კომპოზიტების და კომპოზიტური მასალების წარმოება

მარტივი განმარტებით, კომპოზიციები ან კომპოზიციური მასალები არის მასალები, რომლებიც შედგება ორი ან მრავალი მასალისგან განსხვავებული ფიზიკური ან ქიმიური თვისებების მქონე, მაგრამ როდესაც გაერთიანებულია ისინი იქცევა მასალად, რომელიც განსხვავდება შემადგენელი მასალებისგან. უნდა აღვნიშნოთ, რომ შემადგენელი მასალები რჩება ცალკე და განსხვავებული სტრუქტურაში. კომპოზიციური მასალის წარმოების მიზანია მივიღოთ პროდუქტი, რომელიც აღემატება მის შემადგენელ კომპონენტებს და აერთიანებს თითოეული შემადგენელი ნაწილის სასურველ მახასიათებლებს. Როგორც მაგალითი; სიძლიერე, დაბალი წონა ან დაბალი ფასი შეიძლება იყოს კომპოზიტის დიზაინისა და წარმოების მოტივატორი. კომპოზიტების ტიპი, რომელსაც ჩვენ ვთავაზობთ არის ნაწილაკებით გამაგრებული კომპოზიტები, ბოჭკოვანი გამაგრებული კომპოზიტები, მათ შორის კერამიკული მატრიცის / პოლიმერული მატრიცის / ლითონის მატრიცის / ნახშირბად-ნახშირბადის / ჰიბრიდული კომპოზიტები, სტრუქტურული და ლამინირებული და სენდვიჩით სტრუქტურირებული კომპოზიტები და ნანოკომპოზიტები.

 

დამზადების ტექნიკა, რომელსაც ჩვენ ვიყენებთ კომპოზიტური მასალების წარმოებაში, არის: Pultrusion, prepreg წარმოების პროცესები, მოწინავე ბოჭკოების განთავსება, ძაფის გრაგნილი, მორგებული ბოჭკოების განთავსება, მინაბოჭკოვანი სპრეის დაყენების პროცესი, tufting, lanxide პროცესი, z-pinning.
ბევრი კომპოზიციური მასალა შედგება ორი ფაზისაგან, მატრიცისგან, რომელიც უწყვეტია და აკრავს მეორე ფაზას; და დისპერსიული ფაზა, რომელიც გარშემორტყმულია მატრიცით.
ჩვენ გირჩევთ დააწკაპუნოთ აქჩამოტვირთეთ ჩვენი სქემატური ილუსტრაციები კომპოზიტებისა და კომპოზიტური მასალების წარმოება AGS-TECH Inc.
ეს დაგეხმარებათ უკეთ გაიგოთ ინფორმაცია, რომელსაც ქვემოთ მოგაწვდით. 

 

• ნაწილაკებით გამაგრებული კომპოზიტები: ეს კატეგორია შედგება ორი ტიპისგან: დიდი ნაწილაკების კომპოზიტები და დისპერსიით გაძლიერებული კომპოზიტები. პირველ ტიპში ნაწილაკ-მატრიცის ურთიერთქმედება ვერ განიხილება ატომურ ან მოლეკულურ დონეზე. სამაგიეროდ მოქმედებს უწყვეტი მექანიკა. მეორეს მხრივ, დისპერსიით გაძლიერებულ კომპოზიტებში ნაწილაკები ზოგადად გაცილებით მცირეა ათობით ნანომეტრის დიაპაზონში. დიდი ნაწილაკების კომპოზიტის მაგალითია პოლიმერები, რომლებსაც დაემატა შემავსებლები. შემავსებლები აუმჯობესებენ მასალის თვისებებს და შესაძლოა შეცვალონ პოლიმერის მოცულობის ნაწილი უფრო ეკონომიური მასალით. ორი ფაზის მოცულობითი ფრაქცია გავლენას ახდენს კომპოზიტის ქცევაზე. დიდი ნაწილაკების კომპოზიტები გამოიყენება ლითონებთან, პოლიმერებთან და კერამიკასთან. CERMETS არის კერამიკული / ლითონის კომპოზიტების მაგალითები. ჩვენი ყველაზე გავრცელებული კერმეტი არის ცემენტირებული კარბიდი. იგი შედგება ცეცხლგამძლე კარბიდის კერამიკისგან, როგორიცაა ვოლფრამის კარბიდის ნაწილაკები ლითონის მატრიცაში, როგორიცაა კობალტი ან ნიკელი. ეს კარბიდის კომპოზიტები ფართოდ გამოიყენება გამაგრებული ფოლადის საჭრელ იარაღად. მყარი კარბიდის ნაწილაკები პასუხისმგებელნი არიან ჭრის მოქმედებაზე და მათი სიმტკიცე გაუმჯობესებულია დრეკადი ლითონის მატრიცით. ამრიგად, ჩვენ ვიღებთ ორივე მასალის უპირატესობას ერთ კომპოზიტში. დიდი ნაწილაკების კომპოზიტის კიდევ ერთი გავრცელებული მაგალითი, რომელსაც ჩვენ ვიყენებთ არის ნახშირბადის შავი ნაწილაკები, რომლებიც შერეულია ვულკანიზებულ რეზინასთან, რათა მივიღოთ კომპოზიტი მაღალი ჭიმვის სიმტკიცით, გამძლეობით, დახეული და აბრაზიული წინააღმდეგობით. დისპერსიით გამაგრებული კომპოზიტის მაგალითია ლითონები და ლითონის შენადნობები, რომლებიც გამაგრებულია და გამაგრებულია ძალიან მძიმე და ინერტული მასალის წვრილი ნაწილაკების ერთგვაროვანი დისპერსიით. როდესაც ალუმინის ლითონის მატრიცას ემატება ძალიან პატარა ალუმინის ოქსიდის ფანტელები, ჩვენ ვიღებთ აგლომერირებულ ალუმინის ფხვნილს, რომელსაც აქვს გაძლიერებული მაღალი ტემპერატურის სიმტკიცე. 

 

• ბოჭკოვანი გამაგრებული კომპოზიტები: კომპოზიტების ეს კატეგორია, ფაქტობრივად, ყველაზე მნიშვნელოვანია. მიღწევის მიზანია მაღალი სიმტკიცე და სიმტკიცე ერთეულ წონაზე. ბოჭკოების შემადგენლობა, სიგრძე, ორიენტაცია და კონცენტრაცია ამ კომპოზიტებში გადამწყვეტია ამ მასალების თვისებებისა და სარგებლობის დასადგენად. ჩვენ ვიყენებთ ბოჭკოების სამ ჯგუფს: ულვაშებს, ბოჭკოებს და მავთულს. WHISKERS არის ძალიან თხელი და გრძელი ერთკრისტალები. ისინი ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი მასალებია. ულვაშის ზოგიერთი მაგალითია გრაფიტი, სილიციუმის ნიტრიდი, ალუმინის ოქსიდი.  FIBERS მეორეს მხრივ, ძირითადად პოლიმერები ან კერამიკაა და პოლიკრისტალურ ან ამორფულ მდგომარეობაშია. მესამე ჯგუფი არის თხელი მავთულები, რომლებსაც აქვთ შედარებით დიდი დიამეტრი და ხშირად შედგება ფოლადისგან ან ვოლფრამისგან. მავთულის გამაგრებული კომპოზიტის მაგალითია მანქანის საბურავები, რომლებიც აერთიანებს ფოლადის მავთულს რეზინის შიგნით. მატრიცის მასალის მიხედვით, ჩვენ გვაქვს შემდეგი კომპოზიტები:
პოლიმერული მატრიქსის კომპოზიტები: ისინი მზადდება პოლიმერული ფისისა და ბოჭკოებისგან, როგორც გამაგრების ინგრედიენტი. ამ ქვეჯგუფის სახელწოდებით მინის ბოჭკოვანი პოლიმერული (GFRP) კომპოზიტები შეიცავს უწყვეტ ან წყვეტილ მინის ბოჭკოებს პოლიმერული მატრიცის შიგნით. მინა გთავაზობთ მაღალ სიმტკიცეს, ის ეკონომიურია, ადვილად კეთდება ბოჭკოებად და ქიმიურად ინერტულია. ნაკლოვანებები არის მათი შეზღუდული სიხისტე და სიმტკიცე, მომსახურების ტემპერატურა მხოლოდ 200 - 300 გრადუსამდე. ბოჭკოვანი მინა განკუთვნილია საავტომობილო სხეულებისა და სატრანსპორტო აღჭურვილობისთვის, საზღვაო მანქანების კორპუსებისთვის, შესანახი კონტეინერებისთვის. ისინი არ არის შესაფერისი აერონავტიკისთვის ან ხიდების გასაკეთებლად შეზღუდული სიხისტის გამო. მეორე ქვეჯგუფს ეწოდება ნახშირბადის ბოჭკოვანი გამაგრებული პოლიმერული (CFRP) კომპოზიტი. აქ ნახშირბადი არის ჩვენი ბოჭკოვანი მასალა პოლიმერულ მატრიცაში. ნახშირბადი ცნობილია თავისი მაღალი სპეციფიკური მოდულითა და სიმტკიცით და მათი შენარჩუნების უნარით მაღალ ტემპერატურაზე. ნახშირბადის ბოჭკოებს შეუძლიათ შემოგვთავაზონ სტანდარტული, საშუალო, მაღალი და ულტრამაღალი დაჭიმვის მოდულები. გარდა ამისა, ნახშირბადის ბოჭკოები გვთავაზობენ მრავალფეროვან ფიზიკურ და მექანიკურ მახასიათებლებს და, შესაბამისად, შესაფერისია სხვადასხვა მორგებული საინჟინრო აპლიკაციებისთვის. CFRP კომპოზიტები შეიძლება ჩაითვალოს სპორტული და რეკრეაციული აღჭურვილობის, წნევის ჭურჭლისა და კოსმოსური სტრუქტურული კომპონენტების დასამზადებლად. თუმცა, კიდევ ერთი ქვეჯგუფი, არამიდის ბოჭკოვანი გამაგრებული პოლიმერული კომპოზიტები ასევე მაღალი სიმტკიცის და მოდულის მასალებია. მათი სიმტკიცისა და წონის თანაფარდობა საოცრად მაღალია. არამიდის ბოჭკოები ასევე ცნობილია სავაჭრო სახელებით KEVLAR და NOMEX. დაძაბულობის პირობებში ისინი უკეთესად მოქმედებენ, ვიდრე სხვა პოლიმერული ბოჭკოვანი მასალები, მაგრამ ისინი სუსტია შეკუმშვისას. არამიდის ბოჭკოები არის ხისტი, ზემოქმედებისადმი მდგრადი, ცოცხალი და დაღლილობისადმი მდგრადი, სტაბილური მაღალ ტემპერატურაზე, ქიმიურად ინერტული, გარდა ძლიერი მჟავებისა და ფუძეების მიმართ. არამიდის ბოჭკოები ფართოდ გამოიყენება სპორტულ საქონელში, ტყვიაგაუმტარ ჟილეტებში, საბურავებში, თოკებში, ოპტიკურ-ბოჭკოვანი კაბელის საფარებში. არსებობს სხვა ბოჭკოვანი გამაგრების მასალები, მაგრამ გამოიყენება ნაკლებად. ეს არის ძირითადად ბორი, სილიციუმის კარბიდი, ალუმინის ოქსიდი. მეორეს მხრივ, პოლიმერული მატრიცის მასალა ასევე კრიტიკულია. ის განსაზღვრავს კომპოზიტის მაქსიმალურ მოხმარების ტემპერატურას, რადგან პოლიმერს აქვს ზოგადად დაბალი დნობის და დეგრადაციის ტემპერატურა. პოლიესტერები და ვინილის ეთერები ფართოდ გამოიყენება როგორც პოლიმერული მატრიცა. ასევე გამოიყენება ფისები და მათ აქვთ შესანიშნავი ტენიანობის წინააღმდეგობა და მექანიკური თვისებები. მაგალითად, პოლიიმიდის ფისი შეიძლება გამოყენებულ იქნას დაახლოებით 230 გრადუს ცელსიუსამდე. 
ლითონ-მატრიქსის კომპოზიტები: ამ მასალებში ჩვენ ვიყენებთ დრეკადი ლითონის მატრიცას და მომსახურების ტემპერატურა ზოგადად უფრო მაღალია, ვიდრე მათი შემადგენელი კომპონენტები. პოლიმერული მატრიცის კომპოზიტებთან შედარებით, მათ შეიძლება ჰქონდეთ უფრო მაღალი სამუშაო ტემპერატურა, იყოს აალებადი და შეიძლება ჰქონდეთ უკეთესი დეგრადაციის წინააღმდეგობა ორგანული სითხეების მიმართ. თუმცა ისინი უფრო ძვირია. გამაგრებითი მასალები, როგორიცაა ულვაში, ნაწილაკები, უწყვეტი და უწყვეტი ბოჭკოები; ხშირად გამოიყენება მატრიცის მასალები, როგორიცაა სპილენძი, ალუმინი, მაგნიუმი, ტიტანი, სუპერშენადნობები. გამოყენების მაგალითებია ძრავის კომპონენტები, დამზადებული ალუმინის შენადნობის მატრიცისგან, რომელიც გამაგრებულია ალუმინის ოქსიდით და ნახშირბადის ბოჭკოებით. 
კერამიკული-მატრიქსის კომპოზიტები: კერამიკული მასალები ცნობილია მაღალი ტემპერატურის შესანიშნავი საიმედოობით. თუმცა ისინი ძალიან მყიფეა და აქვთ დაბალი მნიშვნელობები მოტეხილობის სიმტკიცეზე. ერთი კერამიკის ნაწილაკების, ბოჭკოების ან ულვაშების ჩასმით მეორის მატრიცაში ჩვენ შეგვიძლია მივაღწიოთ კომპოზიტებს უფრო მაღალი მსხვრევის გამძლეობით. ეს ჩაშენებული მასალები ძირითადად აფერხებს ბზარის გავრცელებას მატრიცის შიგნით ზოგიერთი მექანიზმით, როგორიცაა ბზარის წვერების გადახრა ან ხიდების ფორმირება ბზარის სახეებზე. მაგალითად, ალუმინები, რომლებიც გამაგრებულია SiC ულვაშებით, გამოიყენება საჭრელი ხელსაწყოების ჩანართებად მძიმე ლითონის შენადნობების დასამუშავებლად. მათ შეუძლიათ გამოავლინონ უკეთესი შესრულება ცემენტურ კარბიდებთან შედარებით.  
ნახშირბადის ნახშირბადის კომპოზიტები: როგორც გამაგრება, ასევე მატრიცა ნახშირბადია. მათ აქვთ მაღალი დაჭიმვის მოდული და სიძლიერე 2000 გრადუსზე მეტ ტემპერატურაზე, ცოცვის წინააღმდეგობა, მაღალი მოტეხილობის სიმტკიცე, დაბალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტები, მაღალი თერმული გამტარობა. ეს თვისებები მათ იდეალურს ხდის აპლიკაციებისთვის, რომლებიც საჭიროებენ თერმული შოკის წინააღმდეგობას. ნახშირბად-ნახშირბადის კომპოზიტების სისუსტე არის მისი დაუცველობა მაღალ ტემპერატურაზე დაჟანგვის მიმართ. გამოყენების ტიპიური მაგალითებია ცხელი დაჭერით ფორმები, ტურბინის ძრავის კომპონენტების მოწინავე წარმოება. 
ჰიბრიდული კომპოზიტები: ორი ან მეტი სხვადასხვა ტიპის ბოჭკო შერეულია ერთ მატრიცაში. ამრიგად, შესაძლებელია ახალი მასალის მორგება თვისებების კომბინაციით. მაგალითად, როდესაც ნახშირბადის და მინის ბოჭკოები ჩართულია პოლიმერულ ფისში. ნახშირბადის ბოჭკოები უზრუნველყოფენ დაბალი სიმკვრივის სიმტკიცეს და სიმტკიცეს, მაგრამ ძვირია. მეორეს მხრივ, მინა იაფია, მაგრამ არ გააჩნია ნახშირბადის ბოჭკოების სიმტკიცე. მინა-ნახშირბადის ჰიბრიდული კომპოზიტი უფრო ძლიერი და მკაცრია და შეიძლება დამზადდეს უფრო დაბალ ფასად.
ბოჭკოვანი არმირებული კომპოზიტების დამუშავება: უწყვეტი ბოჭკო-გამყარებული პლასტმასებისთვის ერთნაირად განაწილებული ბოჭკოებით, რომლებიც ორიენტირებულია იმავე მიმართულებით, ჩვენ ვიყენებთ შემდეგ ტექნიკას.
PULTRUSION: დამზადებულია უწყვეტი სიგრძისა და მუდმივი განივი კვეთის წნელები, სხივები და მილები. უწყვეტი ბოჭკოვანი როვინგები გაჟღენთილია თერმომყარი ფისით და იწევა ფოლადის ჭურჭლის მეშვეობით, რათა მათ სასურველ ფორმამდე მიაღწიონ. შემდეგი, ისინი გადიან ზუსტი დამუშავებული გამწმენდი საყრდენის საბოლოო ფორმის მისაღწევად. მას შემდეგ, რაც გამამკვრივებელი საფენი თბება, ის კურნავს ფისოვანი მატრიცას. გამწევები მასალას ჭრიან საყრდენებში. ჩასმული ღრუ ბირთვების გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ მილები და ღრუ გეომეტრიები. პულტრუზიის მეთოდი ავტომატიზირებულია და გვთავაზობს წარმოების მაღალ მაჩვენებლებს. ნებისმიერი სიგრძის პროდუქტის წარმოება შესაძლებელია. 
PREPREG-ის წარმოების პროცესი: Prepreg არის უწყვეტი ბოჭკოვანი გამაგრება, რომელიც წინასწარ არის გაჟღენთილი ნაწილობრივ დამუშავებული პოლიმერული ფისით. იგი ფართოდ გამოიყენება სტრუქტურული აპლიკაციებისთვის. მასალა გამოდის ფირის სახით და იგზავნება ლენტის სახით. მწარმოებელი მას პირდაპირ აყალიბებს და სრულად კურნავს მას ყოველგვარი ფისის დამატების გარეშე. ვინაიდან პრეპრეგები გადიან გამყარების რეაქციებს ოთახის ტემპერატურაზე, ისინი ინახება 0 C ან უფრო დაბალ ტემპერატურაზე. გამოყენების შემდეგ დარჩენილი ფირები ინახება დაბალ ტემპერატურაზე. გამოიყენება თერმოპლასტიკური და თერმომყარებადი ფისები და გავრცელებულია ნახშირბადის, არამიდის და მინის გამაგრების ბოჭკოები. პრეპრეგენტების გამოსაყენებლად, ჯერ იხსნება გადამზიდი ქაღალდი და შემდეგ დამზადება ხორციელდება წინასწარი ლენტის დაფენით ხელსაწყოების ზედაპირზე (დალაგების პროცესი). სასურველი სისქის მისაღებად შესაძლებელია რამდენიმე ფენის დალაგება. ხშირი პრაქტიკაა ბოჭკოების ორიენტაციის მონაცვლეობა ჯვარედინი ან კუთხიანი ლამინატის წარმოებისთვის. ბოლოს სითბო და წნევა გამოიყენება გამაგრებისთვის. როგორც ხელით დამუშავება, ასევე ავტომატიზირებული პროცესები გამოიყენება პრეპრეგერების ჭრისა და დასაყენებლად.
ძაფის დახვევა: უწყვეტი გამაძლიერებელი ბოჭკოები ზუსტად არის განლაგებული წინასწარ განსაზღვრულ შაბლონში, რათა მიჰყვეს ღრუ  და ჩვეულებრივ ციკლინდურ ფორმას. ბოჭკოები ჯერ გადის ფისოვანი აბანოში და შემდეგ ავტომატური სისტემით იჭრება მანდელზე. რამდენიმე გრაგნილის გამეორების შემდეგ მიიღება სასურველი სისქეები და გამკვრივება ხდება ოთახის ტემპერატურაზე ან ღუმელის შიგნით. ახლა მანდრილი ამოღებულია და პროდუქტი ჩამოსხმულია. ძაფის გრაგნილს შეუძლია შესთავაზოს ძალიან მაღალი სიმტკიცე-წონის თანაფარდობა ბოჭკოების წრეწირის, ხვეული და პოლარული ნიმუშების დახვევით. მილები, ტანკები, გარსაცმები იწარმოება ამ ტექნიკით. 

 

• სტრუქტურული კომპოზიტები: ძირითადად ისინი შედგება როგორც ერთგვაროვანი, ასევე კომპოზიტური მასალებისგან. ამიტომ მათი თვისებები განისაზღვრება შემადგენელი მასალებით და მისი ელემენტების გეომეტრიული დიზაინით. აქ არის ძირითადი ტიპები:
LAMINAR COMPOSITES: ეს სტრუქტურული მასალები დამზადებულია ორგანზომილებიანი ფურცლებისაგან ან პანელებისგან სასურველი მაღალი სიმტკიცის მიმართულებებით. ფენები დაწყობილია და ერთად ცემენტდება. ორ პერპენდიკულარულ ღერძზე მაღალი სიმტკიცის მიმართულებების მონაცვლეობით მივიღებთ კომპოზიტს, რომელსაც აქვს მაღალი სიმტკიცე ორივე მიმართულებით ორგანზომილებიან სიბრტყეში. ფენების კუთხის კორექტირებით შესაძლებელია კომპოზიტის დამზადება სასურველი მიმართულებებით. თანამედროვე თხილამურები მზადდება ამ გზით. 
სენდვიჩის პანელები: ეს სტრუქტურული კომპოზიტები მსუბუქი წონაა, მაგრამ აქვთ მაღალი სიმტკიცე და სიმტკიცე. სენდვიჩის პანელები შედგება ორი გარე ფურცლისგან, რომელიც დამზადებულია ხისტი და ძლიერი მასალისგან, როგორიცაა ალუმინის შენადნობები, ბოჭკოვანი გამაგრებული პლასტმასი ან ფოლადი და ბირთვი გარე ფურცლებს შორის. ბირთვი უნდა იყოს მსუბუქი და უმეტეს შემთხვევაში ჰქონდეს ელასტიურობის დაბალი მოდული. ძირითადი ძირითადი მასალებია ხისტი პოლიმერული ქაფი, ხის და თაფლის საწყობები. სენდვიჩის პანელები ფართოდ გამოიყენება სამშენებლო ინდუსტრიაში, როგორც გადახურვის მასალა, იატაკის ან კედლის მასალა, ასევე საჰაერო კოსმოსურ ინდუსტრიაში.  

 

• ნანოკომპოზიტები: ეს ახალი მასალები შედგება ნანო ზომის ნაწილაკებისგან, რომლებიც ჩაშენებულია მატრიცაში. ნანოკომპოზიტების გამოყენებით ჩვენ შეგვიძლია ვაწარმოოთ რეზინის მასალები, რომლებიც ძალიან კარგი ბარიერია ჰაერის შეღწევისთვის, ხოლო მათი რეზინის თვისებები უცვლელი რჩება.