Tillverkning av kompositer och kompositmaterial

Enkelt definierat är KOMPOSITET eller KOMPOSITMATERIAL material som består av två eller flera material med olika fysikaliska eller kemiska egenskaper, men när de kombineras blir de ett material som är annorlunda än de ingående materialen. Vi måste påpeka att de ingående materialen förblir separata och distinkta i strukturen. Målet med att tillverka ett kompositmaterial är att få en produkt som är överlägsen dess beståndsdelar och kombinerar varje beståndsdels önskade egenskaper. Som ett exempel; styrka, låg vikt eller lägre pris kan vara motivationen bakom att designa och producera en komposit. Den typ av kompositer vi erbjuder är partikelförstärkta kompositer, fiberarmerade kompositer inklusive keramisk-matris / polymer-matris / metall-matris / kol-kol / hybridkompositer, strukturella & laminerade & sandwich-strukturerade kompositer och nanokompositer.

 

De tillverkningstekniker vi använder vid tillverkning av kompositmaterial är: Pultrusion, prepreg-produktionsprocesser, avancerad fiberplacering, filamentlindning, skräddarsydd fiberplacering, glasfiberspray-uppläggningsprocess, tuftning, lanxidprocess, z-pinning.
Många kompositmaterial är uppbyggda av två faser, matrisen, som är kontinuerlig och omger den andra fasen; och den dispergerade fasen som omges av matrisen.
Vi rekommenderar att du klickar här för attLADDA NED våra schematiska illustrationer av tillverkning av kompositer och kompositmaterial av AGS-TECH Inc.
Detta hjälper dig att bättre förstå informationen vi ger dig nedan. 

 

• Partikelförstärkta kompositer: Denna kategori består av två typer: kompositer med stora partiklar och dispersionsförstärkta kompositer. I den förstnämnda typen kan partikel-matrisinteraktioner inte behandlas på atomär eller molekylär nivå. Istället är kontinuummekaniken giltig. Å andra sidan, i dispersionsförstärkta kompositer är partiklar i allmänhet mycket mindre inom tiotals nanometerintervall. Ett exempel på komposit med stora partiklar är polymerer till vilka fyllmedel har tillsatts. Fyllmedlen förbättrar materialets egenskaper och kan ersätta en del av polymervolymen med ett mer ekonomiskt material. Volymfraktionerna av de två faserna påverkar kompositens beteende. Stora partikelkompositer används med metaller, polymerer och keramik. CERMETS är exempel på keramik/metallkompositer. Vår vanligaste cermet är hårdmetall. Den består av eldfast karbidkeramik såsom volframkarbidpartiklar i en matris av en metall som kobolt eller nickel. Dessa hårdmetallkompositer används ofta som skärverktyg för härdat stål. De hårda hårdmetallpartiklarna är ansvariga för skärverkan och deras seghet förstärks av den formbara metallmatrisen. Därmed får vi fördelarna med båda materialen i en enda komposit. Ett annat vanligt exempel på en komposit med stora partiklar som vi använder är kimrökspartiklar blandade med vulkaniserat gummi för att erhålla en komposit med hög draghållfasthet, seghet, riv- och nötningsbeständighet. Ett exempel på en dispersionsförstärkt komposit är metaller och metallegeringar som stärkts och härdats genom den likformiga spridningen av fina partiklar av ett mycket hårt och inert material. När mycket små aluminiumoxidflingor tillsätts till aluminiummetallmatrisen får vi sintrat aluminiumpulver som har en förbättrad hållfasthet vid hög temperatur. 

 

• FIBERARMERADE KOMPOSITETER: Denna kategori av kompositer är faktiskt den viktigaste. Målet att uppnå är hög hållfasthet och styvhet per viktenhet. Fibersammansättningen, längden, orienteringen och koncentrationen i dessa kompositer är avgörande för att bestämma egenskaperna och användbarheten hos dessa material. Det finns tre grupper av fibrer vi använder: morrhår, fibrer och trådar. WHISKERS är mycket tunna och långa enkristaller. De är bland de starkaste materialen. Några exempel på whiskermaterial är grafit, kiselnitrid, aluminiumoxid.  FIBERS å andra sidan är mestadels polymerer eller keramer och är i polykristallint eller amorft tillstånd. Den tredje gruppen är fina TRÅDAR som har relativt stora diametrar och ofta består av stål eller volfram. Ett exempel på trådförstärkt komposit är bildäck som innehåller ståltråd inuti gummi. Beroende på matrismaterialet har vi följande kompositer:
POLYMER-MATRIX-KOMPOSITER: Dessa är gjorda av ett polymerharts och fibrer som förstärkningsingrediens. En undergrupp av dessa kallas glasfiberförstärkt polymer (GFRP) kompositer innehåller kontinuerliga eller diskontinuerliga glasfibrer i en polymermatris. Glas ger hög hållfasthet, det är ekonomiskt, lätt att tillverka till fibrer och är kemiskt inert. Nackdelarna är deras begränsade styvhet och styvhet, drifttemperaturer är endast upp till 200 – 300 Celsius. Glasfiber är lämpligt för karosser och transportutrustning för bilar, karosser för marina fordon, förvaringsbehållare. De är inte lämpliga för flyg- eller bryggtillverkning på grund av begränsad styvhet. Den andra undergruppen kallas Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composite. Här är kol vårt fibermaterial i polymermatrisen. Kol är känt för sin höga specifika modul och styrka och dess förmåga att hålla dessa vid höga temperaturer. Kolfibrer kan erbjuda oss standard-, mellan-, hög- och ultrahög dragmoduler. Dessutom erbjuder kolfibrer olika fysiska och mekaniska egenskaper och är därför lämpliga för olika skräddarsydda tekniska tillämpningar. CFRP-kompositer kan anses användas för att tillverka sport- och fritidsutrustning, tryckkärl och strukturkomponenter för flygindustrin. Ändå, en annan undergrupp, Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites är också material med hög hållfasthet och modul. Deras förhållande mellan styrka och vikt är enastående höga. Aramidfibrer är också kända under handelsnamnen KEVLAR och NOMEX. Under spänning presterar de bättre än andra polymera fibermaterial, men de är svaga i kompression. Aramidfibrer är sega, slagtåliga, kryp- och utmattningsbeständiga, stabila vid höga temperaturer, kemiskt inerta förutom mot starka syror och baser. Aramidfibrer används ofta i sportartiklar, skottsäkra västar, däck, rep, fiberoptiska kabelskydd. Andra fiberförstärkningsmaterial finns men används i mindre grad. Dessa är främst bor, kiselkarbid, aluminiumoxid. Polymermatrismaterialet å andra sidan är också kritiskt. Den bestämmer den maximala driftstemperaturen för kompositen eftersom polymeren i allmänhet har en lägre smält- och nedbrytningstemperatur. Polyestrar och vinylestrar används ofta som polymermatris. Hartser används också och de har utmärkt fuktbeständighet och mekaniska egenskaper. Till exempel kan polyimidharts användas upp till cirka 230 grader Celsius. 
METALL-MATRIX-KOMPOSITER: I dessa material använder vi en seg metallmatris och servicetemperaturerna är i allmänhet högre än deras beståndsdelar. Jämfört med polymer-matriskompositer kan dessa ha högre driftstemperaturer, vara obrännbara och kan ha bättre nedbrytningsbeständighet mot organiska vätskor. Men de är dyrare. Förstärkningsmaterial såsom morrhår, partiklar, kontinuerliga och diskontinuerliga fibrer; och matrismaterial såsom koppar, aluminium, magnesium, titan, superlegeringar används vanligtvis. Exempel på applikationer är motorkomponenter gjorda av aluminiumlegeringsmatris förstärkt med aluminiumoxid och kolfibrer. 
CERAMIC-MATRIX COMPOSITES: Keramiska material är kända för sin enastående goda högtemperaturtillförlitlighet. De är dock mycket spröda och har låga värden för brottseghet. Genom att bädda in partiklar, fibrer eller whiskers av en keramik i matrisen av en annan kan vi uppnå kompositer med högre brottseghet. Dessa inbäddade material hämmar i princip sprickutbredning inuti matrisen genom vissa mekanismer som att avleda sprickspetsarna eller bilda broar över sprickytorna. Som ett exempel används aluminiumoxider som är förstärkta med SiC-whiskers som skärverktyg för bearbetning av hårdmetallegeringar. Dessa kan avslöja bättre prestanda jämfört med hårdmetaller.  
KOL-KOLKOMPOSITER: Både förstärkningen och matrisen är kol. De har höga dragmoduler och hållfastheter vid höga temperaturer över 2000 Celsius, krypmotstånd, hög brottseghet, låga värmeutvidgningskoefficienter, höga värmeledningsförmåga. Dessa egenskaper gör dem idealiska för applikationer som kräver värmechockbeständighet. Svagheten med kol-kol-kompositer är dock dess sårbarhet mot oxidation vid höga temperaturer. Typiska exempel på användning är varmpressande formar, avancerad tillverkning av turbinmotorkomponenter. 
HYBRIDKOMPOSITER: Två eller flera olika typer av fibrer blandas i en enda matris. Man kan alltså skräddarsy ett nytt material med en kombination av egenskaper. Ett exempel är när både kol- och glasfibrer inkorporeras i ett polymerharts. Kolfibrer ger styvhet och styrka med låg densitet men är dyra. Glaset å andra sidan är billigt men saknar styvheten hos kolfibrer. Glas-kolhybridkompositen är starkare och segare och kan tillverkas till en lägre kostnad.
BEHANDLING AV FIBERARMERADE KOMPOSITER: För kontinuerliga fiberarmerade plaster med jämnt fördelade fibrer orienterade i samma riktning använder vi följande tekniker.
PULTRUSION: Stavar, balkar och rör med kontinuerliga längder och konstanta tvärsnitt tillverkas. Kontinuerliga fiberrovings impregneras med ett värmehärdande harts och dras genom ett stålmunstycke för att förforma dem till önskad form. Därefter passerar de genom en precisionsbearbetad härdningsform för att uppnå sin slutliga form. Eftersom härdningsmunstycket upphettas härdar det hartsmatrisen. Avdragare drar materialet genom formarna. Med hjälp av insatta ihåliga kärnor kan vi erhålla rör och ihåliga geometrier. Pultrusionsmetoden är automatiserad och ger oss höga produktionshastigheter. Vilken längd av produkten som helst är möjlig att producera. 
TILLVERKNINGSPROCESS FÖR PREPREG: Prepreg är en kontinuerlig fiberarmering förimpregnerad med ett delvis härdat polymerharts. Det används ofta för strukturella applikationer. Materialet kommer i tejpform och skickas som tejp. Tillverkaren formar den direkt och härdar den helt utan att behöva tillsätta något harts. Eftersom prepregs genomgår härdningsreaktioner vid rumstemperatur, förvaras de vid 0 Celsius eller lägre temperaturer. Efter användning förvaras de återstående tejparna vid låga temperaturer. Termoplaster och härdplaster används och armeringsfibrer av kol, aramid och glas är vanliga. För att använda prepregs, tas bärarunderlaget först bort och sedan utförs tillverkningen genom att lägga prepreg-tejpen på en bearbetad yta (uppläggningsprocessen). Flera lager kan läggas upp för att erhålla önskad tjocklek. Frekvent praxis är att alternera fiberorienteringen för att framställa ett tvärskikts- eller vinkelskiktslaminat. Slutligen appliceras värme och tryck för härdning. Både handbearbetning och automatiserade processer används för att skära prepregs och lay-up.
FILAMENTVINDNING: Kontinuerliga förstärkningsfibrer är noggrant placerade i ett förutbestämt mönster för att följa en ihålig   och vanligtvis cyklindirisk form. Fibrerna går först genom ett hartsbad och lindas sedan på en dorn av ett automatiserat system. Efter flera lindningsupprepningar erhålls önskade tjocklekar och härdning utförs antingen vid rumstemperatur eller inuti en ugn. Nu tas dornen bort och produkten tas ur formen. Filamentlindning kan erbjuda mycket höga styrka-till-vikt-förhållanden genom att linda fibrerna i omkrets-, spiralformade och polära mönster. Rör, tankar, höljen tillverkas med denna teknik. 

 

• STRUKTURELLA KOMPOSITER: Generellt består dessa av både homogena och kompositmaterial. Därför bestäms egenskaperna hos dessa av de ingående materialen och den geometriska utformningen av dess element. Här är de viktigaste typerna:
LAMINÄR KOMPOSITER: Dessa strukturella material är gjorda av tvådimensionella skivor eller paneler med föredragna höghållfasta riktningar. Skikten staplas och cementeras ihop. Genom att alternera de höghållfasta riktningarna i de två vinkelräta axlarna får vi en komposit som har hög hållfasthet i båda riktningarna i det tvådimensionella planet. Genom att justera skiktens vinklar kan man tillverka en komposit med styrka i de föredragna riktningarna. Moderna skidor är tillverkade på detta sätt. 
SANDWICH-PANELER: Dessa strukturella kompositer är lätta men har ändå hög styvhet och styrka. Sandwichpaneler består av två ytterplåtar av ett styvt och starkt material som aluminiumlegeringar, fiberförstärkt plast eller stål och en kärna mellan ytterplåtarna. Kärnan måste vara lätt och för det mesta ha en låg elasticitetsmodul. Populära kärnmaterial är styva polymerskum, trä och bikakor. Sandwichpaneler används i stor utsträckning inom byggindustrin som takmaterial, golv- eller väggmaterial, och även inom flygindustrin.  

 

• NANOKOMPOSITTER: Dessa nya material består av partiklar i nanostorlek inbäddade i en matris. Med hjälp av nanokompositer kan vi tillverka gummimaterial som är mycket bra barriärer mot luftinträngning samtidigt som de bibehåller sina gummiegenskaper oförändrade.