Kompositt- og komposittmaterialproduksjon

Enkelt definert er KOMPOSITTER eller KOMPOSITTMATERIALER materialer som består av to eller flere materialer med forskjellige fysiske eller kjemiske egenskaper, men når de kombineres blir de et materiale som er annerledes enn de inngående materialene. Vi må påpeke at de inngående materialene forblir separate og distinkte i strukturen. Målet med å produsere et komposittmateriale er å oppnå et produkt som er overlegent enn dets bestanddeler og kombinerer hver komponents ønskede egenskaper. Som et eksempel; styrke, lav vekt eller lavere pris kan være motivasjonen bak å designe og produsere en kompositt. Den typen kompositter vi tilbyr er partikkelforsterkede kompositter, fiberarmerte kompositter inkludert keramisk-matrise / polymer-matrise / metall-matrise / karbon-karbon / hybrid kompositter, strukturelle og laminerte og sandwich-strukturerte kompositter og nanokompositter.

 

Fabrikasjonsteknikkene vi bruker i produksjon av komposittmaterialer er: Pultrusion, prepreg-produksjonsprosesser, avansert fiberplassering, filamentvikling, skreddersydd fiberplassering, glassfibersprayoppleggingsprosess, tufting, lanxide-prosess, z-pinning.
Mange komposittmaterialer består av to faser, matrisen, som er kontinuerlig og omgir den andre fasen; og den dispergerte fasen som er omgitt av matrisen.
Vi anbefaler at du klikker her for åLAST NED våre skjematiske illustrasjoner av kompositt- og komposittmaterialproduksjon av AGS-TECH Inc.
Dette vil hjelpe deg bedre å forstå informasjonen vi gir deg nedenfor. 

 

• Partikkelforsterkede kompositter: Denne kategorien består av to typer: kompositter med store partikler og dispersjonsforsterkede kompositter. I den førstnevnte typen kan ikke partikkel-matrise-interaksjoner behandles på atom- eller molekylnivå. I stedet er kontinuummekanikk gyldig. På den annen side, i dispersjonsforsterkede kompositter er partikler generelt mye mindre i titalls nanometerområder. Et eksempel på kompositt med store partikler er polymerer som fyllstoffer er tilsatt. Fyllstoffene forbedrer egenskapene til materialet og kan erstatte noe av polymervolumet med et mer økonomisk materiale. Volumfraksjonene av de to fasene påvirker oppførselen til kompositten. Store partikkelkompositter brukes med metaller, polymerer og keramikk. CERMETS er eksempler på keramiske/metallkompositter. Vår vanligste cermet er hardmetall. Den består av ildfast karbidkeramikk som wolframkarbidpartikler i en matrise av et metall som kobolt eller nikkel. Disse karbidkomposittene er mye brukt som skjæreverktøy for herdet stål. De harde karbidpartiklene er ansvarlige for kuttehandlingen, og deres seighet forsterkes av den duktile metallmatrisen. Dermed oppnår vi fordelene med begge materialene i en enkelt kompositt. Et annet vanlig eksempel på en kompositt med store partikler vi bruker er sotpartikler blandet med vulkanisert gummi for å oppnå en kompositt med høy strekkfasthet, seighet, rive- og slitestyrke. Et eksempel på en dispersjonsforsterket kompositt er metaller og metallegeringer styrket og herdet ved jevn dispersjon av fine partikler av et veldig hardt og inert materiale. Når svært små aluminiumoksidflak tilsettes aluminiummetallmatrisen får vi sintret aluminiumspulver som har en forbedret høytemperaturstyrke. 

 

• FIBERFORSTERKTE KOMPOSITTER: Denne kategorien kompositter er faktisk den viktigste. Målet å oppnå er høy styrke og stivhet per vektenhet. Fibersammensetningen, lengden, orienteringen og konsentrasjonen i disse komposittene er avgjørende for å bestemme egenskapene og nytten til disse materialene. Det er tre grupper av fibre vi bruker: værhår, fibre og ledninger. WHISKERS er veldig tynne og lange enkeltkrystaller. De er blant de sterkeste materialene. Noen eksempler på whiskermaterialer er grafitt, silisiumnitrid, aluminiumoksid.  FIBERS på den annen side er for det meste polymerer eller keramikk og er i polykrystallinsk eller amorf tilstand. Den tredje gruppen er fine TRÅDER som har relativt store diametre og som ofte består av stål eller wolfram. Et eksempel på trådforsterket kompositt er bildekk som inneholder ståltråd i gummi. Avhengig av matrisematerialet har vi følgende kompositter:
POLYMER-MATRIKS-KOMPOSITTER: Disse er laget av en polymerharpiks og fibre som forsterkende ingrediens. En undergruppe av disse kalt glassfiberforsterket polymer (GFRP)-kompositter inneholder kontinuerlige eller diskontinuerlige glassfibre i en polymermatrise. Glass gir høy styrke, det er økonomisk, lett å fremstille til fibre og er kjemisk inert. Ulempene er deres begrensede stivhet og stivhet, brukstemperaturer er bare opp til 200 – 300 Celsius. Glassfiber er egnet for karosserier og transportutstyr for biler, karosserier for marine kjøretøy, lagringscontainere. De er ikke egnet for romfart eller brobygging på grunn av begrenset stivhet. Den andre undergruppen kalles Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composite. Her er karbon vårt fibermateriale i polymermatrisen. Karbon er kjent for sin høye spesifikke modul og styrke og dens evne til å opprettholde disse ved høye temperaturer. Karbonfiber kan tilby oss standard, middels, høy og ultrahøy strekkmoduler. Dessuten tilbyr karbonfibre forskjellige fysiske og mekaniske egenskaper og er derfor egnet for forskjellige skreddersydde ingeniørapplikasjoner. CFRP-kompositter kan betraktes for å produsere sports- og fritidsutstyr, trykkbeholdere og strukturelle komponenter til romfart. En annen undergruppe, Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites, er også materialer med høy styrke og modulus. Deres styrke til vekt-forhold er enestående høye. Aramidfibre er også kjent under handelsnavnene KEVLAR og NOMEX. Under spenning presterer de bedre enn andre polymere fibermaterialer, men de er svake i kompresjon. Aramidfibre er seige, slagfaste, kryp- og tretthetsbestandige, stabile ved høye temperaturer, kjemisk inerte bortsett fra mot sterke syrer og baser. Aramidfibre er mye brukt i sportsutstyr, skuddsikre vester, dekk, tau, fiberoptiske kabelkapper. Andre fiberarmeringsmaterialer finnes, men brukes i mindre grad. Disse er hovedsakelig bor, silisiumkarbid, aluminiumoksid. Polymermatrisematerialet er på den annen side også kritisk. Den bestemmer den maksimale brukstemperaturen til kompositten fordi polymeren generelt har en lavere smelte- og nedbrytningstemperatur. Polyestere og vinylestere er mye brukt som polymermatrise. Harpikser brukes også og de har utmerket fuktmotstand og mekaniske egenskaper. For eksempel kan polyimidharpiks brukes opp til ca. 230 grader Celcius. 
METALL-MATRIX-KOMPOSITTER: I disse materialene bruker vi en duktil metallmatrise og brukstemperaturene er generelt høyere enn komponentene deres. Sammenlignet med polymer-matrise-kompositter, kan disse ha høyere driftstemperaturer, være ikke-brennbare og kan ha bedre nedbrytningsmotstand mot organiske væsker. Men de er dyrere. Forsterkende materialer som værhår, partikler, kontinuerlige og diskontinuerlige fibre; og matrisematerialer som kobber, aluminium, magnesium, titan, superlegeringer blir ofte brukt. Eksempler på bruksområder er motorkomponenter laget av matrise av aluminiumslegering forsterket med aluminiumoksid og karbonfibre. 
KERAMISK-MATRIKSKOMPOSITTER: Keramiske materialer er kjent for sin enestående høye temperaturpålitelighet. Imidlertid er de svært sprø og har lave verdier for bruddseighet. Ved å legge inn partikler, fibre eller værhår av en keramikk i matrisen til en annen, er vi i stand til å oppnå kompositter med høyere bruddseighet. Disse innebygde materialene hemmer i utgangspunktet sprekkforplantning inne i matrisen ved noen mekanismer som å avlede sprekkspissene eller danne broer over sprekkflater. Som et eksempel brukes alumina som er forsterket med SiC værhår som skjæreverktøy for maskinering av hardmetallegeringer. Disse kan avsløre bedre ytelse sammenlignet med sementerte karbider.  
KARBON-KARBONKOMPOSITTER: Både armeringen og matrisen er karbon. De har høye strekkmoduler og styrker ved høye temperaturer over 2000 Celsius, krypemotstand, høy bruddseighet, lave termiske ekspansjonskoeffisienter, høy varmeledningsevne. Disse egenskapene gjør dem ideelle for applikasjoner som krever motstand mot termisk støt. Svakheten til karbon-karbon-kompositter er imidlertid dens sårbarhet mot oksidasjon ved høye temperaturer. Typiske eksempler på bruk er varmpressende former, avansert produksjon av turbinmotorkomponenter. 
HYBRIDKOMPOSITTER: To eller flere forskjellige typer fibre er blandet i en enkelt matrise. Man kan dermed skreddersy et nytt materiale med en kombinasjon av egenskaper. Et eksempel er når både karbon- og glassfiber er inkorporert i en polymerharpiks. Karbonfibre gir stivhet og styrke med lav tetthet, men er dyre. Glasset på den annen side er billig, men mangler stivheten til karbonfibre. Glass-karbon-hybridkompositten er sterkere og tøffere og kan produseres til en lavere pris.
BEHANDLING AV FIBERFORSTERKTE KOMPOSITTER: For kontinuerlig fiberarmert plast med jevnt fordelte fibre orientert i samme retning bruker vi følgende teknikker.
PULTRUSJON: Det produseres stenger, bjelker og rør med kontinuerlige lengder og konstant tverrsnitt. Kontinuerlige fiberrovinger er impregnert med en termoherdende harpiks og trekkes gjennom en ståldyse for å forforme dem til ønsket form. Deretter passerer de gjennom en presisjonsbearbeidet herdeform for å oppnå sin endelige form. Siden herdedysen er oppvarmet, herder den harpiksmatrisen. Avtrekkere trekker materialet gjennom dysene. Ved å bruke innsatte hule kjerner er vi i stand til å skaffe rør og hule geometrier. Pultruderingsmetoden er automatisert og gir oss høye produksjonshastigheter. Enhver lengde på produktet er mulig å produsere. 
PREPREG PRODUKSJONSPROSESS: Prepreg er en kontinuerlig fiberarmering preimpregnert med en delvis herdet polymerharpiks. Det er mye brukt for strukturelle applikasjoner. Materialet kommer i tapeform og sendes som tape. Produsenten støper den direkte og herder den fullstendig uten å måtte tilsette harpiks. Siden prepregs gjennomgår herdereaksjoner ved romtemperatur, lagres de ved 0 Celsius eller lavere temperaturer. Etter bruk lagres de resterende båndene tilbake ved lave temperaturer. Termoplastiske og herdeplastiske harpikser brukes og armeringsfibre av karbon, aramid og glass er vanlige. For å bruke prepreg, fjernes først bærepapiret, og deretter utføres fabrikasjonen ved å legge prepreg-tapen på en bearbeidet overflate (oppleggsprosessen). Flere lag kan legges opp for å oppnå ønsket tykkelse. Hyppig praksis er å alternere fiberorienteringen for å produsere et tverrlags- eller vinkellagslaminat. Til slutt påføres varme og trykk for herding. Både håndbearbeiding og automatiserte prosesser brukes til å kutte prepregs og lay-up.
FILAMENTVIKLING: Kontinuerlige forsterkende fibre er nøyaktig plassert i et forhåndsbestemt mønster for å følge en hul   og vanligvis sylindirisk form. Fibrene går først gjennom et harpiksbad og vikles deretter på en dor av et automatisert system. Etter flere viklingsrepetisjoner oppnås ønskede tykkelser og herding utføres enten ved romtemperatur eller inne i en ovn. Nå fjernes doren og produktet fjernes fra formen. Filamentvikling kan tilby svært høye styrke-til-vekt-forhold ved å vikle fibrene i periferiske, spiralformede og polare mønstre. Rør, tanker, foringsrør er produsert ved hjelp av denne teknikken. 

 

• STRUKTURELLE KOMPOSITTER: Vanligvis er disse laget av både homogene og komposittmaterialer. Derfor bestemmes egenskapene til disse av de inngående materialene og den geometriske utformingen av elementene. Her er hovedtypene:
LAMINÆRE KOMPOSITTER: Disse strukturelle materialene er laget av todimensjonale plater eller paneler med foretrukne retninger med høy styrke. Lagene stables og sementeres sammen. Ved å alternere høystyrkeretningene i de to perpendikulære aksene får vi en kompositt som har høy styrke i begge retninger i det todimensjonale planet. Ved å justere vinklene på lagene kan man fremstille en kompositt med styrke i de foretrukne retningene. Moderne ski er produsert på denne måten. 
SANDWICHPANELER: Disse strukturelle komposittene er lette, men har likevel høy stivhet og styrke. Sandwichpaneler består av to ytre plater laget av et stivt og sterkt materiale som aluminiumslegeringer, fiberarmert plast eller stål og en kjerne mellom de ytre platene. Kjernen må være lett og mesteparten av tiden ha en lav elastisitetsmodul. Populære kjernematerialer er stivt polymerskum, tre og honningkaker. Sandwichpaneler er mye brukt i byggebransjen som takmateriale, gulv- eller veggmateriale, og også i romfartsindustrien.  

 

• NANOKOMPOSITTER: Disse nye materialene består av partikler i nanostørrelse innebygd i en matrise. Ved å bruke nanokompositter kan vi produsere gummimaterialer som er svært gode barrierer mot luftinntrengning, samtidig som gummiegenskapene opprettholdes uendret.