Пластик, армированный волокном - Fibre-reinforced plastic

Пластик, армированный волокном (FRP) (также называемый армированный волокном полимер, или же армированный волокном пластик) это композитный материал сделанный из полимер матрица усилена волокна. Волокна обычно стекло (в стекловолокно ), углерод (в полимер, армированный углеродным волокном ), арамид, или же базальт. В редких случаях другие волокна, такие как бумага, дерево или асбест был использован. Полимер обычно представляет собой эпоксидная смола, виниловый эфир, или же полиэстер термореактивный пластик, хотя фенолформальдегидные смолы все еще используются.

FRP обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной отраслях. Они также обычно встречаются в баллистической броне.

Определение процесса

А полимер обычно производится ступенчатая полимеризация или же аддитивная полимеризация. В сочетании с различными агентами для улучшения или какого-либо изменения свойств материалов полимеров, результат называется пластик. Композитные пластмассы относится к тем типам пластмасс, которые образуются в результате соединения двух или более однородных материалов с различными свойствами материала для получения конечного продукта с определенными желаемыми материалами и механическими свойствами. Пластмассы, армированные волокном, представляют собой категорию композитных пластиков, в которых волокнистые материалы специально используются для механического повышения прочности и эластичность пластиков.

Оригинальный пластиковый материал без армирования волокном известен как матрица или же связующий агент. Матрица представляет собой прочный, но относительно слабый пластик, армированный более прочными и жесткими армирующими нитями или волокнами. Степень повышения прочности и эластичности армированного волокном пластика зависит от механических свойств как волокна, так и матрицы, их объема относительно друг друга, а также длины и ориентации волокон внутри матрицы.[1] Армирование матрицы происходит по определению, когда материал FRP демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с прочностью и эластичностью только матрицы.[2]

История

Бакелит был первым пластиком, армированным волокном. Лео Бэкеланд изначально намеревался найти замену для шеллак (сделано из выделения лаковые ошибки ). Химики начали понимать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами, и Бэкеланд исследовал реакции фенола и формальдегида. Сначала он произвел растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием «Новолак», который так и не стал успешным на рынке, а затем обратился к разработке связующего для асбест который в то время был отлит из резины. Контролируя давление и температуру, применяемые к фенол и формальдегид, в 1905 году он обнаружил, что может производить твердый формовочный материал своей мечты (первый в мире синтетический пластик ): бакелит.[3][4] Он объявил о своем изобретении на заседании Американское химическое общество 5 февраля 1909 г.[5]

Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко изучалась в 1930-х годах. в Великобритания, такие пионеры, как Норман де Брюйн. Это было особенно интересно для авиационной промышленности.[6]

Массовое производство стеклянных нитей было открыто в 1932 году, когда Игры Slayter, научный сотрудник Оуэнс-Иллинойс случайно направил струю сжатого воздуха на струю расплавленного стекла и образовал волокна. Патент на этот метод производства стекловаты впервые был подан в 1933 году.[7]Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и этот метод был адаптирован Owens Corning для производства запатентованного «фибрегласа» (one «s») в 1936 году. Первоначально фибреглас был стекловата с волокнами, улавливающими большое количество газа, что делает его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.

Подходящая смола для объединения «фибрегласа» с пластиком для производства композитного материала была разработана в 1936 г. дю Пон. Первым предком современных полиэфирных смол является Цианамид Смола 1942 года. Перекись К тому времени использовались системы отверждения.[8] Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газовый состав материала был заменен пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но теперь композит впервые показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. Как ни странно, многие композиты из стекловолокна продолжали называться "стекловолокно "(как родовое название), и это название также использовалось для изделия из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.

Fairchild F-46

Рэй Грин из Оуэнс Корнинг Компании приписывают создание первой композитной лодки в 1937 году, но в то время она не развивалась из-за хрупкой природы используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластмассовых материалов, а Соединенные Штаты - фюзеляж и крылья самолета.[9] Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был 1946 г. Крепкий скарабей. Была построена только одна такая модель.[10] В Прототип Ford 1941 года мог быть первым пластмассовым автомобилем, но есть некоторая неопределенность в отношении использованных материалов, поскольку он был уничтожен вскоре после этого.[11][12]

Первым самолетом из армированного волокном пластика был либо Fairchild F-46, первый полет 12 мая 1937 года, или построенный калифорнийцами Bennett Plastic Plane.[13] Фюзеляж из стеклопластика использовался на модифицированном Vultee BT-13A обозначил XBT-16 на базе Райт Филд в конце 1942 г.[14] В 1943 году были предприняты дальнейшие эксперименты по сборке конструктивных деталей самолета из композитных материалов, в результате чего был создан первый самолет. Vultee BT-15 с фюзеляжем из стеклопластика, обозначенным XBT-19, летал в 1944 году.[15][16][17] Значительное развитие инструментов для компонентов GFRP было сделано Республиканская авиационная корпорация в 1943 г.[18]

Углеродное волокно производство началось в конце 1950-х годов и использовалось, хотя и не широко, в британской промышленности с начала 1960-х годов. Примерно в это же время производились арамидные волокна, впервые появившиеся под торговой маркой. Номекс к DuPont. Сегодня каждое из этих волокон широко используется в промышленности для любых применений, где требуются пластмассы с определенной прочностью или эластичностью. Стекловолокно является наиболее распространенным во всех отраслях промышленности, хотя композиты из углеродного волокна и углеродного волокна с арамидом широко используются в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности.[2] Эти три (стекло, углерод и арамид ) продолжают оставаться важными категориями волокон, используемых в FRP.

Глобальное производство полимеров в нынешних масштабах началось в середине 20 века, когда низкие затраты на материалы и производство, новые производственные технологии и новые категории продуктов объединились, чтобы сделать производство полимеров экономичным. Индустрия окончательно созрела в конце 1970-х годов, когда мировое производство полимеров превысило стали, что делает полимеры повсеместным материалом, которым они являются сегодня. Пластмассы, армированные волокном, с самого начала были важным аспектом этой отрасли.

Описание процесса

FRP включает в себя два различных процесса: первый - это процесс изготовления и формования волокнистого материала, второй - процесс, посредством которого волокнистые материалы связываются с матрицей во время формования.[2]

Волокно

Производство волокнистой ткани

Армирующее волокно производится как в двумерной, так и в трехмерной ориентации:

  1. Двумерный полимер, армированный стекловолокном, характеризуется многослойной структурой, в которой волокна выровнены только вдоль плоскости в x-направление и y-направление материала. Это означает, что волокна не выравниваются по всей толщине или z-направление, это отсутствие выравнивания по сквозной толщине может привести к снижению стоимости и обработки. Стоимость и рабочая сила возрастают, потому что традиционные методы обработки, используемые для изготовления композитов, такие как укладка влажной рукой, автоклав и литье с переносом смолы, требуют большого количества квалифицированного труда для резки, укладки и консолидации в предварительно сформованный компонент.
  2. Трехмерные полимерные композиты, армированные стекловолокном, представляют собой материалы с трехмерной структурой волокон, которые включают волокна в x-направление, y-направление и z-направление. Разработка трехмерных ориентаций возникла из-за потребности промышленности в сокращении затрат на изготовление, повышении механических свойств по всей толщине и повышении устойчивости к ударным повреждениям; все это были проблемы, связанные с двумерными полимерами, армированными волокном.

Производство волокнистых преформ

Волоконные преформы - это то, как волокна производятся перед их приклеиванием к матрице. Волокнистые преформы часто производятся в виде листов, непрерывных матов или непрерывных волокон для распыления. Четыре основных способа производства волокнистой преформы - это технология обработки текстиля. ткачество, Вязание, плетение и сшивание.

  1. Плетение может выполняться как обычным способом для получения двумерных волокон, так и в многослойном плетении, позволяющем создавать трехмерные волокна. Однако многослойное плетение требует нескольких слоев пряжи основы для создания волокон в z-направлении, что создает ряд недостатков в производстве, а именно время для установки всех деформация пряжа на ткацкий станок. Таким образом, в настоящее время в большинстве случаев многослойное плетение используется для производства изделий относительно узкой ширины или изделий с высокой стоимостью, где стоимость изготовления преформ является приемлемой. Другой одной из основных проблем, с которыми сталкивается использование многослойных тканых материалов, является сложность производства ткани, которая содержит волокна, ориентированные не под прямым углом друг к другу.
  2. Второй основной способ изготовления волокнистых преформ - плетение. Плетение подходит для изготовления плоских или трубчатых тканей узкой ширины и не так эффективно, как ткачество, при производстве больших объемов широких тканей. Плетение выполняется поверх оправок, которые различаются по форме поперечного сечения или размерам по длине. Плетение ограничивается предметами размером с кирпич. В отличие от стандартного плетения, плетение позволяет производить ткань, содержащую волокна под углом 45 градусов друг к другу. Плетение трехмерных волокон может быть выполнено с использованием четырехэтапного, двухэтапного или многослойного переплетения. Четырехступенчатая плетение или плетение рядов и столбцов использует плоское основание, содержащее ряды и столбцы носителей пряжи, которые формируют форму желаемой преформы. Снаружи массива добавляются дополнительные носители, точное расположение и количество которых зависят от точной формы и требуемой конструкции преформы. Существует четыре отдельных последовательности движения рядов и столбцов, которые блокируют пряжу и создают плетеную преформу. Нити механически вдавливаются в структуру между каждым шагом, чтобы укрепить структуру, поскольку тростник используется в ткачестве. Двухэтапное плетение отличается от четырехэтапного процесса, поскольку двухэтапный процесс включает в себя большое количество нитей, закрепленных в осевом направлении, и меньшее количество плетеных нитей. Процесс состоит из двух этапов, в которых держатели оплетки полностью проходят через структуру между осевыми держателями. Эта относительно простая последовательность движений позволяет формировать заготовки практически любой формы, включая круглые и полые. В отличие от четырехэтапного процесса, двухэтапный процесс не требует механического уплотнения: движения, участвующие в процессе, позволяют туго натянуть тесьму только за счет натяжения нити. Последний тип плетения - это многослойное переплетение, которое состоит из ряда стандартных круглых плетеных оплеток, соединенных вместе в цилиндрическую оплетку. Эта рама имеет несколько параллельных плетеных дорожек по окружности цилиндра, но механизм позволяет переносить носители пряжи между соседними дорожками, образуя многослойную плетеную ткань с нитями, сцепляющимися с соседними слоями. Многослойная переплетенная плетенка отличается как от четырехступенчатой, так и от двухступенчатой ​​оплетки тем, что переплетенные нити находятся в основном в плоскости структуры и, таким образом, существенно не ухудшают плоские свойства преформы. Четырехэтапный и двухэтапный процессы обеспечивают большую степень переплетения, когда пряжа для плетения проходит через толщину преформы, но, следовательно, меньше вносят вклад в плоские характеристики преформы. Недостатком оборудования для многослойной блокировки является то, что из-за обычного синусоидального движения носителей пряжи для формирования преформы оборудование не может иметь плотность носителей пряжи, которая возможна с двухступенчатыми и четырехступенчатыми машинами.
  3. Вязание волоконных преформ может быть выполнено традиционными методами вязания основы и [утка], и производимая ткань часто рассматривается многими как двухмерная ткань, но машины с двумя или более игольницами способны производить многослойные ткани с пряжей, которая переход между слоями. Разработка электронных средств управления для выбора иглы и переноса петли, а также сложных механизмов, которые позволяют удерживать определенные области ткани и контролировать их движение, позволили придать ткани требуемую трехмерную форму преформы с минимальными затратами. материальных потерь.
  4. Сшивание, пожалуй, самый простой из четырех основных методов производства текстиля, который может быть выполнен с минимальными вложениями в специализированное оборудование. В основном строчка состоит из введения иглы, несущей швейную нить, через стопку слоев ткани, чтобы сформировать трехмерную структуру. Преимущества сшивания заключаются в том, что можно сшивать как сухую ткань, так и ткань из препрега, хотя липкость препрега затрудняет процесс и обычно вызывает больше повреждений в материале препрега, чем в сухой ткани. При сшивании также используются стандартные двумерные ткани, которые обычно используются в композитной промышленности, поэтому есть ощущение знакомства с системами материалов. Использование стандартной ткани также обеспечивает большую степень гибкости при укладке ткани компонента, чем это возможно с другими текстильными процессами, которые имеют ограничения на ориентацию волокон, которые могут быть произведены.[19]

Формовочные процессы

Жесткая конструкция обычно используется для определения формы компонентов FRP. Детали можно укладывать на плоскую поверхность, называемую «герметизирующей пластиной», или на цилиндрическую конструкцию, называемую «оправкой». Однако большинство деталей из армированного волокном пластика создается с помощью пресс-формы или «инструмента». Формы могут быть вогнутыми охватывающими формами, охватываемыми формами или форма может полностью охватывать деталь с верхней и нижней формами.

В процессы формования Из пластика FRP начинается с помещения волокнистой преформы на форму или в форму. Заготовка волокна может быть сухим волокном или волокном, которое уже содержит определенное количество смолы, называемой «препрег». Сухие волокна «смачиваются» смолой вручную или смола впрыскивается в закрытую форму. Затем деталь отверждается, оставляя матрицу и волокна в форме, созданной формой. Иногда для отверждения смолы и улучшения качества готовой детали используют нагревание и / или давление. Различные методы формования перечислены ниже.

Формование мочевого пузыря

Отдельные листы препрега укладываются и помещаются в форму в виде охватывающего элемента вместе с баллонным пузырем. Форма закрывается и помещается в нагретый пресс. Наконец, в баллоне создается давление, прижимающее слои материала к стенкам формы.

Компрессионное формование

Когда исходный материал (пластиковый блок, резиновый блок, пластиковый лист или гранулы) содержит армирующие волокна, формованная под давлением деталь квалифицируется как армированный волокном пластик. Чаще всего пластиковая преформа, используемая при компрессионном формовании, не содержит армирующих волокон. При компрессионном формовании «преформа» или «шихта» из SMC, BMC помещается в полость формы. Форма закрывается, и материал формируется и затвердевает внутри под действием давления и тепла. Компрессионное формование предлагает отличную детализацию геометрических форм, от узоров и рельефных деталей до сложных кривых и творческих форм, до точное машиностроение все в течение максимального времени отверждения 20 минут.[20]

Автоклав и вакуумный мешок

Отдельные листы препрега складываются и помещаются в открытую форму. Материал покрыт разделительной пленкой, воздухопроницаемым / дышащим материалом и вакуумный мешок. Частично создается вакуум, и вся форма помещается в автоклав (нагретый сосуд высокого давления). Деталь вулканизируется под постоянным вакуумом для удаления захваченных газов из ламината. Это очень распространенный процесс в аэрокосмической промышленности, поскольку он позволяет точно контролировать процесс формования благодаря длительному, медленному циклу отверждения, который составляет от одного до нескольких часов.[21] Этот точный контроль создает точные геометрические формы ламината, необходимые для обеспечения прочности и безопасности в аэрокосмической отрасли, но он также медленный и трудоемкий, а это означает, что затраты часто ограничиваются аэрокосмической отраслью.[20]

Обмотка оправки

Листы препрега наматываются на стальную или алюминиевую оправку. Материал препрега уплотняется нейлоновой или полипропиленовой целлюлозной лентой. Детали обычно подвергаются периодической полимеризации с помощью вакуумной упаковки и подвешивания в печи. После отверждения виолончель и оправка удаляются, остается полая углеродная трубка. Этот процесс создает прочные и прочные полые углеродные трубки.

Мокрая простоя

Формование мокрым слоем объединяет армирование волокном и матрицу по мере их размещения на формовочном инструменте.[2] Слои армирующего волокна помещаются в открытую форму, а затем пропитываются влажным слоем. смола Налейте его на ткань и втирая в ткань. Затем форму оставляют, чтобы смола застыла, обычно при комнатной температуре, хотя иногда для обеспечения надлежащего отверждения используется тепло. Иногда для сжатия мокрой упаковки используют вакуумный мешок. Стекловолокно чаще всего используется для этого процесса, результаты широко известны как стекловолокно, и используется для изготовления обычных товаров, таких как лыжи, каноэ, каяки и доски для серфинга.[20]

Пистолет-измельчитель

Непрерывные пряди стекловолокна проталкиваются через ручной пистолет, который режет пряди и объединяет их с катализированной смолой, такой как полиэстер. Пропитанное колотое стекло выстреливается на поверхность формы любой толщины и конструкции, которую оператор считает подходящей. Этот процесс хорош для больших производственных циклов при экономичных затратах, но позволяет получать геометрические формы с меньшей прочностью, чем другие процессы формования, и с плохими допусками по размерам.[20]

Намотка нити

Машины протягивают пучки волокон через влажную ванну со смолой и наматывают на вращающуюся стальную оправку в определенных положениях. Детали отверждаются либо при комнатной температуре, либо при повышенных температурах. Оправка извлекается, оставляя окончательную геометрическую форму, но в некоторых случаях ее можно оставить.[20]

Пултрузия

Пучки волокон и ткани с прорезями протягиваются через влажную ванну со смолой и придают им грубую форму. Насыщенный материал экструдируется из нагретой закрытой фильеры, отверждаемой, при непрерывном протягивании через фильеру. Некоторые из конечных продуктов пултрузии представляют собой структурные формы, например двутавровую балку, угол, швеллер и плоский лист. Эти материалы могут использоваться для создания всевозможных конструкций из стекловолокна, таких как лестницы, платформы, системы поручней резервуаров, опоры труб и насосов.[20]

Трансферное формование смолы

Также называемый настой смолы. Ткани помещаются в форму, в которую затем впрыскивается влажная смола. Смолу обычно сжимают и нагнетают в полость, находящуюся под вакуумом. литье под давлением смолы. Смола полностью втягивается в полость под вакуумом при формовании с переносом смолы с помощью вакуума. Этот процесс формования допускает точные допуски и детализацию формы, но иногда может не полностью пропитать ткань, что приводит к появлению слабых мест в окончательной форме.[20]

Преимущества и ограничения

FRP позволяет выравнивать стекловолокно из термопластов в соответствии с конкретными программами проектирования. Указание ориентации армирующих волокон может повысить прочность и сопротивление деформации полимера. Полимеры, армированные стекловолокном, являются самыми прочными и наиболее устойчивыми к деформирующим силам, когда волокна полимера параллельны действующей силе, и наиболее слабы, когда волокна перпендикулярны. Таким образом, эта возможность является одновременно преимуществом или ограничением в зависимости от контекста использования. Слабые места перпендикулярных волокон могут использоваться для естественных петель и соединений, но также могут привести к повреждению материала, когда производственные процессы не могут правильно ориентировать волокна параллельно ожидаемым силам. Когда силы действуют перпендикулярно ориентации волокон, прочность и эластичность полимера ниже, чем у матрицы. В компонентах из литой смолы, изготовленных из армированных стекловолокном полимеров, таких как UP и EP, ориентация волокон может быть ориентирована в двухмерном и трехмерном переплетении. Это означает, что когда силы, возможно, перпендикулярны одной ориентации, они параллельны другой ориентации; это исключает возможность появления слабых мест в полимере.

Режимы отказа

Разрушение конструкции может произойти в материалах FRP, когда:

  • Силы растяжения растягивают матрицу больше, чем волокна, заставляя материал сдвигаться на границе раздела между матрицей и волокнами.
  • Силы растяжения около конца волокон превышают допуски матрицы, отделяя волокна от матрицы.
  • Силы растяжения также могут превышать допуски волокон, вызывая разрушение самих волокон, что приводит к разрушению материала.[2]

Требования к материалам

Смотрите также: Базальтовое волокно

А термореактивная полимерная матрица Материал или матричный материал из термопластичного полимера инженерного качества должен отвечать определенным требованиям, чтобы быть подходящим для FRP и гарантировать успешное самоупрочнение. Матрица должна быть способна должным образом пропитаться и предпочтительно химически связываться с армирующим волокном для максимальной адгезии в течение подходящего периода отверждения. Матрица также должна полностью охватывать волокна, чтобы защищать их от порезов и надрезов, которые могут снизить их прочность, и передавать силы волокнам. Волокна также должны храниться отдельно друг от друга, чтобы в случае отказа он был максимально локализован, а в случае отказа матрица также должна отслаиваться от волокна по аналогичным причинам. Наконец, матрица должна быть из пластика, который остается химически и физически стабильным во время и после процессов армирования и формования. Чтобы быть пригодными в качестве армирующего материала, волокнистые добавки должны повышать предел прочности на разрыв и модуль упругости матрицы и соответствовать следующим условиям: волокна должны превышать критическое содержание волокна; прочность и жесткость самих волокон должна превышать прочность и жесткость одной только матрицы; и между волокнами и матрицей должно быть оптимальное соединение

Стекловолокно

Дальнейшая информация: Стекловолокно

«Пластмассы, армированные стекловолокном» или FRP (обычно называемые просто стекловолокно ) используйте текстильный сорт стекловолокно. Эти текстильные волокна отличаются от других видов стекловолокна, которые преднамеренно используются для улавливания воздуха в изоляционных целях (см. стекловата ). Текстильные стекловолокна начинаются с различных комбинаций SiO2, Al2О3, B2О3, CaO или MgO в виде порошка. Затем эти смеси нагревают путем прямого плавления до температуры около 1300 градусов по Цельсию, после чего используются фильеры для экструзии волокон из стекловолокна диаметром от 9 до 17 мкм. Эти нити затем наматываются в более крупные нити и наматываются на бобины для транспортировки и дальнейшей обработки. Стекловолокно на сегодняшний день является самым популярным средством для усиления пластика и, таким образом, используется в различных производственных процессах, некоторые из которых применимы также к арамидным и углеродным волокнам благодаря их общим волокнистым свойствам.

Ровинг - это процесс скручивания нитей в нити большего диаметра. Эти нити затем обычно используются для тканых армирующих стеклотканей и матов, а также для нанесения распылением.

Волокнистые ткани представляют собой полотно, армирующий материал, который имеет направления как основы, так и утка. Волокнистые маты представляют собой нетканые маты из стекловолокна в виде полотна. Маты изготавливаются в разрезе с измельченными волокнами или в виде непрерывных матов с использованием непрерывных волокон. Рубленое стекловолокно используется в процессах, где отрезки стеклянной нити длиной от 3 до 26 мм, затем нити используются в пластмассах, наиболее часто предназначенных для процессов формования. Короткие пряди из стекловолокна представляют собой короткие пряди из стекловолокна толщиной 0,2–0,3 мм, которые используются для усиления термопластов, чаще всего для литья под давлением.

Углеродное волокно

Основная статья: Углеродное волокно

Углеродные волокна образуются при карбонизации полиакрилонитрильных волокон (PAN), смол или вискозы (путем окисления и термического пиролиза) при высоких температурах. Посредством дополнительных процессов графитизации или растяжения можно соответственно повысить прочность или эластичность волокон. Углеродные волокна изготавливаются диаметрами, аналогичными стеклянным волокнам, диаметром от 4 до 17 мкм. Эти волокна наматываются в более крупные нити для транспортировки и дальнейших производственных процессов.[2] Дальнейшие производственные процессы включают в себя плетение или плетение углеродных тканей, тканей и матов, аналогичных тем, которые описаны для стекла, которые затем могут быть использованы для фактического армирования.[1]

Арамидное волокно

Основная статья: Арамид

Арамидные волокна чаще всего известны как кевлар, номекс и технора. Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидной группой карбоновой кислоты (арамид).[1] Обычно это происходит, когда ароматический полиамид прядут из жидкой концентрации серной кислоты в кристаллизованное волокно.[2] Затем волокна прядут в более крупные нити, чтобы ткать их в большие веревки или тканые ткани (арамид).[1] Арамидные волокна производятся различных сортов в зависимости от прочности и жесткости, поэтому материал можно адаптировать для удовлетворения конкретных требований конструкции, таких как резка жесткого материала во время производства.[2]

Примеры комбинаций полимера и армирования

Армирующий материал[2]

Hijn


Наиболее распространенные матричные материалыСвойства улучшены
СтекловолокноВВЕРХ, EP, PA, ПК, ПОМ, PP, PBT, VEПрочность, эластичность, термостойкость
Древесные волокнаPE, ПП, АБС, HDPE, PLAПрочность на изгиб, модуль упругости, предел прочности
Углеродные и арамидные волокнаEP, UP, VE, PAЭластичность, предел прочности, прочность на сжатие, электрическая прочность.
Неорганические частицыПолукристаллические термопласты, УПИзотропная усадка, истирание, прочность на сжатие
МикросферыСтеклянные микросферыСнижение веса по сравнению с твердыми наполнителями

Приложения

Стекло-арамидно-гибридная ткань (для высокого напряжения и сжатия)

Армированные волокном пластмассы лучше всего подходят для любой программы проектирования, которая требует экономии веса, точного проектирования, определенных допусков и упрощения деталей как при производстве, так и при эксплуатации. Изделие из формованного полимера дешевле, быстрее и проще в производстве, чем изделие из литого алюминия или стали, и сохраняет аналогичные, а иногда и лучшие допуски и прочность материала.

Полимеры, армированные углеродным волокном

Основная статья: Полимер, армированный углеродным волокном

Руль направления Airbus A310

  • Преимущества перед традиционным рулем направления из листового алюминия:
    • Снижение веса на 25%
    • Снижение количества компонентов на 95% за счет объединения деталей и форм в более простые формованные детали.
    • Общее снижение производственных и эксплуатационных затрат, экономия деталей приводит к снижению производственных затрат, а снижение веса создает экономию топлива, которая снижает эксплуатационные расходы на управление самолетом.

Полимеры, армированные стекловолокном

Впускные коллекторы двигателя изготовлены из армированного стекловолокном PA 66.

  • Преимущества этого коллектора перед литыми алюминиевыми коллекторами:
    • Снижение веса до 60%
    • Улучшенное качество поверхности и аэродинамика
    • Сокращение количества компонентов за счет объединения деталей и форм в более простые формованные формы.

Автомобильные педали газа и сцепления из армированного стекловолокном PA 66 (DWP 12–13).

  • Преимущества перед штампованным алюминием:
    • Педали могут быть отформованы как отдельные блоки, объединяющие как педали, так и механические рычаги, что упрощает изготовление и эксплуатацию конструкции.
    • Волокна можно ориентировать для усиления против определенных нагрузок, увеличения долговечности и безопасности.

Алюминиевые окна, двери и фасады теплоизолированы с помощью теплоизоляционных пластиков из полиамида, армированного стекловолокном. В 1977 году Ensinger GmbH выпустила первый изоляционный профиль для оконных систем.

Структурные приложения

FRP может применяться для усиления балки, столбцы, и плиты зданий и мостов. Можно увеличить прочность элементов конструкции даже после того, как они были серьезно повреждены из-за загрузка условия. В случае повреждения железобетон элементов, это сначала потребует ремонта элемента путем удаления рыхлого мусора и заполнения пустот и трещин ступка или же эпоксидная смола. После ремонта члена укрепить можно за счет мокрой ручной укладки листы волокна пропитанный эпоксидной смолой, нанесенный на очищенные и подготовленные поверхности элемента.

Обычно используются два метода усиления балок в зависимости от желаемого повышения прочности: укрепление на изгиб или же усиление сдвига. Во многих случаях может потребоваться повышение прочности обоих упражнений. Для упрочнения балки на изгиб листы или пластины FRP прикладываются к растянутой поверхности элемента (нижняя поверхность для элемента с простой опорой с приложенной верхней нагрузкой или гравитационной нагрузкой). Основные растягивающие волокна ориентированы параллельно продольной оси балки, как и ее внутренняя изгибаемая стальная арматура. Это увеличивает силу луча и его жесткость (нагрузка требуется, чтобы вызвать отклонение агрегата), но уменьшает отклоняющая способность и пластичность.

Для усиления сдвига балки FRP наносится на стенку (стороны) элемента с волокнами, ориентированными поперек продольной оси балки. Сопротивление поперечным силам достигается так же, как и внутренние стальные хомуты, перекрывая трещины сдвига, которые образуются под действием приложенной нагрузки. FRP может применяться в нескольких конфигурациях, в зависимости от открытых поверхностей элемента и желаемой степени усиления, включая: боковое соединение, U-образные оболочки (U-образные оболочки) и закрытые оболочки (полные оболочки). Боковое соединение предполагает нанесение стеклопластика только по бокам балки. Он обеспечивает наименьшее усиление сдвига из-за отказов, вызванных отсоединение от бетонной поверхности по свободным краям FRP. Для U-образных обмоток FRP наносится непрерывно в виде U-образной формы по бокам и нижней (натянутой) поверхности балки. Если доступны все грани балки, желательно использование закрытых оберток, так как они обеспечивают максимальное повышение прочности. Закрытая упаковка включает в себя применение FRP по всему периметру элемента, так что нет свободных концов и типичный режим отказа разрыв волокон. Для всех конфигураций обертывания FRP можно наносить по длине элемента в виде непрерывного листа или в виде отдельных полос, имеющих заранее заданную минимальную ширину и интервалы.

Плиты могут быть усилены путем наложения полос FRP на их нижнюю (натянутую) поверхность. Это приведет к лучшим характеристикам изгиба, поскольку сопротивление растяжению плит дополняется пределом прочности на разрыв FRP. В случае балок и плит эффективность усиления FRP зависит от характеристик смолы, выбранной для склеивания. Это особенно актуально для упрочнения на сдвиг с использованием бокового соединения или U-образной обмотки. Столбцы обычно оборачиваются по периметру FRP, как при закрытой, так и полной обертке. Это не только приводит к более высокому сопротивлению сдвигу, но и более важно для конструкция колонны, это приводит к увеличению прочности на сжатие при осевой нагрузке. Обертка FRP работает, ограничивая боковое расширение колонны, что может усилить удержание аналогично тому, как это делает спиральное армирование для сердечника колонны.

Кабель лифта

В июне 2013 года лифтовая компания KONE объявила об использовании Ultrarope в качестве замены стальных тросов в лифтах. Он герметизирует углеродные волокна с высоким коэффициентом трения. полимер. В отличие от стального троса, Ultrarope был разработан для зданий, требующих подъема до 1000 метров. Стальные лифты достигают высоты 500 метров. По оценкам компании, в здании высотой 500 метров лифт потребляет на 15 процентов меньше электроэнергии, чем вариант со стальным тросом. По состоянию на июнь 2013 года продукт прошел все сертификационные испытания в Европейском Союзе и США.[22]

Соображения по дизайну

FRP используется в конструкциях, требующих измерения прочности или модуля упругости, для которых неармированные пластмассы и другие материалы не подходят ни с механической, ни с экономической точки зрения. Основное внимание при проектировании при использовании FRP заключается в том, чтобы гарантировать, что материал используется экономично и таким образом, чтобы использовать его конкретные структурные характеристики, но это не всегда так. Ориентация волокон создает непрочность материала перпендикулярно волокнам. Таким образом, использование армирования волокнами и их ориентация влияют на прочность, жесткость, эластичность и, следовательно, на функциональность самого конечного продукта. Ориентация волокон в одном, двух или трех измерениях во время производства влияет на прочность, гибкость и эластичность конечного продукта. Волокна, ориентированные в направлении приложенных сил, демонстрируют большее сопротивление деформации из-за этих сил, поэтому области продукта, которые должны выдерживать силы, будут усилены волокнами, ориентированными параллельно силам, а области, требующие гибкости, такие как естественные шарниры, будут иметь волокна ориентированы перпендикулярно силам.

Ориентация волокон в большем количестве измерений позволяет избежать этого сценария «или-или» и создает объекты, которые стремятся избежать каких-либо конкретных слабых мест из-за однонаправленной ориентации волокон. Свойства прочности, гибкости и эластичности также могут быть увеличены или уменьшены за счет геометрической формы и дизайна конечного продукта. Например, обеспечение надлежащей толщины стенок и создание многофункциональных геометрических форм, которые можно формовать как единое целое, улучшает материал и структурную целостность продукта за счет снижения требований к соединениям, соединениям и оборудованию.[2]

Проблемы утилизации и переработки

Как подмножество пластмасс FR-пластики вызывают ряд проблем и проблем, связанных с пластиковые отходы утилизация и переработка. Пластмассы представляют собой особую проблему при переработке, поскольку они получены из полимеров и мономеров, которые часто невозможно разделить и вернуть в исходное состояние. По этой причине не весь пластик может быть переработан для повторного использования, на самом деле, по некоторым оценкам, только от 20% до 30% пластика вообще могут быть переработаны. Армированные волокном пластмассы и их матрицы разделяют эти проблемы утилизации и защиты окружающей среды. Исследование безопасных методов утилизации привело к двум основным вариациям, связанным с применением интенсивного тепла: в одном вяжущие агенты выгорают - в процессе улавливается часть затраченных средств на материал в виде тепла - и негорючие элементы улавливаются фильтрацией; в другом негорючий материал сжигается в цементной печи, волокна становятся неотъемлемой частью получаемого литого материала.[23] В дополнение к опасениям относительно безопасной утилизации, тот факт, что сами волокна трудно удалить из матрицы и сохранить для повторного использования, означает, что FRP усугубляет эти проблемы. FRP по своей природе трудно разделить на основные материалы, то есть на волокно и матрицу, а матрицу сложно разделить на пригодные для использования пластмассы, полимеры и мономеры. Все это сегодня забота об экологическом дизайне. Пластмассы часто предлагают экономию энергии и экономию по сравнению с другими материалами. Кроме того, с появлением новых, более экологически чистых матриц, таких как биопластик и УФ -разлагаемые пластмассы, FRP приобретет экологическую чувствительность.[1]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Смоллмен, Р. Э. и Р. Дж. Епископ. Современная физическая металлургия и материаловедение. 6-е изд. Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн, 1999.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j Эрхард, Гюнтер. Дизайн с использованием пластика. Пер. Мартин Томпсон. Мюнхен: Hanser Publishers, 2006.
  3. ^ Амато, Иван (29 марта 1999 г.). "Лео Бэкеланд". Время 100. ВРЕМЯ. Архивировано из оригинал 4 января 2007 г.
  4. ^ Труман, С. Н. (17 марта 2015 г.). «Пластик». Сайт изучения истории.
  5. ^ «Новое химическое вещество» (PDF). Нью-Йорк Таймс. 6 февраля 1909 г.
  6. ^ Синтетическая смола - Использование в авиастроении, The Times, Лондон, Англия, понедельник, 5 октября 1936 г., стр. 14, выпуск 47497
  7. ^ Патент США № 2133235: Способ и устройство для производства стекловаты. Первый патент на стекловату Slayter, 1933 г.
  8. ^ 50 лет армированным пластиковым лодкам, Джордж Марш, 8 октября 2006 г., http://www.reinforceplastics.com/view/1461/50-years-of-reinformed-plastic-boats-/ В архиве 2010-08-06 на Wayback Machine
  9. ^ Заметный прогресс - использование пластмасс, Evening Post, Веллингтон, Новая Зеландия, том CXXVIII, выпуск 31, 5 августа 1939 г., стр. 28
  10. ^ Автомобиль будущего из пластика, Меркурий (Хобарт, Тасмания), понедельник, 27 мая 1946 года, стр. 16
  11. ^ «Послевоенный автомобиль». Брэдфорд Дейли Рекорд. 28 марта 1941 г. с. 12. Получено 17 июня, 2015 - через Newspapers.com. открытый доступ
  12. ^ «Послевоенный автомобиль». The Corpus Christi Times. 12 января 1942 г. с. 3. Получено 17 июня, 2015 - через Newspapers.com. открытый доступ
  13. ^ «Пластиковые самолеты из форм - план армии». Грили Daily Tribune. 24 июня 1938 г. с. 2. Получено 12 августа, 2015 - через Newspapers.com. открытый доступ
  14. ^ Американские военные самолеты Второй мировой войны, Дэвид Дональд, Aerospace Publishing Limited, 1995, страницы 251–252, ISBN  1-874023-72-7
  15. ^ Ускорение использования новых материалов, Комитет Национального исследовательского совета (США) по ускоренному использованию новых материалов, Вашингтон, Национальная академия наук - Национальная инженерная академия, Спрингфилд, Вирджиния, 1971, страницы 56–57, автор В. П. Конрарди
  16. ^ Сэндвич-фюзеляжи из формованного стекловолокна для самолета БТ-15, Технический отчет ВВС США 5159, 8 ноября 1944 г.
  17. ^ Справочник по армированным пластмассам; Дональд В. Розато, Доминик В. Розато и Джон Мерфи; Эльзевир; 2004; стр. 586
  18. ^ Бернадетт, Тим; Бенсауд-Винсент, Палука (19 октября 2002 г.). «Обзор композитов». История новейшей науки и технологий.
  19. ^ Тонг, Л., А.П. Моуриц, М.К. Баннистер. Полимерные композиты 3D, армированные волокном. Оксфорд: Эльзевир, 2002.
  20. ^ а б c d е ж грамм «Процессы Quatro Composites 101: Формование деталей из углеродного композитного материала». 15 февраля 2008 г. Архивировано с оригинал 15 февраля 2008 г.. Получено 2 апреля 2018.
  21. ^ Доган, Фатих; Хадавиния, Хомаюн; Дончев, Тодор; Бхонге, Прасаннакумар С. (5 августа 2012 г.). «Расслоение композитных конструкций, подвергшихся ударному воздействию, элементами сопряжения зоны когезии и контактом стыковочного узла». Центральноевропейский инженерный журнал. 2 (4): 612–626. Дои:10.2478 / s13531-012-0018-0.
  22. ^ «UltraRope объявила о возможности масштабирования высотных зданий в одну точку». Phys.org. Получено 2013-06-13.
  23. ^ https://compositesuk.co.uk/system/files/documents/Composite%20Recycling.pdf

внешняя ссылка