOZITOK: Általában ezek homogén és kompozit anyagokból állnak. Ezért ezek tulajdonságait az alkotó anyagok és az elemek geometriai kialakítása határozza meg. Íme a főbb típusok:
LAMINÁRIS KOMPOZITOK: Ezek a szerkezeti anyagok kétdimenziós lapokból vagy panelekből készülnek, előnyösen nagy szilárdságú irányokkal. A rétegeket egymásra rakják és összeragasztják. A két merőleges tengely nagy szilárdságú irányainak váltogatásával olyan kompozitot kapunk, amely a kétdimenziós síkban mindkét irányban nagy szilárdságú. A rétegek szögeinek beállításával a kívánt irányban szilárdságú kompozit készíthető. A modern sílécek így készülnek. 
SZendvicspanelek: Ezek a szerkezeti kompozitok könnyűek, de mégis nagy merevséggel és szilárdsággal rendelkeznek. A szendvicspanelek két külső lemezből állnak, amelyek merev és erős anyagból, például alumíniumötvözetből, szálerősítésű műanyagból vagy acélból készülnek, a külső lapok között pedig egy mag. A magnak könnyűnek kell lennie, és legtöbbször alacsony rugalmassági modulussal kell rendelkeznie. A népszerű maganyagok a merev polimer habok, a fa és a méhsejt. A szendvicspaneleket széles körben használják az építőiparban tetőfedő anyagként, padló- vagy falanyagként, valamint a repülőgépiparban is.  

 

• NANOKOMPOZITOK: Ezek az új anyagok mátrixba ágyazott nanoméretű részecskékből állnak. Nanokompozitok felhasználásával olyan gumianyagokat állíthatunk elő, amelyek nagyon jól gátolják a levegő behatolását, miközben a gumi tulajdonságai változatlanok.