Materiale foarte diferite
Materialele compozite diferă de materialele convenționale prin aceea că piesele compozite conțin două componente distincte - materiale de fibre și matrice (cel mai frecvent rășini polimerice) - care rămân separate atunci când sunt combinate, dar interacționează pentru a forma un nou material ale cărui proprietăți nu pot fi prezise prin simpla adăugare a proprietăților sale. componente.
De fapt, unul dintre principalele avantaje ale combinației fibre/rășină este complementaritatea acesteia. Fibrele de sticlă subțiri, de exemplu, au o rezistență la tracțiune relativ mare, dar sunt ușor deteriorate. În schimb, majoritatea rășinilor polimerice au o rezistență slabă la tracțiune, dar sunt foarte dure și maleabile. Atunci când fibra și rășina sunt combinate, totuși, ele pot compensa punctele slabe ale celuilalt, creând un material care este mult mai util decât orice componentă individuală.
Proprietățile structurale ale compozitelor sunt derivate în principal din armarea cu fibre. Compozitele comerciale pentru piețe mari, cum ar fi piese de automobile, nave, bunuri de larg consum și piese industriale rezistente la coroziune, sunt de obicei realizate din fibră de sticlă discontinuă, orientată aleatoriu sau forme de fibre continue, dar neorientate.
Dezvoltate inițial pentru piața aerospațială militară, compozitele avansate, care au performanțe mai bune decât metalele structurale tradiționale, se găsesc acum în sateliți de comunicații, avioane, articole sportive, transporturi, industria grea și sectorul energetic pentru explorarea petrolului și gazelor și în construcția de turbine eoliene.
Compozitele de înaltă performanță își derivă caracteristicile structurale din materiale de armare cu fibre continue, orientate și de înaltă rezistență -- cel mai frecvent fibre de carbon, fibre de arilpoliamidă sau fibră de sticlă -- într-o matrice care îmbunătățește prelucrabilitatea și îmbunătățește proprietățile mecanice cum ar fi rigiditatea și rezistența chimică.
Orientarea fibrelor poate fi controlată, ceea ce este un factor care poate îmbunătăți performanța în orice aplicație. De exemplu, în arborele de crose de golf compozite, fibrele de bor și de carbon sunt orientate la unghiuri diferite în cadrul arborelui compozit, capabile să profite din plin de caracteristicile lor de rezistență și rigiditate și să reziste la sarcini de cuplu și forțe multiple de îndoire, compresie și tracțiune.
Fibră de sticlă
Marea majoritate a fibrelor utilizate în industria compozitelor sunt din sticlă. Fibra de sticlă este cel mai vechi și mai comun material de armare utilizat în majoritatea aplicațiilor de pe piața finală (industria aerospațială fiind o excepție importantă) pentru a înlocui componentele metalice mai grele.
Fibra de sticlă este mai grea și mai puțin rigidă decât fibra de carbon, următorul material de armare cel mai comun, dar este mai rezistentă la impact și are o alungire mai mare la rupere (adică se întinde într-o măsură mai mare înainte de rupere). O gamă largă de caracteristici și niveluri de performanță poate fi obținută în funcție de tipul de sticlă, diametrul filamentului, chimia acoperirii (numită „dimensionare”) și forma fibrei.
Filamentele de sticlă sunt furnizate sub formă de mănunchiuri numite fire, care sunt colecții de filamente de sticlă continue.
Roving este de obicei un mănunchi de fire nerăsucite înfășurate ca un fir în jurul unei bobine mari. Roving cu un singur capăt constă dintr-un fir continuu de mai multe filamente de sticlă care parcurg lungimea firului. Roving cu mai multe capete conține fire lungi, dar nu complet continue, care sunt adăugate sau aruncate într-un aranjament eșalonat în timpul înfășurării. Fire este o colecție de fire răsucite împreună.
Fibră de înaltă performanță
Fibra de carbon - de departe cea mai utilizată fibră în aplicații de înaltă performanță - este fabricată dintr-o varietate de sisteme precursoare, inclusiv poliacrilonitril (PAN), raion și asfalt. Fibrele precursoare sunt tratate chimic, încălzite și întinse și apoi carbonizate pentru a produce fibre de înaltă rezistență. Prima fibră de carbon de înaltă performanță de pe piață a fost realizată din precursori de raion.
Astăzi, fibrele pe bază de poliacrilonitril și asfalt au înlocuit fibrele artificiale în majoritatea aplicațiilor. Fibra de carbon pe bază de tigaie este cea mai versatilă. Ele oferă o gamă uimitoare de proprietăți, inclusiv rezistență excelentă și rigiditate ridicată. Fibrele de asfalt sunt fabricate din bitum de petrol sau gudron de cărbune și au o rigiditate ridicată până la extrem de ridicată și coeficientul axial de dilatare termică (CTE) scăzut până la negativ. Caracteristicile lor CTE sunt deosebit de utile în aplicațiile navelor spațiale care necesită management termic, cum ar fi carcasele instrumentelor electronice.
Deși sunt mai rezistente decât fibrele de sticlă sau aramidă, fibrele de carbon nu numai că sunt mai puțin rezistente la impact, dar suferă și coroziune galvanică atunci când intră în contact cu metalul. Producătorii depășesc această din urmă problemă folosind materiale de barieră sau straturi de voal (de obicei, fibră de sticlă/epoxidice) în timpul procesului de laminat.
Forma de bază a fibrei de carbon de înaltă performanță este un pachet de fibre continuu numit fascicul de filamente. Un mănunchi de fibre de carbon este format din mii de filamente continue, nerăsucite, numărul de filamente reprezentat de un număr urmat de un „K”, ceea ce înseamnă înmulțit cu 1,000 (de exemplu, 12K înseamnă că numărul de filamente este 12,000). Ciorchinii pot fi utilizați direct în procese precum înfășurarea filamentului sau turnarea prin pultruziune sau pot fi transformate în panglici unidirecționale, țesături și alte forme armate.
