Productie van composieten en composietmaterialen

Eenvoudig gedefinieerd, COMPOSIETEN of SAMENGESTELDE MATERIALEN zijn materialen die bestaan uit twee of meerdere materialen met verschillende fysische of chemische eigenschappen, maar wanneer ze worden gecombineerd, worden ze een materiaal dat anders is dan de samenstellende materialen. We moeten erop wijzen dat de samenstellende materialen gescheiden en onderscheiden blijven in de structuur. Het doel bij het vervaardigen van een composietmateriaal is om een product te verkrijgen dat superieur is aan de bestanddelen en dat de gewenste eigenschappen van elk bestanddeel combineert. Als voorbeeld; sterkte, een laag gewicht of een lagere prijs kunnen de drijfveer zijn achter het ontwerpen en produceren van een composiet. Het type composieten dat wij aanbieden zijn deeltjesversterkte composieten, vezelversterkte composieten waaronder keramische matrix / polymeermatrix / metaalmatrix / koolstof-koolstof / hybride composieten, structurele & gelamineerde & sandwich-gestructureerde composieten en nanocomposieten.

 

De fabricagetechnieken die we inzetten bij de fabricage van composietmaterialen zijn: Pultrusie, prepreg-productieprocessen, geavanceerde vezelplaatsing, filamentwikkeling, op maat gemaakte vezelplaatsing, glasvezelspray-lay-upproces, tuften, lanxide-proces, z-pinning.
Veel composietmaterialen bestaan uit twee fasen, de matrix, die continu is en de andere fase omringt; en de gedispergeerde fase die wordt omgeven door de matrix.
We raden u aan hier te klikken om:DOWNLOAD onze schematische illustraties van composieten en composietmaterialenproductie door AGS-TECH Inc.
Dit zal u helpen de informatie die we u hieronder verstrekken beter te begrijpen. 

 

• MET DEELTJES VERSTERKTE COMPOSIETEN : Deze categorie bestaat uit twee typen: composieten met grote deeltjes en dispersieversterkte composieten. In het eerste type kunnen deeltjes-matrix-interacties niet worden behandeld op atomair of moleculair niveau. In plaats daarvan is continuümmechanica geldig. Aan de andere kant zijn in dispersieversterkte composieten deeltjes over het algemeen veel kleiner in het bereik van tientallen nanometers. Een voorbeeld van composiet met grote deeltjes zijn polymeren waaraan vulstoffen zijn toegevoegd. De vulstoffen verbeteren de eigenschappen van het materiaal en kunnen een deel van het polymeervolume vervangen door een zuiniger materiaal. De volumefracties van de twee fasen beïnvloeden het gedrag van het composiet. Grote deeltjes composieten worden gebruikt met metalen, polymeren en keramiek. De CERMETS zijn voorbeelden van keramiek/metaal composieten. Onze meest voorkomende cermet is gecementeerd carbide. Het bestaat uit vuurvast carbidekeramiek zoals wolfraamcarbidedeeltjes in een matrix van een metaal zoals kobalt of nikkel. Deze hardmetalen composieten worden veel gebruikt als snijgereedschap voor gehard staal. De harde carbidedeeltjes zijn verantwoordelijk voor de snijwerking en hun taaiheid wordt versterkt door de ductiele metalen matrix. Zo verkrijgen we de voordelen van beide materialen in één composiet. Een ander veelvoorkomend voorbeeld van een composiet met grote deeltjes die we gebruiken, zijn roetdeeltjes gemengd met gevulkaniseerd rubber om een composiet te verkrijgen met een hoge treksterkte, taaiheid, scheur- en slijtvastheid. Een voorbeeld van een dispersieversterkte composiet zijn metalen en metaallegeringen die zijn versterkt en gehard door de uniforme dispersie van fijne deeltjes van een zeer hard en inert materiaal. Wanneer zeer kleine aluminiumoxidevlokken aan de aluminiummetaalmatrix worden toegevoegd, verkrijgen we gesinterd aluminiumpoeder dat een verbeterde sterkte bij hoge temperaturen heeft. 

 

• VEZELVERSTERKTE COMPOSIETEN : Deze categorie composieten is in feite de belangrijkste. Het te bereiken doel is een hoge sterkte en stijfheid per gewichtseenheid. De vezelsamenstelling, lengte, oriëntatie en concentratie in deze composieten is cruciaal bij het bepalen van de eigenschappen en bruikbaarheid van deze materialen. Er zijn drie groepen vezels die we gebruiken: snorharen, vezels en draden. WHISKERS zijn zeer dunne en lange eenkristallen. Ze behoren tot de sterkste materialen. Enkele voorbeelden van whiskermaterialen zijn grafiet, siliciumnitride, aluminiumoxide.  FIBERS daarentegen zijn meestal polymeren of keramiek en bevinden zich in polykristallijne of amorfe toestand. De derde groep zijn fijne DRADEN die relatief grote diameters hebben en vaak uit staal of wolfraam bestaan. Een voorbeeld van met draad versterkt composiet zijn autobanden waarin staaldraad in rubber is verwerkt. Afhankelijk van het matrixmateriaal hebben we de volgende composieten:
POLYMER-MATRIX-COMPOSIETEN: Deze zijn gemaakt van een polymeerhars en vezels als versterkingsbestanddeel. Een subgroep hiervan, genaamd glasvezelversterkte polymeer (GFRP) composieten, bevat continue of discontinue glasvezels in een polymeermatrix. Glas biedt een hoge sterkte, is economisch, gemakkelijk te verwerken tot vezels en is chemisch inert. De nadelen zijn hun beperkte stijfheid en stijfheid, waarbij de gebruikstemperaturen slechts 200 – 300 Celsius bedragen. Glasvezel is geschikt voor carrosserieën en transportmiddelen, carrosserieën van scheepsvoertuigen, opslagcontainers. Vanwege de beperkte stijfheid zijn ze niet geschikt voor ruimtevaart of bruggenbouw. De andere subgroep heet Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composite. Hier is koolstof ons vezelmateriaal in de polymeermatrix. Koolstof staat bekend om zijn hoge specifieke modulus en sterkte en zijn vermogen om deze bij hoge temperaturen te handhaven. Koolstofvezels kunnen ons standaard, intermediaire, hoge en ultrahoge trekmoduli bieden. Bovendien bieden koolstofvezels diverse fysieke en mechanische eigenschappen en zijn daarom geschikt voor verschillende op maat gemaakte technische toepassingen. CFRP-composieten kunnen worden overwogen om sport- en recreatieapparatuur, drukvaten en structurele componenten voor de ruimtevaart te vervaardigen. Nog een andere subgroep, de aramidevezelversterkte polymeercomposieten, zijn ook materialen met een hoge sterkte en modulus. Hun sterkte-gewichtsverhoudingen zijn opmerkelijk hoog. Aramidevezels zijn ook bekend onder de handelsnamen KEVLAR en NOMEX. Onder spanning presteren ze beter dan andere polymere vezelmaterialen, maar ze zijn zwak in compressie. Aramidevezels zijn taai, slagvast, kruip- en vermoeidheidsbestendig, stabiel bij hoge temperaturen, chemisch inert behalve tegen sterke zuren en basen. Aramidevezels worden veel gebruikt in sportartikelen, kogelvrije vesten, banden, touwen, glasvezelkabelmantels. Er bestaan andere vezelversterkende materialen, maar deze worden in mindere mate gebruikt. Dit zijn voornamelijk boor, siliciumcarbide en aluminiumoxide. Het polymeermatrixmateriaal aan de andere kant is ook kritisch. Het bepaalt de maximale gebruikstemperatuur van het composiet omdat het polymeer over het algemeen een lagere smelt- en afbraaktemperatuur heeft. Polyesters en vinylesters worden veel gebruikt als de polymeermatrix. Er worden ook harsen gebruikt en deze hebben een uitstekende vochtbestendigheid en mechanische eigenschappen. Polyimidehars kan bijvoorbeeld worden gebruikt tot ongeveer 230 graden Celsius. 
METAL-MATRIX COMPOSITES: In deze materialen gebruiken we een ductiele metalen matrix en de gebruikstemperaturen zijn over het algemeen hoger dan de samenstellende componenten. In vergelijking met polymeer-matrixcomposieten kunnen deze hogere bedrijfstemperaturen hebben, niet-ontvlambaar zijn en een betere weerstand tegen afbraak tegen organische vloeistoffen hebben. Ze zijn echter duurder. Versterkingsmaterialen zoals snorharen, deeltjes, continue en discontinue vezels; en matrixmaterialen zoals koper, aluminium, magnesium, titanium, superlegeringen worden algemeen gebruikt. Voorbeeldtoepassingen zijn motorcomponenten gemaakt van een aluminiumlegeringsmatrix versterkt met aluminiumoxide en koolstofvezels. 
CERAMIC-MATRIX COMPOSITES : Keramische materialen staan bekend om hun buitengewoon goede hoge temperatuurbetrouwbaarheid. Ze zijn echter erg bros en hebben lage waarden voor breuktaaiheid. Door deeltjes, vezels of snorharen van het ene keramiek in de matrix van het andere in te bedden, zijn we in staat composieten te bereiken met een hogere breuktaaiheid. Deze ingebedde materialen remmen in principe de scheurvoortplanting in de matrix door sommige mechanismen, zoals het afbuigen van de scheuruiteinden of het vormen van bruggen over scheurvlakken. Zo worden aluminiumoxiden die zijn versterkt met SiC-whiskers, gebruikt als snijgereedschapinzetstukken voor het bewerken van hardmetaallegeringen. Deze kunnen betere prestaties opleveren in vergelijking met gecementeerde carbiden.  
CARBON-CARBON COMPOSITES : Zowel de wapening als de matrix zijn van koolstof. Ze hebben hoge trekmoduli en sterke punten bij hoge temperaturen boven 2000 Celsius, kruipweerstand, hoge breuktaaiheden, lage thermische uitzettingscoëfficiënten, hoge thermische geleidbaarheid. Deze eigenschappen maken ze ideaal voor toepassingen die weerstand tegen thermische schokken vereisen. De zwakte van koolstof-koolstofcomposieten is echter de kwetsbaarheid ervan tegen oxidatie bij hoge temperaturen. Typische voorbeelden van gebruik zijn hete persvormen, geavanceerde fabricage van onderdelen van turbinemotoren. 
HYBRIDE COMPOSIETEN: Twee of meer verschillende soorten vezels worden gemengd in een enkele matrix. Zo kan men een nieuw materiaal op maat maken met een combinatie van eigenschappen. Een voorbeeld is wanneer zowel koolstof- als glasvezels worden opgenomen in een polymeerhars. Koolstofvezels bieden stijfheid en sterkte met een lage dichtheid, maar zijn duur. Het glas daarentegen is goedkoop, maar mist de stijfheid van koolstofvezels. Het hybride glas-koolstofcomposiet is sterker en taaier en kan tegen lagere kosten worden vervaardigd.
VERWERKING VAN VEZELVERSTERKTE COMPOSIETEN : Voor continue vezelversterkte kunststoffen met gelijkmatig verdeelde vezels in dezelfde richting gebruiken we de volgende technieken.
PULTRUSIE: Staven, balken en buizen van continue lengtes en constante doorsneden worden vervaardigd. Doorlopende vezelrovings zijn geïmpregneerd met een thermohardende hars en worden door een stalen matrijs getrokken om ze voor te vormen tot een gewenste vorm. Vervolgens gaan ze door een nauwkeurig bewerkte uithardingsmatrijs om hun uiteindelijke vorm te bereiken. Omdat de uithardingsmatrijs wordt verwarmd, hardt deze de harsmatrix uit. Trekkers trekken het materiaal door de matrijzen. Met behulp van ingestoken holle kernen zijn we in staat buizen en holle geometrieën te verkrijgen. De pultrusiemethode is geautomatiseerd en biedt ons hoge productiesnelheden. Elke lengte van het product is mogelijk om te produceren. 
PREPREG-PRODUCTIEPROCES : Prepreg is een continue vezelversterking die vooraf is geïmpregneerd met een gedeeltelijk uitgeharde polymeerhars. Het wordt veel gebruikt voor structurele toepassingen. Het materiaal wordt geleverd in tapevorm en wordt als tape verzonden. De fabrikant vormt het direct en hardt het volledig uit zonder de noodzaak om hars toe te voegen. Omdat prepregs uithardingsreacties ondergaan bij kamertemperatuur, worden ze bewaard bij 0 Celsius of lagere temperaturen. Na gebruik worden de resterende tapes weer bij lage temperaturen bewaard. Er worden thermoplastische en thermohardende harsen gebruikt en versterkingsvezels van koolstof, aramide en glas komen veel voor. Om prepregs te gebruiken, wordt eerst het rugpapier van de drager verwijderd en vervolgens wordt de fabricage uitgevoerd door de prepreg-tape op een bewerkt oppervlak te leggen (het oplegproces). Er kunnen meerdere lagen worden gelegd om de gewenste diktes te verkrijgen. Veel voorkomende praktijk is om de vezeloriëntatie af te wisselen om een kruislaag- of hoeklaaglaminaat te produceren. Ten slotte worden warmte en druk toegepast voor het uitharden. Zowel handmatige verwerking als geautomatiseerde processen worden gebruikt voor het snijden van prepregs en lay-up.
FILAMENTWINDING: Doorlopende versterkende vezels worden nauwkeurig gepositioneerd in een vooraf bepaald patroon om een holle  en meestal cyclindische vorm te volgen. De vezels gaan eerst door een harsbad en worden vervolgens door een geautomatiseerd systeem op een doorn gewikkeld. Na verschillende wikkelherhalingen worden de gewenste diktes verkregen en wordt de harding uitgevoerd bij kamertemperatuur of in een oven. Nu wordt de doorn verwijderd en wordt het product uit de vorm gehaald. Filamentwinding kan zeer hoge sterkte-gewichtsverhoudingen bieden door de vezels in omtreks-, spiraalvormige en polaire patronen te winden. Leidingen, tanks en omhulsels worden met deze techniek vervaardigd. 

 

• STRUCTURELE COMPOSIETEN : Deze bestaan doorgaans uit zowel homogene als composietmaterialen. Daarom worden de eigenschappen hiervan bepaald door de samenstellende materialen en het geometrische ontwerp van de elementen. Dit zijn de belangrijkste soorten:
LAMINAIR COMPOSITES: Deze structurele materialen zijn gemaakt van tweedimensionale platen of panelen met voorkeursrichtingen met hoge sterkte. Lagen worden op elkaar gestapeld en gecementeerd. Door de richtingen met hoge sterkte in de twee loodrechte assen af te wisselen, verkrijgen we een composiet met hoge sterkte in beide richtingen in het tweedimensionale vlak. Door de hoeken van de lagen aan te passen kan men een composiet vervaardigen met sterkte in de gewenste richtingen. Moderne ski wordt op deze manier vervaardigd. 
SANDWICH PANELEN: Deze structurele composieten zijn lichtgewicht maar hebben toch een hoge stijfheid en sterkte. Sandwichpanelen bestaan uit twee buitenplaten gemaakt van een stijf en sterk materiaal zoals aluminiumlegeringen, vezelversterkte kunststoffen of staal en een kern tussen de buitenplaten. De kern moet lichtgewicht zijn en meestal een lage elasticiteitsmodulus hebben. Populaire kernmaterialen zijn hard polymeerschuim, hout en honingraten. Sandwichpanelen worden veel gebruikt in de bouwsector als dakbedekking, vloer- of wandmateriaal en ook in de lucht- en ruimtevaartindustrie.  

 

• NANOCOMPOSIETEN: deze nieuwe materialen bestaan uit deeltjes van nanogrootte die zijn ingebed in een matrix. Met behulp van nanocomposieten kunnen we rubbermaterialen vervaardigen die zeer goede barrières vormen voor luchtpenetratie terwijl hun rubbereigenschappen ongewijzigd blijven.