مواد بسیار متفاوت
مواد کامپوزیتی با مواد معمولی تفاوت دارند زیرا قطعات کامپوزیتی حاوی دو جزء متمایز هستند - مواد فیبر و ماتریس (معمولاً رزینهای پلیمری) - که هنگام ترکیب از هم جدا میمانند اما برهمکنش میکنند و ماده جدیدی را تشکیل میدهند که خواص آن را نمیتوان با افزودن خواص آن پیشبینی کرد. اجزاء.
در واقع یکی از مزایای اصلی ترکیب فیبر/رزین مکمل بودن آن است. به عنوان مثال الیاف شیشه نازک دارای استحکام کششی نسبتا بالایی هستند اما به راحتی آسیب می بینند. در مقابل، بیشتر رزین های پلیمری دارای استحکام کششی ضعیفی هستند اما بسیار سخت و چکش خوار هستند. با این حال، وقتی فیبر و رزین با هم ترکیب می شوند، می توانند نقاط ضعف یکدیگر را جبران کنند و ماده ای را ایجاد کنند که بسیار مفیدتر از هر جزء جداگانه است.
خواص ساختاری کامپوزیت ها عمدتاً از تقویت الیاف ناشی می شود. کامپوزیت های تجاری برای بازارهای بزرگ، مانند قطعات خودرو، کشتی ها، کالاهای مصرفی، و قطعات صنعتی مقاوم در برابر خوردگی، معمولاً از فایبرگلاس ناپیوسته، جهت دار تصادفی یا فیبرهای پیوسته اما غیر جهت دار ساخته می شوند.
کامپوزیت های پیشرفته که در اصل برای بازار هوافضای نظامی ساخته شده بودند، که عملکرد بهتری نسبت به فلزات ساختاری سنتی دارند، اکنون در ماهواره های ارتباطی، هواپیما، کالاهای ورزشی، حمل و نقل، صنایع سنگین و بخش انرژی برای اکتشاف نفت و گاز و ساخت توربین های بادی یافت می شوند.
کامپوزیتهای با کارایی بالا ویژگیهای ساختاری خود را از مواد تقویتکننده الیاف پیوسته، جهتیافته و با استحکام بالا میگیرند -- معمولاً فیبر کربن، فیبر آریل پلیآمید یا الیاف شیشه -- در ماتریسی که ماشینکاری را بهبود میبخشد و خواص مکانیکی را افزایش میدهد. مانند سختی و مقاومت شیمیایی.
جهت گیری فیبر را می توان کنترل کرد، که عاملی است که می تواند عملکرد را در هر برنامه ای بهبود بخشد. به عنوان مثال، در محورهای چوب گلف کامپوزیت، الیاف بور و کربن در زوایای مختلف درون محور کامپوزیت قرار گرفته اند و می توانند از ویژگی های استحکام و سختی خود نهایت استفاده را ببرند و بارهای گشتاور و نیروهای خمشی، فشاری و کششی متعدد را تحمل کنند.
الیاف شیشه
اکثریت قریب به اتفاق الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت شیشه است. فایبرگلاس قدیمیترین و رایجترین ماده تقویتکننده است که در اکثر برنامههای کاربردی بازار نهایی (با صنعت هوافضا یک استثنای مهم است) برای جایگزینی اجزای فلزی سنگینتر مورد استفاده قرار میگیرد.
فایبرگلاس نسبت به فیبر کربن که متداولترین ماده تقویتکننده بعدی است، سنگینتر و سختتر است، اما در برابر ضربه مقاومتر است و در هنگام شکست از کشیدگی بیشتری برخوردار است (یعنی قبل از شکستن به میزان بیشتری کشیده میشود). طیف گسترده ای از ویژگی ها و سطوح عملکرد را می توان بسته به نوع شیشه، قطر رشته، شیمی پوشش (به نام "اندازه") و شکل الیاف به دست آورد.
فیلامنت های شیشه ای به صورت دسته هایی به نام رشته ها عرضه می شوند که مجموعه ای از رشته های شیشه ای پیوسته هستند.
رووینگ معمولاً دستهای از رشتههای پیچنخورده است که مانند نخ دور یک قرقره بزرگ پیچیده شدهاند. رووینگ تک سر شامل یک رشته پیوسته از چندین رشته شیشه ای است که طول رشته را طی می کند. رووینگ چند انتها شامل رشته های طولانی اما نه کاملاً پیوسته است که در طول سیم پیچی به صورت پلکانی اضافه یا رها می شوند. نخ مجموعه ای از رشته ها است که به هم پیچیده شده اند.
فیبر با کارایی بالا
فیبر کربن - تا حد زیادی پرمصرف ترین الیاف در کاربردهای با کارایی بالا - از انواع سیستم های پیش ساز از جمله پلی اکریلونیتریل (PAN)، ریون و آسفالت ساخته می شود. الیاف پیش ساز از نظر شیمیایی عمل آوری می شوند، گرم می شوند و کشیده می شوند و سپس برای تولید الیاف با استحکام بالا کربن می شوند. اولین فیبر کربن با کارایی بالا در بازار از پیش سازهای ریون ساخته شد.
امروزه پلی اکریلونیتریل و الیاف آسفالتی در اکثر کاربردها جایگزین الیاف مصنوعی شده اند. فیبر کربن مبتنی بر تابه همه کاره ترین است. آنها طیف شگفت انگیزی از خواص، از جمله استحکام عالی و سفتی بالا را ارائه می دهند. الیاف آسفالت از قیر نفتی یا قطران زغال سنگ ساخته می شوند و دارای سختی بالا تا بسیار زیاد و ضریب انبساط حرارتی محوری منفی (CTE) هستند. ویژگیهای CTE آنها بهویژه در کاربردهای فضاپیما که به مدیریت حرارتی نیاز دارند، مانند پوشش ابزار الکترونیکی، مفید است.
اگرچه الیاف کربن از الیاف شیشه یا آرامید قوی تر هستند، اما نه تنها در برابر ضربه مقاومت کمتری دارند، بلکه در تماس با فلز دچار خوردگی گالوانیکی نیز می شوند. تولیدکنندگان با استفاده از مواد مانع یا لایههای پرده (معمولاً فایبرگلاس/اپوکسی) در طول فرآیند لمینت بر مشکل دوم غلبه میکنند.
شکل اصلی الیاف فیبر کربن با کارایی بالا یک بسته فیبر پیوسته به نام بسته فیلامنت است. یک بسته فیبر کربن از هزاران رشته پیوسته و بدون پیچش تشکیل شده است، تعداد رشته ها با عددی به دنبال "K" نشان داده می شود، که به معنای ضرب در 1،000 است (برای مثال، 12K به این معنی است که تعداد رشته ها 12، 000). دسته ها را می توان مستقیماً در فرآیندهایی مانند سیم پیچی رشته یا قالب گیری پالتروژن استفاده کرد یا می تواند به نوارهای یک طرفه، پارچه ها و سایر اشکال تقویت شده تبدیل شود.
