การผลิตคอมโพสิตและวัสดุคอมโพสิต

นิยามง่ายๆ ว่าคอมโพสิตหรือวัสดุคอมโพสิตเป็นวัสดุที่ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดหรือหลายอย่างที่มีคุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีต่างกัน แต่เมื่อรวมกันแล้วจะกลายเป็นวัสดุที่แตกต่างจากวัสดุที่เป็นส่วนประกอบ เราต้องชี้ให้เห็นว่าวัสดุที่เป็นส่วนประกอบยังคงแยกจากกันและชัดเจนในโครงสร้าง เป้าหมายในการผลิตวัสดุคอมโพสิตคือการได้ผลิตภัณฑ์ที่เหนือกว่าส่วนประกอบและรวมคุณสมบัติที่ต้องการของแต่ละองค์ประกอบเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น; ความแข็งแรง น้ำหนักเบา หรือราคาที่ต่ำกว่า อาจเป็นแรงจูงใจเบื้องหลังการออกแบบและการผลิตคอมโพสิต ประเภทของคอมโพสิตที่เรานำเสนอ ได้แก่ คอมโพสิตเสริมแรงด้วยอนุภาค วัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใย รวมถึงเซรามิก-เมทริกซ์ / พอลิเมอร์เมทริกซ์ / เมทัล-เมทริกซ์ / คาร์บอน-คาร์บอน / คอมโพสิตไฮบริด โครงสร้าง & ลามิเนต & คอมโพสิตที่มีโครงสร้างแบบแซนวิช และนาโนคอมโพสิต

 

เทคนิคการผลิตที่เราปรับใช้ในการผลิตวัสดุคอมโพสิต ได้แก่ Pultrusion กระบวนการผลิตพรีเพก การจัดวางเส้นใยขั้นสูง การพันเส้นใย การจัดวางเส้นใยตามสั่ง กระบวนการวางสเปรย์ไฟเบอร์กลาส การทอ กระบวนการแลนไซด์ การตรึงซี
วัสดุคอมโพสิตจำนวนมากประกอบด้วยสองเฟสคือเมทริกซ์ซึ่งต่อเนื่องและล้อมรอบอีกเฟสหนึ่ง และเฟสที่กระจัดกระจายซึ่งล้อมรอบด้วยเมทริกซ์
เราขอแนะนำให้คุณคลิกที่นี่เพื่อดาวน์โหลดภาพประกอบแผนผังของการผลิตคอมโพสิตและวัสดุคอมโพสิตโดย AGS-TECH Inc.
ข้อมูลนี้จะช่วยให้คุณเข้าใจข้อมูลที่เราให้ไว้ด้านล่างนี้ได้ดียิ่งขึ้น 

 

• คอมโพสิตเสริมแรงด้วยอนุภาค : หมวดหมู่นี้ประกอบด้วยสองประเภท: คอมโพสิตอนุภาคขนาดใหญ่และคอมโพสิตเสริมแรงกระจาย ในประเภทเดิม ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคกับเมทริกซ์ไม่สามารถบำบัดได้ในระดับอะตอมหรือระดับโมเลกุล กลศาสตร์ความต่อเนื่องนั้นใช้ได้แทน ในทางกลับกัน ในอนุภาคคอมโพสิตที่มีการกระจายตัวเสริมมักจะมีขนาดเล็กกว่ามากในช่วงหลายสิบนาโนเมตร ตัวอย่างของคอมโพสิตอนุภาคขนาดใหญ่คือพอลิเมอร์ที่มีการเติมสารตัวเติม สารตัวเติมปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุและอาจแทนที่ปริมาณโพลีเมอร์บางส่วนด้วยวัสดุที่ประหยัดกว่า เศษส่วนปริมาตรของทั้งสองเฟสมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของคอมโพสิต วัสดุผสมอนุภาคขนาดใหญ่ใช้กับโลหะ โพลีเมอร์ และเซรามิก CERMETS เป็นตัวอย่างของวัสดุผสมเซรามิก/โลหะ เซอร์เม็ททั่วไปของเราคือซีเมนต์คาร์ไบด์ ประกอบด้วยเซรามิกคาร์ไบด์ทนไฟ เช่น อนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ในเมทริกซ์ของโลหะ เช่น โคบอลต์หรือนิกเกิล คาร์ไบด์คอมโพสิตเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเครื่องมือตัดสำหรับเหล็กชุบแข็ง อนุภาคของฮาร์ดคาร์ไบด์มีหน้าที่ในการตัด และความเหนียวของพวกมันก็เพิ่มขึ้นด้วยเมทริกซ์โลหะดัด ดังนั้นเราจึงได้รับประโยชน์จากวัสดุทั้งสองชนิดในคอมโพสิตชิ้นเดียว ตัวอย่างทั่วไปอีกตัวอย่างหนึ่งของคอมโพสิตอนุภาคขนาดใหญ่ที่เราใช้คืออนุภาคคาร์บอนแบล็คผสมกับยางวัลคาไนซ์เพื่อให้ได้คอมโพสิตที่มีความต้านทานแรงดึงสูง ความเหนียว การฉีกขาดและการขัดถู ตัวอย่างของคอมโพสิตเสริมแรงแบบกระจายคือ โลหะและโลหะผสมที่เสริมความแข็งแกร่งและชุบแข็งโดยการกระจายตัวของอนุภาคละเอียดที่สม่ำเสมอของวัสดุที่แข็งมากและเฉื่อย เมื่อเติมเกล็ดอะลูมิเนียมออกไซด์ขนาดเล็กมากลงในเมทริกซ์โลหะอะลูมิเนียม เราจะได้ผงอะลูมิเนียมเผาซึ่งมีความแข็งแรงในอุณหภูมิสูงมากขึ้น 

 

• คอมโพสิตเสริมไฟเบอร์ : หมวดหมู่ของคอมโพสิตนี้ในความเป็นจริงที่สำคัญที่สุด เป้าหมายที่จะบรรลุคือความแข็งแกร่งและความแข็งสูงต่อหน่วยน้ำหนัก องค์ประกอบของเส้นใย ความยาว การวางแนว และความเข้มข้นในคอมโพสิตเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการพิจารณาคุณสมบัติและประโยชน์ของวัสดุเหล่านี้ เส้นใยที่เราใช้มีอยู่สามกลุ่ม: หนวดเครา เส้นใยและสายไฟ WHISKERS เป็นผลึกเดี่ยวที่บางและยาวมาก เป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุด ตัวอย่างวัสดุมัสสุ ได้แก่ กราไฟต์ ซิลิกอนไนไตรด์ อะลูมิเนียมออกไซด์  FIBERS ในทางกลับกัน ส่วนใหญ่เป็นโพลีเมอร์หรือเซรามิก และอยู่ในสถานะโพลีคริสตัลไลน์หรืออสัณฐาน กลุ่มที่สามคือ ลวดละเอียดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างใหญ่ และมักประกอบด้วยเหล็กหรือทังสเตน ตัวอย่างของคอมโพสิตเสริมแรงด้วยลวดคือยางรถยนต์ที่มีลวดเหล็กอยู่ภายในยาง ขึ้นอยู่กับวัสดุเมทริกซ์ เรามีคอมโพสิตดังต่อไปนี้:
คอมโพสิตโพลีเมอร์-เมทริกซ์ : ทำจากพอลิเมอร์เรซินและเส้นใยเป็นส่วนประกอบเสริมแรง กลุ่มย่อยของคอมโพสิตเหล่านี้เรียกว่า Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) ประกอบด้วยเส้นใยแก้วแบบต่อเนื่องหรือไม่ต่อเนื่องภายในพอลิเมอร์เมทริกซ์ แก้วมีความแข็งแรงสูง ประหยัด ง่ายต่อการประดิษฐ์เป็นเส้นใย และเฉื่อยทางเคมี ข้อเสียคือความแข็งแกร่งและความแข็งที่จำกัด อุณหภูมิการให้บริการอยู่ที่ 200 – 300 องศาเซลเซียสเท่านั้น ไฟเบอร์กลาสเหมาะสำหรับตัวถังรถยนต์และอุปกรณ์การขนส่ง ตัวถังยานพาหนะทางทะเล ภาชนะจัดเก็บ ไม่เหมาะสำหรับการทำการบินและอวกาศหรือสะพานเนื่องจากความแข็งแกร่งที่จำกัด กลุ่มย่อยอื่นเรียกว่า Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) Composite คาร์บอนเป็นวัสดุเส้นใยของเราในเมทริกซ์พอลิเมอร์ คาร์บอนเป็นที่รู้จักสำหรับโมดูลัสและความแข็งแรงจำเพาะสูงและความสามารถในการรักษาอุณหภูมิเหล่านี้ไว้ที่อุณหภูมิสูง เส้นใยคาร์บอนสามารถนำเสนอโมดูลัสแรงดึงมาตรฐาน ปานกลาง สูง และสูงพิเศษแก่เรา นอกจากนี้ คาร์บอนไฟเบอร์ยังมีลักษณะทางกายภาพและทางกลที่หลากหลาย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการใช้งานทางวิศวกรรมที่ปรับแต่งตามสั่งต่างๆ คอมโพสิต CFRP ถือได้ว่าเป็นการผลิตอุปกรณ์กีฬาและสันทนาการ ภาชนะรับความดัน และส่วนประกอบโครงสร้างการบินและอวกาศ อีกกลุ่มย่อยคือ Aramid Fiber-Reinforced Polymer Composites ยังเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัส อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงอย่างโดดเด่น เส้นใยอะรามิดมีชื่อทางการค้าว่า KEVLAR และ NOMEX ภายใต้ความตึงเครียด พวกมันทำงานได้ดีกว่าวัสดุเส้นใยโพลีเมอร์อื่น ๆ แต่พวกมันมีกำลังอัดน้อย เส้นใยอะรามิดมีความเหนียว ทนต่อแรงกระแทก ทนต่อการคืบคลานและเมื่อยล้า มีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง เฉื่อยทางเคมี ยกเว้นกับกรดและเบสแก่ เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสินค้ากีฬา เสื้อเกราะกันกระสุน ยางรถยนต์ เชือก ปลอกสายไฟเบอร์ออปติก มีวัสดุเสริมแรงด้วยไฟเบอร์อื่นๆ อยู่แต่ใช้ในระดับที่น้อยกว่า เหล่านี้คือโบรอน, ซิลิกอนคาร์ไบด์, อะลูมิเนียมออกไซด์เป็นหลัก วัสดุพอลิเมอร์เมทริกซ์ก็มีความสำคัญเช่นกัน มันกำหนดอุณหภูมิการบริการสูงสุดของคอมโพสิตเนื่องจากพอลิเมอร์มีอุณหภูมิหลอมเหลวและการสลายตัวที่ต่ำกว่า โพลีเอสเตอร์และไวนิลเอสเทอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะพอลิเมอร์เมทริกซ์ นอกจากนี้ยังใช้เรซินและมีความทนทานต่อความชื้นและคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม ตัวอย่างเช่น เรซินโพลิอิไมด์สามารถใช้ได้สูงสุดประมาณ 230 องศาเซลเซียส. 
คอมโพสิตเมทัล-เมทริกซ์ : ในวัสดุเหล่านี้ เราใช้เมทริกซ์โลหะเหนียว และโดยทั่วไปอุณหภูมิการบริการจะสูงกว่าส่วนประกอบที่เป็นส่วนประกอบ เมื่อเปรียบเทียบกับคอมโพสิตพอลิเมอร์-เมทริกซ์ สิ่งเหล่านี้สามารถมีอุณหภูมิการทำงานที่สูงกว่า ไม่ติดไฟ และอาจต้านทานการย่อยสลายได้ดีกว่าสำหรับของเหลวอินทรีย์ อย่างไรก็ตามมีราคาแพงกว่า วัสดุเสริมแรง เช่น หนวดเครา อนุภาค เส้นใยต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่อง และวัสดุเมทริกซ์ เช่น ทองแดง อลูมิเนียม แมกนีเซียม ไททาเนียม ซูเปอร์อัลลอย ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ ส่วนประกอบเครื่องยนต์ที่ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์เมทริกซ์เสริมด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์และเส้นใยคาร์บอน 
CERAMIC-MATRIX COMPOSITES : วัสดุเซรามิกขึ้นชื่อเรื่องความน่าเชื่อถือในอุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตามมีความเปราะบางและมีค่าความเหนียวแตกหักต่ำ ด้วยการฝังอนุภาค เส้นใย หรือเคราของเซรามิกหนึ่งเข้าไปในเมทริกซ์ของอีกเซรามิกหนึ่ง เราจึงสามารถบรรลุวัสดุคอมโพสิตที่มีความเหนียวในการแตกหักสูงขึ้น วัสดุฝังตัวเหล่านี้โดยทั่วไปจะยับยั้งการแพร่กระจายของรอยแตกภายในเมทริกซ์โดยกลไกบางอย่าง เช่น การเบี่ยงเบนปลายรอยแตกหรือการสร้างสะพานข้ามใบหน้ารอยแตก ตัวอย่างเช่น อลูมินาที่เสริมความแข็งแรงด้วยหนวดเครา SiC ถูกใช้เป็นเม็ดมีดเครื่องมือตัดสำหรับการตัดเฉือนโลหะผสมโลหะหนัก สิ่งเหล่านี้สามารถเปิดเผยประสิทธิภาพที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับซีเมนต์คาร์ไบด์  
คาร์บอน-คาร์บอนคอมโพสิต : ทั้งการเสริมแรงและเมทริกซ์เป็นคาร์บอน มีโมดูลัสแรงดึงสูงและจุดแข็งที่อุณหภูมิสูงกว่า 2000 องศาเซลเซียส ความต้านทานการคืบ การแตกหักสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำความร้อนสูง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความต้านทานแรงกระแทกจากความร้อน จุดอ่อนของคอมโพสิตคาร์บอน - คาร์บอนคือความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป ได้แก่ แม่พิมพ์กดร้อน การผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์กังหันขั้นสูง 
HYBRID COMPOSITES : เส้นใยที่แตกต่างกันตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปผสมกันในเมทริกซ์เดียว เราสามารถปรับแต่งวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติต่างๆ ร่วมกันได้ ตัวอย่างคือเมื่อทั้งคาร์บอนไฟเบอร์และเส้นใยแก้วรวมอยู่ในเรซินโพลีเมอร์ เส้นใยคาร์บอนให้ความแข็งและความแข็งแรงที่มีความหนาแน่นต่ำ แต่มีราคาแพง กระจกมีราคาถูกแต่ขาดความแข็งของเส้นใยคาร์บอน คอมโพสิตไฮบริดแบบแก้ว-คาร์บอนมีความแข็งแกร่งและแข็งแกร่งกว่า และสามารถผลิตได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำลง
การประมวลผลคอมโพสิตเสริมไฟเบอร์: สำหรับพลาสติกเสริมไฟเบอร์แบบต่อเนื่องที่มีเส้นใยกระจายสม่ำเสมอในทิศทางเดียวกัน เราใช้เทคนิคต่อไปนี้
PULTRUSION: ผลิตแท่ง คาน และท่อที่มีความยาวต่อเนื่องและหน้าตัดคงที่ เส้นใยเร่ร่อนอย่างต่อเนื่องถูกชุบด้วยเรซินเทอร์โมเซตติงและถูกดึงผ่านแม่พิมพ์เหล็กเพื่อเตรียมขึ้นรูปให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ จากนั้น พวกเขาจะผ่านแม่พิมพ์สำหรับการบ่มด้วยเครื่องจักรที่มีความแม่นยำเพื่อให้ได้รูปร่างสุดท้าย เนื่องจากดายสำหรับบ่มถูกให้ความร้อน มันจึงทำการบ่มเมทริกซ์เรซิน ตัวดึงดึงวัสดุผ่านแม่พิมพ์ การใช้แกนกลวงที่สอดเข้าไป ทำให้เราได้ท่อและรูปทรงกลวง วิธีการพัลทรูชันเป็นแบบอัตโนมัติและให้อัตราการผลิตที่สูง สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ความยาวเท่าใดก็ได้ 
กระบวนการผลิต PREPREG : Prepreg เป็นการเสริมแรงด้วยไฟเบอร์แบบต่อเนื่องที่เคลือบด้วยพอลิเมอร์เรซินที่บ่มบางส่วน ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับงานโครงสร้าง วัสดุมาในรูปแบบเทปและจัดส่งเป็นเทป ผู้ผลิตหล่อขึ้นรูปโดยตรงและรักษาให้หายขาดโดยไม่ต้องเติมเรซินใดๆ เนื่องจากพรีเพกได้รับปฏิกิริยาการบ่มที่อุณหภูมิห้อง จึงถูกเก็บไว้ที่ 0 องศาเซลเซียสหรืออุณหภูมิต่ำกว่า หลังจากใช้เทปที่เหลือจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำ ใช้เรซินเทอร์โมพลาสติกและเทอร์โมเซตติงและเส้นใยเสริมแรงของคาร์บอน อะรามิดและแก้วเป็นเรื่องธรรมดา ในการใช้พรีเพรก จะต้องดึงกระดาษสำรองออกก่อน จากนั้นจึงทำการแปรรูปโดยการวางเทปพรีเพกลงบนพื้นผิวที่ใช้เครื่องมือ (กระบวนการวาง) สามารถวางซ้อนกันได้หลายชั้นเพื่อให้ได้ความหนาตามต้องการ การปฏิบัติบ่อยครั้งคือการสลับการวางแนวของเส้นใยเพื่อผลิตลามิเนตแบบ cross-ply หรือ angle-ply สุดท้ายใช้ความร้อนและแรงดันในการบ่ม ทั้งการประมวลผลด้วยมือและกระบวนการอัตโนมัติใช้สำหรับตัดพรีเพกและเลย์อัพ
FILAMENT WINDING : เส้นใยเสริมแรงอย่างต่อเนื่องอยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องในรูปแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพื่อให้เป็นไปตาม   และมักจะมีรูปร่างเป็นวงกลม ขั้นแรก เส้นใยต้องผ่านอ่างเรซิน จากนั้นจึงพันบนแกนหมุนด้วยระบบอัตโนมัติ หลังจากการวนซ้ำหลายครั้งจะได้ความหนาที่ต้องการและทำการบ่มที่อุณหภูมิห้องหรือภายในเตาอบ ตอนนี้แมนเดรลจะถูกลบออกและผลิตภัณฑ์ถูกรื้อถอน การพันเส้นใยสามารถให้อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักได้สูงมาก โดยการพันเส้นใยในรูปแบบเส้นรอบวง เกลียว และขั้ว ท่อ แท็งก์ ปลอก ผลิตด้วยเทคนิคนี้. 

 

• องค์ประกอบโครงสร้าง : โดยทั่วไปประกอบด้วยวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันและวัสดุคอมโพสิต ดังนั้นคุณสมบัติของสิ่งเหล่านี้จึงถูกกำหนดโดยวัสดุที่เป็นส่วนประกอบและการออกแบบทางเรขาคณิตขององค์ประกอบต่างๆ นี่คือประเภทหลัก:
ลามินาร์คอมโพสิต : วัสดุโครงสร้างเหล่านี้ทำจากแผ่นหรือแผงสองมิติที่มีทิศทางความแข็งแรงสูงที่ต้องการ ชั้นจะซ้อนกันและประสานเข้าด้วยกัน โดยการสลับทิศทางที่มีกำลังแรงสูงในแกนตั้งฉากสองแกน เราจะได้ส่วนประกอบที่มีความแข็งแรงสูงทั้งสองทิศทางในระนาบสองมิติ โดยการปรับมุมของชั้น เราสามารถผลิตคอมโพสิตที่มีความแข็งแรงในทิศทางที่ต้องการได้ สกีสมัยใหม่ผลิตด้วยวิธีนี้. 
แผงแซนวิช : โครงสร้างคอมโพสิตเหล่านี้มีน้ำหนักเบา แต่มีความแข็งและความแข็งแรงสูง แผงแซนวิชประกอบด้วยแผ่นชั้นนอกสองแผ่นที่ทำจากวัสดุที่แข็งและแข็งแรง เช่น โลหะผสมอลูมิเนียม พลาสติกเสริมเส้นใยหรือเหล็กกล้า และแกนกลางระหว่างแผ่นด้านนอก แกนกลางต้องมีน้ำหนักเบาและโดยส่วนใหญ่แล้วจะมีโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำ วัสดุหลักที่นิยมใช้ ได้แก่ โฟมโพลีเมอร์แข็ง ไม้ และรังผึ้ง แผงแซนวิชใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมก่อสร้าง เช่น วัสดุมุงหลังคา วัสดุพื้นหรือผนัง และในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ  

 

• NANOCOMPOSITES : วัสดุใหม่เหล่านี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดนาโนที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์ การใช้นาโนคอมโพสิตทำให้เราสามารถผลิตวัสดุยางที่เป็นอุปสรรคต่อการซึมผ่านของอากาศได้ดีมาก ในขณะที่ยังคงรักษาคุณสมบัติของยางไว้ไม่เปลี่ยนแปลง