Materiał kompozytowy

Aby zapoznać się z określonymi materiałami kompozytowymi na bazie włókna węglowego i szklanego, często określanymi luźno jako „kompozyty”, patrz Polimer wzmocniony włóknem .

Czarne włókno węglowe (używane jako składnik wzmacniający) w porównaniu z ludzkim włosem

Kompozyty powstają poprzez łączenie materiałów w celu utworzenia ogólnej struktury o właściwościach różniących się od właściwości poszczególnych składników

Materiał kompozytowy (zwany także materiałem kompozytowym lub w skrócie kompozytem , ​​co jest potoczną nazwą) to materiał , który jest wytwarzany z dwóch lub więcej materiałów składowych. Te materiały składowe mają w szczególności odmienne właściwości chemiczne lub fizyczne i są łączone w celu utworzenia materiału o właściwościach odmiennych od poszczególnych pierwiastków. W gotowej strukturze poszczególne elementy pozostają oddzielne i odrębne, co odróżnia kompozyty od mieszanin i roztworów stałych .

Typowe inżynieryjne materiały kompozytowe obejmują:

• Żelbet i mur
• Drewno kompozytowe, takie jak sklejka
• Wzmocnione tworzywa sztuczne , takie jak polimer wzmocniony włóknem lub włókno szklane
• Kompozyty na osnowie ceramicznej ( kompozytowe osnowy ceramiczne i metalowe )
• Kompozyty z osnową metaliczną
• i innych zaawansowanych materiałów kompozytowych

Istnieje wiele powodów, dla których można faworyzować nowy materiał. Typowe przykłady obejmują materiały, które są tańsze, lżejsze, mocniejsze lub trwalsze w porównaniu ze zwykłymi materiałami, a także materiały kompozytowe inspirowane zwierzętami i źródłami naturalnymi o niskim śladzie węglowym.

Niedawno naukowcy zaczęli również aktywnie włączać wykrywanie, uruchamianie, obliczenia i komunikację do kompozytów, które są znane jako materiały robotyczne .

Materiały kompozytowe są zwykle stosowane w budynkach , mostach i konstrukcjach , takich jak kadłuby łodzi , panele basenów , karoserie samochodów wyścigowych , kabiny prysznicowe , wanny , zbiorniki magazynowe , imitacja granitu oraz zlewozmywaki i blaty z hodowanego marmuru . Są one również coraz częściej stosowane w ogólnych zastosowaniach motoryzacyjnych.

Najbardziej zaawansowane egzemplarze działają rutynowo na statkach kosmicznych i samolotach w wymagających środowiskach.

Historia

Najwcześniejsze materiały kompozytowe były wytwarzane ze słomy i błota łączonych w celu uzyskania cegieł do budowy budynków . Starożytne wytwarzanie cegieł zostało udokumentowane na egipskich malowidłach grobowych .

Wattle and Daub to jeden z najstarszych materiałów kompozytowych, który ma ponad 6000 lat. Beton jest również materiałem kompozytowym i jest używany częściej niż jakikolwiek inny materiał syntetyczny na świecie. Od 2006 roku każdego roku wytwarza się około 7,5 miliarda metrów sześciennych betonu

• Rośliny drzewiaste , zarówno prawdziwe drewno z drzew , jak i takie rośliny, jak palmy i bambus , dają naturalne kompozyty, które były używane przez ludzkość w czasach prehistorycznych i nadal są szeroko stosowane w budownictwie i rusztowaniach.
• Sklejka , 3400 pne, przez starożytnych Mezopotamczyków; klejenie drewna pod różnymi kątami daje lepsze właściwości niż drewno naturalne.
• Kartonaż , warstwy płótna lub papirusu nasączone gipsem pochodzą z I okresu przejściowego Egiptu ok. 2181-2055 pne i był używany do masek pośmiertnych .
• kolbowego lub ściany z mułu (przy użyciu błota (gliny) ze słomą lub żwirem jako spoiwem) były używane od tysięcy lat.
• Beton opisał Witruwiusz , pisząc ok. 25 r. p.n.e. w swoich Dziesięciu księgach o architekturze , rozróżniając rodzaje kruszyw odpowiednich do sporządzania zapraw wapiennych . Do zapraw konstrukcyjnych zalecał pucolanę , która była piaskiem wulkanicznym z piaskowatych pokładów Pozzuoli o brązowo-żółto-szarym kolorze w pobliżu Neapolu i czerwonawo-brązowym w Rzymie . Witruwiusz określa stosunek 1 części wapna do 3 części pucolany dla cementów stosowanych w budynkach i stosunek wapna do pulvis Puteolanus 1: 2 do prac podwodnych, zasadniczo taki sam stosunek miesza się dzisiaj do betonu używanego na morzu. Naturalne kamienie cementowe po wypaleniu dawały cementy stosowane w betonach od czasów post-rzymskich do XX wieku, o niektórych właściwościach lepszych od produkowanego cementu portlandzkiego .
• Papier-mâché , połączenie papieru i kleju, jest używane od setek lat.
• Pierwszym tworzywem sztucznym wzmocnionym włóknem było połączenie włókna szklanego i bakelitu , wykonane w 1935 roku przez Ala Simisona i Arthura D Little w Owens Corning Company
• Jednym z najbardziej powszechnych i znanych kompozytów jest włókno szklane , w którym małe włókno szklane jest osadzone w materiale polimerowym (zwykle epoksydowym lub poliestrowym). Włókno szklane jest stosunkowo mocne i sztywne (ale także kruche), podczas gdy polimer jest ciągliwy (ale także słaby i elastyczny). Tak więc otrzymane włókno szklane jest stosunkowo sztywne, mocne, elastyczne i ciągliwe.
• Łuk kompozytowy
• Armata skórzana , armata drewniana

Przykłady

Materiały kompozytowe

Beton to mieszanka spoiwa i kruszywa, dająca solidny, mocny materiał, który ma bardzo szerokie zastosowanie.

Sklejka jest szeroko stosowana w budownictwie

Kompozytowy panel o strukturze warstwowej używany do testów w NASA

Beton jest najbardziej powszechnym sztucznym materiałem kompozytowym i zazwyczaj składa się z luźnych kamieni (kruszyw) połączonych z matrycą cementową . Beton jest niedrogim materiałem i nie będzie się ściskał ani pękał nawet pod dość dużą siłą ściskającą. Jednak beton nie może wytrzymać obciążenia rozciągającego (tj. po rozciągnięciu szybko się rozpadnie). Dlatego, aby nadać betonowi odporność na rozciąganie, często dodaje się do betonu pręty stalowe, które mogą wytrzymać duże siły rozciągające (rozciągające), tworząc żelbet .

Polimery wzmocnione włóknem obejmują polimery wzmocnione włóknem węglowym i tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym . W przypadku klasyfikacji według matrycy istnieją kompozyty termoplastyczne , tworzywa termoplastyczne z krótkimi włóknami , tworzywa termoplastyczne z długimi włóknami lub tworzywa termoplastyczne wzmocnione długimi włóknami . Istnieje wiele termoutwardzalnych , w tym papierowe panele kompozytowe . Wiele zaawansowanych termoutwardzalnych systemów matryc polimerowych zwykle zawiera włókno aramidowe i włókno węglowe w matrycy z żywicy epoksydowej .

polimerowe z pamięcią kształtu to kompozyty o wysokiej wydajności, opracowane przy użyciu wzmocnień z włókien lub tkanin oraz żywicy polimerowej z pamięcią kształtu jako matrycy. Ponieważ żywica polimerowa z pamięcią kształtu jest używana jako matryca, te kompozyty można łatwo modyfikować w różne konfiguracje, gdy są ogrzewane powyżej temperatury aktywacji i będą wykazywać wysoką wytrzymałość i sztywność w niższych temperaturach. Można je również wielokrotnie podgrzewać i przekształcać bez utraty swoich właściwości materiałowych. Te kompozyty idealnie nadają się do takich zastosowań, jak lekkie, sztywne, rozkładane konstrukcje; szybka produkcja; i dynamiczne wzmocnienie.

Kompozyty o wysokich obciążeniach to kolejny rodzaj kompozytów o wysokiej wydajności, które są zaprojektowane do działania w warunkach dużego odkształcenia i są często stosowane w systemach rozkładanych, w których korzystne jest zginanie strukturalne. Chociaż kompozyty o dużych obciążeniach wykazują wiele podobieństw do polimerów z pamięcią kształtu, ich działanie zależy zasadniczo od układu włókien, a nie od zawartości żywicy w osnowie.

Kompozyty mogą również wykorzystywać włókna metalowe wzmacniające inne metale, jak w przypadku kompozytów z osnową metaliczną (MMC) lub kompozytów z osnową ceramiczną (CMC), które obejmują kość ( hydroksyapatyt wzmocniony włóknami kolagenowymi ), cermet (ceramiczny i metalowy) oraz beton . Kompozyty z osnową ceramiczną są budowane przede wszystkim z myślą o odporności na pękanie , a nie wytrzymałości. Inną klasą materiałów kompozytowych jest tkanina kompozytowa składająca się z przędzy splecionej wzdłużnie i poprzecznie. Tkane kompozyty tkaninowe są elastyczne, ponieważ występują w postaci tkaniny.

Kompozyty matryca organiczna/kruszywo ceramiczne obejmują beton asfaltowy , beton polimerowy , asfalt lany , hybrydę wałków mastyksowych, kompozyt dentystyczny , piankę syntaktyczną i masę perłową . Pancerz Chobham to specjalny rodzaj pancerza kompozytowego stosowanego w zastosowaniach wojskowych.

Ponadto termoplastyczne materiały kompozytowe można komponować z określonymi proszkami metali, co daje materiały o gęstości w zakresie od 2 g/cm ³ do 11 g/cm ³ (taka sama gęstość jak ołów). Najczęstszą nazwą tego typu materiału jest „związek o dużej grawitacji” (HGC), chociaż używa się również „zamiennika ołowiu”. Materiały te mogą być stosowane zamiast tradycyjnych materiałów, takich jak aluminium, stal nierdzewna, mosiądz, brąz, miedź, ołów, a nawet wolfram w wyważaniu, wyważaniu (na przykład przy zmianie środka ciężkości rakiety tenisowej), tłumieniu drgań , i aplikacji osłony przed promieniowaniem. Kompozyty o wysokiej gęstości są ekonomicznie opłacalną opcją, gdy niektóre materiały są uważane za niebezpieczne i są zakazane (takie jak ołów) lub gdy czynnikiem są koszty operacji wtórnych (takich jak obróbka skrawaniem, wykańczanie lub powlekanie).

Przeprowadzono kilka badań wskazujących, że przeplatanie sztywnych i kruchych laminatów polimerowych wzmocnionych włóknem węglowym na bazie żywic epoksydowych z elastycznymi laminatami termoplastycznymi może pomóc w tworzeniu wysoce hartowanych kompozytów, które wykazują lepszą odporność na uderzenia. Innym interesującym aspektem takich przeplatanych kompozytów jest to, że są w stanie zachowywać się z pamięcią kształtu bez konieczności stosowania jakichkolwiek polimerów z pamięcią kształtu lub stopów z pamięcią kształtu, np . wzmocnione laminaty polimerowe przekładane styropianem .

Kompozyt o strukturze kanapkowej to specjalna klasa materiału kompozytowego, który jest wytwarzany przez przymocowanie dwóch cienkich, ale sztywnych warstw do lekkiego, ale grubego rdzenia. Materiał rdzenia jest zwykle materiałem o niskiej wytrzymałości, ale jego większa grubość zapewnia kompozytowi warstwowemu dużą sztywność zginania przy ogólnej niskiej gęstości .

Drewno to naturalnie występujący kompozyt składający się z włókien celulozowych w matrycy z ligniny i hemicelulozy . Drewno konstrukcyjne obejmuje szeroką gamę różnych produktów, takich jak płyta pilśniowa, sklejka , płyta o wiórach zorientowanych , kompozyt drzewno-plastikowy (włókno drzewne z recyklingu w matrycy polietylenowej), Pykrete (trociny w matrycy lodowej), papier lub tekstylia impregnowane tworzywem sztucznym lub laminowane , Arboryt , Formica (plastik) i Micarta . Inne laminaty kompozytowe, takie jak Mallite , wykorzystują centralny rdzeń z drewna balsa o końcowych słojach , połączonego z powłokami powierzchniowymi z lekkiego stopu lub GRP. Generują one materiały o niskiej wadze i dużej sztywności.

Kompozyty cząsteczkowe mają cząstki jako materiał wypełniający rozproszony w matrycy, którą może być niemetal, taki jak szkło, żywica epoksydowa. Przykładem kompozytu cząstek stałych jest opona samochodowa.

Opisano zaawansowane kompozyty polimerowe powlekane węglem diamentopodobnym (DLC), w przypadku których powłoka zwiększa hydrofobowość powierzchni, twardość i odporność na zużycie.

Kompozyty ferromagnetyczne, w tym z osnową polimerową składającą się np. z nanokrystalicznego wypełniacza z proszków na bazie Fe i osnową polimerową. Można stosować amorficzne i nanokrystaliczne proszki otrzymane na przykład ze szkieł metalicznych. Ich zastosowanie umożliwia otrzymanie nanokompozytów ferromagnetycznych o kontrolowanych właściwościach magnetycznych.

Produkty

Wzmocnione włóknami materiały kompozytowe zyskały popularność (pomimo ich generalnie wysokich kosztów) w wysokowydajnych produktach, które muszą być lekkie, a jednocześnie wystarczająco mocne, aby wytrzymać trudne warunki obciążenia, takich jak komponenty lotnicze (ogony , skrzydła , kadłuby , śmigła ) , łodzie i kadłuby czaszek, ramy rowerowe i karoserie samochodów wyścigowych . Inne zastosowania obejmują wędki , zbiorniki magazynowe , panele basenowe i kije bejsbolowe . Konstrukcje Boeinga 787 i Airbusa A350 , w tym skrzydła i kadłub, składają się głównie z kompozytów. Materiały kompozytowe stają się również coraz bardziej powszechne w dziedzinie chirurgii ortopedycznej i są najczęstszym materiałem na kije hokejowe.

Kompozyt węglowy jest kluczowym materiałem w dzisiejszych pojazdach nośnych i osłonach termicznych w fazie ponownego wejścia statków kosmicznych . Jest szeroko stosowany w podłożach paneli słonecznych, reflektorach anten i jarzmach statków kosmicznych. Jest również stosowany w adapterach ładunku, konstrukcjach międzystopniowych i osłonach termicznych pojazdów nośnych . Ponadto układy hamulców tarczowych samolotów i samochodów wyścigowych wykorzystują materiał węglowo-węglowy , a materiał kompozytowy z włóknami węglowymi i matrycą z węglika krzemu został wprowadzony do luksusowych pojazdów i samochodów sportowych .

W 2006 roku wprowadzono kompozytowy panel basenowy wzmocniony włóknem do basenów wkopanych w ziemię, zarówno mieszkalnych, jak i komercyjnych, jako niekorozyjną alternatywę dla stali ocynkowanej.

TPI Composites Inc i Armor Holdings Inc wprowadziły całkowicie kompozytowy wojskowy Humvee , pierwszy całkowicie kompozytowy pojazd wojskowy . Dzięki zastosowaniu kompozytów pojazd jest lżejszy, co pozwala na większą ładowność. W 2008 r. włókno węglowe i DuPont Kevlar (pięć razy mocniejszy niż stal) zostały połączone z ulepszonymi żywicami termoutwardzalnymi, aby stworzyć wojskowe walizki transportowe firmy ECS Composites, tworząc 30-procentowe lżejsze walizki o wysokiej wytrzymałości.

Rury i kształtki do różnych celów, takich jak transport wody pitnej, straż pożarna, nawadnianie, woda morska, woda odsolona, ​​odpady chemiczne i przemysłowe oraz ścieki są obecnie produkowane z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem szklanym.

Materiały kompozytowe stosowane w konstrukcjach rozciągliwych do zastosowań elewacyjnych mają tę zaletę, że są półprzezroczyste. Tkana tkanina bazowa w połączeniu z odpowiednią powłoką pozwala na lepszą przepuszczalność światła. Zapewnia to bardzo komfortowy poziom oświetlenia w porównaniu z pełną jasnością na zewnątrz.

Skrzydła turbin wiatrowych, w rosnących rozmiarach rzędu 50 m długości, są od kilku lat wytwarzane z kompozytów.

Osoby po amputacji dwóch kończyn dolnych biegają na przypominających sprężynę stopach z kompozytu węglowego tak szybko, jak sportowcy bez amputacji.

Wysokociśnieniowe butle gazowe, zwykle o objętości około 7–9 litrów x 300 barów ciśnienia dla strażaków, są obecnie zbudowane z kompozytu węglowego. Cylindry typu 4 zawierają metal tylko jako piastę, która prowadzi gwint do wkręcenia zaworu.

5 września 2019 r. HMD Global zaprezentowało modele Nokia 6.2 i Nokia 7.2 , które podobno wykorzystują kompozyt polimerowy do wykonania ramek.

Przegląd

Część kompozytowa z włókna węglowego.

Materiały kompozytowe są tworzone z pojedynczych materiałów. Te pojedyncze materiały są znane jako materiały składowe i istnieją dwie główne kategorie. Jedna to matryca ( spoiwo ) , a druga zbrojenie . Potrzebna jest co najmniej porcja każdego rodzaju. Zbrojenie otrzymuje wsparcie z matrycy, gdy matryca otacza zbrojenie i utrzymuje swoje względne pozycje. Właściwości matrycy ulegają poprawie, ponieważ wzmocnienia nadają jej wyjątkowe właściwości fizyczne i mechaniczne. Właściwości mechaniczne stają się niedostępne dla poszczególnych materiałów składowych poprzez synergizm. Jednocześnie projektant produktu lub konstrukcji otrzymuje możliwość wyboru optymalnej kombinacji z różnorodności osnowy i materiałów wzmacniających.

Aby ukształtować opracowane kompozyty, należy je uformować. Zbrojenie umieszcza się na powierzchni formy lub we formy . Przed lub po tym można wprowadzić osnowę do zbrojenia. Matryca przechodzi zdarzenie stapiania, które z konieczności ustala kształt części. To zdarzenie stapiania może nastąpić na kilka sposobów, w zależności od natury matrycy, na przykład zestalenie ze stanu stopionego w przypadku termoplastycznego kompozytu z matrycą polimerową lub polimeryzacja chemiczna w przypadku matrycy z polimeru termoutwardzalnego .

Zgodnie z wymaganiami projektu końcowego elementu można zastosować różne metody formowania. Natura wybranej matrycy i wzmocnienia to kluczowe czynniki wpływające na metodologię. Kolejnym ważnym czynnikiem jest ilość brutto materiału do wykonania. Aby wesprzeć duże inwestycje kapitałowe w szybką i zautomatyzowaną technologię produkcji, można wykorzystać ogromne ilości. Tańsze inwestycje kapitałowe, ale wyższe koszty pracy i oprzyrządowania w odpowiednio wolniejszym tempie pomagają małym ilościom produkcji.

Wiele produkowanych komercyjnie kompozytów wykorzystuje materiał matrycy polimerowej , często nazywany roztworem żywicy. Dostępnych jest wiele różnych polimerów w zależności od surowców wyjściowych. Istnieje kilka szerokich kategorii, z których każda ma wiele odmian. Najpopularniejsze to poliester , ester winylowy , epoksydowy , fenolowy , poliimidowy , poliamidowy , polipropylenowy , PEEK i inne. Materiały wzmacniające to często włókna, ale także powszechnie mielone minerały. Różne metody opisane poniżej zostały opracowane w celu zmniejszenia zawartości żywicy w produkcie końcowym lub zwiększenia zawartości włókien. Zgodnie z praktyczną zasadą, Lay Up daje produkt zawierający 60% żywicy i 40% włókna, podczas gdy infuzja próżniowa daje produkt końcowy o zawartości 40% żywicy i 60% włókna. Siła produktu w dużym stopniu zależy od tego stosunku.

Martin Hubbe i Lucian A. Lucia uważają drewno za naturalny kompozyt włókien celulozowych w matrycy z ligniny .

Rdzenie w kompozytach

Kilka projektów warstw kompozytu obejmuje również współutwardzanie lub utwardzanie prepregu z wieloma innymi mediami, takimi jak pianka lub plaster miodu. Ogólnie jest to znane jako struktura warstwowa . Jest to bardziej ogólny układ do produkcji osłon, drzwi, osłon przeciwsłonecznych lub części niekonstrukcyjnych.

Pianki o otwartej i zamkniętej strukturze komórkowej, takie jak polichlorek winylu , pianki poliuretanowe , polietylenowe lub polistyrenowe , drewno balsa , pianki syntaktyczne i plastry miodu są ogólnie stosowanymi materiałami rdzeniowymi. Pianka metalowa o otwartych i zamkniętych komórkach może być również wykorzystywana jako materiał rdzenia. Ostatnio jako struktury rdzeniowe zastosowano również trójwymiarowe struktury grafenowe (zwane również pianką grafenową). Niedawny przegląd przeprowadzony przez Khurrama i Xu i wsp. dostarczył podsumowania najnowocześniejszych technik wytwarzania trójwymiarowej struktury grafenu oraz przykładów wykorzystania tych piankowatych struktur jako rdzenia ich odpowiednich kompozytów polimerowych.

Polimery półkrystaliczne

Chociaż te dwie fazy są chemicznie równoważne, półkrystaliczne polimery można opisać zarówno ilościowo, jak i jakościowo jako materiały kompozytowe. Część krystaliczna ma wyższy moduł sprężystości i zapewnia wzmocnienie dla mniej sztywnej, amorficznej fazy. Materiały polimerowe mogą mieć stopień krystaliczności od 0% do 100%, czyli ułamek objętościowy, w zależności od struktury molekularnej i historii termicznej. Można zastosować różne techniki przetwarzania w celu zmiany procentowej krystaliczności tych materiałów, a tym samym właściwości mechanicznych tych materiałów, jak opisano w sekcji dotyczącej właściwości fizycznych. Efekt ten jest widoczny w wielu miejscach, od przemysłowych tworzyw sztucznych, takich jak polietylenowe torby na zakupy, po pająki, które mogą wytwarzać jedwab o różnych właściwościach mechanicznych. W wielu przypadkach materiały te zachowują się jak kompozyty cząstek z losowo rozproszonymi kryształami znanymi jako sferolity. Jednak można je również zaprojektować tak, aby były anizotropowe i działały bardziej jak kompozyty wzmocnione włóknami. W przypadku jedwabiu pajęczego właściwości materiału mogą być nawet zależne od wielkości kryształów, niezależnie od udziału objętościowego. Jak na ironię, jednoskładnikowe materiały polimerowe są jednymi z najłatwiejszych do dostrojenia znanych materiałów kompozytowych.

Metody wytwarzania

Zwykle wytwarzanie kompozytu obejmuje zwilżanie, mieszanie lub nasycanie zbrojenia osnową. Matryca jest następnie indukowana do wiązania się (pod wpływem ciepła lub reakcji chemicznej) w sztywną strukturę. Zwykle operacja odbywa się w otwartej lub zamkniętej formie formującej. Jednak kolejność i sposób wprowadzania składników znacznie się zmienia. Wytwarzanie kompozytów odbywa się za pomocą szerokiej gamy metod, w tym zaawansowanego umieszczania włókien (automatyczne umieszczanie włókien), procesu układania natryskowego włókna szklanego , nawijania włókien , procesu lanxidowego , dostosowanego umieszczania włókien , tuftowania i przypinania typu Z.

Przegląd pleśni

Materiały wzmacniające i matrycowe są łączone, zagęszczane i utwardzane (przetwarzane) w formie, aby przejść proces stapiania. Kształt części jest zasadniczo ustalany po zdarzeniu stapiania. Jednak w określonych warunkach procesu może się odkształcać. Zdarzenie stapiania W przypadku termoutwardzalnego materiału matrycy polimerowej jest to reakcja utwardzania, która jest spowodowana możliwością dodatkowego ciepła lub reaktywności chemicznej, takiej jak nadtlenek organiczny. Zdarzenie stapiania termoplastycznego polimerowego materiału matrycowego polega na zestaleniu ze stanu stopionego. Zdarzenie stapiania materiału z metalową osnową, takiego jak folia tytanowa, to stapianie pod wysokim ciśnieniem i w temperaturze zbliżonej do temperatury topnienia.

W przypadku wielu metod formowania odpowiednie jest określanie jednego elementu formy jako „dolnej” formy, a innego elementu formy jako „górnej” formy. Dolna i górna nie odnoszą się do konfiguracji formy w przestrzeni, ale do różnych powierzchni formowanej płyty. W tej konwencji zawsze jest forma dolna, a czasem i górna. Budowa części rozpoczyna się od nałożenia materiałów na dolną formę. Dolna forma i górna forma są bardziej ogólnymi deskryptorami niż bardziej powszechne i szczegółowe terminy, takie jak strona męska, strona żeńska, strona a, strona b, strona narzędzia, miska, kapelusz, trzpień itp. Ciągła produkcja wykorzystuje inną nomenklaturę.

Zwykle uformowany produkt jest określany jako panel. Można to nazwać odlewaniem dla pewnych geometrii i kombinacji materiałów. Można go nazwać profilem dla pewnych procesów ciągłych. Niektóre z procesów to formowanie w autoklawie , formowanie w workach próżniowych , formowanie w workach ciśnieniowych , formowanie z przenoszeniem żywicy i lekkie formowanie z przenoszeniem żywicy .

Inne metody wytwarzania

Inne rodzaje produkcji obejmują odlewanie , odlewanie odśrodkowe, splatanie (na wzorniku ) , odlewanie ciągłe , nawijanie włókien , formowanie w prasie, formowanie transferowe , formowanie pultruzyjne i formowanie poślizgowe . Istnieją również możliwości formowania, w tym CNC , infuzja próżniowa, układanie na mokro, formowanie tłoczne i formowanie termoplastyczne , by wymienić tylko kilka. W przypadku niektórych projektów wymagana jest również praktyka utwardzania w piecach i kabinach lakierniczych.

Metody wykończeniowe

Wykończenie części kompozytowych ma również kluczowe znaczenie w ostatecznym projekcie. Wiele z tych wykończeń będzie obejmować powłoki erozyjne lub powłoki poliuretanowe.

Obróbka

Forma i wkładki formy są określane jako „oprzyrządowanie”. Forma/oprzyrządowanie może być zbudowane z różnych materiałów. Materiały narzędziowe obejmują aluminium , włókno węglowe , invar , nikiel , wzmocnioną gumę silikonową i stal. Wybór materiału narzędziowego jest zwykle oparty, ale nie wyłącznie, na współczynniku rozszerzalności cieplnej , oczekiwanej liczbie cykli, tolerancji elementu końcowego, pożądanym lub oczekiwanym stanie powierzchni, metodzie utwardzania, temperaturze zeszklenia formowanego materiału, metodzie formowania, matryca, koszt i inne różne względy.

Właściwości fizyczne

Wykres ogólnej wytrzymałości materiału kompozytowego w funkcji objętościowego ułamka włókna ograniczonego warunkami górnej granicy (izostresu) i dolnej granicy (izostresu).

Zwykle właściwości fizyczne kompozytu nie mają charakteru izotropowego (niezależnego od kierunku przyłożonej siły). Ale są one zazwyczaj anizotropowe (różne w zależności od kierunku przyłożonej siły lub obciążenia). Na przykład sztywność panelu kompozytowego będzie zwykle zależeć od orientacji przyłożonych sił i/lub momentów. Wytrzymałość kompozytu jest ograniczona dwoma stanami obciążenia, jak pokazano na wykresie po prawej stronie.

Izostrain reguła mieszanin

Jeśli zarówno włókna, jak i osnowa są ustawione równolegle do kierunku obciążenia, odkształcenie obu faz będzie takie samo (zakładając, że nie ma rozwarstwienia na granicy faz włókno-osnowa). Ten warunek izostrain zapewnia górną granicę wytrzymałości kompozytu i jest określony przez zasadę mieszanin :

Rysunek a) przedstawia stan izostresu, w którym materiały kompozytowe są prostopadłe do przyłożonej siły, a b) jest stanem izostresu, w którym warstwy są równoległe do siły.

${\ Displaystyle E_ {C} = \ suma _ {i = 1} V_ {i} E_ {i}}$

gdzie EC _i jest efektywnym złożonym modułem Younga , a Vi _i Ei są odpowiednio _{ułamkiem objętościowym} modułem Younga faz złożonych.

Na przykład materiał kompozytowy składający się z faz α i β, jak pokazano na rysunku po prawej pod izoodkształceniem, moduł Younga byłby następujący:

$${\ Displaystyle E_ {C} = V _ {\ alfa} E_ {\ alfa} + V_ {\ beta} E_ {\ beta}}$$

gdzie V _α i V _β to odpowiednie ułamki objętościowe każdej fazy. Można to wyprowadzić, biorąc pod uwagę, że w przypadku izociągów

$${\ Displaystyle \ epsilon _ {C} = \ epsilon _ {\ alfa} = \ epsilon _ {\ beta} = \ epsilon}$$

Zakładając, że kompozyt ma jednolity przekrój poprzeczny, naprężenia w kompozycie są średnią ważoną między dwiema fazami,

$${\ Displaystyle \ sigma _ {C} = \ sigma _ {\ alfa} V _ {\ alfa} + \ sigma _ {\ beta} V_ {\ beta}}$$

Naprężenia w poszczególnych fazach określa prawo Hooke'a,

$${\ Displaystyle \ sigma _ {\ beta} = E _ {\ beta} \ epsilon}$$

$${\ Displaystyle \ sigma _ {\ alfa} = E _ {\ alfa} \ epsilon}$$

Połączenie tych równań daje, że całkowite naprężenie w kompozycie wynosi

$${\ Displaystyle \ sigma _ {C} = E_ {\ alfa} V_ {\ alfa} \ epsilon + E_{\beta }V_{\beta}\epsilon =(E_{\alfa}V_{\alfa}+E_{\beta}V_{\beta})\epsilon}$$

Wtedy można to wykazać

$${\ Displaystyle E_ {C} = (E _ {\ alfa} V_ {\ alfa} + E_ {\ beta} V_ {\ beta})}$$

Reguła izostresów mieszanin

Dolna granica jest podyktowana stanem izostresu, w którym włókna i osnowa są zorientowane prostopadle do kierunku obciążenia:

$${\ Displaystyle \ sigma _ {C} = \ sigma _ {\ alfa} = \ sigma _ {\ beta} = \ sigma}$$

a teraz szczepy stają się średnią ważoną

$${\ Displaystyle \ epsilon _ {C} = \ epsilon _ {\ alfa} V_ {\ alfa} + \ epsilon _ {\ beta} V_ {\ beta}}$$

Przepisanie prawa Hooke'a dla poszczególnych faz

$${\ Displaystyle \ epsilon _ {\ beta} = {\ Frac {\ sigma} {E _ {\ beta}}}}$$

$${\ Displaystyle \ epsilon _ {\ alfa} = {\ Frac {\ sigma} {E _ {\ alfa}}}}$$

To prowadzi do

$${\ Displaystyle \ epsilon _ {c} = V _ {\ beta} {\ Frac {\ sigma}} \epsilon _{\beta}}}+V_{\alpha}}{\frac {\sigma}}{\epsilon _{\alpha}}}=({\frac {V_{\alpha}}{\epsilon _{\ alpha }}}+{\frac {V_{\beta}}{\epsilon _{\beta}}})\sigma}$$

Z definicji prawa Hooke'a

$${\ Displaystyle {\ Frac {1} {E_ {C}}} = {\ Frac {V_ {\ alfa}} {E_ {\ alfa}}} + { \frac {V_{\beta}}{E_{\beta}}}}$$

i ogólnie

${\ Displaystyle {\ Frac {1} {E_ {C}}} = \ suma _ {i = 1} {\ Frac {V_ {i$

Idąc za powyższym przykładem, gdyby ktoś miał materiał kompozytowy składający się z faz α i β w warunkach izostresu, jak pokazano na rysunku po prawej, moduł Younga składu wynosiłby:

$${\ Displaystyle E_ {C} = (E_ {\ alfa} E_ {\ beta}) / (V_ {\ alfa} E_ { \beta }+V_{\beta }E_{\alpha})}$$

Warunek izostrain oznacza, że ​​pod przyłożonym obciążeniem obie fazy doświadczają tego samego odkształcenia, ale odczuwają różne naprężenia. Dla porównania, w warunkach izostresu obie fazy będą odczuwać to samo naprężenie, ale odkształcenia będą różne w każdej fazie. Uogólnione równanie dla dowolnego stanu obciążenia między izostresem a izostresem można zapisać jako:

${\ Displaystyle (X_ {c}) ^ {n} =V_{m}(X_{m})^{n}+V_{r}(X_{r})^{n}}$

gdzie X jest właściwością materiału, taką jak moduł lub naprężenie, c, m i r oznaczają odpowiednio właściwości kompozytu, osnowy i materiałów wzmacniających, a n jest wartością z zakresu od 1 do -1.

Powyższe równanie można dalej uogólnić poza kompozyt dwufazowy do układu m-składnikowego:

${\ Displaystyle (X_ {c}) ^ {n} = \ suma _ {i = 1} ^ {m} V_ {i} (X_ {i})^{n}}$

Chociaż sztywność kompozytu jest maksymalizowana, gdy włókna są wyrównane z kierunkiem obciążenia, istnieje również możliwość pęknięcia włókna przy rozciąganiu, przy założeniu, że wytrzymałość na rozciąganie przekracza wytrzymałość osnowy. Gdy włókno ma pewien kąt dezorientacji θ, możliwych jest kilka trybów pękania. Dla małych wartości θ naprężenie wymagane do zapoczątkowania pęknięcia zwiększa się o współczynnik (cos θ) ⁻² ze względu na zwiększone pole przekroju poprzecznego ( A cos θ) włókna i zmniejszoną siłę ( F/ cos θ) doświadczaną przez włókna, co prowadzi do wytrzymałości kompozytu na rozciąganie σ _równoległa / cos ² θ, gdzie σ _równoległa jest wytrzymałością na rozciąganie kompozytu z włóknami ułożonymi równolegle do przyłożonej siły.

Pośrednie kąty dezorientacji θ prowadzą do zniszczenia matrycy. Ponownie pole przekroju poprzecznego jest modyfikowane, ale ponieważ naprężenie ścinające jest teraz siłą napędową zniszczenia, obszar osnowy równoległy do ​​włókien jest przedmiotem zainteresowania, zwiększając się o współczynnik 1/sin θ. Podobnie, siła równoległa do tego obszaru ponownie maleje ( F/ cos θ), prowadząc do całkowitej wytrzymałości na rozciąganie τ _my / sin θ cos θ, gdzie τ _my jest wytrzymałością matrycy na ścinanie.

Wreszcie, dla dużych wartości θ (blisko π/2) najbardziej prawdopodobne jest wystąpienie poprzecznego uszkodzenia osnowy, ponieważ włókna nie przenoszą już większości obciążenia. Mimo to wytrzymałość na rozciąganie będzie większa niż w przypadku czysto prostopadłej orientacji, ponieważ siła prostopadła do włókien zmniejszy się o współczynnik 1/sin θ, a powierzchnia zmniejszy się o współczynnik 1/sin θ, dając złożoną wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą σ _perp / sin ² θ gdzie σ _perp jest wytrzymałością na rozciąganie kompozytu z włóknami ułożonymi prostopadle do przyłożonej siły.

Wykres przedstawia trzy rodzaje pęknięć, których może doświadczyć materiał kompozytowy, w zależności od kąta dezorientacji w stosunku do ułożenia włókien równolegle do przyłożonego naprężenia.

Większość komercyjnych kompozytów powstaje z przypadkową dyspersją i orientacją włókien wzmacniających, w którym to przypadku moduł Younga kompozytu będzie mieścił się między granicami izosprężenia i izostresu. Jednak w zastosowaniach, w których stosunek wytrzymałości do masy jest zaprojektowany tak, aby był jak najwyższy (na przykład w przemyśle lotniczym), ustawienie włókien może być ściśle kontrolowane.

Sztywność panelu zależy również od konstrukcji panelu. Na przykład zastosowane zbrojenie i matryca z włókien, metoda budowy paneli, termoutwardzalny kontra termoplastyczny oraz rodzaj splotu.

W przeciwieństwie do kompozytów, materiały izotropowe (na przykład aluminium lub stal), w standardowych formach kutych, mają zazwyczaj taką samą sztywność pomimo kierunkowej orientacji przyłożonych sił i/lub momentów. Zależność między siłami/momentami a odkształceniami/krzywiznami dla materiału izotropowego można opisać za pomocą następujących właściwości materiału: moduł Younga, moduł ścinania i współczynnik Poissona , w stosunkowo prostych zależnościach matematycznych. W przypadku materiału anizotropowego potrzebuje matematyki tensora drugiego rzędu i do 21 stałych właściwości materiału. W szczególnym przypadku izotropii ortogonalnej istnieją trzy różne stałe właściwości materiału dla każdego modułu Younga, modułu ścinania i współczynnika Poissona — w sumie 9 stałych wyrażających związek między siłami/momentami a odkształceniami/krzywiznami.

Techniki, które wykorzystują właściwości anizotropowe materiałów, obejmują połączenia wpuszczane i czopowe (w kompozytach naturalnych, takich jak drewno) oraz połączenia typu pi w kompozytach syntetycznych.

Właściwości mechaniczne kompozytów

Wzmocnienie cząstek

Ogólnie rzecz biorąc, zbrojenie cząstkami wzmacnia kompozyty w mniejszym stopniu niż zbrojenie włóknami . Służy do zwiększenia sztywności kompozytów przy jednoczesnym zwiększeniu wytrzymałości i udarności . Ze względu na swoje właściwości mechaniczne są stosowane w aplikacjach, w których wymagana jest odporność na zużycie . Na przykład twardość cementu można zwiększyć, drastycznie wzmacniając cząstki żwiru. Wzmocnienie cząsteczkowe jest wysoce korzystną metodą dostrajania właściwości mechanicznych materiałów, ponieważ jest bardzo łatwe do wdrożenia przy niskich kosztach.

Moduł sprężystości kompozytów wzmocnionych cząstkami można wyrazić jako:

$\ Displaystyle E_ {c} = V_ {m} E_ {m} + K_ {c} V_ {p} E_ {p}}$

gdzie E jest modułem sprężystości , V jest ułamkiem objętościowym . Indeksy dolne c, p i m oznaczają odpowiednio kompozyt, cząstkę i matrycę. ${\ displaystyle K_ {c}}$ jest stałą, którą można znaleźć empirycznie.

Podobnie wytrzymałość na rozciąganie kompozytów wzmocnionych cząstkami można wyrazić jako:

${\ Displaystyle (TS) _ {c} = V_ {m} (TS) _ {m }+K_{s}V_{p}(TS)_{p}}$

gdzie TS jest $jest$ na rozciąganie $,$ stałą (nierówną którą można znaleźć empirycznie

Ciągłe wzmocnienie włóknami

Ogólnie rzecz biorąc, ciągłe wzmacnianie włóknem jest realizowane przez włączenie włókna jako silnej fazy do słabej fazy, matrycy. Powodem popularności stosowania włókien jest to, że w ich postaci można uzyskać materiały o niezwykłej wytrzymałości. Włókna niemetaliczne zwykle wykazują bardzo wysoki stosunek wytrzymałości do gęstości w porównaniu z włóknami metalowymi ze względu na kowalencyjny charakter ich wiązań . Najbardziej znanym tego przykładem są włókna węglowe , które mają wiele zastosowań, począwszy od sprzętu sportowego , poprzez sprzęt ochronny, aż po przemysł kosmiczny .

Naprężenie kompozytu można wyrazić jako udział objętościowy włókna i osnowy.

${\ Displaystyle \ sigma _ {c} = V_ {f} \ sigma _ {f} + V_ {m} \ sigma _ {m}}$

gdzie jest naprężenie, V to ułamek objętościowy ${\ displaystyle \ sigma}$ Indeksy dolne c, f i m oznaczają odpowiednio kompozyt, włókno i matrycę.

Chociaż zachowanie naprężenie-odkształcenie kompozytów włóknistych można określić jedynie za pomocą testów, istnieje oczekiwany trend, trzy etapy krzywej naprężenie -odkształcenie . Pierwszym etapem jest obszar krzywej naprężenie-odkształcenie, w którym zarówno włókno, jak i osnowa są odkształcane elastycznie . Ten liniowo elastyczny obszar można wyrazić w następującej postaci.

$\ Displaystyle \ sigma _ {c} -E_ {c} \ epsilon _ {c} = \ epsilon _ {c} (V_ {f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

gdzie $to naprężenie$ to odkształcenie , $.$ to moduł sprężystości , a V to ułamek objętości Indeksy dolne c, f i m oznaczają odpowiednio kompozyt, włókno i matrycę.

Po przejściu przez obszar sprężysty zarówno dla włókna, jak i osnowy, można zaobserwować drugi obszar krzywej naprężenie-odkształcenie. W drugim obszarze włókno jest nadal odkształcane elastycznie, podczas gdy osnowa jest odkształcana plastycznie, ponieważ osnowa jest fazą słabą. Chwilowy moduł sprężystości można określić za pomocą nachylenia krzywej naprężenie-odkształcenie w drugim obszarze. Zależność między naprężeniem a odkształceniem można wyrazić jako:

$\ Displaystyle \ sigma _ {c} = V_ {f} E_ {f} \ epsilon _ {c} + V_ {m} \ sigma _ {m}(\epsilon _{c})}$

gdzie $to naprężenie$ to odkształcenie , $.$ to moduł sprężystości , a V to ułamek objętości Indeksy dolne c, f i m oznaczają odpowiednio kompozyt, włókno i matrycę. Aby znaleźć moduł w drugim obszarze, można użyć pochodnej tego równania, ponieważ nachylenie krzywej jest równe modułowi.

${\ Displaystyle E_ {c} '= {\ Frac {d \ sigma _ {c}} {d \ epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

$drugi$ można założyć, wyraz jest

W rzeczywistości pochodna naprężenia względem odkształcenia nie zawsze zwraca moduł z powodu interakcji wiązania między włóknem a matrycą. Siła oddziaływania tych dwóch faz może skutkować zmianami właściwości mechanicznych kompozytu. Kompatybilność włókna i matrycy jest miarą naprężeń wewnętrznych .

Kowalencyjnie związane włókna o wysokiej wytrzymałości (np. włókna węglowe ) podlegają głównie odkształceniu sprężystemu przed pęknięciem, ponieważ odkształcenie plastyczne może nastąpić w wyniku ruchu dyslokacyjnego . Podczas gdy włókna metalowe mają więcej miejsca na odkształcenie plastyczne, więc ich kompozyty wykazują trzeci etap, w którym zarówno włókno, jak i osnowa odkształcają się plastycznie. Włókna metaliczne mają wiele zastosowań do pracy w temperaturach kriogenicznych , co jest jedną z przewag kompozytów z włóknami metalowymi nad niemetalicznymi. Naprężenie w tym obszarze krzywej naprężenie -odkształcenie można wyrazić jako:

${\ Displaystyle \ sigma _ {c} (\ epsilon _ {c}) = V_ {f} \ sigma _ {f} \epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

gdzie $to naprężenie$ to odkształcenie , $.$ to moduł sprężystości , a V to ułamek objętości Indeksy dolne c, f i m oznaczają odpowiednio kompozyt, włókno i matrycę. ${\ Displaystyle \ sigma _ {f} (\ epsilon _ {c})}$ i są ${\ Displaystyle \ sigma _ {m} (\ epsilon _ {c})}$ odpowiednio dla naprężeń przepływu włókien i matrycy. Tuż za trzecim regionem kompozyt wykazuje przewężenie . Odkształcenie przewężenia kompozytu znajduje się pomiędzy odkształceniem przewężenia włókna a osnową, podobnie jak inne właściwości mechaniczne kompozytów. Odkształcenie szyi w fazie słabej jest opóźniane przez fazę mocną. Wielkość opóźnienia zależy od ułamka objętościowego fazy mocnej.

Zatem wytrzymałość na rozciąganie kompozytu można wyrazić w postaci ułamka objętościowego .

${\ Displaystyle (TS) _ {c} = V_ {f} (TS) _ {f} + V_ {m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

gdzie TS to $naprężenie, to$ na rozciąganie , to $odkształcenie$ , E to sprężystości , a V to ułamek objętości . Indeksy dolne c, f i m oznaczają odpowiednio kompozyt, włókno i matrycę. Wytrzymałość kompozytu na rozciąganie można wyrazić jako

${\ Displaystyle (TS) _ {c} = V_ {m} (TS) _ {m}}$ dla ${\ Displaystyle V_ {f} }$ jest mniejszy lub równy $}}$ (dowolna krytyczna wartość ułamka objętościowego)

${ \ Displaystyle (TS) _ {c} = V_ {f} (TS) _ {f} + V_ {m} (\ sigma _ {m})} dla$ V $\ displaystyle V_ {f}}$ jest większy lub równy ${\ displaystyle V_ {c}}$

Krytyczną wartość ułamka objętościowego można wyrazić jako:

$\ Displaystyle V_ {c} ={\frac {[(TS)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(TS)_{f}+(TS)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon_{f})]}}}$

wytrzymałość kompozytu $}}$ wyższa niż matryca, jeśli ${$ T $Displaystyle (TS) _$ .

Zatem minimalny udział objętościowy włókna można wyrazić jako:

${\ Displaystyle V_ {c} = {\ Frac {[(TS TS )_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(TS)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

Chociaż ta minimalna wartość jest w praktyce bardzo niska, bardzo ważne jest, aby wiedzieć, ponieważ powodem wprowadzenia włókien ciągłych jest poprawa właściwości mechanicznych materiałów/kompozytów, a ta wartość ułamka objętościowego jest progiem tej poprawy.

Wpływ orientacji włókien

Wyrównane włókna

Zmiana kąta między przyłożonym naprężeniem a orientacją włókien wpłynie na właściwości mechaniczne kompozytów wzmacnianych włóknami, a zwłaszcza na wytrzymałość na rozciąganie. Ten kąt $można$ wykorzystać do przewidywania dominującego mechanizmu pękania przy rozciąganiu

Przy małych kątach dominujący mechanizm pękania jest taki sam $,$ jak w przypadku wyrównania włókien nośnych, Rozwiązana siła działająca na długość włókien jest zmniejszana o współczynnik obrotu ${\ displaystyle \ cos \ theta}$${\ Displaystyle F _ {\ mbox {res}} = F \ cos \ teta}$ . Rozwiązany obszar, na który włókno działa siłą, jest zwiększany o współczynnik obrotu ${\ displaystyle \ cos \ theta}$${\ Displaystyle A _ {\ mbox {res}} = A_ {0} / \ cos \ theta}$ . Przyjmując efektywną wytrzymałość na rozciąganie jako ${\ Displaystyle ({\ mbox {TS}}) _ {\ mbox {c}} = F _ {\ mbox {res}}/A_ {$ i wyrównana wytrzymałość na rozciąganie ${\ Displaystyle \ sigma _ {\ równoległy} ^ {*} = F / A}$ .

${\ Displaystyle ({\ mbox {TS}}) _ {\ mbox {c}} \; ({\ mbox {pęknięcie podłużne}}) = { \frac {\sigma _ {\parallel}^{*}}{\cos^{2}\theta}}}$

Przy umiarkowanych kątach $materiał$ zniszczeniu Efektywny kierunek siły jest redukowany w stosunku do wyrównanego kierunku. ${\ Displaystyle F _ {\ mbox {res}} = F \ cos \ teta}$ . Rozwiązany obszar, na który działa siła, to ${\ Displaystyle A _ {\ mbox {res}} = A_ {m} / \ sin \ theta}$ . Wynikowa wytrzymałość na rozciąganie zależy od wytrzymałości matrycy na ścinanie , ${\ displaystyle \ tau _ {m}}$ .

${\ Displaystyle ({\ mbox {TS}}) _ {\ mbox {c}} \; ({\ mbox {awaria ścinania}}) = {\ frac {\ tau _ {m}} {\ sin {\ teta} \ cos {\ teta}}}}$

Przy skrajnych kątach $.$ sposobem zniszczenia jest pęknięcie rozciągające w osnowie Podobnie jak w przypadku izostresu warstwowych materiałów kompozytowych, wytrzymałość w tym kierunku jest mniejsza niż w kierunku wyrównanym. Efektywne obszary i siły działają prostopadle do wyrównanego kierunku, więc oba są skalowane według ${\ displaystyle \ sin \ theta}$ . Rozwiązana wytrzymałość na rozciąganie jest proporcjonalna do wytrzymałości poprzecznej ${\ Displaystyle \ sigma _ {\ perp} ^ {*}}$ .

${\ Displaystyle ({\ mbox {TS}}) _ {\ mbox {c}} \; ({\ mbox {złamanie poprzeczne}}) = { \frac {\sigma _{\sprawca}^{*}}{\sin ^{2}\theta}}}$

Krytyczne kąty, od których zmienia się dominujący mechanizm pękania, można obliczyć jako:

${\ Displaystyle \ teta _ {c_ {1}} = \ tan ^ {- 1} \ lewo ({\ Frac {\ tau _ {m}}} \ sigma _ {\ równoległy} ^ {*}}} \ prawej)}$

${\ Displaystyle \ theta _ {c_ {2}} = \ dębnik ^ {- 1}\lewo({\frac {\sigma _{\sprawca}^{*}}{\tau _{m}}}\prawo)}$

gdzie ${\ Displaystyle \ theta _ {c_ {1}}}$ jest kątem krytycznym między pęknięciem podłużnym a zniszczeniem przy ścinaniu, a jest kątem krytycznym między ${\ Displaystyle \ theta _ {c_ {2}}}$ uszkodzenie ścinające i pęknięcie poprzeczne.

Ignorując efekty długości, model ten jest najdokładniejszy dla włókien ciągłych i nie oddaje skutecznie zależności wytrzymałość-orientacja dla kompozytów wzmocnionych krótkimi włóknami. Co więcej, większość realistycznych systemów nie doświadcza lokalnych maksimów przewidywanych pod kątem krytycznym. Kryterium Tsai-Hill zapewnia pełniejszy opis wytrzymałości kompozytu włóknistego na rozciąganie w funkcji kąta orientacji poprzez sprzężenie składowych naprężeń plastycznych: ${\ Displaystyle \ sigma _ {\ równolegle} ^ {*}}$ , ${\ Displaystyle \ sigma _ {\ sprawca} ^ {*}}$ i ${\ Displaystyle \ tau _ {m}}$ .

${\ Displaystyle ({\ mbox {TS}}) _ {\ mbox {c}} \; ({\ mbox {Tsai-Hill}}) = {\ bigg [ }{\frac {\cos ^{4}\theta}{({\sigma _{\równoległy}^{*}})^{2}}}+\cos ^{2}\theta \sin ^{2 }\theta \left({\frac {1}{({\tau _{m}})^{2}}}-{\frac {1}{({\sigma _{\parallel}^{*} })^{2}}}\right)+{\frac {\sin ^{4}\theta }{({\sigma _{\perp}^{*}})^{2}}}{\bigg ]}^{-1/2}}$

Losowo zorientowane włókna

Anizotropię wytrzymałości na rozciąganie kompozytów wzmocnionych włóknem można usunąć poprzez przypadkowe zorientowanie kierunków włókien w materiale. Poświęca najwyższą wytrzymałość w wyrównanym kierunku na rzecz ogólnego materiału wzmocnionego izotropowo.

${f} + V_ {m} E_ {m}}$

gdzie K jest empirycznie wyznaczonym współczynnikiem wzmocnienia; podobne do wzmocnienia cząstek . Dla włókien $K \ około 0,20}$ w płaszczyźnie, dla losowego rozkładu w 3D, $Displaystyle$ .

Sztywność i elastyczność podatności

W rzeczywistych zastosowaniach większość kompozytów to materiały anizotropowe lub ortotropowe . Do analizy naprężeń i odkształceń wymagany jest trójwymiarowy tensor naprężeń. Sztywność i podatność można zapisać w następujący sposób

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} \ sigma _ {1} \\\ sigma _ {2} \\\ sigma _ {3} \\\ sigma _ {4} \\\ sigma _ {5} \\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12 }&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_ {14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\ \C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2 }\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$ i ${\ Displaystyle {\$

Aby uprościć kierunek naprężenia 3D, przyjmuje się założenie naprężenia płaskiego, że naprężenie poza płaszczyzną i odkształcenie poza płaszczyzną są nieistotne lub zerowe. σ ${\ Displaystyle \ sigma _ {3} = \ sigma _ {4} = \ sigma _ {5} = 0}$ ε $\ Displaystyle \ varepsilon _ {4}=\varepsilon _{5}=0}$ .

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} \ varepsilon _ {1} \\\ varepsilon _ { 2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {31}}}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}} &{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {32}}}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\- {\tfrac {\nu _{\rm {13}}}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {23}}}{E_{\rm {2 }}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {3}}}}&0&0&0\\0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {23}}}}&0&0\\0&0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {31}}}}&0\\0&0&0&0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\koniec{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\ sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix} }}$

Macierz sztywności i macierz podatności można zredukować do

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} \ sigma _ {1} \\\ sigma _ {2} \\\ sigma _ {6} \ koniec {bmatrix}} = {\ rozpocząć {bmatrix }{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{ \rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\ \{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21 }}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\ \0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix} }}$ i ${\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} \varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}} }}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{ E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\ \\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

Dwa różne układy współrzędnych materiału. Struktura ma układ współrzędnych (1-2). Materiał ma główny układ współrzędnych (xy).

W przypadku kompozytów wzmacnianych włóknami orientacja włókien w materiale wpływa na anizotropowe właściwości struktury. Z techniki charakteryzowania, tj. próby rozciągania, zmierzono właściwości materiału w oparciu o układ współrzędnych próbki (1-2). Powyższe tensory wyrażają zależność naprężenie-odkształcenie w układzie współrzędnych (1-2). Podczas gdy znane właściwości materiału znajdują się w głównym układzie współrzędnych (xy) materiału. Przekształcenie tensora między dwoma układami współrzędnych pomaga określić właściwości materiałowe badanej próbki. Macierz transformacji z rotacją stopni to ${\ displaystyle \ theta}$

${\ Displaystyle T (\ teta) _ {\ epsilon} = {\ rozpocząć {bmatrix} \ sałata ^ {2} \ teta i \ grzech ^ {2} \ teta i \cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\ sałata \ theta \ sin \ theta & \ cos ^ {2} \ theta - \ sin ^ {2} \ theta \ koniec {bmatrix}}}$ dla ${\ Displaystyle { \begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta)_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$${\ Displaystyle T (\ teta) _ {\ sigma} = {\ zacząć {bmatrix} \ cos ^ {2} \ teta i \ sin ^ {2} \ teta i 2 \ cos \ teta \ sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \ theta & \ cos ^ {2} \ theta - \ sin ^ {2} \ theta \ koniec {bmatrix}}}$ dla ${\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} {\acute {\sigma}}\end{bmatrix}}=T(\theta)_{\sigma}}{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

Rodzaje włókien i ich właściwości mechaniczne

Najczęstszymi rodzajami włókien stosowanych w przemyśle są włókna szklane , włókna węglowe i kevlar ze względu na łatwość ich produkcji i dostępność. Ich właściwości mechaniczne są bardzo ważne, dlatego tabela ich właściwości mechanicznych jest podana poniżej, aby porównać je ze stalą S97 . Kąt ułożenia włókien jest bardzo ważny ze względu na anizotropię kompozytów włóknistych ( bardziej szczegółowe wyjaśnienie można znaleźć w rozdziale „ Właściwości fizyczne ”). Właściwości mechaniczne kompozytów można badać przy użyciu standardowych metod badań mechanicznych , ustawiając próbki pod różnymi kątami (standardowe kąty to 0°, 45° i 90°) w odniesieniu do orientacji włókien w kompozytach. Ogólnie rzecz biorąc, ustawienie osiowe 0° sprawia, że ​​kompozyty są odporne na zginanie wzdłużne i osiowe rozciąganie/ściskanie, ustawienie obwodowe 90° służy do uzyskania odporności na nacisk wewnętrzny/zewnętrzny, a ± 45° to idealny wybór, aby uzyskać odporność na czyste skręcanie.

Właściwości mechaniczne włóknistych materiałów kompozytowych

Włókna @ 0° (UD), 0/90° (tkanina) do osi obciążenia, suche, temperatura pokojowa, V _f = 60% (UD), 50% (tkanina) Włókno / żywica epoksydowa (utwardzona w 120°C)

	Symbol	Jednostki	Standard Włókno węglowe Tkanina	Wysoki moduł Włókno węglowe Tkanina	E-szkło Tkanina z włókna szklanego	Kevlar Tkanina	Standard Jednokierunkowy Włókno węglowe Tkanina	Wysoki moduł Jednokierunkowy Włókno węglowe Tkanina	E-szkło Jednokierunkowy Tkanina z włókna szklanego	Kevlar Tkanina jednokierunkowa	Stal S97
Moduł Younga 0°	E1	GPa	70	85	25	30	135	175	40	75	207
Moduł Younga 90°	E2	GPa	70	85	25	30	10	8	8	6	207
Moduł ścinania w płaszczyźnie	G12	GPa	5	5	4	5	5	5	4	2	80
Współczynnik majora Poissona	v12		0,10	0,10	0,20	0,20	0,30	0,30	0,25	0,34	–
Ult. Wytrzymałość na rozciąganie 0°	Xt	MPa	600	350	440	480	1500	1000	1000	1300	990
Ult. Komp. Siła 0°	Xc	MPa	570	150	425	190	1200	850	600	280	–
Ult. Wytrzymałość na rozciąganie 90°	Yt	MPa	600	350	440	480	50	40	30	30	–
Ult. Komp. Siła 90°	Yc	MPa	570	150	425	190	250	200	110	140	–
Ult. Siła ścinania w samolocie.	S	MPa	90	35	40	50	70	60	40	60	–
Ult. Odkształcenie rozciągające 0°	wew	%	0,85	0,40	1,75	1,60	1.05	0,55	2,50	1,70	–
Ult. Komp. Odcedź 0°	wył	%	0,80	0,15	1,70	0,60	0,85	0,45	1,50	0,35	–
Ult. Odkształcenie rozciągające 90°	ej	%	0,85	0,40	1,75	1,60	0,50	0,50	0,35	0,50	–
Ult. Komp. Odcedź 90°	eyc	%	0,80	0,15	1,70	0,60	2,50	2,50	1.35	2.30	–
Ult. Odkształcenie ścinające w płaszczyźnie	es	%	1,80	0,70	1.00	1.00	1.40	1.20	1.00	3.00	–
Gęstość		g/cm3	1,60	1,60	1,90	1.40	1,60	1,60	1,90	1.40	–

Włókna @ ±45 stopni. do osi obciążenia, Suszenie, Temperatura pokojowa, Vf = 60% (UD), 50% (tkanina)

	Symbol	Jednostki	Standard Włókno węglowe	Wysoki moduł Włókno węglowe	E-szkło Włókno szklane	Standard Włókna węglowe Tkanina	E-szkło Tkanina z włókna szklanego	Stal	Glin
Moduł podłużny	E1	GPa	17	17	12.3	19.1	12.2	207	72
Moduł poprzeczny	E2	GPa	17	17	12.3	19.1	12.2	207	72
Moduł ścinania w płaszczyźnie	G12	GPa	33	47	11	30	8	80	25
Współczynnik Poissona	v12		.77	0,83	0,53	.74	0,53
Wytrzymałość na rozciąganie	Xt	MPa	110	110	90	120	120	990	460
Wytrzymałość na ściskanie	Xc	MPa	110	110	90	120	120	990	460
Wytrzymałość na ścinanie w płaszczyźnie	S	MPa	260	210	100	310	150
Współczynnik rozszerzalności cieplnej	alfa1	Szczep / K	2.15E-6	0,9 E-6	12 E-6	4,9E-6	10 E-6	11 E-6	23 E-6
Współczynnik wilgoci	Beta1	Szczep / K	3.22 E-4	2,49 E-4	6.9 E-4

Właściwości mechaniczne kompozytów z włókna węglowego klasy lotniczej i komercyjnej, kompozytu z włókna szklanego oraz stopu aluminium i stali

Ta tabela pokazuje jedną z najważniejszych cech i przewagę kompozytów włóknistych nad metalem, czyli wytrzymałość właściwą i sztywność właściwą. Chociaż stal i stop aluminium mają porównywalną wytrzymałość i sztywność z kompozytami włóknistymi, wytrzymałość właściwa i sztywność kompozytów są w przybliżeniu wyższe niż stali i stopu aluminium .

Porównanie kosztów, wytrzymałości właściwej i sztywności właściwej

	Kompozyt z włókna węglowego (klasa lotnicza)	Kompozyt z włókna węglowego (klasa handlowa)	Kompozyt z włókna szklanego	Aluminium 6061 T-6	Stal, Łagodny
Koszt $/LB	20 $ – 250 $ +	$5 – $20	1,50 $ – 3,00 $	3 dolary	0,30 $
Siła (psi)	90 000 - 200 000	50 000 – 90 000	20 000 – 35 000	35 000	60 000
Sztywność (psi)	10x10 6 - 50x10 6	8x10 6 – 10x10 6	1x10 6 – 1,5x10 6	10x10 6	30x10 6
Gęstość (lb/cal3)	0,050	0,050	0,055	0,10	0,30
Specyficzna siła	1,8x10 6 – 4x10 6	1 x 10 6 - 1,8 x ${\ Displaystyle 10 ^ {6}}$	363 640–636 360	350 000	200 000
Specyficzna sztywność	200 x 10 6 – 1000 x 10 6	160x10 6 -200x10 6	18x10 6 -27x10 6	100x10 6	100x10 6

Awaria

Wstrząs, uderzenie lub powtarzające się naprężenia cykliczne mogą spowodować rozwarstwienie laminatu na styku dwóch warstw, stan znany jako rozwarstwienie . Pojedyncze włókna mogą oddzielić się od matrycy, np. wyrywając włókna .

Kompozyty mogą zawieść w skali makroskopowej lub mikroskopowej . Awarie kompresji mogą wystąpić zarówno w skali makro, jak i na każdym pojedynczym włóknie wzmacniającym podczas wyboczenia kompresyjnego. Uszkodzenia przy rozciąganiu mogą być uszkodzeniami przekroju netto części lub degradacją kompozytu w skali mikroskopowej, gdzie jedna lub więcej warstw kompozytu ulega uszkodzeniu przy rozciąganiu osnowy lub uszkodzeniu wiązania między osnową a włóknami.

Niektóre kompozyty są kruche i mają niewielką rezerwę wytrzymałości poza początkowym początkiem uszkodzenia, podczas gdy inne mogą wykazywać duże odkształcenia i mieć rezerwę zdolności pochłaniania energii po wystąpieniu uszkodzenia. Rozróżnienie dostępnych włókien i matryc oraz mieszanki , które można wykonać z mieszanek, pozostawiają bardzo szeroki zakres właściwości, które można zaprojektować w strukturze kompozytu. Najbardziej znana awaria kruchego kompozytu z osnową ceramiczną miała miejsce, gdy płyta kompozytu węglowo-węglowego na krawędzi natarcia skrzydła promu kosmicznego Columbia pękła w wyniku uderzenia podczas startu. Skierował się on do katastrofalnego rozpadu pojazdu, kiedy ten ponownie wszedł w ziemską atmosferę 1 lutego 2003 roku.

Kompozyty mają stosunkowo słabą nośność w porównaniu z metalami.

Testowanie

Kompozyty są testowane przed i po budowie, aby pomóc w przewidywaniu i zapobieganiu awariom. Testy przedkonstrukcyjne mogą wykorzystywać analizę elementów skończonych (FEA) do analizy warstw po warstwie zakrzywionych powierzchni i przewidywania marszczenia, fałdowania i zagłębiania kompozytów. Materiały mogą być testowane podczas produkcji i po zakończeniu budowy różnymi nieniszczącymi metodami, w tym ultradźwiękami, termografią, szerografią i radiografią rentgenowską oraz laserową kontrolą wiązań pod kątem NDT względnej integralności wytrzymałości wiązań w zlokalizowanym obszarze.

Zobacz też

• Aluminiowy panel kompozytowy
• Amerykańskie Stowarzyszenie Producentów Kompozytów
• Infiltracja oparów chemicznych
• Laminat kompozytowy
• Granit epoksydowy
• Materiał hybrydowy
• Proces układania
• Nanokompozyt
• Pykret
• Reguła mieszanin
• Skalowane kompozyty
• Inteligentny materiał
• Inteligentne materiały i struktury
• Pustka (kompozyty)

Dalsza lektura

•   Roberta M. Jonesa (1999). Mechanika materiałów kompozytowych (wyd. 2). Taylora i Franciszka. ISBN 9781560327127 .
• Cederbaum G, Elishakoff I, Aboudi J, Librescu L (1992). Drgania losowe i niezawodność konstrukcji kompozytowych . Technomiczny. Bibcode : 1992tech.book.....C .
• Librescu L., Song O. (2006). Cienkościenne belki kompozytowe: teoria i zastosowanie . Skoczek.
• Polimery i kompozyty polimerowe: seria referencyjna . Skoczek. 1999. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2019-03-21 . Źródło 2019-03-21 .
•   Autar K. Kaw (2005). Mechanika materiałów kompozytowych (wyd. 2). CRC. ISBN 978-0-8493-1343-1 .
• Podręcznik kompozytów polimerowych dla inżynierów autorstwa Leonarda Hollawaya, opublikowany w 1994 r. Wydawnictwo Woodhead
• Madbouly, Samy, Chaoqun Zhang i Michael R. Kessler. Biopolimery i kompozyty olejów roślinnych. William Andrew, 2015.
•   Matthews, Floryda; Rawlings, RD (1999). Materiały kompozytowe: inżynieria i nauka . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1 .

Linki zewnętrzne

• Centrum projektowania i produkcji kompozytów
• Kurs nauczania na odległość w polimerach i kompozytach
• Baza danych materiałów kompozytowych OptiDAT