Kompoziti in proizvodnja kompozitnih materialov

Preprosto definirani, KOMPOZITI ali KOMPOZITNI MATERIALI so materiali, sestavljeni iz dveh ali več materialov z različnimi fizikalnimi ali kemijskimi lastnostmi, vendar ko se združijo, postanejo material, ki je drugačen od sestavnih materialov. Poudariti moramo, da sestavni materiali ostanejo ločeni in različni v strukturi. Cilj pri izdelavi kompozitnega materiala je pridobiti izdelek, ki je boljši od svojih sestavin in združuje želene lastnosti vsake sestavine. Kot primer; moč, majhna teža ali nižja cena so lahko motivacija za načrtovanje in izdelavo kompozita. Vrste kompozitov, ki jih ponujamo, so kompoziti, ojačani z delci, kompoziti, ojačani z vlakni, vključno s kompoziti s keramično matriko / polimerno matriko / kovinsko matriko / ogljik-ogljik / hibridnimi kompoziti, strukturnimi, laminiranimi in sendvič-strukturiranimi kompoziti ter nanokompoziti.

 

Tehnike izdelave, ki jih uporabljamo pri proizvodnji kompozitnih materialov, so: pultruzija, proizvodni procesi preprega, napredno polaganje vlaken, navijanje filamentov, prilagojeno polaganje vlaken, postopek polaganja s pršenjem iz steklenih vlaken, taftanje, lanksidni postopek, z-pinning.
Številni kompozitni materiali so sestavljeni iz dveh faz, matrice, ki je neprekinjena in obdaja drugo fazo; in razpršeno fazo, ki je obdana z matriko.
Priporočamo, da kliknete tukajPRENESITE naše shematske ilustracije kompozitov in proizvodnje kompozitnih materialov podjetja AGS-TECH Inc.
To vam bo pomagalo bolje razumeti informacije, ki vam jih posredujemo spodaj. 

 

• KOMPOZITI, OJAČANI Z DELCI: To kategorijo sestavljata dve vrsti: kompoziti z velikimi delci in kompoziti, utrjeni z disperzijo. Pri prvem tipu interakcij med delci in matriko ni mogoče obravnavati na atomski ali molekularni ravni. Namesto tega velja mehanika kontinuuma. Po drugi strani pa so v disperzijsko utrjenih kompozitih delci na splošno veliko manjši v razponih desetin nanometrov. Primer kompozita z velikimi delci so polimeri, ki so jim dodana polnila. Polnila izboljšajo lastnosti materiala in lahko nadomestijo del volumna polimera z bolj ekonomičnim materialom. Volumski deleži obeh faz vplivajo na obnašanje kompozita. Kompoziti z velikimi delci se uporabljajo s kovinami, polimeri in keramiko. KERMETI so primeri keramičnih/kovinskih kompozitov. Naš najpogostejši kermet je cementni karbid. Sestavljen je iz ognjevarne karbidne keramike, kot so delci volframovega karbida, v matrici iz kovine, kot je kobalt ali nikelj. Ti karbidni kompoziti se pogosto uporabljajo kot rezalna orodja za kaljeno jeklo. Trdi karbidni delci so odgovorni za rezalno delovanje, njihova žilavost pa je povečana z duktilno kovinsko matriko. Tako pridobimo prednosti obeh materialov v enem kompozitu. Drug pogost primer kompozita z velikimi delci, ki ga uporabljamo, so delci saj, pomešani z vulkanizirano gumo, da dobimo kompozit z visoko natezno trdnostjo, žilavostjo, odpornostjo na trganje in obrabo. Primer disperzijsko utrjenega kompozita so kovine in kovinske zlitine, ojačane in utrjene z enotno disperzijo drobnih delcev zelo trdega in inertnega materiala. Ko kovinski matrici aluminija dodamo zelo majhne kosmiče aluminijevega oksida, dobimo sintran aluminijev prah, ki ima izboljšano trdnost pri visokih temperaturah. 

 

• KOMPOZITI OJAČANI Z VLAKNI : Ta kategorija kompozitov je pravzaprav najpomembnejša. Cilj, ki ga je treba doseči, je visoka trdnost in togost na enoto teže. Sestava vlaken, dolžina, orientacija in koncentracija v teh kompozitih so ključni pri določanju lastnosti in uporabnosti teh materialov. Uporabljamo tri skupine vlaken: vlakna, vlakna in žice. BČKI so zelo tanki in dolgi monokristali. So med najmočnejšimi materiali. Nekateri primeri materialov za brke so grafit, silicijev nitrid, aluminijev oksid.  VLAKNA pa so večinoma polimeri ali keramika in so v polikristalnem ali amorfnem stanju. Tretja skupina so fine ŽICE, ki imajo relativno velike premere in so pogosto sestavljene iz jekla ali volframa. Primer kompozita, ojačanega z žico, so avtomobilske pnevmatike, ki vsebujejo jekleno žico znotraj gume. Glede na material matrice imamo naslednje kompozite:
KOMPOZITI IZ POLIMERNE MATRIKE: Izdelani so iz polimerne smole in vlaken kot ojačitvene sestavine. Podskupina teh imenovanih polimernih kompozitov, ojačanih s steklenimi vlakni (GFRP), vsebuje neprekinjena ali prekinjena steklena vlakna znotraj polimerne matrice. Steklo nudi visoko trdnost, je ekonomično, enostavno ga je predelati v vlakna in je kemično inertno. Pomanjkljivosti so njihova omejena togost in togost, delovne temperature pa le do 200 – 300 stopinj. Steklena vlakna so primerna za avtomobilske karoserije in transportno opremo, karoserije ladijskih vozil, skladiščne zabojnike. Zaradi omejene togosti niso primerni za letalstvo ali izdelavo mostov. Druga podskupina se imenuje polimerni kompozit, ojačan z ogljikovimi vlakni (CFRP). Tu je ogljik naš vlaknati material v polimerni matrici. Ogljik je znan po svojem visokem specifičnem modulu in trdnosti ter sposobnosti, da ju vzdržuje pri visokih temperaturah. Ogljikova vlakna nam lahko ponudijo standardne, srednje, visoke in ultravisoke natezne module. Poleg tega ogljikova vlakna ponujajo različne fizikalne in mehanske lastnosti in so zato primerna za različne inženirske aplikacije po meri. CFRP kompoziti se lahko štejejo za proizvodnjo športne in rekreacijske opreme, tlačnih posod in letalskih strukturnih komponent. Še ena podskupina, polimerni kompoziti, ojačani z aramidnimi vlakni, so prav tako materiali visoke trdnosti in modula. Njihovo razmerje med trdnostjo in težo je izjemno visoko. Aramidna vlakna poznamo tudi pod trgovskima imenoma KEVLAR in NOMEX. Pod napetostjo delujejo bolje kot drugi materiali iz polimernih vlaken, vendar so šibki pri stiskanju. Aramidna vlakna so močna, odporna na udarce, odporna na lezenje in utrujenost, stabilna pri visokih temperaturah, kemično inertna, razen proti močnim kislinam in bazam. Aramidna vlakna se pogosto uporabljajo v športni opremi, neprebojnih jopičih, pnevmatikah, vrveh, plaščih optičnih kablov. Drugi materiali za ojačitev vlaken obstajajo, vendar se uporabljajo v manjši meri. To so predvsem bor, silicijev karbid, aluminijev oksid. Polimerni matrični material je na drugi strani prav tako kritičen. Določa najvišjo delovno temperaturo kompozita, ker ima polimer na splošno nižjo temperaturo taljenja in razgradnje. Poliestri in vinil estri se pogosto uporabljajo kot polimerna matrica. Uporabljajo se tudi smole, ki imajo odlično odpornost na vlago in mehanske lastnosti. Na primer, poliimidno smolo je mogoče uporabiti do približno 230 stopinj Celzija. 
KOMPOZITI KOVINSKE MATRIKE: V teh materialih uporabljamo duktilno kovinsko matriko in delovne temperature so na splošno višje od njihovih sestavnih delov. V primerjavi s kompoziti iz polimerne matrice imajo lahko višje delovne temperature, niso vnetljivi in imajo lahko boljšo odpornost proti razgradnji proti organskim tekočinam. Vendar so dražji. Ojačitveni materiali, kot so lasje, delci, neprekinjena in prekinjena vlakna; pogosto se uporabljajo matrični materiali, kot so baker, aluminij, magnezij, titan in superzlitine. Primeri uporabe so komponente motorja iz matrice iz aluminijeve zlitine, ojačane z aluminijevim oksidom in ogljikovimi vlakni. 
KERAMIČNO-MATRIČNI KOMPOZITI: keramični materiali so znani po izjemno dobri visokotemperaturni zanesljivosti. Vendar so zelo krhki in imajo nizke vrednosti za lomno žilavost. Z vdelavo delcev, vlaken ali laskov ene keramike v matrico druge lahko dosežemo kompozite z višjo lomno žilavostjo. Ti vdelani materiali v bistvu zavirajo širjenje razpok znotraj matrice z nekaterimi mehanizmi, kot je odklon konic razpok ali oblikovanje mostov čez ploskve razpok. Na primer, aluminijev oksid, ki je ojačan s SiC lasmi, se uporablja kot vložki za rezalna orodja za obdelavo trdih kovinskih zlitin. Ti lahko pokažejo boljše rezultate v primerjavi s cementnimi karbidi.  
OGLJIK-OGLJIK KOMPOZITI : Tako ojačitev kot tudi matrica sta iz ogljika. Imajo visoke natezne module in trdnosti pri visokih temperaturah nad 2000 stopinj Celzija, odpornost proti lezenju, visoko lomno žilavost, nizke koeficiente toplotnega raztezanja, visoko toplotno prevodnost. Zaradi teh lastnosti so idealni za aplikacije, ki zahtevajo odpornost na toplotne udarce. Slabost kompozitov ogljik-ogljik pa je njihova občutljivost na oksidacijo pri visokih temperaturah. Tipični primeri uporabe so kalupi za vroče stiskanje, izdelava naprednih komponent turbinskih motorjev. 
HIBRIDNI KOMPOZITI: Dve ali več različnih vrst vlaken sta zmešani v eni sami matrici. Tako lahko s kombinacijo lastnosti oblikujemo nov material. Primer je, ko so v polimerno smolo vključena tako ogljikova kot steklena vlakna. Ogljikova vlakna zagotavljajo togost in trdnost nizke gostote, vendar so draga. Po drugi strani je steklo poceni, vendar nima togosti ogljikovih vlaken. Hibridni kompozit stekla in ogljika je močnejši in trši in ga je mogoče izdelati po nižji ceni.
PREDELAVA KOMPOZITOV, OJAČANIH Z VLAKNI : Za neprekinjene plastike, ojačane z vlakni, z enakomerno razporejenimi vlakni, usmerjenimi v isto smer, uporabljamo naslednje tehnike.
PULTRUZIJA: Izdelujemo palice, nosilce in cevi zveznih dolžin in konstantnih prerezov. Rovingi iz neprekinjenih vlaken so impregnirani s termoreaktivno smolo in povlečeni skozi jekleno matrico, da se oblikujejo v želeno obliko. Nato gredo skozi natančno obdelano matrico za strjevanje, da dosežejo svojo končno obliko. Ker je utrjevalna matrica segreta, utrjuje smolno matrico. Izvleki vlečejo material skozi matrice. Z vstavljenimi votlimi jedri lahko dobimo cevi in votle geometrije. Metoda pultruzije je avtomatizirana in nam omogoča visoke proizvodne stopnje. Možna je izdelava poljubne dolžine izdelka. 
PROIZVODNI PROCES PREPREGA: Prepreg je ojačitev iz neprekinjenih vlaken, predhodno impregnirana z delno utrjeno polimerno smolo. Široko se uporablja za strukturne aplikacije. Material je na voljo v obliki traku in se pošilja kot trak. Proizvajalec ga neposredno oblikuje in popolnoma strdi brez dodajanja smole. Ker se prepregi strdijo pri sobni temperaturi, jih hranimo pri 0 stopinjah Celzija ali nižjih temperaturah. Po uporabi se preostali trakovi shranijo nazaj pri nizkih temperaturah. Uporabljajo se termoplastične in termoreaktivne smole, pogosta pa so ojačitvena vlakna iz ogljika, aramida in stekla. Za uporabo prepregov se najprej odstrani nosilni papir, nato pa se izvede izdelava s polaganjem prepreg traku na površino, obdelano z orodjem (postopek polaganja). Za doseganje želene debeline lahko položite več plasti. Pogosta praksa je zamenjava usmeritve vlaken za izdelavo križnega ali kotnega laminata. Nazadnje se za utrjevanje uporabi toplota in pritisk. Za rezanje prepregov in polaganje se uporabljajo tako ročna obdelava kot tudi avtomatizirani postopki.
ZAVIJANJE FILAMENTOV: Neprekinjena ojačitvena vlakna so natančno nameščena v vnaprej določenem vzorcu, da sledijo votli  in običajno okrogli obliki. Vlakna gredo najprej skozi smolno kopel, nato pa jih avtomatiziran sistem navije na trn. Po več ponovitvah navijanja dosežemo želeno debelino in strjevanje izvedemo pri sobni temperaturi ali v pečici. Sedaj je trn odstranjen in izdelek iz kalupa. Navijanje filamentov lahko ponudi zelo visoko razmerje med trdnostjo in težo z navijanjem vlaken v obodnih, spiralnih in polarnih vzorcih. Cevi, rezervoarji, ohišja so izdelani s to tehniko. 

 

• STRUKTURNI KOMPOZITI: Na splošno so sestavljeni iz homogenih in kompozitnih materialov. Zato so njihove lastnosti določene s sestavnimi materiali in geometrijsko zasnovo elementov. Tukaj so glavne vrste:
LAMINARNI KOMPOZITI: Ti strukturni materiali so izdelani iz dvodimenzionalnih listov ali plošč s prednostnimi smermi visoke trdnosti. Plasti so zložene in cementirane skupaj. Z menjavanjem smeri visoke trdnosti v obeh pravokotnih oseh dobimo kompozit, ki ima v dvodimenzionalni ravnini visoko trdnost v obeh smereh. S prilagajanjem kotov plasti lahko izdelamo kompozit z močjo v želenih smereh. Sodobne smuči so izdelane na ta način. 
SENDVIČ PANELI: ti strukturni kompoziti so lahki, vendar imajo visoko togost in moč. Sendvič plošče so sestavljene iz dveh zunanjih plošč iz togega in močnega materiala, kot so aluminijeve zlitine, plastike, ojačane z vlakni, ali jekla in jedra med zunanjima ploščama. Jedro mora biti lahko in ima večinoma nizek modul elastičnosti. Priljubljeni osnovni materiali so toge polimerne pene, les in satje. Sendvič plošče se pogosto uporabljajo v gradbeništvu kot strešni material, talni ali stenski material, pa tudi v vesoljski industriji.  

 

• NANOKOMPOZITI: Ti novi materiali so sestavljeni iz delcev nano velikosti, vgrajenih v matriko. Z uporabo nanokompozitov lahko izdelamo gumijaste materiale, ki so zelo dobre ovire za prodiranje zraka, hkrati pa ohranijo nespremenjene gumijaste lastnosti.