Výroba kompozitov a kompozitných materiálov

Jednoducho definované, KOMPOZITY alebo KOMPOZITNÉ MATERIÁLY sú materiály pozostávajúce z dvoch alebo viacerých materiálov s rôznymi fyzikálnymi alebo chemickými vlastnosťami, ale keď sa skombinujú, stanú sa materiálom, ktorý je odlišný od základných materiálov. Musíme zdôrazniť, že základné materiály zostávajú oddelené a odlišné v štruktúre. Cieľom pri výrobe kompozitného materiálu je získať produkt, ktorý je lepší ako jeho zložky a kombinuje požadované vlastnosti každej zložky. Ako príklad; pevnosť, nízka hmotnosť alebo nižšia cena môžu byť motiváciou pri navrhovaní a výrobe kompozitu. Typy kompozitov, ktoré ponúkame, sú časticami vystužené kompozity, vláknami vystužené kompozity vrátane kompozitov s keramickou matricou / polymérnou matricou / kovovou matricou / uhlík-uhlík / hybridných kompozitov, štruktúrne a laminované a sendvičové kompozity a nanokompozity.

 

Výrobné techniky, ktoré používame pri výrobe kompozitných materiálov, sú: Pultrúzia, výrobné procesy predimpregnovaných laminátov, pokročilé umiestňovanie vlákien, navíjanie vlákien, umiestňovanie vlákien na mieru, proces kladenia sklenených vlákien sprejom, všívanie, lanxidový proces, z-pinning.
Mnohé kompozitné materiály sa skladajú z dvoch fáz, matrice, ktorá je spojitá a obklopuje druhú fázu; a dispergovaná fáza, ktorá je obklopená matricou.
Odporúčame vám kliknúť semSTIAHNITE si naše schematické ilustrácie výroby kompozitov a kompozitných materiálov spoločnosťou AGS-TECH Inc.
Pomôže vám to lepšie porozumieť informáciám, ktoré vám poskytujeme nižšie. 

 

• KOMPOZITY VYZTUŽENÉ ČASTICAMI: Táto kategória pozostáva z dvoch typov: kompozity s veľkými časticami a kompozity spevnené disperziou. V prvom type interakcie častica-matrica nemôžu byť ošetrené na atómovej alebo molekulárnej úrovni. Namiesto toho platí mechanika kontinua. Na druhej strane v disperzne spevnených kompozitoch sú častice vo všeobecnosti oveľa menšie v rozsahu desiatok nanometrov. Príkladom kompozitu s veľkými časticami sú polyméry, do ktorých boli pridané plnivá. Plnivá zlepšujú vlastnosti materiálu a môžu nahradiť časť objemu polyméru ekonomickejším materiálom. Objemové podiely dvoch fáz ovplyvňujú správanie kompozitu. Kompozity s veľkými časticami sa používajú s kovmi, polymérmi a keramikou. CERMETY sú príklady keramických / kovových kompozitov. Náš najbežnejší cermet je slinutý karbid. Pozostáva zo žiaruvzdornej karbidovej keramiky, ako sú častice karbidu volfrámu v matrici z kovu, ako je kobalt alebo nikel. Tieto karbidové kompozity sú široko používané ako rezné nástroje pre kalenú oceľ. Častice tvrdého karbidu sú zodpovedné za rezný účinok a ich húževnatosť je zvýšená tvárnou kovovou matricou. Takto získame výhody oboch materiálov v jednom kompozite. Ďalším bežným príkladom kompozitu s veľkými časticami, ktorý používame, sú častice sadzí zmiešané s vulkanizovanou gumou na získanie kompozitu s vysokou pevnosťou v ťahu, húževnatosťou, odolnosťou proti roztrhnutiu a oderu. Príkladom disperzne spevneného kompozitu sú kovy a kovové zliatiny spevnené a vytvrdené rovnomernou disperziou jemných častíc veľmi tvrdého a inertného materiálu. Keď sa do hliníkovej kovovej matrice pridajú veľmi malé vločky oxidu hlinitého, získame spekaný hliníkový prášok, ktorý má zvýšenú pevnosť pri vysokých teplotách. 

 

• KOMPOZITY VYZTUŽENÉ VLÁKNAMI: Táto kategória kompozitov je v skutočnosti najdôležitejšia. Cieľom je dosiahnuť vysokú pevnosť a tuhosť na jednotku hmotnosti. Zloženie vlákien, dĺžka, orientácia a koncentrácia v týchto kompozitoch sú rozhodujúce pri určovaní vlastností a užitočnosti týchto materiálov. Používame tri skupiny vlákien: fúzy, vlákna a drôty. FÚZY sú veľmi tenké a dlhé monokryštály. Patria medzi najpevnejšie materiály. Niektoré príklady fúznych materiálov sú grafit, nitrid kremíka, oxid hlinitý.  FIBERS na druhej strane sú väčšinou polyméry alebo keramika a sú v polykryštalickom alebo amorfnom stave. Treťou skupinou sú jemné DRÔTY, ktoré majú relatívne veľké priemery a často pozostávajú z ocele alebo volfrámu. Príkladom drôtom vystuženého kompozitu sú pneumatiky automobilov, ktoré obsahujú oceľový drôt vo vnútri gumy. V závislosti od materiálu matrice máme nasledujúce kompozity:
KOMPOZITY POLYMER-MATRIX: Sú vyrobené z polymérovej živice a vlákien ako výstužnej zložky. Podskupina týchto kompozitov nazývaných polyméry vystužené sklenenými vláknami (GFRP) obsahuje kontinuálne alebo diskontinuálne sklenené vlákna v polymérnej matrici. Sklo ponúka vysokú pevnosť, je ekonomické, ľahko sa spracováva na vlákna a je chemicky inertné. Nevýhodou je ich obmedzená tuhosť a tuhosť, prevádzkové teploty len do 200 – 300 °C. Sklolaminát je vhodný pre automobilové karosérie a dopravné zariadenia, karosérie námorných vozidiel, skladovacie kontajnery. Nie sú vhodné pre kozmonautiku ani výrobu mostov kvôli obmedzenej tuhosti. Druhá podskupina sa nazýva kompozit polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami (CFRP). Tu je uhlík naším vláknitým materiálom v polymérnej matrici. Uhlík je známy svojim vysokým špecifickým modulom a pevnosťou a schopnosťou udržiavať ich pri vysokých teplotách. Uhlíkové vlákna nám môžu ponúknuť moduly štandardnej, strednej, vysokej a ultravysokej pevnosti v ťahu. Okrem toho uhlíkové vlákna ponúkajú rôzne fyzikálne a mechanické vlastnosti, a preto sú vhodné pre rôzne zákazkové inžinierske aplikácie. Kompozity CFRP možno považovať za výrobu športových a rekreačných zariadení, tlakových nádob a konštrukčných komponentov letectva. Ďalšia podskupina, polymérne kompozity vystužené aramidovými vláknami, sú tiež materiály s vysokou pevnosťou a modulom. Ich pomer pevnosti k hmotnosti je mimoriadne vysoký. Aramidové vlákna sú známe aj pod obchodnými názvami KEVLAR a NOMEX. Pod napätím fungujú lepšie ako iné materiály z polymérnych vlákien, ale sú slabé v kompresii. Aramidové vlákna sú húževnaté, odolné voči nárazu, tečeniu a únave, stabilné pri vysokých teplotách, chemicky inertné okrem silných kyselín a zásad. Aramidové vlákna sú široko používané v športovom tovare, nepriestrelných vestách, pneumatikách, lanách, plášťoch káblov z optických vlákien. Existujú aj iné vláknité výstužné materiály, ale používajú sa v menšej miere. Sú to hlavne bór, karbid kremíka, oxid hlinitý. Materiál polymérnej matrice je na druhej strane tiež kritický. Určuje maximálnu prevádzkovú teplotu kompozitu, pretože polymér má vo všeobecnosti nižšiu teplotu topenia a degradácie. Polyestery a vinylestery sa široko používajú ako polymérna matrica. Používajú sa aj živice, ktoré majú vynikajúcu odolnosť proti vlhkosti a mechanické vlastnosti. Napríklad polyimidová živica sa môže použiť až do približne 230 stupňov Celzia. 
KOMPOZITY KOVOVEJ MATRICE: V týchto materiáloch používame tvárnu kovovú matricu a prevádzkové teploty sú vo všeobecnosti vyššie ako ich základné zložky. V porovnaní s kompozitmi s polymérnou matricou môžu mať vyššie prevádzkové teploty, byť nehorľavé a môžu mať lepšiu odolnosť voči degradácii voči organickým kvapalinám. Sú však drahšie. Vystužovacie materiály, ako sú fúzy, častice, kontinuálne a nespojité vlákna; a bežne sa používajú matricové materiály ako meď, hliník, horčík, titán a superzliatiny. Príkladmi aplikácií sú komponenty motora vyrobené z matrice z hliníkovej zliatiny vystuženej oxidom hlinitým a uhlíkovými vláknami. 
KOMPOZITY KERAMIC-MATRIX: Keramické materiály sú známe svojou mimoriadne dobrou spoľahlivosťou pri vysokých teplotách. Sú však veľmi krehké a majú nízke hodnoty lomovej húževnatosti. Zapustením častíc, vlákien alebo whiskerov jednej keramiky do matrice druhej sme schopní dosiahnuť kompozity s vyššou lomovou húževnatosťou. Tieto vložené materiály v podstate inhibujú šírenie trhlín vo vnútri matrice niektorými mechanizmami, ako je vychyľovanie špičiek trhlín alebo vytváranie mostíkov cez čelá trhlín. Napríklad oxidy hlinité, ktoré sú vystužené fúzmi SiC, sa používajú ako vložky rezných nástrojov na obrábanie zliatin tvrdých kovov. Tieto môžu odhaliť lepšie výkony v porovnaní so slinutými karbidmi.  
KOMPOZITY UHLÍK-UHLÍK: Výstuž aj matrica sú uhlíkové. Majú vysoké moduly v ťahu a pevnosti pri vysokých teplotách nad 2000 stupňov Celzia, odolnosť proti tečeniu, vysokú lomovú húževnatosť, nízke koeficienty tepelnej rozťažnosti, vysokú tepelnú vodivosť. Vďaka týmto vlastnostiam sú ideálne pre aplikácie vyžadujúce odolnosť proti tepelným šokom. Slabinou uhlíkovo-uhlíkových kompozitov je však ich zraniteľnosť voči oxidácii pri vysokých teplotách. Typickými príkladmi použitia sú formy na lisovanie za tepla, pokročilá výroba komponentov turbínových motorov. 
HYBRIDNÉ KOMPOZITY: Dva alebo viac rôznych typov vlákien sú zmiešané v jednej matrici. Dá sa tak prispôsobiť nový materiál s kombináciou vlastností. Príkladom je, keď sú uhlíkové aj sklenené vlákna začlenené do polymérnej živice. Uhlíkové vlákna poskytujú tuhosť a pevnosť s nízkou hustotou, ale sú drahé. Sklo je na druhej strane lacné, ale chýba mu tuhosť uhlíkových vlákien. Hybridný kompozit sklo-uhlík je pevnejší a odolnejší a dá sa vyrobiť za nižšiu cenu.
SPRACOVANIE KOMPOZITOV VYZTUŽENÝCH VLÁKNAMI: Pre súvislé plasty vystužené vláknami s rovnomerne rozloženými vláknami orientovanými v rovnakom smere používame nasledujúce techniky.
PULTRUSION: Vyrábajú sa tyče, nosníky a rúry priebežných dĺžok a konštantných prierezov. Nepretržité vlákna sú impregnované termosetovou živicou a ťahané cez oceľovú matricu, aby sa predtvarovali do požadovaného tvaru. Potom prechádzajú cez presne opracovanú vytvrdzovaciu formu, aby dosiahli konečný tvar. Pretože sa vytvrdzovacia hubica zahrieva, vytvrdzuje živicovú matricu. Sťahováky ťahajú materiál cez matrice. Pomocou vložených dutých jadier sme schopní získať rúrky a duté geometrie. Metóda pultrúzie je automatizovaná a ponúka nám vysoké výrobné rýchlosti. Je možné vyrobiť akúkoľvek dĺžku produktu. 
PROCES VÝROBY PREPREG: Predimpregnovaný laminát je výstuž z nekonečných vlákien predimpregnovaná čiastočne vytvrdenou polymérovou živicou. Je široko používaný pre konštrukčné aplikácie. Materiál je dodávaný vo forme pásky a je dodávaný ako páska. Výrobca ho priamo formuje a úplne vytvrdzuje bez potreby pridávania akejkoľvek živice. Pretože predimpregnované lamináty podliehajú vytvrdzovacím reakciám pri teplote miestnosti, skladujú sa pri teplote 0 °C alebo nižšej. Po použití sa zostávajúce pásky skladujú pri nízkych teplotách. Používajú sa termoplastické a termosetové živice a bežné sú výstužné vlákna z uhlíka, aramidu a skla. Na použitie predimpregnovaných laminátov sa najskôr odstráni nosný podkladový papier a potom sa uskutoční výroba položením predimpregnovanej pásky na upravený povrch (proces kladenia). Na získanie požadovaných hrúbok je možné položiť niekoľko vrstiev. Častou praxou je striedanie orientácie vlákien, aby sa vytvoril laminát s priečnymi alebo uhlovými vrstvami. Nakoniec sa na vytvrdenie aplikuje teplo a tlak. Na rezanie predimpregnovaných laminátov a kladenie sa používa ako ručné spracovanie, tak aj automatizované procesy.
NAVINUTIE VLÁKNA: Súvislé výstužné vlákna sú presne umiestnené vo vopred určenom vzore tak, aby sledovali dutý  a zvyčajne cyklický tvar. Vlákna najskôr prechádzajú cez živicový kúpeľ a potom sú automatizovaným systémom navinuté na tŕň. Po niekoľkých opakovaniach navíjania sa získajú požadované hrúbky a vytvrdzovanie sa vykonáva buď pri izbovej teplote alebo v peci. Teraz sa tŕň odstráni a výrobok sa vyberie z formy. Vinutie vlákna môže ponúknuť veľmi vysoké pomery pevnosti k hmotnosti navíjaním vlákien v obvodových, špirálových a polárnych vzoroch. Rúry, nádrže, plášte sa vyrábajú touto technikou. 

 

• KONŠTRUKČNÉ KOMPOZITY: Vo všeobecnosti sú vyrobené z homogénnych aj kompozitných materiálov. Preto sú ich vlastnosti určené materiálmi a geometrickým dizajnom ich prvkov. Tu sú hlavné typy:
LAMINÁRNE KOMPOZITY: Tieto konštrukčné materiály sú vyrobené z dvojrozmerných plechov alebo panelov s preferovanými smermi vysokej pevnosti. Vrstvy sú naskladané a spojené dohromady. Striedaním smerov vysokej pevnosti v dvoch kolmých osiach získame kompozit, ktorý má vysokú pevnosť v oboch smeroch v dvojrozmernej rovine. Nastavením uhlov vrstiev je možné vyrobiť kompozit s pevnosťou vo výhodných smeroch. Moderné lyže sa vyrábajú týmto spôsobom. 
SANDWICH PANELY: Tieto konštrukčné kompozity sú ľahké, ale napriek tomu majú vysokú tuhosť a pevnosť. Sendvičové panely pozostávajú z dvoch vonkajších plechov vyrobených z tuhého a pevného materiálu, ako sú hliníkové zliatiny, vláknami vystužené plasty alebo oceľ, a jadro medzi vonkajšími plechmi. Jadro musí byť ľahké a väčšinou musí mať nízky modul pružnosti. Obľúbenými materiálmi jadra sú tuhé polymérne peny, drevo a voštiny. Sendvičové panely sú široko používané v stavebníctve ako strešný materiál, materiál na podlahy alebo steny a tiež v leteckom priemysle.  

 

• NANOKOMPOZITY : Tieto nové materiály pozostávajú z častíc s nanočasticou uložených v matrici. Pomocou nanokompozitov dokážeme vyrobiť gumené materiály, ktoré sú veľmi dobrými bariérami proti prenikaniu vzduchu pri zachovaní ich gumových vlastností nezmenených.