Очень разные материалы
Композитные материалы отличаются от обычных материалов тем, что составные части содержат два отдельных компонента — волокна и матричные материалы (чаще всего полимерные смолы), — которые остаются разделенными при объединении, но взаимодействуют, образуя новый материал, свойства которого нельзя предсказать, просто добавляя свойства его исходных материалов. компоненты.
Фактически, одним из основных преимуществ комбинации волокна и смолы является ее взаимодополняемость. Тонкие стеклянные волокна, например, обладают относительно высокой прочностью на растяжение, но легко повреждаются. Напротив, большинство полимерных смол имеют слабую прочность на растяжение, но очень прочны и пластичны. Однако, когда волокно и смола объединены, они могут компенсировать недостатки друг друга, создавая материал, который намного полезнее, чем любой отдельный компонент.
Структурные свойства композитов в основном связаны с армированием волокнами. Коммерческие композиты для крупных рынков, таких как автомобильные детали, корабли, потребительские товары и коррозионно-стойкие промышленные детали, обычно изготавливаются из прерывистого, беспорядочно ориентированного стекловолокна или непрерывных, но неориентированных волокон.
Первоначально разработанные для военного авиационно-космического рынка, передовые композиты, которые работают лучше, чем традиционные конструкционные металлы, теперь используются в спутниках связи, самолетах, спортивных товарах, транспорте, тяжелой промышленности и энергетическом секторе для разведки нефти и газа и строительства ветряных турбин.
Высокоэффективные композиты получают свои структурные характеристики от непрерывных ориентированных высокопрочных волокнистых армирующих материалов -- чаще всего углеродного волокна, арилполиамидного волокна или стекловолокна -- в матрице, которая улучшает обрабатываемость и улучшает механические свойства. таких как жесткость и химическая стойкость.
Ориентацию волокна можно контролировать, что может повысить производительность в любом приложении. Например, в композитных стержнях клюшек для гольфа борные и углеродные волокна ориентированы под разными углами внутри композитного стержня, что позволяет в полной мере использовать их характеристики прочности и жесткости, а также выдерживать крутящие нагрузки и множественные силы изгиба, сжатия и растяжения.
Стекловолокно
Подавляющее большинство волокон, используемых в композитной промышленности, представляют собой стекло. Стекловолокно является старейшим и наиболее распространенным армирующим материалом, используемым в большинстве конечных рыночных приложений (за исключением аэрокосмической промышленности) для замены более тяжелых металлических компонентов.
Стекловолокно тяжелее и менее жесткое, чем углеродное волокно, следующий по распространенности армирующий материал, но оно более ударопрочное и имеет большее удлинение при разрыве (то есть в большей степени растягивается перед разрывом). Широкий спектр характеристик и уровней производительности может быть получен в зависимости от типа стекла, диаметра нити, химического состава покрытия (называемого «проклейкой») и формы волокна.
Стеклянные нити поставляются в виде пучков, называемых жгутами, которые представляют собой наборы непрерывных стеклянных нитей.
Ровница обычно представляет собой пучок нескрученных нитей, намотанных, как нитки, на большую катушку. Односторонний ровинг состоит из непрерывной нити из нескольких стеклянных нитей, которые проходят по всей длине нити. Многосторонняя ровница содержит длинные, но не полностью непрерывные нити, которые добавляются или опускаются в шахматном порядке во время намотки. Пряжа представляет собой набор нитей, скрученных вместе.
Высокоэффективное волокно
Углеродное волокно — безусловно, наиболее широко используемое волокно в высокопроизводительных приложениях — производится из различных исходных систем, включая полиакрилонитрил (ПАН), вискозу и асфальт. Волокна-предшественники химически обрабатываются, нагреваются и растягиваются, а затем карбонизируются для получения высокопрочных волокон. Первое высокоэффективное углеродное волокно на рынке было изготовлено из предшественников искусственного шелка.
Сегодня волокна на основе полиакрилонитрила и асфальта заменили искусственные волокна в большинстве областей применения. Углеродное волокно на основе Pan является наиболее универсальным. Они предлагают удивительный диапазон свойств, включая превосходную прочность и высокую жесткость. Асфальтовые волокна изготавливаются из битума нефти или каменноугольной смолы и имеют жесткость от высокой до чрезвычайно высокой и коэффициент осевого теплового расширения (КТР) от низкого до отрицательного. Их характеристики CTE особенно полезны в приложениях космических кораблей, требующих управления температурой, таких как корпуса электронных приборов.
Хотя они прочнее стеклянных или арамидных волокон, углеродные волокна не только менее ударопрочны, но и подвергаются гальванической коррозии при контакте с металлом. Производители преодолевают последнюю проблему, используя барьерные материалы или вуалевые слои (обычно стекловолокно/эпоксидную смолу) в процессе ламинирования.
Основная форма волокна высокоэффективного углеродного волокна представляет собой пучок непрерывных волокон, называемый пучком нитей. Пучок углеродного волокна состоит из тысяч непрерывных нескрученных нитей, количество нитей представлено числом, за которым следует буква «К», что означает умножение на 1,000 (например, 12К означает, что количество нитей равно 12,000). Пучки можно использовать непосредственно в таких процессах, как намотка нитей или пултрузионное формование, или их можно преобразовать в однонаправленные ленты, ткани и другие армированные формы.
