Produkcja kompozytów i materiałów kompozytowych

W uproszczeniu, KOMPOZYTY lub MATERIAŁY KOMPOZYTOWE to materiały składające się z dwóch lub wielu materiałów o różnych właściwościach fizycznych lub chemicznych, ale po połączeniu stają się materiałem innym niż materiały składowe. Należy zaznaczyć, że materiały składowe pozostają odrębne i odrębne w strukturze. Celem wytwarzania materiału kompozytowego jest uzyskanie produktu, który jest lepszy niż jego składniki i łączy pożądane cechy każdego składnika. Jako przykład; wytrzymałość, niska waga czy niższa cena mogą być motywacją do zaprojektowania i wyprodukowania kompozytu. Rodzaje oferowanych przez nas kompozytów to kompozyty wzmacniane cząsteczkami, kompozyty wzmacniane włóknami, w tym kompozyty z osnową ceramiczną/polimerową/metalową/węglowo-węglową/hybrydową, kompozyty strukturalne, laminowane i warstwowe oraz nanokompozyty.

 

Techniki wytwarzania, które stosujemy w produkcji materiałów kompozytowych, to: Pultruzja, procesy produkcji prepregów, zaawansowane umieszczanie włókien, nawijanie włókien, dopasowane umieszczanie włókien, proces nakładania natryskowego włókna szklanego, tuftowanie, proces lanxide, z-pinning.
Wiele materiałów kompozytowych składa się z dwóch faz, matrycy, która jest ciągła i otacza drugą fazę; oraz fazę rozproszoną, która jest otoczona przez matrycę.
Zalecamy kliknięcie tutaj, abyPOBIERZ nasze schematyczne ilustracje produkcji kompozytów i materiałów kompozytowych przez AGS-TECH Inc.
Pomoże Ci to lepiej zrozumieć informacje, które udostępniamy poniżej. 

 

• KOMPOZYTY WZMOCNIONE CZĄSTECZKAMI: Ta kategoria obejmuje dwa typy: kompozyty wielkocząsteczkowe i kompozyty wzmocnione dyspersyjnie. W pierwszym typie oddziaływań cząstka-matryca nie można traktować na poziomie atomowym lub molekularnym. Zamiast tego obowiązuje mechanika kontinuum. Z drugiej strony, w kompozytach wzmocnionych dyspersyjnie cząstki są na ogół znacznie mniejsze w zakresie kilkudziesięciu nanometrów. Przykładem kompozytu wielkocząsteczkowego są polimery, do których dodano wypełniacze. Wypełniacze poprawiają właściwości materiału i mogą zastąpić część objętości polimeru bardziej ekonomicznym materiałem. Udziały objętościowe dwóch faz wpływają na zachowanie kompozytu. Kompozyty wielkocząsteczkowe są stosowane z metalami, polimerami i ceramiką. CERMETS są przykładami kompozytów ceramiczno-metalowych. Naszym najczęstszym cermetalem jest węglik spiekany. Składa się z ogniotrwałej ceramiki węglikowej, takiej jak cząstki węglika wolframu w osnowie z metalu, takiego jak kobalt lub nikiel. Te kompozyty węglikowe są szeroko stosowane jako narzędzia skrawające do stali hartowanej. Cząstki twardego węglika są odpowiedzialne za cięcie, a ich ciągliwość jest wzmocniona przez plastyczną osnowę metalową. W ten sposób uzyskujemy zalety obu materiałów w jednym kompozycie. Innym powszechnym przykładem stosowanego przez nas kompozytu wielkocząsteczkowego są cząstki sadzy zmieszane z wulkanizowaną gumą w celu uzyskania kompozytu o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, twardości, rozdzieraniu i ścieraniu. Przykładem kompozytu wzmocnionego dyspersyjnie są metale i stopy metali wzmocnione i utwardzone równomierną dyspersją drobnych cząstek bardzo twardego i obojętnego materiału. Po dodaniu bardzo małych płatków tlenku glinu do aluminiowej matrycy metalowej otrzymujemy spiekany proszek aluminiowy, który ma zwiększoną wytrzymałość w wysokich temperaturach. 

 

• KOMPOZYTY WZMOCNIONE WŁÓKNEM: Ta kategoria kompozytów jest w rzeczywistości najważniejsza. Celem do osiągnięcia jest wysoka wytrzymałość i sztywność na jednostkę masy. Skład włókien, długość, orientacja i koncentracja w tych kompozytach ma kluczowe znaczenie dla określenia właściwości i przydatności tych materiałów. Stosowane są trzy grupy włókien: wiskery, włókna i druty. WĄSY to bardzo cienkie i długie monokryształy. Są jednymi z najmocniejszych materiałów. Niektóre przykładowe materiały typu wiskery to grafit, azotek krzemu, tlenek glinu.  FIBERS z drugiej strony to głównie polimery lub ceramika i występują w stanie polikrystalicznym lub amorficznym. Trzecia grupa to cienkie DRUTY, które mają stosunkowo duże średnice i często składają się ze stali lub wolframu. Przykładem kompozytu zbrojonego drutem są opony samochodowe, które zawierają stalowy drut wewnątrz gumy. W zależności od materiału osnowy mamy kompozyty:
KOMPOZYTY POLIMER-MATRIX: są wykonane z żywicy polimerowej i włókien jako składnika wzmacniającego. Podgrupa tych, zwana kompozytami polimerowymi wzmacnianymi włóknem szklanym (GFRP), zawiera ciągłe lub nieciągłe włókna szklane w matrycy polimerowej. Szkło oferuje wysoką wytrzymałość, jest ekonomiczne, łatwe do przetworzenia na włókna i jest chemicznie obojętne. Wadą jest ich ograniczona sztywność i sztywność, a temperatury pracy wynoszą tylko do 200 – 300 stopni Celsjusza. Włókno szklane nadaje się do nadwozi samochodowych i sprzętu transportowego, nadwozi pojazdów morskich, pojemników magazynowych. Ze względu na ograniczoną sztywność nie nadają się do przemysłu lotniczego ani mostów. Druga podgrupa nosi nazwę kompozyt polimerowy wzmocniony włóknem węglowym (CFRP). Tutaj węgiel jest naszym materiałem włóknistym w matrycy polimerowej. Węgiel znany jest z wysokiego modułu właściwego i wytrzymałości oraz zdolności do utrzymywania ich w wysokich temperaturach. Włókna węglowe oferują nam standardowe, pośrednie, wysokie i ultrawysokie moduły rozciągania. Ponadto włókna węglowe oferują różnorodne właściwości fizyczne i mechaniczne, a zatem nadają się do różnych niestandardowych zastosowań inżynierskich. Kompozyty CFRP mogą być brane pod uwagę do produkcji sprzętu sportowego i rekreacyjnego, zbiorników ciśnieniowych i lotniczych elementów konstrukcyjnych. Jeszcze inna podgrupa, kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem aramidowym, to również materiały o wysokiej wytrzymałości i module. Ich stosunek wytrzymałości do masy jest wyjątkowo wysoki. Włókna aramidowe znane są również pod nazwami handlowymi KEVLAR i NOMEX. Pod napięciem zachowują się lepiej niż inne materiały z włókien polimerowych, ale są słabe w ściskaniu. Włókna aramidowe są wytrzymałe, odporne na uderzenia, pełzanie i zmęczenie, stabilne w wysokich temperaturach, chemicznie obojętne, z wyjątkiem silnych kwasów i zasad. Włókna aramidowe są szeroko stosowane w artykułach sportowych, kamizelkach kuloodpornych, oponach, linach, osłonach kabli światłowodowych. Istnieją inne materiały wzmacniające włókna, ale są stosowane w mniejszym stopniu. Są to głównie bor, węglik krzemu, głównie tlenek glinu. Z drugiej strony, materiał matrycy polimerowej jest również krytyczny. Określa maksymalną temperaturę pracy kompozytu, ponieważ polimer ma na ogół niższą temperaturę topnienia i degradacji. Jako matrycę polimerową szeroko stosuje się poliestry i estry winylowe. Stosowane są również żywice, które mają doskonałą odporność na wilgoć i właściwości mechaniczne. Na przykład żywica poliimidowa może być używana do około 230 stopni Celsjusza. 
KOMPOZYTY METAL-MATRIX : W tych materiałach stosujemy ciągliwą osnowę metalową, a temperatury pracy są generalnie wyższe niż ich składników. W porównaniu z kompozytami z matrycą polimerową mogą one mieć wyższe temperatury robocze, być niepalne i mogą mieć lepszą odporność na degradację w stosunku do płynów organicznych. Są jednak droższe. Materiały wzmacniające, takie jak wiskery, cząstki stałe, włókna ciągłe i nieciągłe; oraz powszechnie stosowane są materiały osnowy, takie jak miedź, aluminium, magnez, tytan, nadstopy. Przykładowe zastosowania to elementy silnika wykonane z matrycy ze stopu aluminium wzmocnionego tlenkiem aluminium i włóknami węglowymi. 
KOMPOZYTY CERAMIC-MATRIX : Materiały ceramiczne są znane ze swojej wyjątkowo dobrej niezawodności w wysokich temperaturach. Są jednak bardzo kruche i mają niskie wartości odporności na pękanie. Osadzając cząstki, włókna lub wiskery jednej ceramiki w osnowie drugiej jesteśmy w stanie uzyskać kompozyty o wyższej odporności na pękanie. Te osadzone materiały zasadniczo hamują propagację pęknięć wewnątrz matrycy przez pewne mechanizmy, takie jak odchylanie wierzchołków pęknięć lub tworzenie mostków na powierzchniach pęknięć. Na przykład tlenki glinu wzmocnione wiskerami SiC są stosowane jako płytki narzędzi skrawających do obróbki stopów metali twardych. Mogą one wykazywać lepsze osiągi w porównaniu do węglików spiekanych.  
KOMPOZYTY WĘGLOWE-WĘGLOWE: Zarówno wzmocnienie, jak i matryca są wykonane z węgla. Charakteryzują się wysokimi modułami rozciągania i wytrzymałościami w wysokich temperaturach powyżej 2000 stopni Celsjusza, odpornością na pełzanie, wysoką odpornością na pękanie, niskimi współczynnikami rozszerzalności cieplnej, wysoką przewodnością cieplną. Te właściwości czynią je idealnymi do zastosowań wymagających odporności na szok termiczny. Słabością kompozytów węglowo-węglowych jest jednak ich podatność na utlenianie w wysokich temperaturach. Typowymi przykładami zastosowania są formy do prasowania na gorąco, produkcja zaawansowanych podzespołów silników turbinowych. 
KOMPOZYTY HYBRYDOWE: W jednej matrycy miesza się dwa lub więcej różnych rodzajów włókien. W ten sposób można dostosować nowy materiał z kombinacją właściwości. Przykładem jest wprowadzenie do żywicy polimerowej zarówno włókien węglowych, jak i szklanych. Włókna węglowe zapewniają sztywność i wytrzymałość o niskiej gęstości, ale są drogie. Z drugiej strony szkło jest niedrogie, ale brakuje mu sztywności włókien węglowych. Hybrydowy kompozyt szklano-węglowy jest mocniejszy i twardszy i może być wytwarzany po niższych kosztach.
OBRÓBKA KOMPOZYTÓW WZMOCNIONYCH WŁÓKNAMI: W przypadku ciągłych tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknami z równomiernie rozłożonymi włóknami zorientowanymi w tym samym kierunku stosujemy następujące techniki.
PULTRUZJA: Produkowane są pręty, belki i rury o ciągłych długościach i stałych przekrojach. Rowingi z włókien ciągłych są impregnowane żywicą termoutwardzalną i przeciągane przez stalową matrycę, aby wstępnie uformować je w pożądany kształt. Następnie przechodzą przez precyzyjnie obrobioną matrycę utwardzającą, aby uzyskać ostateczny kształt. Ponieważ matryca utwardzająca jest podgrzewana, utwardza matrycę żywiczną. Ściągacze przeciągają materiał przez matryce. Dzięki wstawianym pustym rdzeniom jesteśmy w stanie uzyskać rury i puste geometrie. Metoda pultruzji jest zautomatyzowana i oferuje nam wysokie tempo produkcji. Można wyprodukować dowolną długość produktu. 
PROCES PRODUKCJI PREPREGU: Prepreg to zbrojenie z włókien ciągłych wstępnie impregnowane częściowo utwardzoną żywicą polimerową. Jest szeroko stosowany do zastosowań konstrukcyjnych. Materiał jest dostarczany w formie taśmy i wysyłany jako taśma. Producent formuje go bezpośrednio i całkowicie utwardza bez konieczności dodawania żywicy. Ponieważ prepregi ulegają reakcjom utwardzania w temperaturze pokojowej, przechowuje się je w temperaturze 0 stopni Celsjusza lub niższej. Po użyciu pozostałe taśmy są przechowywane z powrotem w niskich temperaturach. Stosowane są żywice termoplastyczne i termoutwardzalne, a powszechnie stosowane są włókna wzmacniające z węgla, aramidu i szkła. Aby użyć prepregów, najpierw usuwa się papier podkładowy nośnika, a następnie wykonuje się produkcję poprzez nałożenie taśmy prepregowej na obrabianą powierzchnię (proces układania). Można ułożyć kilka warstw, aby uzyskać żądaną grubość. Częstą praktyką jest zmiana orientacji włókien w celu wytworzenia laminatu warstwowego lub warstwowego. Na koniec do utwardzania stosuje się ciepło i ciśnienie. Zarówno obróbka ręczna, jak i procesy zautomatyzowane są stosowane do cięcia prepregów i lay-upów.
NAWIJANIE WŁÓKNA: Ciągłe włókna wzmacniające są dokładnie rozmieszczone we wcześniej ustalonym wzorze, podążając za wydrążonym   i zwykle o kształcie cyklindycznym. Włókna najpierw przechodzą przez kąpiel w żywicy, a następnie są nawijane na trzpień przez zautomatyzowany system. Po kilku powtórzeniach nawijania uzyskuje się żądaną grubość, a utwardzanie przeprowadza się albo w temperaturze pokojowej, albo w piecu. Teraz trzpień jest usuwany, a produkt jest zdejmowany. Nawijanie włókien może oferować bardzo wysoki stosunek wytrzymałości do masy dzięki nawijaniu włókien we wzory obwodowe, śrubowe i biegunowe. Rury, zbiorniki, obudowy są produkowane tą techniką. 

 

• KOMPOZYTY STRUKTURALNE: Generalnie składają się z materiałów jednorodnych i kompozytowych. Dlatego ich właściwości są determinowane przez materiały składowe i konstrukcję geometryczną jej elementów. Oto główne typy:
KOMPOZYTY LAMINARNE: Te materiały konstrukcyjne są wykonane z dwuwymiarowych arkuszy lub paneli o preferowanych kierunkach o wysokiej wytrzymałości. Warstwy są układane i klejone razem. Zmieniając kierunki o wysokiej wytrzymałości w dwóch prostopadłych osiach, otrzymujemy kompozyt o wysokiej wytrzymałości w obu kierunkach w płaszczyźnie dwuwymiarowej. Dopasowując kąty warstw można wytworzyć kompozyt o wytrzymałości w preferowanych kierunkach. W ten sposób powstają nowoczesne narty. 
PANELE WARSTWOWE: Te kompozyty strukturalne są lekkie, ale mają wysoką sztywność i wytrzymałość. Panele warstwowe składają się z dwóch zewnętrznych arkuszy wykonanych ze sztywnego i wytrzymałego materiału, takiego jak stopy aluminium, tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami lub stal oraz rdzeń pomiędzy arkuszami zewnętrznymi. Rdzeń musi być lekki i przez większość czasu mieć niski moduł sprężystości. Popularne materiały rdzeniowe to sztywne pianki polimerowe, drewno i plastry miodu. Płyty warstwowe są szeroko stosowane w budownictwie jako materiał na pokrycia dachowe, materiał podłogowy lub ścienny, a także w przemyśle lotniczym.  

 

• NANOKOMPOZYTY: Te nowe materiały składają się z cząstek o rozmiarach nanometrowych osadzonych w matrycy. Używając nanokompozytów możemy wytwarzać materiały gumowe, które są bardzo dobrą barierą dla przenikania powietrza, zachowując przy tym niezmienione właściwości gumy.