Что такое ориентация волокон и почему она важна?

Композит представляет собой гетерогенную смесь двух или более различных материалов, объединенных для преодоления индивидуальных ограничений каждого материала и создания более прочного продукта в целом. Окончательные свойства композита в конечном счете зависят от физических и химических свойств материалов, из которых он изготовлен.

Однако, вообще говоря, композиты можно механически усилить за счет добавления волокон. Прочность, эластичность и технологичность повышаются за счет армирования волокнами, но в какой степени это зависит от положения самих волокон или их ориентации.

Но как ориентация волокна влияет на качество и производительность детали при ее конечном использовании? Здесь есть все, что вам нужно знать об ориентации волокон, а также основные соображения для инженеров.

Что такое ориентация волокон?

Ориентация волокон при литье под давлением относится к способу расположения отдельных волокон для облегчения оптимального структурного расположения в полимерном композите, армированном волокнами. По мере того как впрыскиваемый материал течет через форму, возникающее в результате выравнивание волокон изменяет геометрию полости формы, что оказывает непосредственное влияние на механические свойства.

Армированный волокном полимерный композит (FRP) состоит из трех частей:полимерной матрицы, армирующих волокон и тонкой межфазной области. Полимерная матрица, обычно термореактивная или термопластическая, представляет собой связующее вещество, удерживающее армирующие волокна на месте во время литья под давлением. Он также определяет разрушающие свойства композита, такие как химическая стойкость или ползучесть. Если матрица — это плоть, а армирующие волокна — это кость, вместе они образуют прочную конечность или композит.

Стеклопластики известны своими высокими механическими характеристиками, устойчивостью к коррозии и износу, долговечностью и гибкостью конструкции. По этим причинам армированные волокнами полимерные композиты находят широкое применение в аэрокосмической, биомедицинской и морской отраслях, но особенно популярны они в стоматологической промышленности.

Инженеры могут настраивать полимерные композиты, армированные волокном, путем смешивания и подбора различных матриц и армирующих волокон для достижения желаемого эффекта. Ориентация волокон — это основной способ, с помощью которого инженеры делают литьевые материалы более прочными, и секрет успеха FRP.

Стекло и углеродное волокно

Армированный волокном полимерный композит настолько прочен, насколько прочны его композитные материалы, и это относится как к полимерным матрицам, так и к армирующим волокнам. Матрицы, изготовленные из термореактивных материалов, таких как полиэфиры или эпоксидные смолы, обладают высокой размерной и термической стабильностью, а также стойкостью к растворителям. С другой стороны, термопласты, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), в этом случае более прочные, чем термореактивные, и любой композит, изготовленный с использованием этой полимерной матрицы, будет менее хрупким.

Волокнистые армирующие материалы оказывают огромное влияние на плотность композита, механические свойства, электро- и теплопроводность детали. Как правило, лучшими типами волокон для литья под давлением являются стекло и углерод.

Стеклянные волокна доступны по цене и обладают высоким пределом текучести при растяжении и высокой химической/термостойкостью. Они также являются хорошими изоляторами, идеально подходящими для электрических применений. Композиты из стекловолокна также имеют гораздо более высокий модуль упругости, чем пластмассы, не содержащие стекловолокна.

Углеродные волокна бывают двух видов:углерод на основе полиакрилонитрила (PAN) и углерод, полученный из смолы. Углеродные волокна чрезвычайно теплопроводны, с низким коэффициентом линейного теплового расширения. Они также обладают высокой прочностью на растяжение и модулем упругости, а также высокой усталостной прочностью.

Недостатки углеродных волокон включают тот факт, что они могут быть относительно неэффективными с точки зрения затрат, они имеют низкую ударопрочность и часто окисляются при высокой температуре. Кроме того, высокая электропроводность углеродных волокон может вызвать нежелательный электрический разряд в незащищенном оборудовании.

Почему важна ориентация волокон в композитах?

В композитных материалах ориентация волокон может сильно повлиять на прочность детали. Четыре из наиболее распространенных ориентаций армированных волокном композитов:однонаправленная, произвольная, двунаправленная и многонаправленная. Независимо от направления волокон в материале, ориентация волокон может значительно улучшить механические и химические свойства отлитых под давлением деталей.

Армирующие волокна могут помочь равномерно распределить структурную нагрузку детали по сети опорных точек вместо того, чтобы возлагать ее всю на одну или две централизованные точки давления. Ориентация волокон обеспечивает макроскопическую жесткость и прочность, что играет жизненно важную роль в улучшении механических свойств детали.

Более того, композиты, армированные волокном, выигрывают от химических свойств, придаваемых им их полимерными матрицами и армирующими волокнами. Стекловолокно обладает отличной термостойкостью, а углеродное волокно обладает превосходной теплопроводностью. С помощью композитов, армированных волокном, инженеры могут придавать своим отлитым под давлением деталям практически любые механические или термические свойства.

Ориентация волокон с быстрым радиусом

Композиты, армированные волокном, так же прочны, как сумма их частей, то есть они очень прочны. Композитные материалы — хороший выбор для инженеров, которые хотят создавать детали, требующие высокой термостойкости, прочности и долговечности. Опытный партнер-производитель поможет вам выбрать ориентацию стекла или углеродного волокна, которая сделает вашу конструкцию максимально прочной.

В Fast Radius мы поставили перед собой задачу служить универсальным магазином для всего, что связано с производством, от проектирования до прототипирования и реализации. Наша команда высококвалифицированных дизайнеров и инженеров готова обеспечить комплексную поддержку любого проекта. Вместе мы можем сделать новые вещи возможными. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить предложение.

Дополнительные статьи о материалах, методах производства и отраслевых тенденциях можно найти в ресурсном центре Fast Radius.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату