Армированный волокном пластик
Армированный волокнами пластик ( FRP ; также называемый армированным волокном полимером или в американском английском волокном ) представляет собой композитный материал, изготовленный из полимерной матрицы, армированной волокнами . Волокна обычно бывают стеклянными (в стекловолокне ), углеродными (в полимере, армированном углеродным волокном ), арамидными или базальтовыми . другие волокна, такие как бумага, дерево, бор или асбест Редко использовались . Полимер обычно представляет собой эпоксидную , винилэфирную или полиэфирную термореактивную пластмассу , хотя фенолформальдегидные смолы все еще используются.
FRP обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной отраслях. Они обычно встречаются в баллистической броне и баллонах для автономных дыхательных аппаратов .
История
[ редактировать ]Бакелит был первым пластиком, армированным волокном. Лео Бэкеланд изначально намеревался найти замену шеллаку (изготавливаемому из выделений лаковых насекомых ). Химики начали осознавать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами, и Бэкеланд исследовал реакции фенола и формальдегида. Сначала он произвел растворимый фенол-формальдегидный шеллак под названием «Новолак», который так и не имел успеха на рынке, затем занялся разработкой связующего для асбеста , который в то время был отлит из каучука. Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду , он обнаружил в 1905 году, что может производить твердый формуемый материал своей мечты (первый в мире синтетический пластик ): бакелит. [ 1 ] [ 2 ] Он объявил о своем изобретении на собрании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. [ 3 ]
Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко исследовалась в 1930-х годах. В Соединенном Королевстве значительные исследования были проведены такими пионерами, как Норман де Брюйне . Особый интерес это представляло для авиационной промышленности. [ 4 ]
Массовое производство стеклянных нитей было обнаружено в 1932 году, когда Геймс Слайтер , исследователь из Оуэнса-Иллинойса, случайно направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и произвел волокна. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. [ 5 ] Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и в 1936 году компания Owens Corning адаптировала этот метод для производства запатентованного «волокна» (одна «s»). Первоначально стекловолокно представляло собой стекловату с волокнами, улавливающими большое количество газа, что делало его полезен в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.
Подходящая смола для объединения «стеклостекла» с пластиком для получения композитного материала была разработана в 1936 году компанией Du Pont . Первым предком современных полиэфирных смол является смола Цианамида 1942 года. пероксидного отверждения. К тому времени использовались системы [ 6 ] Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газосодержание материала было заменено 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 « стекловолокном » (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.
Рэю Грину из Owens Corning приписывают производство первой композитной лодки в 1937 году, но в то время он не продвинулся дальше из-за хрупкости используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластика, а США — фюзеляж и крылья самолета. [ 7 ] Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был Stout Scarab 1946 года . Была построена только одна такая модель. [ 8 ] Прототип Ford 1941 года мог бы стать первым пластиковым автомобилем, но существует некоторая неопределенность относительно использованных материалов, поскольку вскоре после этого он был уничтожен. [ 9 ] [ 10 ]
Первым самолетом из армированного волокном пластика был либо Fairchild F-46 , первый полет которого состоялся 12 мая 1937 года, либо пластиковый самолет Bennett, построенный в Калифорнии. [ 11 ] Фюзеляж из стекловолокна использовался на модифицированном Vultee BT-13A, получившем обозначение XBT-16, базировавшемся в Райт-Филд в конце 1942 года. [ 12 ] В 1943 году были проведены дальнейшие эксперименты по созданию конструктивных деталей самолета из композитных материалов, в результате которых в 1944 году поднялся в воздух первый самолет Vultee BT-15 с фюзеляжем из стеклопластика, получивший обозначение XBT-19. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] Значительное развитие инструментов для изготовления компонентов из стеклопластика было сделано Republic Aviation Corporation в 1943 году. [ 16 ]
Производство углеродного волокна началось в конце 1950-х годов и использовалось, хотя и не широко, в британской промышленности до начала 1960-х годов. Примерно в это же время начали производиться арамидные волокна, впервые появившиеся под торговой маркой Nomex компанией DuPont . Сегодня каждое из этих волокон широко используется в промышленности для любых применений, где требуются пластмассы с особыми прочностными или эластичными качествами. Стеклянные волокна наиболее распространены во всех отраслях промышленности, хотя композиты из углеродного волокна и углеродного волокна с арамидными волокнами широко используются в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности. [ 17 ] Эти три ( стекло , углерод и арамид ) продолжают оставаться важными категориями волокон, используемых в стеклопластике.
Глобальное производство полимеров в нынешних масштабах началось в середине 20-го века, когда низкие затраты на материалы и производство, новые производственные технологии и новые категории продукции в совокупности сделали производство полимеров экономичным. Отрасль окончательно достигла зрелости в конце 1970-х годов, когда мировое производство полимеров превысило производство стали , что сделало полимеры повсеместным материалом, которым они являются сегодня. Армированные волокнами пластмассы с самого начала были важным аспектом этой отрасли.
Определение процесса
[ редактировать ]Полимер обычно производят путем ступенчатой полимеризации или аддитивной полимеризации . Когда один или несколько полимеров объединяются с различными агентами для улучшения или каким-либо образом изменения свойств их материала, результат называется пластиком . Композитные пластики относятся к тем типам пластиков, которые возникают в результате соединения двух или более однородных материалов с различными свойствами материала для получения конечного продукта с определенным желаемым материалом и механическими свойствами. Армированные волокнами пластики — это категория композитных пластиков, в которых специально используются волокнистые материалы для механического повышения прочности и эластичности пластиков.
Исходный пластиковый материал без армирования волокнами известен как матрица или 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. [ 18 ] Армирование матрицы происходит по определению, когда материал FRP демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с прочностью и эластичностью самой матрицы. [ 17 ]
Описание процесса
[ редактировать ]Стеклопластик включает в себя два различных процесса: первый — это процесс изготовления и формирования волокнистого материала, второй — процесс, при котором волокнистые материалы связываются с матрицей во время формования. [ 17 ]
Волокно
[ редактировать ]Производство волокнистой ткани
[ редактировать ]Арматурное волокно изготавливается как в двухмерной, так и в трехмерной ориентации:
- Двумерный полимер, армированный стекловолокном, характеризуется слоистой структурой, в которой волокна ориентированы только вдоль плоскости в направлении x и y материала. Это означает, что ни одно волокно не выровнено по толщине или по оси Z. Это отсутствие выравнивания по толщине может привести к снижению стоимости и обработки. Затраты и трудозатраты увеличиваются, поскольку традиционные методы обработки, используемые для изготовления композитов, такие как мокрая ручная укладка, автоклав и трансферное формование из смолы, требуют большого количества квалифицированной рабочей силы для резки, укладки и объединения в предварительно отформованный компонент.
- Трехмерные полимерные композиты, армированные стекловолокном, представляют собой материалы с трехмерной волокнистой структурой, включающей волокна в направлении x, y и z . Разработка трехмерных ориентаций возникла из-за потребности промышленности снизить затраты на производство, повысить механические свойства по толщине и улучшить устойчивость к ударным повреждениям; все это были проблемы, связанные с двумерными полимерами, армированными волокнами.
Производство волокнистых преформ
[ редактировать ]Волокнистые преформы — это способ изготовления волокон перед их приклеиванием к матрице. Волокнистые преформы часто производятся в виде листов, непрерывных матов или непрерывных нитей для распыления. Четыре основных способа изготовления волокнистых преформ – это методы обработки текстиля: ткачество , вязание , плетение и сшивание .
- Ткачество можно осуществлять обычным способом для получения двумерных волокон, а также многослойным плетением, позволяющим создавать трехмерные волокна. Однако многослойное ткачество требует нескольких слоев основной пряжи для создания волокон в направлении Z, что создает несколько недостатков в производстве, а именно время, необходимое для установки всех основных нитей на ткацкий станок . Поэтому в настоящее время многослойное плетение в большинстве случаев используется для производства изделий относительно узкой ширины или изделий высокой стоимости, где стоимость производства преформ приемлема. Еще 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.
- Вторым основным способом производства волокнистых преформ является плетение. Плетение подходит для изготовления плоских или трубчатых тканей узкой ширины и не так эффективно, как ткачество, при производстве больших объемов широких тканей. Оплетка выполняется поверх оправок, которые различаются по форме поперечного сечения или размерам по длине. Плетение ограничивается предметами размером примерно с кирпич. В отличие от стандартного ткачества, при плетении можно получить ткань, содержащую волокна, расположенные под углом 45 градусов друг к другу. Плетение трехмерных волокон можно осуществлять с помощью четырехступенчатого, двухступенчатого или многослойного интерлокового плетения. При четырехступенчатом плетении или плетении рядов и столбцов используется плоская платформа, содержащая ряды и столбцы носителей пряжи, которые формируют форму желаемой заготовки. К внешней стороне массива добавляются дополнительные держатели, точное расположение и количество которых зависит от точной формы и требуемой структуры заготовки. Существует четыре отдельные последовательности движения рядов и столбцов, которые переплетают нити и производят плетеную заготовку. Нити механически вдавливаются в структуру между каждым шагом, чтобы укрепить структуру, поскольку в ткачестве используется тростник. Двухэтапное плетение отличается от четырехэтапного процесса тем, что двухэтапный процесс включает в себя большое количество нитей, закрепленных в осевом направлении, и меньшее количество сплетающих нитей. Процесс состоит из двух этапов, на которых держатели оплетки полностью перемещаются через структуру между осевыми держателями. Эта относительно простая последовательность движений позволяет формовать 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 затягивать оплетку только за счет натяжения пряжи. Последний тип плетения — это многослойное переплетенное плетение, состоящее из ряда стандартных круговых плетений, соединенных в цилиндрический каркас плетения. Эта рама имеет несколько параллельных плетеных дорожек по окружности цилиндра, но механизм позволяет перемещать держатели пряжи между соседними дорожками, образуя многослойную плетеную ткань, в которой нити переплетаются с соседними слоями. Многослойная переплетенная плетенка отличается как от четырехступенчатой, так и от двухступенчатой плетенки тем, что переплетающиеся нити располагаются главным образом в плоскости структуры и, таким образом, существенно не снижают плоскостные свойства заготовки. Четырехэтапный и двухэтапный процессы обеспечивают более высокую степень переплетения, когда плетеные нити проходят через толщину заготовки, но, следовательно, вносят меньший вклад в характеристики заготовки в плоскости. Недостатком многослойного интерлок-оборудования является то, что из-за обычного синусоидального движения нитеводителей при формировании заготовки оборудование не способно обеспечить ту плотность нитеносителей, которая возможна на двухступенчатых и четырехступенчатых машинах.
- Вязание волокнистых заготовок можно производить традиционными методами осново- и [уточного] вязания, и полученную ткань многие часто рассматривают как двухмерную ткань, но машины с двумя или более игольницами способны производить многослойные ткани с пряжей, которая перемещение между слоями. Разработки в области электронного управления выбором иглы и переносом трикотажных петель, а также в сложных механизмах, позволяющих удерживать определенные участки ткани и контролировать их движение, позволили придать ткани требуемую трехмерную форму заготовки с минимальными затратами. материальных потерь.
- Шитье, пожалуй, самый простой из четырех основных методов производства текстиля, который можно выполнить с наименьшими инвестициями в специализированное оборудование. По сути, вышивание состоит из введения иглы, несущей нить, через стопку слоев ткани для формирования трехмерной структуры. Преимущества сшивания заключаются в том, что можно сшивать как сухую ткань, так и препрег, хотя липкость препрега затрудняет процесс и обычно приводит к большему повреждению материала препрега, чем сухой ткани. Для вышивания также используются стандартные двумерные ткани, которые обычно используются в композитной промышленности, поэтому возникает ощущение знакомства с системами материалов. Использование стандартной ткани также обеспечивает большую степень гибкости при укладке ткани компонента, чем это возможно при других текстильных процессах, которые имеют ограничения на ориентацию волокон, которые могут быть произведены. [ 19 ]
Процессы формирования
[ редактировать ]Жесткая конструкция обычно используется для определения формы компонентов FRP. Детали можно укладывать на плоскую поверхность, называемую «заглушкой», или на цилиндрическую конструкцию, называемую «оправкой». Однако большинство деталей из армированного волокном пластика изготавливаются с помощью формы или «инструмента». Формы могут быть вогнутыми охватывающими формами, охватывающими формами или формой, которая может полностью охватывать деталь верхней и нижней формой.
Процесс формования стеклопластика начинается с помещения заготовки из волокна в форму или в нее. Волокнистая заготовка может представлять собой сухое волокно или волокно, которое уже содержит определенное количество смолы, называемое «препрег». Сухие волокна «смачиваются» смолой либо вручную, либо смола впрыскивается в закрытую форму. Затем деталь отверждается, оставляя матрицу и волокна в форме, созданной пресс-формой. Для отверждения смолы и улучшения качества конечной детали иногда используется тепло и/или давление. Ниже перечислены различные методы формирования.
Формование мочевого пузыря
[ редактировать ]Отдельные листы препрега складываются и помещаются в форму женского типа вместе с баллоном, похожим на воздушный шар. Форму закрывают и помещают в нагретый пресс. Наконец, в баллоне создается давление, прижимающее слои материала к стенкам формы.
Компрессионное формование
[ редактировать ]Если сырьевой материал (пластиковый блок, резиновый блок, пластиковый лист или гранулы) содержит армирующие волокна, деталь, полученная прессованием, квалифицируется как армированный волокном пластик. Чаще всего пластиковая заготовка, 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 отверждается внутри под давлением и теплом. Компрессионное формование обеспечивает превосходную детализацию геометрических форм, от детализации узоров и рельефов до сложных кривых и креативных форм, а также точной инженерии, и все это в течение максимального времени отверждения 20 минут. [ 20 ]
Автоклав и вакуумный мешок
[ редактировать ]Отдельные листы препрега складываются и помещаются в открытую форму. Материал покрыт защитной пленкой, воздухопроницаемым материалом и вакуумным мешком . Частично создается вакуум, и вся форма помещается в автоклав (нагретый сосуд под давлением). Деталь подвергается непрерывной вакуумной обработке для извлечения захваченных газов из ламината. Это очень распространенный процесс в аэрокосмической промышленности, поскольку он обеспечивает точный контроль над формованием благодаря длительному и медленному циклу отверждения, который длится от одного до нескольких часов. [ 21 ] Этот точный контроль создает точные геометрические формы ламината, необходимые для обеспечения прочности и безопасности в аэрокосмической промышленности, но он также медленный и трудоемкий, а это означает, что затраты часто ограничиваются аэрокосмической промышленностью. [ 20 ]
Обмотка оправки
[ редактировать ]Листы препрега наматываются на стальную или алюминиевую оправку. Материал препрега уплотняется нейлоновой или полипропиленовой виолончельной лентой. Детали обычно подвергаются периодическому отверждению путем вакуумной упаковки и подвешивания в печи. После отверждения виолончель и оправку удаляют, оставляя полую углеродную трубку. В результате этого процесса создаются прочные и надежные полые углеродные трубки.
Мокрая простоя
[ редактировать ]Формирование мокрой укладки объединяет армирование волокнами и матрицу при их размещении на формовочном инструменте. [ 17 ] Слои армирующего волокна помещают в открытую форму, а затем пропитывают влажной смолой , выливая ее на ткань и втирая ее в ткань. Затем форму оставляют, чтобы смола затвердела, обычно при комнатной температуре, хотя иногда для обеспечения надлежащего отверждения используется тепло. Иногда для сжатия влажного слоя используется вакуумный мешок. Для этого процесса чаще всего используются стеклянные волокна, полученные результаты широко известны как стекловолокно и используются для изготовления обычных продуктов, таких как лыжи, каноэ, каяки и доски для серфинга. [ 20 ]
Чоппер-пушка
[ редактировать ]Непрерывные нити стекловолокна проталкиваются через ручной пистолет, который одновременно измельчает пряди и соединяет их с каталитической смолой, такой как полиэстер. Пропитанное рубленое стекло наносится на поверхность формы любой толщины и формы, которые человек-оператор считает подходящими. Этот процесс хорош для больших производственных циклов при экономичных затратах, но позволяет получать геометрические формы с меньшей прочностью, чем другие процессы формования, и имеет плохой допуск по размерам. [ 20 ]
Накальная обмотка
[ редактировать ]Машины протягивают пучки волокон через влажную ванну со смолой и наматывают на вращающуюся стальную оправку в определенных направлениях. 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
[ редактировать ]Пучки волокон и разрезные ткани протягиваются через влажную ванну со смолой и придают им грубую форму детали. Насыщенный материал выдавливается из нагретой закрытой матрицы и отверждается при непрерывном протягивании через матрицу. Некоторые из конечных продуктов пултрузии представляют собой структурные формы, например, двутавровую балку, угол, швеллер и плоский лист. Эти материалы можно использовать для создания всевозможных конструкций из стекловолокна, таких как лестницы, платформы, поручни, резервуары, трубы и опоры насосов. [ 20 ]
Трансферное формование смолы
[ редактировать ]Также называется настоем смолы . Ткани помещаются в форму, в которую затем впрыскивается влажная смола. Смола обычно находится под давлением и нагнетается в полость, находящуюся под вакуумом при трансферном формовании смолы . Смола полностью втягивается в полость под вакуумом при вакуумном трансферном формовании смолы. Этот процесс формования обеспечивает точные допуски и детальную форму, но иногда не может полностью пропитать ткань, что приводит к появлению слабых мест в окончательной форме. [ 20 ]
Преимущества и ограничения
[ редактировать ]FRP позволяет выравнивать стекловолокна термопластов в соответствии с конкретными проектными программами. Задание ориентации армирующих волокон позволяет повысить прочность и устойчивость полимера к деформации. Армированные стекловолокном полимеры наиболее прочны и наиболее устойчивы к деформирующим силам, когда волокна полимера параллельны приложенной силе, и наиболее слабы, когда волокна перпендикулярны. Таким образом, эта возможность является одновременно и преимуществом, и ограничением в зависимости от контекста использования. Слабые места перпендикулярных волокон можно использовать для создания естественных шарниров и соединений, но они также могут привести к разрушению материала, если в производственных процессах волокна не могут правильно ориентироваться параллельно ожидаемым силам. [ 22 ] Когда силы действуют перпендикулярно ориентации волокон, прочность и эластичность полимера меньше, чем у одной 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
[ редактировать ]Структурный отказ может произойти в материалах FRP, когда:
- Силы растяжения растягивают матрицу сильнее, чем волокна, вызывая сдвиг материала на границе раздела между матрицей и волокнами.
- Растягивающие силы вблизи 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. [ 17 ]
Требования к материалам
[ редактировать ]Термореактивный полимерный матричный материал или термопластичный полимерный матричный материал инженерного класса должен отвечать определенным требованиям, чтобы в первую очередь быть пригодным для стеклопластиков и обеспечивать успешное самоукрепление. Матрица должна быть способна должным образом пропитываться и, предпочтительно, химически связываться с армирующим волокном для обеспечения максимальной адгезии в течение подходящего периода отверждения. Матрица также должна полностью обволакивать волокна, чтобы защитить их от порезов и надрезов, которые могут снизить их прочность, а также для передачи усилий волокнам. Волокна также должны храниться отдельно друг от друга, чтобы в случае возникновения разрушения оно было максимально локализовано, а в случае возникновения разрушения матрица также должна отсоединиться от волокна по тем же причинам. Наконец, матрица должна быть изготовлена 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 увеличивать прочность на разрыв и модуль упругости матрицы и соответствовать следующим условиям: содержание волокон должно превышать критическое содержание волокон; прочность и жесткость самих волокон должна превышать прочность и жесткость самой матрицы; и должно быть оптимальное соединение между волокнами и матрицей
Стекловолокно
[ редактировать ]В «армированных стекловолокном пластиках» или FRP (обычно называемых просто стекловолокном ) используются стеклянные волокна текстильного качества . Эти текстильные волокна отличаются от других форм стекловолокна, которые намеренно используются для удержания воздуха в изоляционных целях (см. Стекловата ). Текстильные стекловолокна представляют собой различные комбинации SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , CaO или MgO в форме порошка. Эти смеси затем нагреваются путем прямого плавления до температуры около 1300 градусов Цельсия, после чего с помощью матриц экструдируются нити стекловолокна диаметром от 9 до 17 мкм. Эти нити затем наматываются на более крупные нити и накручиваются на бобины для транспортировки и дальнейшей обработки. Стекловолокно на сегодняшний день является самым популярным средством армирования пластика и поэтому используется в различных производственных процессах, некоторые из которых применимы также к арамидным и углеродным волокнам благодаря их общим волокнистым свойствам.
Ровинг – это процесс, при котором нити скручиваются в нити большего диаметра. Эти нити затем обычно используются для изготовления армирующих стеклотканей и матов, а также для распыления.
Волокнистые ткани ( стеклоткань и др.) представляют собой тканый армирующий материал ленточной формы, имеющий как направление основы, так и уток. Волокнистые маты представляют собой нетканые маты из стекловолокна в форме полотна. Маты производятся в нарезанных размерах с рублеными волокнами или в виде непрерывных матов с использованием непрерывных волокон. Рубленое стекловолокно используется в процессах, где длина стеклянных нитей нарезается от 3 до 26 мм, затем нити используются в производстве пластмасс, чаще всего предназначенных для процессов формования. Короткие пряди стекловолокна представляют собой короткие пряди стекловолокна толщиной 0,2–0,3 мм, которые используются для армирования термопластов, чаще всего для литья под давлением.
Углеродное волокно
[ редактировать ]Углеродные волокна создаются при карбонизации полиакрилонитрильных волокон (ПАН), смоляных смол или вискозы (путем окисления и термического пиролиза) при высоких температурах. Посредством дальнейших процессов графитизации или растяжения можно соответственно повысить прочность и эластичность волокон. Углеродные волокна производятся в диаметрах, аналогичных стеклянным волокнам, диаметром от 4 до 17 мкм. Эти волокна скручиваются в более крупные нити для транспортировки и дальнейших производственных процессов. [ 17 ] Дальнейшие производственные процессы включают плетение или плетение углеродных тканей, тканей и матов, аналогичных тем, которые описаны для стекла, которые затем можно использовать в настоящей арматуре. [ 18 ]
Арамидное волокно
[ редактировать ]Арамидные волокна чаще всего известны как Кевлар, Номекс и Технора. Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидом карбоновой кислоты (арамидом). [ 18 ] Обычно это происходит, когда ароматический полиамид прядут из жидкой концентрации серной кислоты в кристаллизованное волокно. [ 17 ] Затем волокна скручивают в более крупные нити, из которых можно сплести большие веревки или тканые ткани (арамидные). [ 18 ] Арамидные волокна производятся различных марок в зависимости от прочности и жесткости, поэтому материал можно адаптировать для удовлетворения конкретных конструктивных требований, например, для резки жесткого материала во время производства. [ 17 ]
Пример комбинации полимера и армирования
[ редактировать ]| Армирующий материал [ 17 ] | Наиболее распространенные матричные материалы | Свойства улучшены |
|---|---|---|
| Стекловолокно | УП , ЭП , ПА , ПК , ПОМ , ПП , ПБТ , ВЭ | Прочность, эластичность, термостойкость |
| Древесные волокна | ПЭ , ПП, АБС , ПЭВП , ПЛА | Прочность на изгиб, модуль упругости, предел прочности при растяжении |
| Углеродные и арамидные волокна | EP, UP, VE, PA | Эластичность, прочность на растяжение, прочность на сжатие, электрическая прочность. |
| Неорганические частицы | Полукристаллические термопласты, УП | Изотропная усадка, истирание, прочность на сжатие |
| Микросферы | Стеклянные микросферы | Снижение веса по сравнению с твердыми наполнителями |
Приложения
[ редактировать ]
Армированные волокнами пластики лучше всего подходят для любой программы проектирования, требующей снижения веса, точного машиностроения, определенных допусков и упрощения деталей как в производстве, так и в эксплуатации. Волокна придают материалу прочность и жесткость, а полимерная матрица удерживает волокна. вместе и передает нагрузки между ними. Композиты FRP имеют широкий спектр применения в различных отраслях промышленности благодаря уникальному сочетанию свойств, включая высокое соотношение прочности и веса, коррозионную стойкость и гибкость конструкции. Изделие из формованного полимера дешевле, быстрее и проще производить, чем изделие из литого алюминия или стали, и сохраняет аналогичные, а иногда и лучшие допуски и прочность материала.
Полимеры, армированные углеродным волокном
[ редактировать ]Руль направления Airbus A310
- Недостатки: опасности, связанные с градом или столкновением с птицами во время полета самолета или на земле. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
- Преимуществами перед традиционным рулем направления из листового алюминия являются:
- Снижение веса на 25 %
- Сокращение 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 приводит к экономии топлива, что снижает эксплуатационные расходы на управление самолетом.
Полимеры, армированные стекловолокном
[ редактировать ]Впускные коллекторы двигателя изготовлены из армированного стекловолокном PA 66.
- Преимуществами этого коллектора по сравнению с литыми алюминиевыми коллекторами являются:
- 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).
- Преимуществами перед штампованным алюминием являются:
- Педали могут быть отлиты как отдельные блоки, сочетающие в себе как педали, так и механические соединения, что упрощает производство и эксплуатацию конструкции.
- Волокна можно направить на усиление против определенных напряжений, увеличивая долговечность и безопасность.
Алюминиевые окна, двери и фасады теплоизолируются с помощью теплоизоляционного пластика из полиамида, армированного стекловолокном. В 1977 году Ensinger GmbH выпустила первый изоляционный профиль для оконных систем.
Структурные приложения
[ редактировать ]FRP можно применять для усиления балок , колонн , [ 26 ] и плиты зданий и мостов. Повысить прочность элементов конструкции можно даже после того, как они были серьезно повреждены в результате условий нагрузки . В случае повреждения железобетонных элементов сначала потребуется их ремонт путем удаления мусора и заполнения полостей и трещин раствором или эпоксидной смолой . После ремонта элемента усиление может быть достигнуто путем влажной ручной укладки листов волокна , пропитанных эпоксидной смолой, которые наносятся на очищенные и подготовленные поверхности элемента.
Для усиления балок обычно применяются два метода, в зависимости от желаемого повышения прочности: усиление на изгиб или усиление на сдвиг . Во многих случаях может оказаться необходимым обеспечить оба повышения прочности. Для усиления изгиба балки листы или пластины FRP прикрепляются к растянутой поверхности элемента (нижняя поверхность для свободно опирающегося элемента с приложенной верхней нагрузкой или гравитационной нагрузкой). Основные растягиваемые волокна ориентированы параллельно продольной оси балки, как и ее внутренняя изгибная стальная арматура. Это увеличивает прочность балки и ее жесткость ( нагрузка, необходимая для прогиба узла), но снижает прогибающую способность и пластичность.
Для усиления сдвигового усиления балки стеклопластик наносится на стенку (стороны) элемента с волокнами, ориентированными поперек продольной оси балки. Сопротивление сдвиговым усилиям достигается так же, как и внутренние стальные хомуты , путем перекрытия трещин сдвига, которые образуются под приложенной нагрузкой. FRP может применяться в нескольких конфигурациях, в зависимости от открытых поверхностей элемента и желаемой степени усиления, включая: боковое склеивание, U-образную обертку (U-образную оболочку) и закрытую обертку (полную обертку). Боковое склеивание предполагает нанесение стеклопластика только на боковые стороны балки. Он обеспечивает наименьшее усиление сдвига из-за повреждений, вызванных отслоением бетонной поверхности на свободных краях стеклопластика. Для U-образных оберток стеклопластик наносится непрерывно в форме буквы «U» вокруг боковых и нижней (натянутой) поверхности балки. Если все стороны балки доступны, желательно использовать закрытые накладки, поскольку они обеспечивают наибольшее повышение прочности. Закрытая упаковка предполагает нанесение FRP по всему периметру элемента таким образом, чтобы не было свободных концов и типичный вид отказа: разрыв волокон. Для всех конфигураций обмотки стеклопластик может наноситься по длине элемента в виде непрерывного листа или отдельных полос с заранее заданной минимальной шириной и расстоянием.
Плиты можно укрепить, наложив полосы FRP на их нижнюю (натянутую) поверхность. Это приведет к улучшению характеристик при изгибе, поскольку сопротивление плит на растяжение дополняется прочностью стеклопластика на растяжение. В случае балок и плит эффективность усиления стеклопластика зависит от характеристик смолы, выбранной для склеивания. Это особенно актуально при усилении на сдвиг с использованием бокового склеивания или U-образной обмотки. Колонны обычно оборачиваются стеклопластиком по периметру, как при закрытой, так и при полной упаковке. Это не только приводит к более высокому сопротивлению сдвигу, но и, что более важно для конструкции колонны , приводит к увеличению прочности на сжатие при осевой нагрузке. Обертка из стеклопластика ограничивает боковое расширение колонны, что может усилить герметичность аналогично тому, как спиральное армирование используется для сердцевины колонны. [ 27 ] [ 28 ]
Лифтовый кабель
[ редактировать ]В июне 2013 года лифтовая компания KONE объявила об использовании Ultrarope в качестве замены стальных тросов в лифтах. Он герметизирует углеродные волокна полимером с высоким коэффициентом трения . В отличие от стального троса, Ultrarope был разработан для зданий, требующих подъема до 1000 м (3300 футов). Максимальная высота стальных лифтов составляет 500 м (1600 футов). По оценкам компании, в здании высотой 500 м (1600 футов) лифт будет потреблять на 15% меньше электроэнергии, чем версия со стальным тросом. По состоянию на июнь 2013 года продукт прошел все сертификационные испытания Европейского Союза и США. [ 29 ]
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]FRP используется в конструкциях, требующих определенного показателя прочности или модуля упругости, для которых неармированные пластики и другие материалы не подходят ни с механической, ни с экономической точки зрения. Основным соображением при проектировании использования FRP является обеспечение экономичного использования материала и использования его специфических структурных характеристик, но это не всегда так. Ориентация волокон создает слабость материала перпендикулярно волокнам. Таким образом, использование армирующих волокон и их ориентация влияют на прочность, жесткость, эластичность и, следовательно, на функциональность самого конечного продукта. Однонаправленная, двухмерная или трехмерная ориентация волокон во время производства влияет на прочность, гибкость и эластичность конечного продукта. Волокна, ориентированные в направлении приложенных сил, демонстрируют большую устойчивость к деформации под действием этих сил, поэтому области изделия, которые должны выдерживать силы, будут армированы волокнами, ориентированными параллельно силам, а области, требующие гибкости, такие как естественные петли, будут усилены. 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 недостатков 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 правильной толщины стенок и создание многофункциональных геометрических форм, которые можно отлить как единое целое, повышает материальную и структурную целостность продукта за счет снижения требований к стыкам, соединениям и оборудованию. [ 17 ]
Проблемы утилизации и переработки
[ редактировать ]Как разновидность пластика, огнестойкие пластики подвержены ряду проблем и проблем, связанных с утилизацией и переработкой пластиковых отходов . Пластмассы представляют собой особую проблему при переработке, поскольку они производятся из полимеров и мономеров, которые часто невозможно отделить и вернуть в исходное состояние. По этой причине не весь пластик можно переработать для повторного использования: по некоторым оценкам, только 20–30% пластика вообще можно переработать. Армированные волокном пластмассы и их матрицы разделяют те же проблемы утилизации и защиты окружающей среды. Исследование методов безопасной утилизации привело к двум основным вариантам, связанным с применением сильного тепла: в одном связующие вещества сгорают - в процессе возвращается часть упущенной стоимости материала в виде тепла - и негорючие элементы улавливаются фильтрацией; в другом негорючий материал сжигается в цементной печи, при этом волокна становятся неотъемлемой частью полученного литого материала. [ 30 ] Помимо проблем, связанных с безопасной утилизацией, тот факт, что сами волокна трудно удалить из матрицы и сохранить для повторного использования, означает, что FRP усугубляет эти проблемы. Стеклопластики по своей природе трудно разделить на базовые материалы, то есть на волокна и матрицу, а матрицу трудно разделить на пригодные для использования пластмассы, полимеры и мономеры. Все это сегодня является заботой об экологически обоснованном дизайне. Пластмассы часто обеспечивают экономию энергии и экономию по сравнению с другими материалами. Кроме того, с появлением новых, более экологически чистых матриц, таких как биопластики и пластмассы, разлагаемые ультрафиолетом , стеклопластик станет экологически чувствительным. [ 18 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Амато, Иван (29 марта 1999 г.). «Время 100: Лео Бэкеланд» . Время . Архивировано из оригинала 4 января 2007 года.
- ^ Труман, Китай (17 марта 2015 г.). «Пластик» . Сайт изучения истории .
- ^ «Новое химическое вещество» (PDF) . Нью-Йорк Таймс . 6 февраля 1909 г.
- ^ Синтетическая смола – использование в авиастроении, The Times , Лондон, Англия, 5 октября 1936 г., стр. 14, выпуск 47497.
- ^ Патент США № 2133235: Способ и устройство для изготовления стекловаты. [ мертвая ссылка ] Первый патент на стекловату Slayter, 1933 год.
- ↑ 50 лет лодкам из армированного пластика, Джордж Марш, 8 октября 2006 г., http://www.reinforced Plastics.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastic-boats-/. Архивировано 6 августа 2010 г. в Wayback Machine.
- ^ Заметный прогресс - использование пластмасс, Evening Post , Веллингтон, Новая Зеландия, том CXXVIII, выпуск 31, 5 августа 1939 г., стр. 28
- ^ Автомобиль будущего из пластика, Меркурий (Хобарт, Тасмания), понедельник, 27 мая 1946 г., стр. 16.
- ^ «Послевоенный автомобиль» . Брэдфорд Дейли Рекорд . 28 марта 1941 г. с. 12 . Проверено 17 июня 2015 г. - через Newspapers.com .
- ^ «Послевоенный автомобиль» . Корпус Кристи Таймс . 12 января 1942 г. с. 3 . Проверено 17 июня 2015 г. - через Newspapers.com .
- ^ «Пластиковые самолеты из формочек – план армии» . Грили Дейли Трибьюн . 24 июня 1938 г. с. 2 . Проверено 12 августа 2015 г. - через Newspapers.com .
- ^ Американские военные самолеты Второй мировой войны, Дэвид Дональд, Aerospace Publishing Limited, 1995, страницы 251–252, ISBN 1-874023-72-7
- ^ 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 WP Conrardy.
- ^ Фюзеляжи сэндвич-сэндвича из формованного стекловолокна для самолета БТ-15, Технический отчет ВВС армии № 5159, 8 ноября 1944 г.
- ^ Справочник по армированным пластмассам; Дональд В. Розато, Доминик В. Розато и Джон Мерфи; Эльзевир; 2004 г.; страница 586
- ^ Бернадетт, Тим; Бенсоуд-Винсент, Палука (19 октября 2002 г.). «Обзор композитов» . История новейшей науки и технологий .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Эрхард, Гюнтер. Проектирование с использованием пластика . Пер. Мартин Томпсон. Мюнхен: Издательство Hanser, 2006.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Смоллман, Р.Э. и Р.Дж. Бишоп. Современная физическая металлургия и материаловедение . 6-е изд. Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн, 1999.
- ^ Тонг, Л., А. П. Муриц и М. К. Баннистер. 3D-армированные волокном полимерные композиты . Оксфорд: Эльзевир, 2002.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г «Процессы Quatro Composites 101: Формование деталей из углеродных композитов» . 15 февраля 2008 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2008 г. Проверено 2 апреля 2018 г.
- ^ Доган, Фатих; Хадавиния, Хомаюн; Дончев, Тодор; Бхонге, Прасаннакумар С. (5 августа 2012 г.). «Расслоение ударных композитных конструкций элементами сопряжения зон сцепления и тайбрейк-контактом» . Центральноевропейский инженерный журнал . 2 (4): 612–626. Бибкод : 2012CEJE....2..612D . дои : 10.2478/s13531-012-0018-0 . hdl : 10057/16013 .
- ^ Хо, Л.; Кассапоглу, К.; Альдерлистен, Колорадо (1 июля 2024 г.). «Влияние ранее существовавшего повреждения на рост расслоения в композитах с многократными вмятинами» . Материалы и дизайн . 243 : 113068. doi : 10.1016/j.matdes.2024.113068 . ISSN 0264-1275 .
- ^ Саламоне, Сальваторе; Бартоли, Иван; Ди Лео, Патриция; Ланца Ди Скала, Франческо; Айоваласит, Аугусто; Д'Аквисто, Леонардо; Раймер, Дженнифер; Ким, Хённи (1 июня 2010 г.). «Локализация высокоскоростного удара по панелям самолетов с использованием композитных пьезоэлектрических розеток из макроволокон» . Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 21 (9): 887–896. дои : 10.1177/1045389X10368450 . ISSN 1045-389X .
- ^ Ким, Хённи; Уэлч, Дуглас А; Кедвард, Кейт Т. (1 января 2003 г.). «Экспериментальное исследование воздействия высокоскоростного льда на тканые углеродно-эпоксидные композитные панели» . Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 34 (1): 25–41. дои : 10.1016/S1359-835X(02)00258-0 . ISSN 1359-835X .
- ^ Эпплби-Томас, Гарет Дж.; Хэзелл, Пол Дж.; Дахини, Гуссан (1 сентября 2011 г.). «О реакции двух коммерческих конструкций из углепластика на множественные воздействия льда» . Композитные конструкции . 93 (10): 2619–2627. дои : 10.1016/j.compstruct.2011.04.029 . ISSN 0263-8223 .
- ^ Надерпур, Х.; Нагай, К.; Фахарян, П.; Хаджи, М. (1 мая 2019 г.). «Инновационные модели для прогнозирования прочности на сжатие круглых железобетонных колонн, заключенных в FRP, с использованием методов мягких вычислений» . Композитные конструкции . 215 : 69–84. дои : 10.1016/j.compstruct.2019.02.048 . ISSN 0263-8223 . S2CID 139800570 .
- ^ Мегалойконому, Константинос Г.; Монти, Джорджио; Сантини, Сильвия (2012). «Конститутивная модель фиброволокна – армированного полимера – и связующего – замкнутого бетона». Структурный журнал ACI . 109 (4): 569–578. дои : 10.14359/51683876 .
- ^ Мегалойконому, Константинос Г.; Папавасилеу, Георгиос С. (2019). «Аналитическая модель напряжения и деформации для прямоугольных железобетонных колонн, заключенных в стеклопластик» . Границы в искусственной среде . 5:39 . дои : 10.3389/fbuil.2019.00039 .
- ^ «UltraRope объявила о возможности комплексного масштабирования высотных зданий» . Физика.орг . Проверено 13 июня 2013 г.
- ^ https://compositesuk.co.uk/system/files/documents/Composite%20Recycling.pdf. Архивировано 4 декабря 2017 г. в Wayback Machine. [ только URL-адрес PDF ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
