Понимание армированного волокном пластика

Сегодня использование армированных волокном пластиков в продуктах и ​​приложениях резко возросло из-за их различных свойств. Это относительно новый класс неагрессивных, высокопрочных и легких материалов. основным компонентом является пластик, который содержит волокна, такие как стекло (в стекловолокне), углерод (в полимере, армированном углеродным волокном), арамид или базальт. Другие волокна, такие как бумага, дерево или асбест, также используются, но редко.

Армированные волокном пластмассы или полимеры (FRP) обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной отраслях. Все это будет объяснено в этой статье.

Сегодня мы подробно рассмотрим определение, области применения, компоненты, свойства, типы, процесс формования и требования к материалам армированных волокном пластиков. Мы также познакомимся с их преимуществами и недостатками.

Что такое пластмассы, армированные волокном?

Пластики, армированные волокном (FRP), также называемые полимерами, армированными волокном, относятся к категории композитных пластиков, в которых специально используются волокнистые материалы для механического повышения эластичности и прочности пластика. Они состоят из полимерной матрицы, представляющей собой исходный пластик (обычно жесткий, но непрочный). Материал смешивают с армирующим материалом, чтобы получить конечный продукт с желаемым материалом или механическими свойствами. Давайте разберемся в этом подробно!

Традиционно полимер обычно получают в процессе полимеризации или аддитивной полимеризации. Его можно комбинировать с различными агентами для улучшения или улучшения его свойств материала, которые затем можно назвать пластиками. Композитные пластики — это виды пластиков, которые получаются из двух или более однородных материалов с разными свойствами материала для получения конечного продукта с определенными желаемыми свойствами материала и механическими свойствами. Хорошим примером композитного пластика является армированный волокном пластик, поскольку волокнистые материалы используются для механического повышения прочности и эластичности пластика. В качестве полимера обычно используется винилэфирный или полиэфирный термореактивный пластик, также используются эпоксидные, фенолформальдегидные смолы.

Применение армированного волокном пластика

Ниже приведены области применения FRP в различных областях.

Автомобильная промышленность

Пластик, армированный волокном, стал заменой металла в кузовах современных роскошных автомобилей, а также боковых стенках кузовов грузовиков и прицепов. Это связано с тем, что они практически одинаковой прочности, но разного веса, к тому же высокое соотношение прочности к весу является святым Граалем для автомобильной промышленности. FRP имеют более высокие точки излома, чем сталь, и представляют собой прочный, жесткий и легкий материал, который снижает расход топлива при увеличении скорости. Материал легко формуется для формирования желаемых компонентов. Использование этого композитного пластика в этой области чрезвычайно велико.

Тип армированного волокном пластика, такой как стекловолокно, используется для компонентов двигателя, таких как впускной коллектор. Это уменьшает до 60% его веса и упрощает конструкцию. Хотя стеклянные FRP слабее и могут легко сгибаться по сравнению с углеродными FRP.

Потребительские товары

Сегодня в нашей повседневной жизни легче поднимать снаряжение, особенно спортсменам. Это связано с тем, что для производства товаров используется углерод и другой пластик, армированный волокном. Почти 6% FRP используются для производства потребительских товаров. Другие предметы, такие как музыкальные инструменты или их компоненты, огнестрельное оружие, туристические палатки и штативы для фотоаппаратов, также извлекли пользу из этих материалов.

Защитное снаряжение

Когда в FRP используются соединения, известные как арамиды, получается материал с чрезвычайно высокой термостойкостью и ударопрочностью. При использовании достигается исключительная механическая прочность. Вот почему он идеально подходит для изготовления пуленепробиваемых и огнестойких костюмов, взрывозащитных машин и конструкций.

Строительная отрасль

Область строительства заняла около 20% армированного волокном пластика, включая мосты и дороги. Применение FRP в строительстве может использоваться для модернизации плит, колонн или балок существующих конструкций. Это повышает их несущую способность или устраняет повреждения. Пластик, армированный волокном, чрезвычайно экономичен и полезен, когда речь идет об оснащении старых конструкций, выдерживающих гораздо большие нагрузки, чем они были рассчитаны.

FRP также используются для изготовления дорожных конструкций, таких как вывески, ограждения, дренажные системы и настилы мостов. Этот материал также используется для автомагистралей, столбов электропередач и трубопроводов газа, воды и канализации. Стеклопластики идеально подходят для строительства сборных домов, но они широко используются для производства домашней и офисной мебели, бытовой техники, плавательных бассейнов, водосточных желобов, сантехники, а также фитингов для труб и вытяжек.

Электроэнергетика

Ожидается, что спрос на FRP вырастет более чем на 300% в промышленности и энергетике. Особенно в электронных и электрических компонентах.

Большинство FRP являются хорошими электрическими изоляторами, устойчивы к суровым химическим веществам окружающей среды, в том числе коррозионным, могут сопротивляться разрушению из-за нагревания. Кроме того, они относительно негорючи, имеют хорошую структурную целостность и даже могут выдерживать ультрафиолетовое излучение. Стеклопластики немагнитны, а также устойчивы к искрообразованию, что делает их полезными в силовых компонентах.

Наконец, армированные пластмассы используются для изготовления лопастей ветряных турбин и модулей хранения газовых баллонов.

Аэрокосмические приложения

Применение FRP в аэрокосмической области расширяется из-за более низких экологических затрат и дальнейшего развития. Углеродные волокна в FRP снижают вес на 25%, но обеспечивают равную или большую прочность по сравнению с алюминиевыми листами. Они обладают хорошей прочностью на растяжение и могут выдерживать суровые условия окружающей среды и чрезвычайно высокие температуры. Однако они мало расширяются при нагреве и обладают высокой жесткостью.

Применение FRP в аэрокосмической отрасли изначально дорого, но тем не менее позволяет сэкономить больше денег, поскольку каждый грамм дополнительного веса вызывает сожаление из-за влияния на расход топлива, дальность поездки и затраты, аэродинамическую безопасность и т. д.

Сложные детали из углепластика можно легко формовать, уменьшая количество деталей на поразительные 95%. Это делает производство проще, дешевле и быстрее по сравнению с другими материалами, такими как сталь или литой алюминий. Современные гигантские самолеты более чем на 50 % состоят из углеродного FRP. Такие детали, как лопасти винта вертолета на высококлассных дронах, также все чаще изготавливаются из этого материала.

Морская инфраструктура

Армированный волокном полимер стал идеальной заменой дереву на кораблях или в морской прибрежной среде. Это помогает снизить вес конструкции и повысить коррозионную стойкость. Другие приложения включают плавучие дамбы и платформы для морских баз и разводных мостов.

Компоненты композитных материалов

Ниже приведены компоненты, из которых состоит армированный волокном пластик.

Волокна:

Выбранное волокно обычно определяет свойства композиционных материалов. Три основных типа волокон, используемых в строительстве, включают углерод, стекло и арамид. Его часто называют армирующим волокном, например, CFRP для полимера, армированного углеродным волокном. Наиболее распространенными и важными свойствами, отличающими типы волокон, являются деформация при растяжении и жесткость.

Матрицы

Матрица может передавать усилия между волокнами и защищает их от вредных воздействий. В этой ситуации почти исключительно используются термореактивные смолы. Наиболее распространенными матрицами являются винилэфирные и эпоксидные. Что ж. Эпоксидная смола часто предпочтительнее винилэфирной, но она также более дорогая. Жизнеспособность эпоксидных матриц составляет около 30 минут при температуре 20 градусов Цельсия, но ее можно изменить с помощью других составов. Он обладает хорошей прочностью, сцеплением, свойствами ползучести и химической стойкостью.

Рис. 2. FRP изготавливается компанией Fiber Plus Matrix

Кроме того, исходный пластиковый материал без армирования волокнами известен как матрица или связующее вещество. Эта матрица представляет собой прочный, а также относительно слабый пластик, который армирован более прочными и жесткими армирующими нитями или волокнами. Уровень прочности и эластичности армированного волокном пластика зависит от механических свойств как матрицы, так и волокна. Также учитываются их объем относительно друг друга, а также длина и ориентация волокон в матрице. Усиление матрицы происходит по определению, когда материал FRP демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с прочностью и эластичностью одной матрицы.

Общие свойства пластиков, армированных волокном

Как упоминалось ранее, характеристики армированных волокном пластиков зависят от таких факторов, как механические свойства матрицы и волокна. Объем обоих, и их длина, и ориентация волокон в матрице.

Причина, по которой FRP широко рассматриваются, заключается в их малом весе, но они невероятно прочны и обладают хорошей утомляемостью. Кроме того, его удары и свойства сжатия являются уникальной причиной. Вот почему автомобильная промышленность смогла заменить металлы более легкими материалами, чтобы не только сделать автомобили более прочными, но и более быстрыми и экономичными.

Пластики, армированные волокном, также демонстрируют отличительные электрические свойства и высокую устойчивость к воздействию окружающей среды, наряду с хорошей теплоизоляцией, структурной целостностью, огнестойкостью, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и устойчивостью к химическим и коррозионным веществам. Ну, все это было упомянуто выше.

Требования к материалам или распространенные волокнистые материалы

Ниже представлены волокна, используемые для получения армированного полимера определенного типа.

Стекло:

стекло, которое действует как хороший изолятор, в сочетании с матрицей образует стекловолокно или стеклопластик. Пластмассы, армированные стеклом, выгодны для энергетики, так как не имеют магнитного поля и устойчивы к электрическим искрам. Они встроены во впускные коллекторы двигателей, что обеспечивает снижение веса на 60% по сравнению с коллекторами из литого алюминия. Наконец, для этих материалов достигается улучшенное качество поверхности и аэродинамика.

Стекло FRP также используется в педалях газа и сцепления в автомобилях, поскольку они могут быть отлиты в единое целое. Волокна ориентированы таким образом, что они выдерживают определенные нагрузки, повышая долговечность и безопасность. Однако эти армированные материалы не являются прочными, жесткими или хрупкими, как материалы, армированные углеродным волокном. Его производство может быть дорогим.

Углерод

Материалы из углеродных волокон обладают высокой прочностью на растяжение, химической стойкостью, жесткостью и термостойкостью. Атомы углерода создают кристаллы, лежащие вдоль оси волокна, что способствует упрочнению материалов за счет увеличения отношения прочности к объему. Как объяснялось ранее, пластмассы, армированные углеродным волокном, используются в спортивных товарах, планерах, рыболовных удочках и т. д.

Углеродные FRP были включены в рули направления Airbus A310, что помогло уменьшить количество компонентов на 95%. Простые формованные детали снизили себестоимость производства и эксплуатационные расходы. Теперь они на 25 % легче, чем те, которые производятся из листового алюминия, что делает их более экономичными.

Арамиды 

Арамиды классифицируются как синтетические полиамиды, образованные из ароматических мономеров (кольцевых молекул). Это демонстрирует надежную термостойкость, поэтому они используются для изготовления пуленепробиваемой и огнестойкой одежды.

Арамиды обычно получают реакцией между аминогруппой и галогенидной группой карбоновой кислоты (арамидом). Это происходит, когда ароматический полиамид превращается из жидкой концентрации серной кислоты в кристаллизованное волокно. Затем волокна скручивают в более крупные нити, чтобы сплести их в большие веревки или тканые ткани. Арамидные волокна могут изготавливаться различных сортов в зависимости от прочности и жесткости, чтобы материал соответствовал определенным требованиям к конструкции, таким как резка прочного материала во время производства.

Типы полимеров, армированных волокном (FRP)

Ниже приведены основные типы полимеров, армированных волокном.

Армированный стекловолокном полимер (GFRP)

Стекловолокно изготавливают из кварцевого песка, известняка, фолиевой кислоты и некоторых других второстепенных ингредиентов. Эту смесь нагревают до тех пор, пока она не расплавится при температуре около 1260 ⁰ . C. Расплавленному стеклу позволяют течь через тонкие отверстия в платиновой пластине. Стеклянные нити охлаждают, собирают и наматывают. Затем волокна можно вытягивать для увеличения их размерной прочности. Затем он вплетается в различные формы для использования в композитах.

Волокна, полученные из стекла, рассматриваются в качестве преобладающего армирующего материала для композитов с полимерной матрицей на основе алюмо-известково-боросиликатной композиции. Это связано с их высокими электроизоляционными свойствами, высокими механическими свойствами и низкой восприимчивостью.

Как правило, стекло является хорошим ударопрочным волокном, но весит больше, чем углерод или арамид. Стекловолокно имеет превосходные характеристики, равные или превосходящие характеристики стали в определенных формах.

Полимерные стержни, армированные стекловолокном

Полимер, армированный углеродным волокном (CFRP)

В полимере или пластике, армированном углеродным волокном, гарантирован высокий модуль упругости около 200-800 ГПа. Предельное удлинение составляет 0,3-2,5 %, где более низкое удлинение соответствует более высокой жесткости, и наоборот.

Углеродные волокна устойчивы ко многим химическим растворам и не впитывают воду. Они также отлично выдерживают усталость, не подвержены коррозии, не проявляют ползучести или релаксации.

Полимерные стержни, армированные углеродным волокном

Полимер, армированный арамидным волокном (AFRP)

Арамид также известен как ароматический полиамид. Хорошо известная торговая марка арамидных волокон называется кевлар, но существуют и другие продукты, такие как Twaron, Technora и SVM. Модуль волокон колеблется в пределах 70-200 ГПа с предельным удлинением 1,5-5% в зависимости от качества. Арамид имеет высокую энергию разрушения, поэтому его можно использовать для шлемов и пуленепробиваемой одежды.

AFRP чувствителен к повышенным температурам, влаге и ультрафиолетовому излучению и не используется в гражданском строительстве. Наконец, арамидные волокна имеют проблемы с релаксацией и коррозией под напряжением.

Свойства различных типов FRP по сравнению со сталью

Процесс формования армированного волокном пластика

Большинство деталей из армированного волокном пластика изготавливаются с помощью пресс-формы или инструмента. Используемая форма может быть вогнутой охватывающей или охватываемой, или деталь может быть полностью закрыта верхней или нижней формой. Но жесткая конструкция обычно используется для определения формы компонентов FRP. детали могут быть уложены либо на плоские поверхности, известные как «кожух», либо на цилиндрическую конструкцию, называемую «оправкой».

Процессы формования пластмасс, армированных волокном, осуществляются путем размещения волокнистой заготовки на пресс-форме или в ней. Эта заготовка волокна может быть сухим волокном или волокном, которое уже содержит определенное количество смолы, известной как «препрег». Сухие волокна смачиваются смолой либо вручную, либо смола впрыскивается в закрытую форму. На этом этапе деталь отверждается, оставляя матрицу и волокна точно такими же, как форма формы. Еще один способ отверждения смолы и способ улучшения качества конечной детали — использование тепла и/или давления.

Посмотрите видеоролики ниже, чтобы узнать больше о процессе формования армированного волокном пластика:

Ниже представлены различные методы формирования армированного волокном пластика.

Форма мочевого пузыря:

Этот процесс формования заключается в том, что отдельные листы препрега укладываются и помещаются в пресс-форму женского типа вместе с баллоном, похожим на баллон. Затем форму закрывают и помещают в нагретый пресс. Наконец, в камере создается давление, прижимающее слой материала к стенкам формы.

Компрессионное формование:

Деталь, формованная под давлением, известна как пластик, армированный волокном. Таким образом, когда сырье, такое как пластиковый блок, резиновый блок, пластиковый лист или гранулы, называется так. Пластиковая заготовка, используемая при компрессионном формовании, не содержит армирующих волокон. При этом формовании преформа или загрузка SMC или BMC помещается в полость пресс-формы. Затем форма закрывается, а материал формуется и отверждается внутри с помощью тепла и давления. Компрессионное формование известно своей превосходной детализацией геометрических форм, начиная от узоров и рельефов и заканчивая сложными кривыми и творческими формами, а также точным проектированием.

Автоклав и вакуумный мешок:

Каждый лист препрега укладывается и помещается в открытую форму, которая затем покрывается разделительной пленкой, воздухопроницаемым или воздухопроницаемым материалом и вакуумным мешком. На деталь воздействует вакуум, и форма помещается в автоклав, также известный как сосуд высокого давления. Деталь отверждается в постоянном вакууме для удаления захваченных газов из ламината. Этот процесс распространен в аэрокосмической промышленности, поскольку он обеспечивает точный контроль над формованием благодаря длительному и медленному циклу отверждения. Время колеблется от одного до нескольких часов. Этот точный контроль помогает создавать точные геометрические формы ламината, необходимые для обеспечения прочности и безопасности в аэрокосмической промышленности. Однако это медленно и трудоемко, то есть стоимость часто ограничивает его аэрокосмической промышленностью.

Обертка оправки:

В этом процессе формования армированного волокном пластика листы препрега наматываются на стальную или алюминиевую оправку. Этот препрег уплотняется полипропиленовой виолончельной лентой или нейлоном. Детали отверждаются в вакуумном мешке и подвешиваются в печи. После отверждения лента для виолончели и оправка удаляются, оставляя полоску из углеродного волокна. Это помогает создавать прочные и надежные полые углеродные трубы.

Мокрая укладка:

Этот процесс формования сочетает в себе армирование волокном и матрицу, когда они помещаются на формовочный инструмент. Слои армирующего волокна помещают в открытую форму, которую затем пропитывают влажной смолой, выливая ее на ткань и втирая ее в ткань. Форму оставляют на некоторое время, чтобы смола затвердела, обычно при комнатной температуре. Хотя иногда можно использовать тепло, чтобы убедиться, что он правильно вылечен. Вакуумный мешок используется для сжатия влажного слоя. Стеклянные волокна являются наиболее распространенными для этого процесса, в результате чего они известны как стекловолокно. Он используется для изготовления лыж, каноэ, досок для серфинга и т. д.

Трансферное формование смолы:

Этот процесс формирования армированного волокном пластика также называется инфузией смолы. Ткани укладываются в форму, в которую впрыскивается влажная смола. Смола обычно находится под давлением и нагнетается в полость, которая находится под вакуумом при литьевом формовании смолы. Смола полностью втягивается в полость под вакуумом при вакуумном трансферном формовании смолы. Этот процесс обеспечивает точную точность и детализированную форму. Хотя иногда ему не удается полностью пропитать ткань, что приводит к появлению пятен на окончательной форме.

Намотка накаливания:

В этом процессе используются машины, которые 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, хотя в некоторых ситуациях она остается.

Пультрузия:

Пучки волокон и ткани с прорезями протягивают через влажную ванну со смолой, которая затем формирует грубую форму детали. Насыщенный материал выдавливается из нагретой закрытой головки, который отверждается при непрерывном протягивании через головку. Большинство конечных продуктов пултрузии представляют собой структурные формы, т. Е. Двутавр, угол, швеллер и плоский лист. Материалы можно использовать для создания всевозможных конструкций из стекловолокна, таких как лестницы, резервуары с поручнями, платформы, трубы и опоры для насосов.

Измельчитель:

Непрерывные нити стекловолокна проталкиваются через ручной пистолет, который разрезает нити и соединяет их с помощью катализируемой смолы, такой как полиэфир. Пропитанное рубленое стекло затем выбрасывается на поверхность формы с соответствующей толщиной и дизайном, который человек-оператор считает правильным. Процесс измельчения пистолета идеально подходит для больших производственных циклов по экономичной цене, но он позволяет получать геометрические формы с меньшей прочностью, чем другие процессы формования, и имеет плохой допуск на размеры.

Преимущества и недостатки армированного волокном пластика

Преимущества:

Ниже приведены преимущества армированных волокном пластиков в различных областях их применения.

• FRP обладает высокой прочностью
• Они обладают высоким модулем упругости.
• Они легче по весу
• Еще одним важным преимуществом является высокая устойчивость к усталостным разрушениям.
• Они обладают хорошей коррозионной стойкостью.
• Жесткость — еще одно большое преимущество стеклопластиков, поскольку они в 3,3 раза жестче древесины и не деформируются под нагрузкой.
• Устойчивость к гниению и насекомым.
• Конечный продукт из армированного волокном пластика может быть привлекательным, поэтому для него может не потребоваться покраска, морилка и покрытие.
• Гибкость в процессе изготовления и проектирования
• FRP являются хорошими изоляторами с низкой теплопроводностью.
• Типы FRP из стекловолокна эластичны, то есть материал имеет твердое покрытие.
• Техническое обслуживание и установка стеклопластиков ниже, несмотря на то, что нержавеющая сталь имеет меньшую первоначальную стоимость материала, чем армированный волокном пластик.

Недостатки:

Несмотря на большие преимущества армированного волокном пластика, все же существуют некоторые ограничения. ниже приведены недостатки FRP.

• Их прочность в направлении, перпендикулярном волокнам, крайне мала (до 5%) по сравнению с прочностью по длине волокон.
• Материальный дизайн может быть сложным
• Испытания и производство компонентов FRP являются узкоспециализированными.

Заключение

В этой статье вы узнали о пластиках, армированных волокном, их определении, применении, композитных компонентах и ​​требованиях к материалам. Мы также обсудили различные типы, процессы формования, а также преимущества и недостатки пластиков, армированных волокном.

Надеюсь, вам понравилось чтение, если да, пожалуйста, прокомментируйте ваш любимый раздел этой статьи. И, пожалуйста, не забудьте поделиться этой статьей с другими студентами технических вузов, возможно, она им поможет. Спасибо!