Composites & Composite Materials Manufacturing

Jednostavno definirano, KOMPOZITI ili KOMPOZITNI MATERIJALI su materijali koji se sastoje od dva ili više materijala s različitim fizičkim ili kemijskim svojstvima, ali kada se spoje oni postaju materijal koji se razlikuje od sastavnih materijala. Moramo istaći da sastavni materijali ostaju odvojeni i različiti u strukturi. Cilj u proizvodnji kompozitnog materijala je dobiti proizvod koji je superiorniji od njegovih sastojaka i koji kombinuje željene karakteristike svakog sastojka. Kao primjer; snaga, mala težina ili niža cijena mogu biti motivator za dizajniranje i proizvodnju kompozita. Vrsta kompozita koje nudimo su kompoziti ojačani česticama, kompoziti ojačani vlaknima uključujući keramičko-matrične / polimer-matrice / metal-matrice / ugljik-ugljik / hibridne kompozite, strukturne i laminirane i sendvič strukturirane kompozite i nanokompozite.

 

Tehnike proizvodnje koje koristimo u proizvodnji kompozitnih materijala su: pultruzija, procesi proizvodnje preprega, napredno postavljanje vlakana, namotavanje filamenta, prilagođeno postavljanje vlakana, proces polaganja raspršivanjem od stakloplastike, tafting, proces lanksida, z-pinovanje.
Mnogi kompozitni materijali se sastoje od dvije faze, matrice, koja je kontinuirana i okružuje drugu fazu; i disperzovanu fazu koja je okružena matriksom.
Preporučujemo da kliknete ovdje zaPREUZMITE naše šematske ilustracije proizvodnje kompozita i kompozitnih materijala od strane AGS-TECH Inc.
Ovo će vam pomoći da bolje razumijete informacije koje vam pružamo u nastavku. 

 

• KOMPOZITI Ojačani česticama: Ova kategorija se sastoji od dva tipa: kompozita velikih čestica i kompozita ojačanih disperzijom. U prvom tipu, interakcije čestica-matrica ne mogu se tretirati na atomskom ili molekularnom nivou. Umjesto toga vrijedi mehanika kontinuuma. S druge strane, u kompozitima ojačanim disperzijom čestice su općenito mnogo manje u rasponima od desetina nanometara. Primjer kompozita velikih čestica su polimeri kojima su dodana punila. Punila poboljšavaju svojstva materijala i mogu zamijeniti dio volumena polimera ekonomičnijim materijalom. Zapreminski udjeli dvije faze utječu na ponašanje kompozita. Kompoziti velikih čestica koriste se s metalima, polimerima i keramikom. CERMETI su primjeri keramičkih/metalnih kompozita. Naš najčešći kermet je cementni karbid. Sastoji se od vatrostalne karbidne keramike kao što su čestice volframovog karbida u matrici metala poput kobalta ili nikla. Ovi karbidni kompoziti se široko koriste kao alati za rezanje kaljenog čelika. Tvrde čestice karbida su odgovorne za djelovanje rezanja, a njihova žilavost je poboljšana duktilnom metalnom matricom. Tako dobijamo prednosti oba materijala u jednom kompozitu. Još jedan uobičajeni primjer kompozita velikih čestica koji koristimo su čestice čađe pomiješane s vulkaniziranom gumom kako bi se dobio kompozit visoke vlačne čvrstoće, žilavosti, otpornosti na kidanje i habanje. Primjer disperzijski ojačanog kompozita su metali i legure metala ojačani i očvrsnuti ravnomjernom disperzijom finih čestica vrlo tvrdog i inertnog materijala. Kada se u aluminijumsku metalnu matricu dodaju vrlo male ljuspice aluminijum-oksida, dobijamo sinterovani aluminijumski prah koji ima povećanu čvrstoću pri visokim temperaturama. 

 

• KOMPOZITI Ojačani Vlaknima: Ova kategorija kompozita je u stvari najvažnija. Cilj koji treba postići je visoka čvrstoća i krutost po jedinici težine. Sastav vlakana, dužina, orijentacija i koncentracija u ovim kompozitima su kritični u određivanju svojstava i korisnosti ovih materijala. Postoje tri grupe vlakana koje koristimo: brkovi, vlakna i žice. BRKOVI su vrlo tanki i dugi monokristali. Oni su među najjačim materijalima. Neki primjeri materijala za brkove su grafit, silicijum nitrid, aluminijum oksid.  VLAKNA s druge strane su uglavnom polimeri ili keramika i nalaze se u polikristalnom ili amorfnom stanju. Treća grupa su fine ŽICE koje imaju relativno velike prečnike i sastoje se često od čelika ili volframa. Primjer kompozita ojačanog žicom su automobilske gume koje sadrže čeličnu žicu unutar gume. U zavisnosti od materijala matrice, imamo sledeće kompozite:
KOMPOZITI POLIMER-MATRICA: Napravljeni su od polimerne smole i vlakana kao sastojka za pojačanje. Podgrupa ovih koji se nazivaju polimerima ojačanim staklenim vlaknima (GFRP) kompoziti sadrže kontinuirana ili diskontinuirana staklena vlakna unutar polimerne matrice. Staklo nudi visoku čvrstoću, ekonomično je, lako se proizvodi u vlakna i hemijski je inertno. Nedostaci su njihova ograničena krutost i krutost, radne temperature su samo do 200 – 300 C. Fiberglas je pogodan za automobilske karoserije i transportnu opremu, karoserije brodskih vozila, kontejnere za skladištenje. Zbog ograničene krutosti nisu pogodni za vazduhoplovstvo niti za izradu mostova. Druga podgrupa se zove kompozit polimera ojačanog karbonskim vlaknima (CFRP). Ovdje je ugljik naš vlaknasti materijal u polimernoj matrici. Ugljik je poznat po svom visokom specifičnom modulu i čvrstoći i sposobnosti da ih održi na visokim temperaturama. Ugljična vlakna mogu nam ponuditi standardne, srednje, visoke i ultravisoke vlačne module. Nadalje, karbonska vlakna nude različite fizičke i mehaničke karakteristike i stoga su pogodna za različite inženjerske aplikacije po mjeri. CFRP kompoziti se mogu smatrati za proizvodnju sportske i rekreativne opreme, posuda pod pritiskom i strukturnih komponenti za vazduhoplovstvo. Ipak, druga podgrupa, polimerni kompoziti ojačani aramidnim vlaknima su također materijali visoke čvrstoće i modula. Njihov omjer snage i težine je izuzetno visok. Aramidna vlakna su poznata i pod trgovačkim nazivima KEVLAR i NOMEX. Pod zatezanjem se ponašaju bolje od ostalih materijala od polimernih vlakana, ali su slabi na kompresiju. Aramidna vlakna su čvrsta, otporna na udarce, otporna na puzanje i zamor, stabilna na visokim temperaturama, hemijski inertna osim na jake kiseline i baze. Aramidna vlakna se široko koriste u sportskoj robi, pancirima, gumama, užadima, omotima optičkih kablova. Postoje i drugi materijali za ojačanje vlaknima, ali se koriste u manjoj mjeri. To su uglavnom bor, silicijum karbid, aluminijum oksid. S druge strane, materijal polimerne matrice je također kritičan. On određuje maksimalnu temperaturu rada kompozita jer polimer općenito ima nižu temperaturu topljenja i razgradnje. Poliesteri i vinil estri se široko koriste kao polimerna matrica. Koriste se i smole koje imaju odličnu otpornost na vlagu i mehanička svojstva. Na primjer, poliimidna smola se može koristiti do oko 230 stepeni Celzijusa. 
KOMPOZITI METALNE MATRICE: U ovim materijalima koristimo duktilnu metalnu matricu i radne temperature su generalno više od njihovih sastavnih komponenti. U poređenju sa kompozitima polimer-matrix, oni mogu imati više radne temperature, biti nezapaljivi i mogu imati bolju otpornost na degradaciju prema organskim tekućinama. Međutim, oni su skuplji. Materijali za ojačanje kao što su brkovi, čestice, kontinuirana i diskontinuirana vlakna; i matrični materijali kao što su bakar, aluminijum, magnezijum, titanijum, superlegure se obično koriste. Primjer primjene su komponente motora napravljene od matrice od aluminijske legure ojačane aluminijumskim oksidom i ugljičnim vlaknima. 
KERAMIČKO-MATRIČNI KOMPOZITI: Keramički materijali su poznati po svojoj izuzetno dobroj pouzdanosti pri visokim temperaturama. Međutim, oni su vrlo krti i imaju niske vrijednosti žilavosti na lom. Ugrađivanjem čestica, vlakana ili brkova jedne keramike u matricu druge možemo postići kompozite veće žilavosti na lom. Ovi ugrađeni materijali u osnovi inhibiraju širenje pukotina unutar matrice nekim mehanizmima kao što su skretanje vrhova pukotine ili formiranje mostova preko lica pukotine. Na primjer, glinice koje su ojačane SiC brkovima koriste se kao umetci za rezne alate za obradu legura tvrdih metala. Oni mogu otkriti bolje performanse u usporedbi s cementiranim karbidima.  
KOMPOZITI UGLJENIK-UGLJENIK: I ojačanje kao i matrica su karbonski. Imaju visoke module zatezanja i čvrstoće na visokim temperaturama preko 2000 C, otpornost na puzanje, visoku žilavost loma, niske koeficijente termičkog širenja, visoku toplotnu provodljivost. Ova svojstva ih čine idealnim za aplikacije koje zahtijevaju otpornost na termalni udar. Slabost kompozita ugljik-ugljik je međutim njihova osjetljivost na oksidaciju na visokim temperaturama. Tipični primjeri upotrebe su kalupi za vruće prešanje, napredna proizvodnja komponenti turbinskih motora. 
HIBRIDNI KOMPOZITI: Dvije ili više različitih vrsta vlakana su pomiješane u jednoj matrici. Tako se može krojiti novi materijal s kombinacijom svojstava. Primjer je kada su i karbonska i staklena vlakna ugrađena u polimernu smolu. Ugljična vlakna pružaju krutost i čvrstoću niske gustine, ali su skupa. Staklo je s druge strane jeftino, ali mu nedostaje krutost karbonskih vlakana. Hibridni kompozit staklo-ugljik je jači i čvršći i može se proizvesti po nižoj cijeni.
PRERADA KOMPOZITA Ojačanih vlaknima: Za kontinuiranu plastiku ojačanu vlaknima sa ravnomjerno raspoređenim vlaknima orijentiranim u istom smjeru koristimo sljedeće tehnike.
PULTRUZIJA: Izrađuju se šipke, grede i cijevi kontinuiranih dužina i konstantnih poprečnih presjeka. Kontinuirani rovovi od vlakana su impregnirani termoreaktivnom smolom i provlače se kroz čeličnu matricu kako bi se preformirali u željeni oblik. Zatim prolaze kroz precizno obrađenu matricu za očvršćavanje kako bi postigli svoj konačni oblik. Pošto se matrica za sušenje zagreva, ona očvršćava matricu smole. Izvlakači provlače materijal kroz kalupe. Koristeći umetnute šuplje jezgre, u mogućnosti smo dobiti cijevi i šuplje geometrije. Metoda pultruzije je automatizirana i nudi nam visoke stope proizvodnje. Moguća je proizvodnja bilo koje dužine proizvoda. 
PROCES PROIZVODNJE PREPREG-a: Prepreg je armatura od kontinuiranih vlakana prethodno impregnirana djelomično očvrslom polimernom smolom. Široko se koristi za konstruktivne primjene. Materijal dolazi u obliku trake i isporučuje se kao traka. Proizvođač ga direktno oblikuje i potpuno stvrdnjava bez potrebe za dodavanjem bilo kakve smole. Pošto prepregi prolaze kroz reakcije očvršćavanja na sobnoj temperaturi, oni se čuvaju na 0 C ili nižim temperaturama. Nakon upotrebe preostale trake se pohranjuju na niskim temperaturama. Koriste se termoplastične i termoreaktivne smole, a česta su armaturna vlakna od ugljika, aramida i stakla. Da bi se koristili prepregovi, prvo se uklanja noseći papir, a zatim se izrada vrši polaganjem prepreg trake na obrađenu površinu (proces polaganja). Može se postaviti nekoliko slojeva kako bi se dobila željena debljina. Česta praksa je naizmjenična orijentacija vlakana kako bi se dobio poprečni ili kutni laminat. Na kraju se primjenjuju toplina i pritisak za sušenje. Za rezanje preprega i polaganje koriste se ručna obrada i automatizirani procesi.
NAMOTAJ FILAMENTA: Kontinuirana ojačavajuća vlakna su precizno pozicionirana u unaprijed određenom uzorku kako bi pratili šuplji  i obično ciklindični oblik. Vlakna prvo prolaze kroz kupku sa smolom, a zatim se automatizovanim sistemom namotaju na trn. Nakon nekoliko ponavljanja namotavanja dobijaju se željene debljine i sušenje se vrši na sobnoj temperaturi ili u pećnici. Sada se trn uklanja i proizvod se vadi iz kalupa. Namotavanje filamenta može ponuditi vrlo visoke omjere čvrstoće i težine namotavanjem vlakana u obodnim, spiralnim i polarnim obrascima. Cijevi, rezervoari, kućišta se proizvode ovom tehnikom. 

 

• STRUKTURNI KOMPOZITI: Generalno se sastoje od homogenih i kompozitnih materijala. Stoga su njihova svojstva određena sastavnim materijalima i geometrijskim dizajnom njegovih elemenata. Evo glavnih tipova:
LAMINARNI KOMPOZITI: Ovi strukturni materijali su napravljeni od dvodimenzionalnih limova ili panela sa poželjnim pravcima visoke čvrstoće. Slojevi se slažu i cementiraju zajedno. Izmjenjivanjem smjerova visoke čvrstoće u dvije okomite ose, dobijamo kompozit koji ima visoku čvrstoću u oba smjera u dvodimenzionalnoj ravni. Podešavanjem uglova slojeva može se proizvesti kompozit sa čvrstoćom u željenim pravcima. Moderne skije se proizvode na ovaj način. 
SENDVIČ PANELI: Ovi strukturni kompoziti su lagani, ali ipak imaju visoku krutost i čvrstoću. Sendvič paneli se sastoje od dva vanjska lista napravljena od tvrdog i jakog materijala poput aluminijskih legura, plastike ojačane vlaknima ili čelika i jezgre između vanjskih listova. Jezgro treba da bude lagano i većinu vremena ima nizak modul elastičnosti. Popularni materijali za jezgro su krute polimerne pjene, drvo i saće. Sendvič paneli se široko koriste u građevinskoj industriji kao krovni materijal, pod ili zidni materijal, a također i u zrakoplovnoj industriji.  

 

• NANOKOMPOZITI : Ovi novi materijali se sastoje od čestica nano veličine ugrađenih u matricu. Koristeći nanokompozite možemo proizvesti gumene materijale koji predstavljaju vrlo dobre barijere za prodiranje zraka, a zadržavaju nepromijenjena svojstva gume.