Podobnie jak w przypadku wszystkich materiałów konstrukcyjnych, kompozyty mają szczególne mocne i słabe strony, które należy wziąć pod uwagę na etapie specyfikacji. Kompozyty w żadnym wypadku nie są odpowiednim materiałem do każdego zadania. Jednak główną siłą napędową rozwoju kompozytów jest możliwość kombinacji wzmocnienia i matrycy dostosowując właściwości do końcowych wymagań. Na przykład, jeśli końcowy komponent musi być ognioodporny, na etapie projektowania i rozwoju można zastosować matrycę ognioodporną, aby miała tę właściwość.
Wadami czystych polimerów do zastosowań strukturalnych lub pół-strukturalnych jest ich stosunkowo niska sztywność i wytrzymałość. Włączenie włókien o wysokiej sztywności i wysokiej wytrzymałości do matryc polimerowych ma na celu głównie poprawę tych właściwości mechanicznych. Dodatkową zaletą jest to, że techniki formowania przez wytłaczanie i formowanie wtryskowe, które zostały pierwotnie opracowane dla niewzmocnionych polimerów, można zastosować do wytwarzania kompozytów z polimeru wzmocnionego krótkim włóknem.
Kompozyty wzmacniane włóknami są coraz częściej stosowane w samochodach, maszynach przemysłowych, trwałych artykułach konsumpcyjnych, artykułach sportowych i przemyśle elektrycznym itp., ze względu na ich lepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z odpowiednimi polimerami macierzystymi oraz ich niski koszt i łatwą obróbkę. Aby opracować kompozyty o wysokiej wydajności, badacze muszą znać główne czynniki, które odgrywają kluczową rolę w określaniu wydajności mechanicznej kompozytów z włóknem krótkim. Główne czynniki obejmują właściwości
włókna i matrycy, cechy interfejsu włókno-matryca, rozkład długości włókien, rozkład orientacji włókien i udział objętościowy włókien. Podczas gdy włókna wzmacniające odgrywają bardzo ważną rolę w określaniu sztywności i wytrzymałości kompozytów, zdolność matrycy do podtrzymywania włókien i przenoszenia naprężeń na włókna jest również bardzo ważna. Większość polimerów to materiały o stosunkowo wysokiej masie cząsteczkowej, w których nie zachodzi żadna dalsza reakcja chemiczna. Włókna wzmacniające mają zwykle niską ciągliwość; ale przeciwnie, materiały matrycy polimerowej mają zwykle stosunkowo wysoką ciągliwość. Matryca służy do wiązania włókien i ochrony sztywnych i kruchych włókien przed ścieraniem i korozją. Osnowa przenosi naprężenia do i z włókien, a w niektórych przypadkach (szczególnie poprzeczne) również i obciążenie. Wiele uwagi poświęcono właściwościom mechanicznym i fizycznym kompozytów wzmacnianych włóknami. Zmienne, takie jak zawartość włókien, orientacja, współczynnik kształtu i wytrzymałość międzyfazowa, mają zasadnicze znaczenie dla ostatecznego bilansu właściwości wykazywanego przez formowane wtryskowo kompozyty polimerowe.
ROVINGI są wykorzystywane głównie w związkach termoutwardzalnych, ale można je również stosować w tworzywach termoplastycznych. Rovingi o wielu końcach składają się z wielu pojedynczych pasm lub wiązek włókien, które mogą być cięte (roving cięty) i losowo osadzane w matrycy z żywicy. Są wykorzystywane w takich procesach jak mieszanka do formowania arkuszy (SMC), preforma i natryskiwanie. Roving z jednym końcem składa się z wielu pojedynczych włókien nawiniętych w jedno pasmo. Produkt jest zwykle używany w procesach wykorzystujących jednokierunkowe wzmocnienie, takich jak nawijanie włókien lub pultruzja.
Tkaniny rovingowe – wytwarzane są z pasm rovingu i mogą mieć różne sploty oraz konfiguracje przestrzenną (dwu lub trzywymiarową). Tkaniny można wytwarzać przy użyciu prawie każdego włókna wzmacniającego. Najpopularniejsze tkaniny są zbudowane z włókna szklanego, węgla lub aramidu. Tkaniny pozwalają na precyzyjne ułożenie zbrojenia. Nie można tego zrobić w przypadku włókien mielonych lub ciętych i jest to możliwe tylko w przypadku pasm ciągłych przy użyciu stosunkowo drogiego sprzętu do układania włókien. Ze względu na ciągły charakter włókien w większości tkanin, stosunek wytrzymałości do wagi jest znacznie wyższy niż w przypadku wersji z ciętych włókien.
WŁÓKNA MIELONE to włókna cięte o bardzo krótkich długościach (zwykle mniej niż 1/8 ”). Produkty te są często stosowane w kitach termoutwardzalnych, odlewach lub piankach syntaktycznych, aby zapobiec pękaniu utwardzonej kompozycji z powodu skurczu żywicy. Mielone włókna są używane w celu poprawy właściwości mechanicznych, zwiększenia modułu, poprawy stabilności wymiarowej i minimalizacji odkształceń kompozytów w podwyższonych temperaturach. Formowanie wtryskowe z reakcją wzmocnioną (RRIM) jest często stosowane specjalnie do włókien frezowanych.
MATY Z ROVINGU CIĘTEGO – Maty wzmacniające z włókniny są zwykle opisywane za pomocą wagi na jednostkę powierzchni. Rodzaj wzmocnienia, dyspersja włókien i ilość spoiwa użytego do utrzymania maty decydują o różnicach między produktami mat. W niektórych procesach, takich jak nakładanie ręczne, konieczne jest rozpuszczenie spoiwa. W innych procesach, zwłaszcza w formowaniu tłocznym i pultruzji, spoiwo musi wytrzymywać siły hydrauliczne i działanie rozpuszczające żywicy podczas formowania. Dlatego, z punktu widzenia spoiwa, produkowane są dwie ogólne kategorie mat, znane jako rozpuszczalne i nierozpuszczalne środki wiążące. Zastosowanie mat zapewnia doskonały wygląd powierzchni, elastyczność projektowania, wysoką wytrzymałość mechaniczną, trwałość oraz odporność na korozję.
PREPREGI to gotowy materiał wykonany z formy wzmacniającej i matrycy polimerowej. Do wykonania prepregu stosuje się przepuszczanie włókien wzmacniających lub form, takich jak tkaniny, przez kąpiel żywicy. Żywica jest nasycana (impregnowana) we włóknie, a następnie podgrzewana, aby przyspieszyć reakcję utwardzania do różnych etapów utwardzania. Dostępne są termoutwardzalne lub termoplastyczne prepregi, które można przechowywać w lodówce lub w temperaturze pokojowej, w zależności od materiałów składowych. Prepregi można nakładać ręcznie lub mechanicznie w różnych kierunkach w zależności od wymagań projektowych. Warstwy materiałów prepregów układane są w narzędziu ręcznie lub za pomocą zautomatyzowanego sprzętu. Następnie stos laminatu jest konsolidowany pod naciskiem worka próżniowego.
Napełniacze stosowane w kompozytach polimerowych można podzielić na kilka kategorii, do włókien pochodzenia naturalnego zaliczany takie włókna jak len, juta, konopie, sizal, bawełna, agawa, mączka drzewna, kokos, kenaf, abaka, włókna słomy (kukurydza, ryż i pszenica), włókna traw (bagassa, bambus), jedwab, wełna i wiele innych. Do napełniaczy mineralnych zaliczamy kaolin, węglan wapnia, tuf czy włókna i mączka bazaltowa oraz najszerzej stosowane do tej pory włókna sztuczne jak polietylenowe, poliestrowe, poliakrylowe, poliolefinowe, poliuretanowe, szklane, krzemowe, borowe, tytanowe, węglowe, cyrkonowe.
Zaletami syntetycznych włókien takich jak na przykład włókna szklane jest ich wysoka wszechstronność, odporność na uderzenia czy w odpowiednich konfiguracjach wytrzymałość przewyższająca stal. Oparte na kompozycji tlenku glinu, wapna i borokrzemianu, włókna szklane „E” lub „E-CR” są uważane za dominujące wzmocnienia kompozytów z matrycą polimerową ze względu na ich wysokie właściwości elektroizolacyjne, niską podatność na wilgoć i wysokie właściwości mechaniczne. Szkło E-CR dodatkowo odróżnia się od szkła E dzięki doskonałej odporności na korozję. Inne komercyjne kompozycje obejmują szkło „S” o wyższej wytrzymałości, odporności na ciepło i module sprężystości, szkło typu H o wyższym module oraz szkło AR (odporne na alkalia) o doskonałej odporności na korozję.
Włókna węglowe są wytwarzane z organicznych prekursorów, w tym PAN (poliakrylonitryl), sztucznego jedwabiu i paku, przy czym dwa ostatnie są zwykle używane do włókien o niskim module sprężystości. Terminy „włókna węglowe” i „grafitowe” są zwykle używane zamiennie, chociaż grafit technicznie odnosi się do włókien o składzie większym niż 99% węgla w porównaniu z 93-95% do włókien węglowych na bazie PAN. Włókno węglowe zapewnia najwyższą wytrzymałość i sztywność spośród wszystkich włókien wzmacniających. Odporność na wysokie temperatury jest szczególnie dobra w przypadku włókien węglowych. Główną wadą włókien opartych na PAN jest ich wysoki względny koszt, który jest wynikiem kosztu materiału podstawowego i energochłonnego procesu produkcyjnego. Kompozyty z włókna węglowego są bardziej kruche niż kompozyty z włóknem szklanym czy aramidowym.
Włókno aramidowe to aromatyczny poliimid, który jest sztucznym włóknem organicznym do wzmacniania kompozytów. Włókna aramidowe oferują dobre właściwości mechaniczne przy niskiej gęstości z dodatkową zaletą w postaci twardości lub odporności na uderzenia dynamiczne. Charakteryzują się stosunkowo wysoką wytrzymałością na rozciąganie, średnim modułem i bardzo małą gęstością w porównaniu ze szkłem i węglem. Włókna aramidowe są izolatorami elektrycznymi i cieplnymi oraz zwiększają udarność kompozytów. Są odporne na rozpuszczalniki organiczne, paliwa i smary. Kompozyty aramidowe nie mają tak dobrej wytrzymałości na ściskanie jak kompozyty szklane lub węglowe.
Niedawno wprowadzono termoplastyczne włókna poliestrowe i nylonowe zarówno jako podstawowe wzmocnienia, jak i w układzie hybrydowym z włóknem szklanym. Atrakcyjne cechy obejmują niską gęstość, rozsądny koszt oraz dobrą odporność na uderzenia i zmęczenie. Chociaż włókna poliestrowe mają dość wysokie wytrzymałości, ich sztywność jest znacznie niższa od sztywności szkła. Bardziej wyspecjalizowane wzmocnienia do zastosowań o wysokiej wytrzymałości i wysokich temperaturach obejmują metale i tlenki metali, takie jak te używane w zastosowaniach lotniczych lub kosmicznych.
Zapraszamy na Nasz kanał na YouTube! : https://www.youtube.com/channel/UC1Ksz8qy_IfnjNJHUkBmQCg
oraz Facebook: https://www.facebook.com/klgspcim
Poprzedni post na blogu: https://www.klgs.pl/blog/nowy-partner-szarotek/