Komposiittien ja komposiittimateriaalien valmistus

Yksinkertaisesti määriteltynä, KOMPOSIITTIT tai KOMPOSIITTIMATERIAALIT ovat materiaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta materiaalista, joilla on erilaiset fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet, mutta yhdistettyinä niistä tulee eri materiaalia kuin ainesosien materiaalit. Meidän on huomautettava, että rakennemateriaalit pysyvät erillisinä ja erottuvina rakenteessa. Komposiittimateriaalin valmistuksen tavoitteena on saada aineosaan parempi tuote, jossa yhdistyvät kunkin ainesosan halutut ominaisuudet. Esimerkiksi; lujuus, alhainen paino tai alempi hinta voivat olla motivaattorina komposiitin suunnittelussa ja valmistuksessa. Tarjoamamme komposiitit ovat hiukkasvahvistetut komposiitit, kuituvahvisteiset komposiitit mukaan lukien keraaminen matriisi / polymeerimatriisi / metallimatriisi / hiili-hiili / hybridikomposiitit, rakenne- ja laminoidut ja sandwich-rakenteiset komposiitit ja nanokomposiitit.

 

Komposiittimateriaalien valmistuksessa käyttämämme valmistustekniikat ovat: Pultruusio, prepreg-tuotantoprosessit, edistynyt kuidun sijoittelu, filamenttien käämitys, räätälöity kuidun sijoitus, lasikuitujen ruiskutusprosessi, tuftaus, lanoksidiprosessi, z-kiinnitys.
Monet komposiittimateriaalit koostuvat kahdesta faasista, matriisista, joka on jatkuva ja ympäröi toista vaihetta; ja dispergoitu faasi, jota matriisi ympäröi.
Suosittelemme, että napsautat tätäLATAA AGS-TECH Inc.:n komposiittien ja komposiittimateriaalien valmistuksen kaavamaiset kuvamme.
Tämä auttaa sinua ymmärtämään paremmin alla toimittamiamme tietoja. 

 

• HIUKSELLA VAHVISTETUT KOMPOSIITTIT: Tämä luokka koostuu kahdesta tyypistä: suurihiukkasiset komposiitit ja dispersiovahvistetut komposiitit. Edellisessä tyypissä hiukkas-matriisivuorovaikutuksia ei voida käsitellä atomi- tai molekyylitasolla. Sen sijaan jatkuvuusmekaniikka on voimassa. Toisaalta dispersiovahvistetuissa komposiiteissa hiukkaset ovat yleensä paljon pienempiä kymmenien nanometrien alueella. Esimerkki suurhiukkaskomposiitista on polymeerit, joihin on lisätty täyteaineita. Täyteaineet parantavat materiaalin ominaisuuksia ja voivat korvata osan polymeeritilavuudesta edullisemmalla materiaalilla. Kahden faasin tilavuusosuudet vaikuttavat komposiitin käyttäytymiseen. Suurhiukkaskomposiitteja käytetään metallien, polymeerien ja keramiikan kanssa. CERMETS ovat esimerkkejä keraami-/metallikomposiiteista. Yleisin kermettimme on kovametalli. Se koostuu tulenkestävästä karbidikeramiikasta, kuten volframikarbidihiukkasista metallin, kuten koboltin tai nikkelin, matriisissa. Näitä kovametallikomposiitteja käytetään laajalti karkaistun teräksen leikkaustyökaluina. Kovat kovametallihiukkaset vastaavat leikkaustoiminnasta ja niiden sitkeyttä parantaa sitkeä metallimatriisi. Näin saamme molempien materiaalien edut yhdessä komposiitissa. Toinen yleinen esimerkki käyttämämme suurihiukkaskomposiitista on hiilimustahiukkaset, jotka on sekoitettu vulkanoidun kumin kanssa, jotta saadaan komposiitti, jolla on korkea vetolujuus, sitkeys, repeämis- ja kulutuskestävyys. Esimerkki dispersiovahvistetusta komposiitista on metallit ja metalliseokset, jotka on vahvistettu ja kovetettu erittäin kovan ja inertin materiaalin pienten hiukkasten tasaisella dispersiolla. Kun alumiinimetallimatriisiin lisätään hyvin pieniä alumiinioksidihiutaleita, saadaan sintrattua alumiinijauhetta, jolla on parannettu lujuus korkeissa lämpötiloissa. 

 

• KUITUVAHVISTETUT KOMPOSIITTIT: Tämä komposiittien luokka on itse asiassa tärkein. Tavoitteena on korkea lujuus ja jäykkyys painoyksikköä kohden. Kuitukoostumus, pituus, suuntaus ja pitoisuus näissä komposiiteissa ovat kriittisiä näiden materiaalien ominaisuuksien ja käyttökelpoisuuden määrittämisessä. Käytämme kolmea kuituryhmää: viikset, kuidut ja langat. WHISKERS ovat erittäin ohuita ja pitkiä yksikiteitä. Ne ovat vahvimpia materiaaleja. Eräitä esimerkkejä viiksimateriaaleista ovat grafiitti, piinitridi, alumiinioksidi.  FIBERS toisaalta ovat enimmäkseen polymeerejä tai keraamisia materiaaleja ja ovat monikiteisessä tai amorfisessa tilassa. Kolmas ryhmä ovat hienot JOHDOT, joilla on suhteellisen suuri halkaisija ja jotka koostuvat usein teräksestä tai volframista. Esimerkki lankavahvisteisesta komposiitista ovat autonrenkaat, joissa on teräslankaa kumin sisällä. Matriisimateriaalista riippuen meillä on seuraavat komposiitit:
POLYMERI-MATRIISIKOMPOSIIITIT: Nämä on valmistettu polymeerihartsista ja kuiduista vahvistusaineena. Näiden GFRP-komposiiteiksi kutsuttu alaryhmä sisältää jatkuvia tai epäjatkuvia lasikuituja polymeerimatriisissa. Lasilla on korkea lujuus, se on taloudellinen, helppo valmistaa kuiduiksi ja on kemiallisesti inerttiä. Haittoja ovat niiden rajallinen jäykkyys ja jäykkyys, käyttölämpötilat ovat vain 200 – 300 astetta. Lasikuitu soveltuu autojen koriin ja kuljetusvälineisiin, meriajoneuvojen koriin, varastosäiliöihin. Ne eivät sovellu ilmailu- tai siltojen valmistukseen rajoitetun jäykkyyden vuoksi. Toinen alaryhmä on nimeltään Carbon Fiber-Reforced Polymer (CFRP) -komposiitti. Tässä hiili on kuitumateriaalimme polymeerimatriisissa. Hiili tunnetaan korkeasta ominaismoduulistaan ja lujuudestaan sekä kyvystään ylläpitää niitä korkeissa lämpötiloissa. Hiilikuidut voivat tarjota meille vakio-, keski-, korkea- ja ultrakorkeat vetomoduulit. Lisäksi hiilikuidut tarjoavat erilaisia fyysisiä ja mekaanisia ominaisuuksia ja sopivat siksi erilaisiin räätälöityihin suunnittelusovelluksiin. CFRP-komposiitteja voidaan harkita urheilu- ja vapaa-ajan laitteiden, paineastioiden ja ilmailun rakennekomponenttien valmistuksessa. Kuitenkin toinen alaryhmä, Aramid Fiber-Reforced Polymer Composites, ovat myös erittäin lujia ja moduulirakenteita materiaaleja. Niiden lujuus-painosuhde on erittäin korkea. Aramidikuidut tunnetaan myös kauppanimillä KEVLAR ja NOMEX. Jännityksessä ne toimivat paremmin kuin muut polymeerikuitumateriaalit, mutta ne ovat heikkoja puristuksessa. Aramidikuidut ovat sitkeitä, iskunkestäviä, virumisen ja väsymisen kestäviä, kestäviä korkeissa lämpötiloissa, kemiallisesti inerttejä paitsi vahvoja happoja ja emäksiä vastaan. Aramidikuituja käytetään laajalti urheiluvälineissä, luodinkestävissä liiveissä, renkaissa, köysissä ja valokaapelin vaippaissa. Muita kuitulujitemateriaaleja on olemassa, mutta niitä käytetään vähemmän. Nämä ovat boori, piikarbidi ja alumiinioksidi pääasiassa. Toisaalta polymeerimatriisimateriaali on myös kriittinen. Se määrittää komposiitin maksimikäyttölämpötilan, koska polymeerillä on yleensä alhaisempi sulamis- ja hajoamislämpötila. Polyestereitä ja vinyyliestereitä käytetään laajalti polymeerimatriisina. Myös hartseja käytetään ja niillä on erinomaiset kosteudenkestävyys ja mekaaniset ominaisuudet. Esimerkiksi polyimidihartsia voidaan käyttää noin 230 Celsius-asteeseen asti. 
METALLI-MATRIISIKOMPOSIIITIT: Näissä materiaaleissa käytämme sitkeää metallimatriisia ja käyttölämpötilat ovat yleensä korkeampia kuin niiden komponentit. Polymeeri-matriisikomposiitteihin verrattuna näillä voi olla korkeammat käyttölämpötilat, ne voivat olla syttymättömiä ja niillä voi olla parempi hajoamiskestävyys orgaanisia nesteitä vastaan. Ne ovat kuitenkin kalliimpia. Vahvistusmateriaalit, kuten viikset, hiukkaset, jatkuvat ja epäjatkuvat kuidut; ja matriisimateriaaleja, kuten kuparia, alumiinia, magnesiumia, titaania, superseoksia käytetään yleisesti. Esimerkkisovelluksia ovat moottorin komponentit, jotka on valmistettu alumiinioksidilla ja hiilikuiduilla vahvistetusta alumiiniseoksesta. 
KERAAMINEN-MATRIISIKOMPOSIIITIT: Keraamiset materiaalit tunnetaan erinomaisesta korkeiden lämpötilojen luotettavuudestaan. Ne ovat kuitenkin erittäin hauraita ja niillä on alhaiset murtolujuusarvot. Upottamalla yhden keramiikan hiukkasia, kuituja tai viiksiä toisen matriisiin pystymme saavuttamaan komposiitteja, joilla on suurempi murtolujuus. Nämä upotetut materiaalit estävät pohjimmiltaan halkeamien leviämistä matriisin sisällä joidenkin mekanismien avulla, kuten taivuttamalla halkeaman kärkiä tai muodostamalla siltoja halkeamien pintojen yli. Esimerkiksi alumiinioksidia, jotka on vahvistettu piikarbidiviskeillä, käytetään leikkaustyökaluna kovametalliseosten työstöön. Nämä voivat paljastaa paremman suorituskyvyn verrattuna sementoituihin karbideihin.  
HIILI-HIILIKOMPOSIIITIT: Sekä vahvistus että matriisi ovat hiiltä. Niillä on korkea vetomoduuli ja lujuus korkeissa yli 2000 asteen lämpötiloissa, virumisvastus, korkea murtolujuus, alhaiset lämpölaajenemiskertoimet, korkea lämmönjohtavuus. Nämä ominaisuudet tekevät niistä ihanteellisia käyttökohteisiin, jotka vaativat lämpöiskun kestävyyttä. Hiili-hiili-komposiittien heikkous on kuitenkin niiden haavoittuvuus hapettumista vastaan korkeissa lämpötiloissa. Tyypillisiä käyttöesimerkkejä ovat kuumapuristusmuotit, edistynyt turbiinimoottorikomponenttien valmistus. 
HYBRIDIKOMOSIITTIT: Kaksi tai useampia erityyppisiä kuituja sekoitetaan yhteen matriisiin. Näin voidaan räätälöidä uusi materiaali ominaisuuksien yhdistelmällä. Esimerkki on, kun sekä hiili- että lasikuituja sisällytetään polymeerihartsiin. Hiilikuidut tarjoavat alhaisen tiheyden jäykkyyttä ja lujuutta, mutta ovat kalliita. Lasi on toisaalta edullinen, mutta siitä puuttuu hiilikuitujen jäykkyys. Lasi-hiilihybridikomposiitti on vahvempi ja sitkeämpi ja sitä voidaan valmistaa halvemmalla.
KUITUVAHVISTEISTEN KOMPOSIITTIEN KÄSITTELY: Jatkuvalle kuituvahvisteiselle muoville, jossa kuidut ovat tasaisesti jakautuneet samaan suuntaan, käytämme seuraavia tekniikoita.
PULTRUSIO: Valmistetaan jatkuvan pituisia ja vakiopoikkileikkauksia olevia tankoja, palkkeja ja putkia. Jatkuvat kuitukankaat kyllästetään lämpökovettuvalla hartsilla ja vedetään teräsmuotin läpi, jotta ne muotoutuvat haluttuun muotoon. Seuraavaksi ne kulkevat tarkasti koneistetun kovettumissuuttimen läpi lopullisen muotonsa saavuttamiseksi. Koska kovettumissuutin kuumennetaan, se kovettaa hartsimatriisin. Vetimet vetävät materiaalin muottien läpi. Asennettujen onttojen ytimien avulla pystymme saamaan putkia ja onttoja geometrioita. Pultruusiomenetelmä on automatisoitu ja tarjoaa meille korkeat tuotantonopeudet. Minkä tahansa pituisia tuotteita on mahdollista valmistaa. 
PREPREG-TUOTANTOPROSESSI: Prepreg on jatkuvakuituinen lujite, joka on esikyllästetty osittain kovettuneella polymeerihartsilla. Sitä käytetään laajalti rakenteellisissa sovelluksissa. Materiaali toimitetaan teipin muodossa ja toimitetaan nauhana. Valmistaja muotoilee sen suoraan ja kovettaa sen täysin ilman hartsin lisäämistä. Koska prepregit käyvät läpi kovettumisreaktiot huoneenlämmössä, niitä säilytetään 0 Celsius-asteen tai sitä alhaisemmissa lämpötiloissa. Käytön jälkeen jäljellä olevat teipit säilytetään alhaisissa lämpötiloissa. Termoplastisia ja lämpökovettuvia hartseja käytetään ja hiili-, aramid- ja lasivahvistuskuidut ovat yleisiä. Prepregien käyttämiseksi alustan taustapaperi poistetaan ensin ja sitten valmistus suoritetaan asettamalla prepreg-teippi työkalutetulle pinnalle (ladontaprosessi). Voidaan asettaa useita kerroksia halutun paksuuden saavuttamiseksi. Usein käytäntö on vaihtaa kuitujen suuntausta risti- tai kulmakerroslaminaatin valmistamiseksi. Lopuksi kovetetaan lämpöä ja painetta. Prepreg- ja lay-up-leikkauksessa käytetään sekä käsinkäsittelyä että automatisoituja prosesseja.
FILAMENTIN KÄÄMINEN: Jatkuvat lujitekuidut sijoitetaan tarkasti ennalta määrättyyn kuvioon noudattamaan onttoa  ja tavallisesti syklinpyöreän muotoa. Kuidut menevät ensin hartsikylvyn läpi ja sitten ne kääritään tuurnalle automatisoidulla järjestelmällä. Useiden kelauskertojen jälkeen saadaan halutut paksuudet ja kovetus suoritetaan joko huoneenlämmössä tai uunissa. Nyt kara irrotetaan ja tuote puretaan. Filamenttikäämitys voi tarjota erittäin korkeat lujuus-painosuhteet kelaamalla kuidut kehämäisesti, kierteisesti ja polaarisesti. Putket, säiliöt ja kotelot valmistetaan tällä tekniikalla. 

 

• RAKENNEKOMPOSIITTIT: Yleensä nämä koostuvat sekä homogeenisista että komposiittimateriaaleista. Siksi niiden ominaisuudet määräytyvät niiden elementtien materiaalien ja geometrisen rakenteen perusteella. Tässä ovat tärkeimmät tyypit:
LAMINAARIKOMPOSIITTIT: Nämä rakennemateriaalit on valmistettu kaksiulotteisista levyistä tai paneeleista, joilla on suositeltavat lujat. Kerrokset pinotaan ja liimataan yhteen. Vuorottelemalla lujuussuuntia kahdella kohtisuoralla akselilla saadaan komposiitti, jolla on suuri lujuus molempiin suuntiin kaksiulotteisessa tasossa. Kerrosten kulmia säätämällä voidaan valmistaa komposiitti, jolla on lujuus haluttuihin suuntiin. Nykyaikaiset suksit valmistetaan tällä tavalla. 
SANDWICH-PANEELIT: Nämä rakennekomposiitit ovat kevyitä, mutta silti niillä on korkea jäykkyys ja lujuus. Sandwich-paneelit koostuvat kahdesta ulkolevystä, jotka on valmistettu jäykästä ja vahvasta materiaalista, kuten alumiiniseoksista, kuituvahvisteisesta muovista tai teräksestä, ja ytimestä ulkolevyjen välissä. Ytimen tulee olla kevyt, ja suurimman osan ajasta sillä on oltava alhainen kimmokerroin. Suosittuja ydinmateriaaleja ovat jäykät polymeerivaahdot, puu ja kennot. Sandwich-paneeleja käytetään laajalti rakennusteollisuudessa kattomateriaalina, lattia- tai seinämateriaalina sekä myös ilmailuteollisuudessa.  

 

• NANOKOMPOSIITTIT: Nämä uudet materiaalit koostuvat nanokokoisista hiukkashiukkasista, jotka on upotettu matriisiin. Nanokomposiiteilla voimme valmistaa kumimateriaaleja, jotka estävät erittäin hyvin ilman tunkeutumisen ja säilyttävät kumin ominaisuudet ennallaan.