Producția de materiale compozite și compozite

Simplu definite, COMPOZITE sau MATERIALE COMPOZITE sunt materiale formate din două sau mai multe materiale cu proprietăți fizice sau chimice diferite, dar atunci când sunt combinate devin un material care este diferit de materialele constitutive. Trebuie să subliniem că materialele constitutive rămân separate și distincte în structură. Scopul fabricării unui material compozit este de a obține un produs care este superior constituenților săi și combină caracteristicile dorite ale fiecărui constituent. Ca exemplu; rezistența, greutatea redusă sau prețul mai mic pot fi motivația din spatele proiectării și producerii unui compozit. Tipurile de compozite pe care le oferim sunt compozite armate cu particule, compozite armate cu fibre, inclusiv compozite cu matrice ceramică / matrice polimerică / cu matrice metalică / carbon-carbon / compozite hibride, compozite structurale și laminate și cu structură sandwich și nanocompozite.

 

Tehnicile de fabricație pe care le implementăm în fabricarea materialelor compozite sunt: pultruziune, procese de producție preimpregnate, plasare avansată a fibrelor, înfășurare a filamentului, plasare personalizată a fibrelor, procesul de întindere prin pulverizare fibră de sticlă, tufting, proces lanxide, z-pinning.
Multe materiale compozite sunt formate din două faze, matricea, care este continuă și înconjoară cealaltă fază; și faza dispersată care este înconjurată de matrice.
Vă recomandăm să faceți clic aici pentruDESCARCĂ Ilustrațiile noastre schematice ale producției de compozite și materiale compozite de către AGS-TECH Inc.
Acest lucru vă va ajuta să înțelegeți mai bine informațiile pe care vi le oferim mai jos. 

 

• COMPOZITE ÎNFORTATE CU PARTICULE: Această categorie constă din două tipuri: compozite cu particule mari și compozite întărite cu dispersie. În primul tip, interacțiunile particule-matrice nu pot fi tratate la nivel atomic sau molecular. În schimb, mecanica continuului este valabilă. Pe de altă parte, în compozitele întărite cu dispersie, particulele sunt în general mult mai mici în intervalele de zeci de nanometri. Un exemplu de compozit cu particule mari sunt polimerii cărora li s-au adăugat materiale de umplutură. Materialele de umplutură îmbunătățesc proprietățile materialului și pot înlocui o parte din volumul polimerului cu un material mai economic. Fracțiile de volum ale celor două faze influențează comportamentul compozitului. Compozitele cu particule mari sunt utilizate cu metale, polimeri și ceramică. CERMETS-urile sunt exemple de compozite ceramice/metalice. Cel mai comun cermet al nostru este carbura cimentată. Este alcătuit din ceramică de carbură refractară, cum ar fi particule de carbură de tungsten, într-o matrice de metal, cum ar fi cobaltul sau nichelul. Aceste compozite din carbură sunt utilizate pe scară largă ca instrumente de tăiere pentru oțel călit. Particulele de carbură dură sunt responsabile pentru acțiunea de tăiere, iar duritatea lor este îmbunătățită de matricea metalică ductilă. Astfel obținem avantajele ambelor materiale într-un singur compozit. Un alt exemplu comun de compozit cu particule mari pe care îl folosim sunt particulele de negru de fum amestecate cu cauciuc vulcanizat pentru a obține un compozit cu rezistență ridicată la tracțiune, tenacitate, rezistență la rupere și abraziune. Un exemplu de compozit întărit prin dispersie este metalele și aliajele metalice întărite și întărite prin dispersia uniformă a particulelor fine dintr-un material foarte dur și inert. Când se adaugă fulgi foarte mici de oxid de aluminiu la matricea metalică de aluminiu, obținem pulbere de aluminiu sinterizat care are o rezistență îmbunătățită la temperatură ridicată. 

 

• COMPOZITE RĂMĂTATE CU FIBRĂ: Această categorie de compozite este de fapt cea mai importantă. Scopul de atins este rezistența și rigiditatea ridicate pe unitate de greutate. Compoziția fibrelor, lungimea, orientarea și concentrația din aceste compozite sunt critice în determinarea proprietăților și utilității acestor materiale. Sunt trei grupuri de fibre pe care le folosim: mustăți, fibre și fire. WHISKERS sunt monocristale foarte subțiri și lungi. Sunt printre cele mai rezistente materiale. Unele exemple de materiale pentru mustață sunt grafitul, nitrura de siliciu, oxidul de aluminiu.  FIBRE, pe de altă parte, sunt în mare parte polimeri sau ceramice și sunt în stare policristalină sau amorfă. Al treilea grup este Sârmele fine care au diametre relativ mari și constau frecvent din oțel sau wolfram. Un exemplu de compozit armat cu sârmă sunt anvelopele auto care încorporează sârmă de oțel în interiorul cauciucului. În funcție de materialul matricei, avem următoarele compozite:
COMPOZITE POLIMER-MATRICE: Acestea sunt realizate dintr-o rășină polimerică și fibre ca ingredient de întărire. Un subgrup dintre acestea, numite compozite polimere armate cu fibre de sticlă (GFRP), conțin fibre de sticlă continue sau discontinue într-o matrice polimerică. Sticla oferă o rezistență ridicată, este economică, ușor de fabricat în fibre și este inertă din punct de vedere chimic. Dezavantajele sunt rigiditatea și rigiditatea lor limitată, temperaturile de serviciu fiind de doar până la 200 – 300 de grade Celsius. Fibra de sticlă este potrivită pentru caroserii auto și echipamente de transport, caroserii vehiculelor marine, containere de depozitare. Nu sunt potrivite pentru industria aerospațială și nici pentru realizarea de poduri din cauza rigidității limitate. Celălalt subgrup se numește compozit polimer întărit cu fibră de carbon (CFRP). Aici, carbonul este materialul nostru de fibre din matricea polimerică. Carbonul este cunoscut pentru modulul specific ridicat și rezistența și capacitatea sa de a le menține la temperaturi ridicate. Fibrele de carbon ne pot oferi module de tracțiune standard, intermediare, înalte și ultraînalte. În plus, fibrele de carbon oferă diverse caracteristici fizice și mecanice și, prin urmare, sunt potrivite pentru diverse aplicații de inginerie personalizate. Compozitele CFRP pot fi considerate pentru a produce echipamente sportive și recreative, vase sub presiune și componente structurale aerospațiale. Totuși, un alt subgrup, compozitele polimerice armate cu fibre de aramidă sunt, de asemenea, materiale de înaltă rezistență și modul. Raporturile dintre rezistență și greutate sunt remarcabil de ridicate. Fibrele de aramidă sunt cunoscute și sub denumirile comerciale KEVLAR și NOMEX. Sub tensiune au rezultate mai bune decât alte materiale din fibre polimerice, dar sunt slabe la compresie. Fibrele de aramidă sunt dure, rezistente la impact, rezistente la fluaj și oboseală, stabile la temperaturi ridicate, inerte chimic, cu excepția acizilor și bazelor puternice. Fibrele de aramidă sunt utilizate pe scară largă în articole sportive, veste antiglonț, anvelope, frânghii, învelișuri pentru cabluri cu fibră optică. Există și alte materiale de armare cu fibre, dar sunt utilizate într-o măsură mai mică. Acestea sunt în principal bor, carbură de siliciu, oxid de aluminiu. Pe de altă parte, materialul matricei polimerice este, de asemenea, critic. Acesta determină temperatura maximă de serviciu a compozitului deoarece polimerul are în general o temperatură de topire și degradare mai scăzută. Poliesterii și esterii vinilici sunt utilizați pe scară largă ca matrice polimerică. De asemenea, sunt folosite rășini și au o rezistență excelentă la umiditate și proprietăți mecanice. De exemplu, rășina poliimidă poate fi folosită până la aproximativ 230 de grade Celsius. 
COMPOZITE METAL-MATRICE: În aceste materiale folosim o matrice metalică ductilă, iar temperaturile de serviciu sunt în general mai mari decât componentele lor constitutive. În comparație cu compozitele cu matrice polimerică, acestea pot avea temperaturi de funcționare mai ridicate, pot fi neinflamabile și pot avea o rezistență mai bună la degradare împotriva fluidelor organice. Cu toate acestea, sunt mai scumpe. Materiale de ranforsare precum mustati, particule, fibre continue si discontinue; iar materialele matricei cum ar fi cuprul, aluminiul, magneziul, titanul, superaliaje sunt utilizate în mod obișnuit. Exemple de aplicații sunt componentele motorului realizate din matrice de aliaj de aluminiu ranforsată cu oxid de aluminiu și fibre de carbon. 
COMPOZITE CERAMIC-MATRIX: Materialele ceramice sunt cunoscute pentru fiabilitatea lor remarcabil de bună la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, sunt foarte fragile și au valori scăzute pentru duritatea la rupere. Prin încorporarea particulelor, fibrelor sau mustăților unei ceramice în matricea alteia, putem obține compozite cu rezistențe mai mari la rupere. Aceste materiale încorporate inhibă practic propagarea fisurilor în interiorul matricei prin unele mecanisme, cum ar fi devierea vârfurilor fisurilor sau formarea de punți peste fețele fisurilor. De exemplu, aluminele care sunt întărite cu mustăți de SiC sunt folosite ca inserții de scule de tăiere pentru prelucrarea aliajelor de metal dur. Acestea pot dezvălui performanțe mai bune în comparație cu carburile cimentate.  
COMPOZITE CARBON-CARBON: Atât armătura, cât și matricea sunt din carbon. Au module mari de tracțiune și rezistențe la temperaturi ridicate peste 2000 de grade Celsius, rezistență la fluaj, tenacitate mare la rupere, coeficienți de dilatare termică scăzuti, conductivitati termice ridicate. Aceste proprietăți le fac ideale pentru aplicații care necesită rezistență la șocuri termice. Slăbiciunea compozitelor carbon-carbon este totuși vulnerabilitatea lor împotriva oxidării la temperaturi ridicate. Exemple tipice de utilizare sunt matrițele de presare la cald, fabricarea avansată a componentelor motoarelor cu turbină. 
COMPOZITE HIBRIDE: Două sau mai multe tipuri diferite de fibre sunt amestecate într-o singură matrice. Astfel, se poate personaliza un nou material cu o combinație de proprietăți. Un exemplu este atunci când atât fibrele de carbon, cât și cele de sticlă sunt încorporate într-o rășină polimerică. Fibrele de carbon oferă rigiditate și rezistență de densitate scăzută, dar sunt scumpe. Pe de altă parte, sticla este ieftină, dar nu are rigiditatea fibrelor de carbon. Compozitul hibrid sticlă-carbon este mai puternic și mai dur și poate fi fabricat la un cost mai mic.
PRELUCRAREA COMPOZITELOR ARMATE CU FIBRE: Pentru materialele plastice armate cu fibre continue cu fibre uniform distribuite orientate in aceeasi directie folosim urmatoarele tehnici.
PULTRUZIE: Sunt fabricate tije, grinzi și tuburi de lungimi continue și secțiuni transversale constante. Rovingurile de fibre continue sunt impregnate cu o rășină termorezistabilă și sunt trase printr-o matriță de oțel pentru a le preforma la forma dorită. Apoi, trec printr-o matriță de întărire prelucrată cu precizie pentru a obține forma sa finală. Deoarece matrița de întărire este încălzită, se întărește matricea de rășină. Extractoarele trag materialul prin matrițe. Folosind miezuri goale introduse, putem obține tuburi și geometrii goale. Metoda de pultruziune este automatizată și ne oferă rate de producție ridicate. Este posibil să se producă orice lungime de produs. 
PROCESUL DE PRODUCȚIE PREPREG: Prepreg este o armătură cu fibre continue preimpregnată cu o rășină polimerică parțial întărită. Este utilizat pe scară largă pentru aplicații structurale. Materialul vine sub formă de bandă și este expediat ca bandă. Producătorul îl modelează direct și îl întărește complet fără a fi nevoie să adăugați rășină. Deoarece preimpregnatele suferă reacții de întărire la temperatura camerei, acestea sunt depozitate la 0 °C sau la temperaturi mai mici. După utilizare, benzile rămase sunt depozitate înapoi la temperaturi scăzute. Se folosesc rășini termoplastice și termorigide, iar fibrele de armare din carbon, aramid și sticlă sunt comune. Pentru a utiliza materiale preimpregnate, hârtia de suport este mai întâi îndepărtată și apoi fabricarea este realizată prin așezarea benzii preimpregnate pe o suprafață prelucrată (procesul de întindere). Se pot așeza mai multe straturi pentru a obține grosimile dorite. Practica frecventă este alternarea orientării fibrei pentru a produce un strat încrucișat sau laminat în unghi. În cele din urmă, se aplică căldură și presiune pentru întărire. Atât procesarea manuală, cât și procesele automate sunt utilizate pentru tăierea preimpregnate și lay-up.
BOBINAREA FILAMENTULUI: Fibrele de armare continue sunt poziționate cu precizie într-un model predeterminat pentru a urma o formă goală   și, de obicei, ciclindiric. Fibrele trec mai întâi printr-o baie de rășină și apoi sunt înfășurate pe un dorn printr-un sistem automat. După mai multe repetări de înfășurare se obțin grosimile dorite și întărirea se efectuează fie la temperatura camerei, fie în interiorul cuptorului. Acum dornul este îndepărtat și produsul este deformat. Înfășurarea filamentului poate oferi rapoarte rezistență-greutate foarte ridicate prin înfășurarea fibrelor în modele circumferențiale, elicoidale și polare. Conductele, rezervoarele, carcasele sunt fabricate folosind această tehnică. 

 

• COMPOZITE STRUCTURALE: În general, acestea sunt alcătuite atât din materiale omogene, cât și din materiale compozite. Prin urmare, proprietățile acestora sunt determinate de materialele constitutive și de designul geometric al elementelor sale. Iată principalele tipuri:
COMPOZITE LAMINARE: Aceste materiale structurale sunt realizate din foi sau panouri bidimensionale cu direcții de înaltă rezistență preferate. Straturile sunt stivuite și cimentate împreună. Alternând direcțiile de mare rezistență în cele două axe perpendiculare, obținem un compozit care are rezistență mare în ambele direcții în planul bidimensional. Prin reglarea unghiurilor straturilor se poate fabrica un compozit cu rezistență în direcțiile preferate. Schiul modern este fabricat astfel. 
PANOURI SANDWICH: Aceste compozite structurale sunt ușoare, dar au totuși rigiditate și rezistență ridicate. Panourile sandwich constau din două foi exterioare realizate dintr-un material rigid și puternic, cum ar fi aliaje de aluminiu, materiale plastice armate cu fibre sau oțel și un miez între foile exterioare. Miezul trebuie să fie ușor și de cele mai multe ori să aibă un modul scăzut de elasticitate. Materialele de bază populare sunt spume polimerice rigide, lemn și faguri. Panourile sandwich sunt utilizate pe scară largă în industria construcțiilor ca material de acoperiș, material pentru podea sau pereți, precum și în industria aerospațială.  

 

• NANOCOMPOZITE: Aceste noi materiale constau din particule nanocompozite încorporate într-o matrice. Folosind nanocompozite putem fabrica materiale cauciucate care constituie bariere foarte bune în calea pătrunderii aerului, păstrând în același timp proprietățile cauciucului neschimbate.