Виробництво композитів і композитних матеріалів

Простіше кажучи, КОМПОЗИТИ або КОМПОЗИТНІ МАТЕРІАЛИ – це матеріали, що складаються з двох або кількох матеріалів з різними фізичними чи хімічними властивостями, але в поєднанні вони перетворюються на матеріал, який відрізняється від складових матеріалів. Ми повинні зазначити, що складові матеріали залишаються окремими та різними в структурі. Мета виробництва композитного матеріалу полягає в тому, щоб отримати продукт, який перевершує його складові та поєднує в собі бажані властивості кожного компонента. Як приклад; міцність, низька вага або низька ціна можуть бути мотиваторами розробки та виробництва композиту. Типи композитів, які ми пропонуємо, це зміцнені частинками композити, композити з армованою волокном, включаючи композити з керамічною матрицею/полімерною матрицею/метал-матрицею/вуглецево-вуглецеві/гібридні композити, структурні та ламіновані та сендвіч-структуровані композити та нанокомпозити.

 

Технології виготовлення, які ми використовуємо у виробництві композитних матеріалів, це: пултрузія, процеси виробництва препрегів, розширене розміщення волокон, намотування ниток, індивідуальне розміщення волокон, процес укладання скловолокна розпиленням, тафтинг, процес ланксиду, z-піннінг.
Багато композитних матеріалів складаються з двох фаз: матриці, яка є суцільною і оточує іншу фазу; і дисперсної фази, яка оточена матрицею.
Ми рекомендуємо вам натиснути тут, щобЗАВАНТАЖИТИ наші схематичні ілюстрації виробництва композитів і композитних матеріалів компанією AGS-TECH Inc.
Це допоможе вам краще зрозуміти інформацію, яку ми надаємо нижче. 

 

• КОМПОЗИТИ, ПОСИЛЕНІ ЧАСТИНКАМИ: Ця категорія складається з двох типів: композити з великими частинками та композити, зміцнені дисперсією. У першому типі взаємодії частинка-матриця не можна розглядати на атомному або молекулярному рівні. Натомість діє механіка континууму. З іншого боку, у дисперсно зміцнених композитах частинки, як правило, набагато менші в діапазоні десятків нанометрів. Прикладом великодисперсного композиту є полімери, до яких додано наповнювачі. Наповнювачі покращують властивості матеріалу і можуть замінити частину полімерного об'єму більш економічним матеріалом. Об'ємні частки двох фаз впливають на поведінку композиту. Композити з великими частинками використовуються з металами, полімерами та керамікою. CERMETS є прикладами композитів кераміка/метал. Наш найпоширеніший металокераміка - це твердий сплав. Він складається з вогнетривкої карбідної кераміки, наприклад частинок карбіду вольфраму, у матриці з такого металу, як кобальт або нікель. Ці твердосплавні композити широко використовуються як ріжучі інструменти для загартованої сталі. Частинки твердого сплаву відповідають за дію різання, а їх в'язкість підвищується за рахунок пластичної металевої матриці. Таким чином ми отримуємо переваги обох матеріалів в одному композиті. Іншим поширеним прикладом композиту з великими частинками, який ми використовуємо, є частинки сажі, змішані з вулканізованою гумою для отримання композиту з високою міцністю на розрив, міцністю, стійкістю до розриву та стирання. Прикладом дисперсно зміцненого композиту є метали і металеві сплави, зміцнені і зміцнені рівномірним диспергуванням дрібних частинок дуже твердого і інертного матеріалу. Коли дуже маленькі пластівці оксиду алюмінію додають до металевої алюмінієвої матриці, ми отримуємо спечений алюмінієвий порошок, який має підвищену міцність при високій температурі. 

 

• КОМПОЗИТИ, АРМОВАНІ ВОЛОКНАМИ: ця категорія композитів насправді є найважливішою. Метою, яку потрібно досягти, є висока міцність і жорсткість на одиницю ваги. Склад волокна, довжина, орієнтація та концентрація в цих композитах мають вирішальне значення для визначення властивостей і корисності цих матеріалів. Існує три групи волокон, які ми використовуємо: вуса, волокна та дроти. ВИСКИ — дуже тонкі і довгі монокристали. Вони є одними з найміцніших матеріалів. Деякими прикладами матеріалів для вусів є графіт, нітрид кремнію, оксид алюмінію.  ВОЛОКНА, з іншого боку, в основному є полімерами або керамікою і знаходяться в полікристалічному або аморфному стані. Третя група - це тонкий ДРОТ, який має відносно великий діаметр і складається часто зі сталі або вольфраму. Прикладом армованого дротом композиту є автомобільні шини, які містять сталевий дріт усередині гуми. Залежно від матеріалу матриці ми маємо наступні композити:
ПОЛІМЕРНО-МАТРИЧНІ КОМПОЗИТИ: виготовляються з полімерної смоли та волокон як армуючого інгредієнта. Підгрупа цих полімерних композитів, армованих скловолокном (GFRP), містить безперервні або розривні скляні волокна в полімерній матриці. Скло має високу міцність, економічність, легкість виготовлення волокон і хімічно інертне. Недоліками є їх обмежена твердість і жорсткість, робочі температури лише до 200-300 за Цельсієм. Скловолокно підходить для кузовів автомобілів і транспортного обладнання, кузовів морських транспортних засобів, складських контейнерів. Вони не підходять для аерокосмічної промисловості та виготовлення мостів через обмежену жорсткість. Інша підгрупа називається полімерним композитом, армованим вуглецевим волокном (CFRP). Тут вуглець є нашим волокнистим матеріалом у полімерній матриці. Вуглець відомий своїм високим питомим модулем і міцністю, а також здатністю підтримувати їх при високих температурах. Вуглецеві волокна можуть запропонувати нам стандартний, проміжний, високий і надвисокий модулі розтягування. Крім того, вуглецеві волокна мають різноманітні фізичні та механічні характеристики, а отже, підходять для різноманітних індивідуальних інженерних застосувань. Вуглепластикові композити можна розглядати для виготовлення спортивного та рекреаційного обладнання, посудин під тиском та аерокосмічних структурних компонентів. Ще одна підгрупа, полімерні композити, армовані арамідним волокном, також є високоміцними та модульними матеріалами. Їх співвідношення міцності до ваги надзвичайно високе. Арамідні волокна також відомі під торговими назвами KEVLAR і NOMEX. При розтягуванні вони працюють краще, ніж інші полімерні волокнисті матеріали, але вони слабкі при стисненні. Арамідні волокна міцні, стійкі до ударів, повзучості та втоми, стійкі до високих температур, хімічно інертні, за винятком сильних кислот і лугів. Арамідні волокна широко використовуються в спортивних товарах, бронежилетах, шинах, мотузках, оболонках оптоволоконних кабелів. Інші армуючі волокнисті матеріали існують, але використовуються в меншій мірі. В основному це бор, карбід кремнію, оксид алюмінію. З іншого боку, матеріал полімерної матриці також має вирішальне значення. Він визначає максимальну робочу температуру композиту, оскільки полімер зазвичай має нижчу температуру плавлення та деградації. В якості полімерної матриці широко використовуються поліефіри і вінілові ефіри. Також використовуються смоли, які мають відмінну вологостійкість і механічні властивості. Наприклад, поліімідна смола може використовуватися приблизно до 230 градусів за Цельсієм. 
КОМПОЗИТИ МЕТАЛУ І МАТРИЦІ: у цих матеріалах ми використовуємо пластичну металеву матрицю, і робочі температури зазвичай вищі, ніж їхні складові компоненти. У порівнянні з полімерно-матричними композитами, вони можуть мати вищі робочі температури, бути негорючими та можуть мати кращу стійкість до деградації від органічних рідин. Однак вони дорожчі. Зміцнюючі матеріали, такі як нитки, частинки, безперервні та розривні волокна; і широко використовуються такі матричні матеріали, як мідь, алюміній, магній, титан, суперсплави. Прикладом застосування є компоненти двигуна, виготовлені з матриці з алюмінієвого сплаву, посиленої оксидом алюмінію та вуглецевими волокнами. 
КЕРАМІЧНО-МАТРИЧНІ КОМПОЗИТИ: Керамічні матеріали відомі своєю надзвичайно хорошою високотемпературною надійністю. Однак вони дуже крихкі та мають низькі показники міцності на руйнування. Вбудовуючи частинки, волокна або волокна однієї кераміки в матрицю іншої, ми можемо отримувати композити з вищою в’язкістю до руйнування. Ці вбудовані матеріали в основному перешкоджають поширенню тріщини всередині матриці за допомогою деяких механізмів, таких як відхилення кінчиків тріщин або утворення містків через поверхні тріщин. Як приклад, оксид алюмінію, армований карбідними кристалами SiC, використовується як пластини для різання для обробки твердих металевих сплавів. Вони можуть продемонструвати кращі характеристики порівняно з цементованими карбідами.  
ВУГЛЕЦЕВО-ВУГЛЕЦЕВІ КОМПОЗИТИ: як армування, так і матриця є вуглецевими. Вони мають високі модулі розтягування та міцність при високих температурах понад 2000 за Цельсієм, опір повзучості, високу в’язкість до руйнування, низькі коефіцієнти теплового розширення, високу теплопровідність. Ці властивості роблять їх ідеальними для додатків, де потрібна стійкість до термічного удару. Однак недоліком вуглець-вуглецевих композитів є їх вразливість до окислення при високих температурах. Типовими прикладами використання є форми для гарячого пресування, виробництво передових компонентів турбінних двигунів. 
ГІБРИДНІ КОМПОЗИТИ: два або більше різних типів волокон змішані в одній матриці. Таким чином можна створити новий матеріал із комбінацією властивостей. Прикладом може бути те, що і вуглецеві, і скляні волокна включені в полімерну смолу. Вуглецеві волокна забезпечують жорсткість і міцність низької щільності, але коштують дорого. Скло, з іншого боку, недороге, але йому бракує жорсткості вуглецевих волокон. Скло-вуглецевий гібридний композит є міцнішим і міцнішим і може бути виготовлений за нижчою ціною.
ОБРОБКА КОМПОЗИТІВ, АРМОВАНИХ ВОЛОКНАМИ: Для безперервних армованих волокнами пластмас з рівномірно розподіленими волокнами, орієнтованими в одному напрямку, ми використовуємо такі методи.
PULTRUSION: Виготовляються прутки, балки та труби безперервної довжини та постійного поперечного перерізу. Рівниці безперервного волокна просочуються термореактивною смолою та протягуються через сталеву матрицю для попереднього формування бажаної форми. Далі вони проходять через прецизійну машинно-оброблену матрицю для набуття остаточної форми. Оскільки фільєра для затвердіння нагрівається, вона затверджує смоляну матрицю. Витягувачі витягують матеріал через матриці. Використовуючи вставлені порожнисті сердечники, ми можемо отримати труби та порожнисті геометричні форми. Метод пултрузії є автоматизованим і забезпечує високу продуктивність. Можливе виготовлення виробу будь-якої довжини. 
ПРОЦЕС ВИРОБНИЦТВА ПРЕПРЕГІВ: Препрег — це армування безперервним волокном, попередньо просочене частково затверділою полімерною смолою. Він широко використовується для конструкційних застосувань. Матеріал постачається у формі стрічки та поставляється у вигляді стрічки. Виробник формує його безпосередньо та повністю твердить без необхідності додавання смоли. Оскільки препреги затвердіють при кімнатній температурі, їх зберігають при 0 за Цельсієм або нижчих температурах. Після використання стрічки, що залишилися, зберігаються при низьких температурах. Використовуються термопластичні та термореактивні смоли, звичайні армуючі волокна з вуглецю, араміду та скла. Для використання препрегів спочатку видаляється папір-підкладка, а потім виконується виготовлення шляхом укладання стрічки препрега на оброблену поверхню (процес накладання). Для отримання потрібної товщини можна накласти кілька шарів. Частою практикою є чергування орієнтації волокон для виготовлення ламінату з перехресним або кутовим шаром. Нарешті для затвердіння застосовують тепло і тиск. Як ручна обробка, так і автоматизовані процеси використовуються для різання препрегів і укладання.
НАМОТКА НИТКИ: безперервні армуючі волокна точно розташовані за заздалегідь визначеною схемою, щоб слідувати порожнистій  і зазвичай круглій формі. Волокна спочатку проходять через смоляну ванну, а потім автоматизованою системою намотуються на оправку. Після кількох повторень намотування досягається необхідна товщина, і затвердіння відбувається при кімнатній температурі або в печі. Тепер оправку видаляють і виріб виймають з форми. Намотування ниток може запропонувати дуже високе співвідношення міцності до ваги, намотуючи волокна по окружності, спіралі та полярності. За цією технікою виготовляють труби, баки, корпуси. 

 

• СТРУКТУРНІ КОМПОЗИТИ: як правило, вони складаються як з однорідних, так і з композитних матеріалів. Тому їх властивості визначаються складовими матеріалами та геометричним дизайном їх елементів. Ось основні види:
ЛАМІНАРНІ КОМПОЗИТИ: ці конструкційні матеріали виготовлені з двовимірних листів або панелей із переважними напрямками високої міцності. Шари укладаються і скріплюються між собою. Чергуючи напрямки високої міцності в двох перпендикулярних осях, ми отримуємо композит, який має високу міцність в обох напрямках у двовимірній площині. Регулюючи кути шарів, можна виготовити композит з міцністю в бажаних напрямках. Сучасні лижі виготовляються таким чином. 
СЕНДВІЧ-ПАНЕЛІ: ці конструкційні композити легкі, але мають високу жорсткість і міцність. Сендвіч-панелі складаються з двох зовнішніх листів, виготовлених із жорсткого та міцного матеріалу, такого як алюмінієві сплави, армований волокном пластик або сталь, і серцевини між зовнішніми листами. Серцевина повинна бути легкою і здебільшого мати низький модуль пружності. Популярними основними матеріалами є жорсткі пінополімери, дерево та стільники. Сендвіч-панелі широко використовуються в будівельній галузі як покрівельний матеріал, матеріал для підлоги або стін, а також в аерокосмічній промисловості.  

 

• НАНОКОМПОЗИТИ: ці нові матеріали складаються з частинок нанорозміру, вбудованих у матрицю. Використовуючи нанокомпозити, ми можемо виготовляти гумові матеріали, які є дуже хорошими бар’єрами для проникнення повітря, зберігаючи при цьому їхні гумові властивості незмінними.