Материалы и процессы: волокна для композитов




Материалы и процессы: волокна для композитов

Структурные свойства композитных материалов определяются прежде всего армированием волокном. Описываются типы волокон, их производство, способы их использования и конечные применения на рынке, в которых они находят наибольшее применение.

Волокно является основным источником прочности и жесткости композита. Волокна необходимо обрабатывать химическими веществами, называемыми проклейками, которые делают их совместимыми с предполагаемой матрицей и упрощают обработку. Эти рулоны содержат пряжу из углеродного волокна Tenax, недавно представленную Toho Tenax Europe GmbH (Вупперталь, Германия), с новой специальной проклейкой, которая делает волокна совместимыми с матрицами из термопластичных смол и пригодными для применения в высокотемпературных композитах.

Композиты из натурального волокна: доля на рынке, по частям

Структурные свойства композитных материалов определяются прежде всего армированием волокном. В композите волокно, удерживаемое на месте смолой матрицы, способствует прочности на разрыв, улучшая рабочие характеристики конечной детали, такие как прочность и жесткость, при минимальном весе. Свойства волокна определяются процессом производства волокна, а также ингредиентами и химическим составом покрытия, используемыми в процессе.

Стекловолокно

Большинство волокон, используемых в композитной промышленности, — это стекло. Стекловолокно является самым старым и, безусловно, наиболее распространенным армированием в большинстве конечных применений (значительным исключением является аэрокосмическая промышленность) для замены более тяжелых металлических деталей. Стекловолокно весит больше, чем второе по распространению армирование, углеродное волокно, и не такое жесткое, но более ударопрочное и имеет большее удлинение до разрыва (то есть оно в большей степени удлиняется, прежде чем сломается). В зависимости от типа стекла, диаметра нити, химического состава покрытия (называемого «проклейка», см. «Критический размер волокна» ниже) и формы волокна, можно достичь широкого диапазона свойств и уровней производительности.

РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ

В этой цифровой демонстрации Axel Plastics рассматривает решения по очистке, герметизации и разделению форм для лидирующих применений в процессах производства автомобильных композитов, включая SMC, BMC и RTM.

Для производства стекловолокна сырье плавится и превращается в тонкие и высокоабразивные волокна диаметром от 3,5 до 24 мкм. Кремнеземный песок является основным сырьевым ингредиентом, на долю которого обычно приходится более 50% веса стекловолокна. Оксиды металлов и другие ингредиенты могут быть добавлены к диоксиду кремния, а методы обработки могут быть изменены для настройки волокон для конкретных применений.

Непрерывные стеклянные волокна поставляются в связках, называемых прядями. Ровинг обычно относится к пучку нескрученных прядей, упакованных, как нить, на большой катушке. Односторонний ровинг состоит из прядей, состоящих из множества непрерывных стеклянных нитей, которые проходят по всей длине пряди. Многоконечный ровинг содержит длинные, но не полностью непрерывные пряди, которые добавляются или опускаются в шахматном порядке в процессе намотки. Пряжа — это совокупность скрученных вместе прядей.

Электрическое или E-стекло , названное так потому, что его химический состав делает его отличным электрическим изолятором, особенно хорошо подходит для приложений, в которых желательна прозрачность радиосигналов, таких как обтекатели самолетов, антенны и печатные платы (печатные платы; см. CW’s доклад о меняющейся роли армирования стекловолокном в печатных  платах: «Печатные платы: рынок мобильных устройств»,). Тем не менее, это также наиболее экономичное стекловолокно для композитов, обладающее достаточной прочностью для удовлетворения требований к характеристикам во многих областях применения при относительно невысокой стоимости. Он стал стандартной формой стекловолокна, составляя более 90% всех армированных стекловолокном. По крайней мере, 50% волокон E-стекла состоят из оксида кремния; баланс включает оксиды алюминия, бора, кальция и / или других соединений, включая известняк, плавиковый шпат, борную кислоту и глину.

Когда требуется большая прочность, можно использовать высокопрочное стекло, впервые разработанное для военных целей в 1960-х годах. Известное под несколькими названиями — S-стекло в США, R-стекло в Европе и T-стекло в Японии, его прочность на разрыв при растяжении составляет около 700 тысяч фунтов на квадратный дюйм, а модуль упругости при растяжении — до 14 Msi. S-стекло имеет значительно большее содержание оксида кремния, оксида алюминия и оксида магния, чем E-стекло, и на 40-70% прочнее, чем E-стекло.

E-стекло и S-стекло теряют до половины своей прочности на разрыв при повышении температуры от окружающей среды до 540 ° C, хотя оба типа волокна по-прежнему демонстрируют в целом хорошую прочность в этом диапазоне повышенных температур. Производители постоянно меняют состав S-стекла. Например, стекло S-3 UHM (для сверхвысокого модуля) было представлено AGY Holding Corp. (Эйкен, Южная Каролина, США) несколько лет назад. Модернизированное стекло S-3 имеет модуль упругости 14 359 — выше, чем у S-стекла и на 40% выше, чем у E-стекла — благодаря улучшенному производству волокна, а также запатентованным добавкам и химическому составу расплава.

Хотя стекловолокно имеет относительно высокую химическую стойкость, при контакте с водой они могут разрушаться при выщелачивании. Например, нить из Е-стекла диаметром 10 мкм обычно теряет 0,7% своего веса при помещении в горячую воду на 24 часа. Скорость эрозии, однако, значительно снижается, поскольку выщелоченное стекло образует защитный барьер на внешней стороне нити; только 0,9% общей потери веса происходит после семи дней воздействия. Для замедления эрозии во время производства волокна применяются влагостойкие проклейки, такие как силановые соединения.

Коррозионно-стойкое стекло, известное как стекло C или E-CR , лучше выдерживает воздействие кислотного раствора, чем стекло E. Однако E-стекло и S-стекло гораздо более устойчивы к раствору карбоната натрия (основа), чем C-стекло. Бор из стекловолокна, с производительностью и ценойсравнимой с Е-стекла, демонстрирует большую устойчивостькоррозии в кислой среде (аналогичной тойчто Е-CR стекло), вышемодуль упругости и более высокую производительность в высоких температурахчем Е-стекло. Кроме того, исключение бора из производственного процесса оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, что является несомненным преимуществом.

Высокоэффективные волокна

Высококачественные волокна, используемые в современных композитах, включают углеродное волокно, арамидное волокно (известное под торговыми названиями Kevlar и Twaron), борное волокно, высокоэффективное полипропиленовое волокно, сверхвысокомолекулярный полиэтилен (PE), новые волокна, такие как полипропилен. фенилен-2,6-бензобизоксазол (PBO), а также гибридные комбинации.