Hyvin erilaisia materiaaleja
Komposiittimateriaalit eroavat perinteisistä materiaaleista siinä, että komposiittiosat sisältävät kaksi erillistä komponenttia - kuitu- ja matriisimateriaalit (yleisimmin polymeerihartsit) - jotka pysyvät erillään yhdistettäessä, mutta vuorovaikutuksessa muodostaen uuden materiaalin, jonka ominaisuuksia ei voida ennustaa yksinkertaisesti lisäämällä sen ominaisuuksia. komponentit.
Itse asiassa yksi kuitu/hartsi-yhdistelmän tärkeimmistä eduista on sen täydentävyys. Esimerkiksi ohuilla lasikuiduilla on suhteellisen korkea vetolujuus, mutta ne vaurioituvat helposti. Sitä vastoin useimmilla polymeerihartseilla on heikko vetolujuus, mutta ne ovat erittäin sitkeitä ja muokattavia. Kun kuitua ja hartsia yhdistetään, ne voivat kuitenkin kompensoida toistensa heikkouksia ja luoda materiaalia, joka on paljon hyödyllisempi kuin mikään yksittäinen komponentti.
Komposiittien rakenteelliset ominaisuudet johtuvat pääasiassa kuituvahvistuksesta. Kaupalliset komposiitit suurille markkinoille, kuten autojen osien, laivojen, kulutustavaroiden ja korroosionkestäviä teollisuusosia varten, valmistetaan tyypillisesti epäjatkuvista, satunnaisesti suuntautuneista lasikuiduista tai jatkuvista, mutta suuntaamattomista kuitumuodoista.
Alun perin sotilasilmailumarkkinoille kehitettyjä edistyksellisiä komposiitteja, jotka toimivat paremmin kuin perinteiset rakennemetallit, löytyy nykyään viestintäsatelliiteista, lentokoneista, urheiluvälineistä, kuljetuksista, raskaasta teollisuudesta sekä energia-alalta öljyn ja kaasun etsinnässä ja tuuliturbiinien rakentamisessa.
Suorituskykyiset komposiitit saavat rakenteelliset ominaisuutensa jatkuvista, suuntautuneista, erittäin lujista kuituvahvistemateriaaleista -- yleisimmin hiilikuidusta, aryylipolyamidikuidusta tai lasikuidusta -- matriisissa, joka parantaa työstettävyyttä ja parantaa mekaanisia ominaisuuksia. kuten jäykkyys ja kemikaalinkestävyys.
Kuitujen suuntausta voidaan ohjata, mikä on tekijä, joka voi parantaa suorituskykyä kaikissa sovelluksissa. Esimerkiksi komposiittigolfmailojen varreissa boori- ja hiilikuidut on suunnattu eri kulmiin komposiittivarressa, jotta ne pystyvät hyödyntämään täyden hyödyn lujuus- ja jäykkyysominaisuuksistaan ja kestämään vääntömomenttikuormia ja useita taivutus-, puristus- ja vetovoimia.
Lasikuitu
Suurin osa komposiittiteollisuudessa käytetyistä kuiduista on lasia. Lasikuitu on vanhin ja yleisin lujitemateriaali, jota käytetään useimmissa loppumarkkinoilla (ilmailuteollisuus on tärkeä poikkeus) korvaamaan raskaampia metalliosia.
Lasikuitu on raskaampaa ja vähemmän jäykkää kuin hiilikuitu, toiseksi yleisin lujitemateriaali, mutta se on iskunkestävämpi ja sen murtovenymä on suurempi (eli se venyy enemmän ennen rikkoutumista). Laaja valikoima ominaisuuksia ja suorituskykytasoja voidaan saada riippuen lasityypistä, filamentin halkaisijasta, pinnoitekemiasta (kutsutaan "liimaamisesta") ja kuidun muodosta.
Lasifilamentit toimitetaan nippuina, joita kutsutaan säikeiksi, jotka ovat jatkuvien lasifilamenttien kokoelmia.
Roving on yleensä nippu kiertymättömiä säikeitä, jotka on kiedottu langan tavoin suuren puolan ympärille. Yksipäinen roving koostuu useiden lasikuitujen jatkuvasta säikeestä, jotka kulkevat säikeen pituudella. Monipäinen roving sisältää pitkiä, mutta ei täysin jatkuvia säikeitä, jotka lisätään tai pudotetaan porrastettuna kelauksen aikana. Lanka on kokoelma lankoja, jotka on kierretty yhteen.
Tehokas kuitu
Hiilikuitu - ylivoimaisesti laajimmin käytetty kuitu korkean suorituskyvyn sovelluksissa - on valmistettu useista esiastejärjestelmistä, mukaan lukien polyakryylinitriili (PAN), viskoosi ja asfaltti. Esikuidut käsitellään kemiallisesti, kuumennetaan ja venytetään, minkä jälkeen ne hiiltyvät, jolloin saadaan lujia kuituja. Markkinoiden ensimmäinen korkean suorituskyvyn hiilikuitu valmistettiin rayonin esiasteista.
Nykyään polyakryylinitriili- ja asfalttipohjaiset kuidut ovat korvanneet tekokuidut useimmissa sovelluksissa. Pannupohjainen hiilikuitu on monipuolisin. Ne tarjoavat hämmästyttävän valikoiman ominaisuuksia, mukaan lukien erinomainen lujuus ja korkea jäykkyys. Asfalttikuidut on valmistettu maaöljy- tai kivihiilitervabitumista ja niillä on korkea tai erittäin korkea jäykkyys ja alhainen negatiiviseen aksiaaliseen lämpölaajenemiskertoimeen (CTE). Niiden CTE-ominaisuudet ovat erityisen hyödyllisiä lämmönhallintaa vaativissa avaruusalussovelluksissa, kuten elektronisten instrumenttien koteloissa.
Vaikka hiilikuidut ovat vahvempia kuin lasi- tai aramidikuidut, ne eivät ole vain vähemmän iskunkestäviä, vaan ne myös altistuvat galvaaniselle korroosiolle joutuessaan kosketuksiin metallin kanssa. Valmistajat ratkaisevat jälkimmäisen ongelman käyttämällä sulkumateriaaleja tai verhokerroksia (yleensä lasikuitu/epoksi) laminaattiprosessin aikana.
Suorituskykyisen hiilikuidun peruskuitumuoto on jatkuva kuitukimppu, jota kutsutaan filamenttikimppuksi. Hiilikuitunippu koostuu tuhansista jatkuvista, kiertymättömistä filamenteista, filamenttien lukumäärää edustaa numero, jota seuraa "K", mikä tarkoittaa kerrottuna 1:llä, 000 (esimerkiksi 12K tarkoittaa filamenttien lukumäärää 12,000). Kimppuja voidaan käyttää suoraan prosesseissa, kuten filamentin käämitys tai pultruusiomuovaus, tai ne voidaan muuntaa yksisuuntaisiksi nauhoiksi, kankaiksi ja muiksi vahvistetuiksi muotoiksi.
