Komposiitti materiaali - Composite material
Komposiittimateriaali (kutsutaan myös koostumus materiaalia tai lyhentää komposiitti , joka on yleinen nimi) on materiaali , joka on valmistettu kahdesta tai useammasta rakennemateriaalit. Näillä ainesosilla on huomattavasti erilaiset kemialliset tai fysikaaliset ominaisuudet ja ne yhdistetään muodostamaan materiaali, jolla on erilaiset ominaisuudet kuin yksittäisillä elementeillä. Valmiissa rakenteessa yksittäiset elementit pysyvät erillisinä ja erillisinä, erottaen komposiitit seoksista ja kiinteistä liuoksista .
Tyypillisiä suunniteltu komposiitit sisältää:
- Teräsbetoni ja muuraus
- Komposiittipuuta , kuten vaneria
- Vahvistetut muovit , kuten kuituvahvisteinen polymeeri tai lasikuitu
- Keraamiset matriisikomposiitit ( keraamiset ja metalliset komposiittimatriisit )
- Metallimatriisikomposiitit
- ja muita kehittyneitä komposiittimateriaaleja
On monia syitä, miksi uutta materiaalia voidaan suosia. Tyypillisiä esimerkkejä ovat materiaalit, jotka ovat halvempia, kevyempiä, vahvempia tai kestävämpiä kuin tavalliset materiaalit.
Viime aikoina tutkijat ovat myös alkaneet aktiivisesti sisällyttää tunnistamisen, aktivoinnin, laskennan ja viestinnän komposiitteihin, joita kutsutaan robottimateriaaleiksi .
Komposiittimateriaaleja käytetään yleensä rakennusten , siltojen ja rakenteiden kuten laivojen rungot , uima-allas paneelit , kilpa- elimet, suihku Torit, kylpyamme , varastosäiliöt , jäljitelmä graniitti ja viljellyt marmori nieluja ja työtasot. Niitä käytetään myös yhä enemmän yleisissä autoteollisuuden sovelluksissa.
Edistyneimmät esimerkit toimivat rutiininomaisesti avaruusaluksilla ja lentokoneilla vaativissa ympäristöissä.
Historia
Varhaisimmat komposiittimateriaalit tehtiin olki ja muta yhdistetään tiilet varten rakennuksen rakentamista . Muinainen tiilien valmistus dokumentoitiin Egyptin hautamaalauksilla .
Wattle and daub on yksi vanhimmista komposiittimateriaaleista, yli 6000 vuotta vanha. Betoni on myös komposiittimateriaali, ja sitä käytetään enemmän kuin mitään muuta synteettistä materiaalia maailmassa. Vuodesta 2006 lähtien betonia valmistetaan vuosittain noin 7,5 miljardia kuutiometriä - enemmän kuin yksi kuutiometri jokaista maapallon ihmistä kohti.
- Puumaiset kasvit , sekä puista peräisin olevaa puuta että kasveja, kuten palmuja ja bambua , tuottavat luonnollisia komposiitteja, joita ihmiskunta käytti esihistoriallisesti ja joita käytetään edelleen laajalti rakentamisessa ja rakennustelineissä.
- Vaneri , 3400 eaa., Muinaisten Mesopotamian asukkaiden toimesta; puun liimaaminen eri kulmista antaa parempia ominaisuuksia kuin luonnonpuu.
- Kartonki , pellava- tai papyruskerrokset, jotka on kastettu kipsiin, ovat peräisin Egyptin ensimmäiseltä välikaudelta n. 2181–2055 eKr., Ja sitä käytettiin kuolemamaskeissa .
- Cob -muta -tiiliä tai mudaseiniä (käyttäen mutaa (savea) oljella tai soralla sideaineena) on käytetty tuhansia vuosia.
- Vitruvius kuvasi betonia ja kirjoitti noin vuonna 25 eKr. Kymmenessä arkkitehtuurikirjassaan , erottaen kiviaineksen tyypit, jotka sopivat kalkkilaastien valmistukseen . Sillä rakenteellinen laastit , hän suositteli pozzolaania , jotka olivat tulivuoren hiekka pois sandlike sängyt Pozzuoli ruskehtavan keltainen-harmaa lähellä Napolin ja punaruskea klo Roomassa . Vitruvius määrittää suhteessa 1 osa kalkkia ja 3 osaa pozzolanaa rakennuksissa käytettäviin sementteihin ja 1: 2 kalkin ja pulvis Puteolanus -suhteen vedenalaiseen työhön, olennaisesti sama suhde tänään sekoitettuna betoniin, jota käytetään merellä. Luonnolliset sementtikivet tuottivat polttamisen jälkeen betoneja, joita käytettiin betonissa post-roomalaisesta ajasta 1900-luvulle, ja joillakin ominaisuuksilla oli paremmat ominaisuudet kuin valmistetulla portland-sementillä .
- Papier-mâchéa , paperin ja liiman yhdistelmää, on käytetty satoja vuosia.
- Ensimmäinen tekokuituvahvisteinen muovi oli lasikuidun ja bakeliitin yhdistelmä , jonka esittivät vuonna 1935 Al Simison ja Arthur D Little Owens Corning Companyssä
- Yksi yleisimmistä ja tutuimmista komposiiteista on lasikuitu , jossa pieniä lasikuituja on upotettu polymeerimateriaaliin (normaalisti epoksiin tai polyesteriin). Lasikuitu on suhteellisen vahva ja jäykkä (mutta myös hauras), kun taas polymeeri on taipuisaa (mutta myös heikkoa ja joustavaa). Näin saatu lasikuitu on suhteellisen jäykkä, vahva, joustava ja taipuisa.
Esimerkkejä
Komposiitti materiaalit
Betoni on yleisin keinotekoinen komposiittimateriaali, ja se koostuu tyypillisesti löysistä kivistä (kiviaineksesta), joita pidetään sementtimatriisin kanssa . Betoni on halpa materiaali, eikä se puristu tai rikkoudu edes suurilla puristusvoimilla. Betoni ei kuitenkaan kestä vetorasitusta (ts. Venytettynä se hajoaa nopeasti). Siksi, jotta betoni kykenee vastustamaan venytystä, betoniin lisätään usein teräspalkkeja, jotka kestävät suuria venytysvoimia (teräsvoimia) raudoitetun betonin muodostamiseksi .
Kuituvahvisteisia polymeerejä ovat hiilikuituvahvisteinen polymeeri ja lasivahvisteinen muovi . Jos matriisin mukaan luokitellaan, on olemassa kestomuovikomposiitteja , lyhyen kuidun kestomuovia , pitkän kuidun kestomuovia tai pitkiä kuituvahvisteisia kestomuovia. Lämpökovettuvia komposiitteja on lukuisia , mukaan lukien paperikomposiittipaneelit . Monia kehittyneitä lämpökovettuvan polymeerimatriisiin järjestelmät sisältävät yleensä aramidi- kuitua ja hiilikuitu käytettäessä epoksihartsin matriisin.
Muotomuistipolymeerikomposiitit ovat korkean suorituskyvyn komposiitteja, jotka on muotoiltu käyttämällä kuitu- tai kangasvahvistusta ja muotomuistipolymeerihartsia matriisina. Koska matriisina käytetään muotomuistipolymeerihartsia, näitä komposiitteja voidaan helposti käsitellä erilaisiin kokoonpanoihin, kun niitä kuumennetaan aktivointilämpötilojensa yläpuolelle, ja niillä on suuri lujuus ja jäykkyys alemmissa lämpötiloissa. Ne voidaan myös lämmittää ja muotoilla uudelleen toistuvasti menettämättä materiaaliominaisuuksiaan. Nämä komposiitit ovat ihanteellisia sovelluksiin, kuten kevyisiin, jäykkiin, siirrettäviin rakenteisiin; nopea valmistus; ja dynaaminen vahvistus.
Suurikokoiset komposiitit ovat toinen korkean suorituskyvyn komposiittityyppi, joka on suunniteltu toimimaan suurissa muodonmuutoksissa ja jota käytetään usein käyttöönotettavissa järjestelmissä, joissa rakenteellinen taipuminen on edullista. Vaikka suurikokoisilla komposiiteilla on monia yhtäläisyyksiä muistipolymeerien muotoiluun, niiden suorituskyky riippuu yleensä kuituasettelusta matriisin hartsipitoisuuden sijaan.
Komposiitit voivat käyttää myös metallikuituja, jotka vahvistavat muita metalleja, kuten metallimatriisikomposiiteissa (MMC) tai keraamisissa matriisikomposiiteissa (CMC), joihin kuuluu luu ( kollageenikuiduilla vahvistettu hydroksiapatiitti ), kermetti (keraaminen ja metalli) ja betoni . Keraamiset matriisikomposiitit on rakennettu ensisijaisesti murtumiskestävyyden , ei lujuuden vuoksi. Toinen komposiittimateriaaliluokka sisältää kudottua kangaskomposiittia, joka koostuu pitkittäis- ja poikittaissidoksista. Kudotut kangaskomposiitit ovat joustavia, koska ne ovat kankaan muodossa.
Orgaanisia matriisi/keraamisia aggregaatteja ovat asfalttibetoni , polymeeribetoni , mastiksiasfaltti , mastirullahybridi , hammaskomposiitti , syntaktinen vaahto ja helmi . Chobham -panssari on erityinen komposiittipanssari, jota käytetään sotilaskäyttöön.
Lisäksi kestomuoviset komposiittimateriaalit voidaan formuloida erityisillä metallijauheilla, jolloin saadaan materiaaleja, joiden tiheys on 2 g/cm 3 - 11 g/cm 3 (sama tiheys kuin lyijy). Tämän tyyppisen materiaalin yleisin nimi on "korkean painovoiman yhdiste" (HGC), vaikka käytetään myös "lyijyn korvaamista". Näitä materiaaleja voidaan käyttää perinteisten materiaalien, kuten alumiinin, ruostumattoman teräksen, messingin, pronssin, kuparin, lyijyn ja jopa volframin, sijasta painotuksessa, tasapainottamisessa (esimerkiksi tennismailan painopisteen muuttamisessa ), tärinänvaimennuksessa, ja säteilysuojaussovellukset. Suuritiheyksiset komposiitit ovat taloudellisesti kannattava vaihtoehto, kun tiettyjä materiaaleja pidetään vaarallisina ja ne on kielletty (kuten lyijy) tai kun toissijaiset käyttökustannukset (kuten koneistus, viimeistely tai pinnoitus) ovat tekijä.
On tehty useita tutkimuksia, jotka osoittavat, että jäykien ja hauraiden epoksipohjaisten hiilikuituvahvisteisten polymeerilaminaattien limittäminen joustavien kestomuovisten laminaattien kanssa voi auttaa tekemään erittäin karkaistuja komposiitteja, joilla on parempi iskunkestävyys. Toinen mielenkiintoinen seikka on, kuten limitetyn komposiittien on se, että ne voivat olla muodoltaan muisti käyttäytyminen ilman mitään muotomuisti polymeerejä tai muistimetalleista esim balsaa kerrosta on lomitettu kuumaliimalla, alumiini kerrosta limittää kanssa akryyli- polymeerien tai PVC: tä ja hiilikuituvahvisteisia polymeeri laminaatteja limitetty kanssa polystyreeni .
Sandwich-rakenne komposiitti on erikoisluokan komposiittimateriaalista, joka on valmistettu liittämällä kaksi ohutta, mutta jäykkää nahat kevyt mutta paksu ydin. Ydinmateriaali on tavallisesti pieni lujuus materiaali, mutta sen suurempi paksuus tuottaa sandwich korkea taivutus jäykkyys kanssa yleisesti alhainen tiheys .
Puu on luonnossa esiintyvä komposiitti, joka sisältää selluloosakuituja ligniini- ja hemiselluloosamatriisissa . Suunniteltu puu sisältää laajan valikoiman erilaisia tuotteita, kuten puukuitulevyä, vaneria , suunnattua lastulevyä , puumuovikomposiittia (kierrätettyä puukuitua polyeteenimatriisissa), Pykreteä (sahanpuru jäämatriisissa ), muovilla kyllästettyä tai laminoitua paperia tai tekstiilejä, Arborite , Formica (muovi) ja Micarta . Muissa muunnetuissa laminaattikomposiiteissa, kuten Mallite -tuotteessa , käytetään keskiydintä , jossa on päätyjyvä balsapuuta , joka on kiinnitetty kevytmetalliseoksen tai GRP: n pintakuoriin . Nämä tuottavat kevyitä, erittäin jäykkiä materiaaleja.
Hiukkaskomposiiteissa on hiukkasia täyteaineena dispergoituna matriisiin, joka voi olla epämetallia, kuten lasi, epoksi. Autonrenkaat ovat esimerkki hiukkaskomposiitista.
Kehittyneitä timanttimaisia hiilellä (DLC) päällystettyjä polymeerikomposiitteja on raportoitu, joissa pinnoite lisää pinnan hydrofobisuutta, kovuutta ja kulutuskestävyyttä.
Ferromagneettiset komposiitit, mukaan lukien ne, joissa on polymeerimatriisi, joka koostuu esimerkiksi Fe-pohjaisten jauheiden ja polymeerimatriisin nanokiteisestä täyteaineesta. Voidaan käyttää esimerkiksi metallilasista saatuja amorfisia ja nanokiteisiä jauheita. Niiden avulla voidaan saada ferromagneettisia nanokomposiitteja, joilla on hallitut magneettiset ominaisuudet.
Tuotteet
Kuituvahvisteiset komposiittimateriaalit ovat saaneet suosiota (huolimatta yleisesti korkeista kustannuksista) korkean suorituskyvyn tuotteissa, joiden on oltava kevyitä, mutta kuitenkin riittävän vahvoja kestämään ankaria kuormitusolosuhteita, kuten ilmailu- ja avaruuskomponentteja ( hännät , siivet , rungot , potkurit ), veneitä ja kalojen rungot, polkupyörän rungot ja kilpa -autojen korit. Muita käyttötarkoituksia ovat sauvat , varastosäiliöt , uima -allaspaneelit ja pesäpallomaila . Boeing 787 ja Airbus A350 rakenteita kuten lentokoneen runko ja siivet koostuvat pääosin komposiittien. Komposiittimateriaalit ovat myös yleistyneet ortopedisen kirurgian alalla , ja se on yleisin jääkiekkomaila.
Hiili komposiitti on keskeinen materiaali nykypäivän käynnistää ajoneuvot ja lämpökilpiä varten paluuta vaiheeseen avaruusalus . Sitä käytetään laajalti aurinkopaneelialustoissa, antenniheijastimissa ja avaruusalusten ikeissä. Sitä käytetään myös hyötykuormasovittimissa, porrasrakenteissa ja kantorakettien lämpösuojissa . Lisäksi, levyjarru järjestelmien lentokoneiden ja kilpa-autojen käyttävät hiili / hiili materiaalia, ja komposiittimateriaali , jossa hiilikuiduista ja piikarbidi matriisi on otettu käyttöön luksusajoneuvojen ja urheilu autoja .
Vuonna 2006 kuituvahvisteinen komposiitti-allaspaneeli otettiin käyttöön koti- ja kaupallisiin uima-altaisiin syöpymättömänä vaihtoehtona sinkitystä teräksestä.
Vuonna 2007 kaikkien komposiitti sotilaallinen Humvee otettiin käyttöön TPI Composites Oy ja Armour Holdings Inc, ensimmäinen kokonaan komposiitti sotilasajoneuvon . Käyttämällä komposiitteja ajoneuvo on kevyempi, mikä mahdollistaa suuremman hyötykuorman. Vuonna 2008 hiilikuitu ja DuPont Kevlar (viisi kertaa vahvempi kuin teräs) yhdistettiin parannettuihin lämpökovettuviin hartseihin ECS Compositesin sotilaskuljetuskoteloiden luomiseksi.
Putket ja tarvikkeet erilaisiin tarkoituksiin, kuten juomaveden kuljettamiseen, palontorjuntaan, kasteluun, meriveteen, suolanpoistoveteen, kemiallisiin ja teollisuusjätteisiin sekä jätevesiin, valmistetaan nyt lasikuituvahvisteisesta muovista.
Vetojärjestelmissä käytetyt komposiittimateriaalit julkisivusovelluksiin tarjoavat läpikuultavuuden edun. Kudottu pohjakangas yhdessä sopivan pinnoitteen kanssa mahdollistaa paremman valonläpäisyn. Tämä tarjoaa erittäin miellyttävän valaistustason verrattuna koko ulkokirkkauteen.
Tuuliturbiinien siivet, joiden koko on noin 50 m, on valmistettu komposiiteista useiden vuosien ajan.
Kaksi säären amputoitua juoksevat hiilikomposiittijousen kaltaisilla tekojalkoilla yhtä nopeasti kuin ei-amputoidut urheilijat.
Palomiesten tyypillisesti noin 7–9 litran x 300 baarin paineiset korkeapainekaasupullot on nykyään valmistettu hiilikomposiitista. Tyypin 4 sylinterit sisältävät vain metallia metallina, joka kuljettaa kierteen venttiilin sisään.
HMD Global julkisti 5. syyskuuta 2019 Nokia 6.2: n ja Nokia 7.2: n, joiden väitetään käyttävän runkoihin polymeerikomposiittia.
Yleiskatsaus
Komposiittimateriaalit luodaan yksittäisistä materiaaleista. Nämä yksittäiset materiaalit tunnetaan ainesosina, ja niitä on kaksi pääluokkaa. Toinen on matriisi ( sideaine ) ja toinen vahvike . Ainakin osa jokaisesta lajista tarvitaan. Vahvike saa tukea matriisilta, kun matriisi ympäröi raudoitusta ja säilyttää suhteelliset asennot. Matriisin ominaisuudet paranevat, kun vahvistukset antavat poikkeukselliset fyysiset ja mekaaniset ominaisuudet. Mekaaniset ominaisuudet eivät ole käytettävissä yksittäisistä ainesosista synergismin avulla. Samanaikaisesti tuotteen tai rakenteen suunnittelija saa vaihtoehtoja valita optimaalinen yhdistelmä erilaisista matriiseista ja lujittavista materiaaleista.
Suunniteltujen komposiittien muotoilemiseksi se on muodostettava. Vahvike sijoitetaan muottiin pinnalle tai sisään muottiin onteloon. Ennen tai jälkeen matriisi voidaan viedä raudoitukseen. Matriisissa tapahtuu sulamistapahtuma, joka asettaa osan muodon välttämättä. Tämä melding tapahtuma voi tapahtua useilla eri tavoilla, riippuen matriisin luonne, kuten jähmettymisen sulassa tilassa varten termoplastinen polymeeri-komposiittikappaleen tai kemiallinen polymerointi varten kertamuovin polymeerimatriisin .
Lopputuotteen suunnittelun vaatimusten mukaan voidaan käyttää erilaisia muovausmenetelmiä. Valitun matriisin luonne ja vahvistaminen ovat keskeisiä menetelmään vaikuttavia tekijöitä. Valmistettavan materiaalin bruttomäärä on toinen tärkeä tekijä. Suurten investointien tukemiseksi nopeaa ja automatisoitua valmistustekniikkaa varten voidaan käyttää suuria määriä. Halvemmat pääomasijoitukset, mutta korkeammat työ- ja työkalukulut vastaavasti hitaammin auttavat pieniä tuotantomääriä.
Monet kaupallisesti valmistetut komposiitit käyttävät polymeerimatriisimateriaalia, jota usein kutsutaan hartsiliuokseksi. Saatavana on monia erilaisia polymeerejä riippuen raaka -aineista. On olemassa useita laajoja luokkia, joista jokaisella on useita muunnelmia. Yleisimpiä tunnetaan nimellä polyesteri , vinyyliesteri , epoksi , fenoli , polyimidi , polyamidi , polypropyleeni , PEEK ja muut. Vahvistusmateriaalit ovat usein kuituja, mutta myös yleisesti jauhettuja mineraaleja. Alla kuvattuja erilaisia menetelmiä on kehitetty vähentämään lopullisen tuotteen hartsipitoisuutta tai lisäämään kuitupitoisuutta. Nyrkkisääntönä on, että peittäminen johtaa tuotteeseen, joka sisältää 60% hartsia ja 40% kuitua, kun taas tyhjiöinfuusio antaa lopputuotteen, jossa on 40% hartsia ja 60% kuitua. Tuotteen lujuus riippuu suuresti tästä suhteesta.
Martin Hubbe ja Lucian Lucia pitävät puuta olevan luonnollinen yhdistelmä selluloosakuiduista on matriisi on ligniiniä .
Ytimet komposiiteissa
Useat komposiittimallit sisältävät myös esikuivatuksen kovettamisen tai jälkikovettamisen monien muiden väliaineiden, kuten vaahdon tai hunajakennon, kanssa. Yleensä tämä tunnetaan sandwich -rakenteena . Tämä on yleisempi järjestely peitteiden, ovien, radomien tai muiden kuin rakenteellisten osien valmistukseen.
Avo- ja suljetturakenteiset vaahdot, kuten polyvinyylikloridi , polyuretaani , polyeteeni tai polystyreenivaahdot , balsapuu , syntaktiset vaahdot ja hunajakennot ovat yleensä käytettyjä ydinmateriaaleja. Ydinmateriaaleina voidaan käyttää myös avoimen ja suljetun kennon metallivaahtoa . Viime aikoina ydinrakenteina on käytetty myös 3D -grafeenirakenteita (joita kutsutaan myös grafeenivaahdoiksi). Khurramin ja Xu et ai. Äskettäinen katsaus on antanut yhteenvedon grafeenin 3D-rakenteen viimeisimmistä tekniikoista ja esimerkkejä näiden vaahtomaisten rakenteiden käytöstä niiden ytimenä vastaavat polymeerikomposiitit.
Puolikiteiset polymeerit
Vaikka nämä kaksi faasia ovat kemiallisesti samanarvoisia, puolikiteisiä polymeerejä voidaan kuvata sekä määrällisesti että laadullisesti komposiittimateriaaleina. Kiteisellä osalla on suurempi kimmomoduuli ja se vahvistaa vähemmän jäykkää, amorfista faasia. Polymeerimateriaalit voivat vaihdella 0-100% kiteisyydestä eli tilavuusosuudesta riippuen molekyylirakenteesta ja lämpöhistoriasta. Näiden materiaalien kiteisyyden prosenttiosuuden ja siten näiden materiaalien mekaanisten ominaisuuksien vaihtamiseksi voidaan käyttää erilaisia käsittelytekniikoita, kuten on kuvattu kappaleessa fysikaaliset ominaisuudet. Tämä vaikutus näkyy monissa paikoissa teollisista muoveista, kuten polyeteeni -ostoskasseista hämähäkkeihin, jotka voivat tuottaa silkkiä, joilla on erilaiset mekaaniset ominaisuudet. Monissa tapauksissa nämä materiaalit toimivat kuin hiukkaskomposiitit, joissa on satunnaisesti dispergoituneita kiteitä, joita kutsutaan sferuliiteiksi. Ne voidaan kuitenkin suunnitella myös anisotrooppisiksi ja toimimaan enemmän kuituvahvisteisten komposiittien tavoin. Hämähäkkisilkin tapauksessa materiaalin ominaisuudet voivat jopa riippua kiteiden koosta tilavuusosuudesta riippumatta. Ironista kyllä, yksikomponenttiset polymeerimateriaalit ovat tunnetuimpia helpoimmin viritettäviä komposiittimateriaaleja.
Valmistusmenetelmät
Normaalisti komposiitin valmistukseen kuuluu raudoituksen kostuttaminen, sekoittaminen tai kyllästäminen matriisin kanssa. Matriisi indusoidaan sitten sitoutumaan yhteen (lämmöllä tai kemiallisella reaktiolla) jäykseksi rakenteeksi. Yleensä toimenpide suoritetaan avoimessa tai suljetussa muotissa. Aineosien käyttöönottojärjestys ja -tapa muuttuvat kuitenkin huomattavasti. Komposiittien valmistus saavutetaan erilaisilla menetelmillä, mukaan lukien kehittyneet kuidun sijoittaminen (Automated kuitu sijoitus), lasikuitu spray kokoonpano prosessi , Kuidunkäämintäkoneet , lanxide prosessi , räätälöity kuitu sijoittaminen , tuftauskoneet ja z-pinning .
Yleiskatsaus muottiin
Vahvistus- ja matriisimateriaalit yhdistetään, tiivistetään ja kovetetaan (käsitellään) muotissa sulattamisen jälkeen. Osan muoto määritetään pohjimmiltaan sulatuksen jälkeen. Tietyissä prosessiolosuhteissa se voi kuitenkin muuttua. Sulamistapahtuma Lämpökovettuvalla polymeerimatriisimateriaalilla on kovetusreaktio, jonka aiheuttaa ylimääräinen lämpö tai kemiallinen reaktiivisuus, kuten orgaaninen peroksidi. Termoplastisen polymeerimatriisimateriaalin sulamistapahtuma on jähmettyminen sulatetusta tilasta. Metallimatriisimateriaalin, kuten titaanifolion, sulamistapahtuma on sulake korkeassa paineessa ja lähellä sulamispistettä.
Monille muovausmenetelmille sopii, että yhtä muottipalaa kutsutaan "alemmaksi" muotiksi ja toista muottipalaa "ylemmäksi" muotiksi. Alempi ja ylempi eivät viittaa muotin kokoonpanoon avaruudessa, vaan valetun paneelin eri puolille. Tässä sopimuksessa on aina alempi muotti ja joskus ylempi muotti. Osien rakentaminen alkaa levittämällä materiaaleja alemmalle muotille. Alempi muotti ja ylempi muotti ovat yleisempiä kuvauksia kuin yleisemmät ja erityisemmät termit, kuten urospuoli, naaraspuoli, a-puoli, b-puoli, työkalupuoli, kulho, hattu, tuuma jne. Jatkuvassa valmistuksessa käytetään eri nimikkeistöä.
Yleensä valettua tuotetta kutsutaan paneeliksi. Sitä voidaan kutsua valuksi tietyille geometrioille ja materiaaliyhdistelmille. Sitä voidaan kutsua profiiliksi tietyille jatkuville prosesseille. Jotkut prosessit ovat autoklaavimuovaus , tyhjiöpussin muovaus , painepussin muovaus , hartsinsiirtopuristus ja kevyt hartsinsiirtovalu .
Muut valmistusmenetelmät
Muita valmistustyyppejä ovat valu , keskipakovalu, punonta ( entisen päälle ), jatkuva valu , filamenttikäämitys , puristusmuovaus, siirtomuovaus , pultruusiovalu ja liukumuotoilu . Käytettävissä on myös muovausominaisuuksia, kuten CNC- filamenttikäämitys, tyhjiöinfuusio, märkäasennus, puristusmuovaus ja kestomuovimuovaus . Joissakin projekteissa vaaditaan myös uunien ja maalikopien kovettamista.
Viimeistelymenetelmät
Komposiittiosien viimeistely on myös ratkaisevaa lopullisessa suunnittelussa. Monet näistä viimeistelyistä sisältävät sade-eroosio- tai polyuretaanipinnoitteita.
Työkalut
Muotti- ja muottilevyjä kutsutaan "työkaluksi". Muotti/työkalut voidaan rakentaa eri materiaaleista. Työkalumateriaaleja ovat alumiini , hiilikuitu , invar , nikkeli , vahvistettu silikonikumi ja teräs. Työkalumateriaalin valinta perustuu yleensä, mutta ei rajoittuen, lämpölaajenemiskerroimeen , odotettuun jaksojen määrään, päätekappaleen toleranssiin, haluttuun tai odotettuun pinnan kuntoon, kovetusmenetelmään, muovatun materiaalin lasittumislämpötilaan , muovausmenetelmään, matriisi, hinta ja muut eri näkökohdat.
Fyysiset ominaisuudet
Yleensä komposiitin fysikaaliset ominaisuudet eivät ole luonteeltaan isotrooppisia (riippumattomia voiman suunnasta). Mutta ne ovat tyypillisesti anisotrooppisia (erilaiset riippuen voiman tai kuorman suunnasta). Esimerkiksi komposiittipaneelin jäykkyys riippuu yleensä kohdistettujen voimien ja/tai momenttien suunnasta. Komposiitin lujuutta rajoittavat kaksi kuormitusoloa, kuten on esitetty oikealla olevassa kaaviossa.
Seosten isostrain -sääntö
Jos sekä kuidut että matriisi on kohdistettu yhdensuuntaisesti kuormitussuunnan kanssa, molempien vaiheiden muodonmuutos on sama (olettaen, että kuidun ja matriisin rajapinnalla ei ole delaminaatiota). Tämä isostrain -tila tarjoaa komposiittilujuuden ylärajan, ja se määräytyy seosten säännön mukaan :
jossa E C on Youngin yhdistelmäkomponentti ja V i ja E i ovat komposiittivaiheiden tilavuusosuus ja Youngin moduulit.
Esimerkiksi α- ja β -faaseista koostuva komposiittimateriaali, joka on esitetty oikealla olevassa kuvassa isostrain alla, Youngin moduuli olisi seuraava:
Seosten isostressisääntö
Alarajan määrää isostressi, jossa kuidut ja matriisi on suunnattu kohtisuoraan lastaussuuntaan nähden:
Yllä olevan esimerkin mukaisesti, jos komposiittimateriaali koostuu α- ja β -faaseista isostressiolosuhteissa, kuten oikealla olevassa kuvassa, koostumuksen Youngin moduuli olisi:
jossa X on materiaalin ominaisuus, kuten moduuli tai jännitys, c, m ja r tarkoittavat komposiitti-, matriisi- ja vahvistusmateriaalien ominaisuuksia, ja n on arvo välillä 1 ja -1.
Yllä oleva yhtälö voidaan yleistää edelleen kaksivaiheisen komposiitin lisäksi m-komponenttijärjestelmään:
Vaikka komposiittijäykkyys maksimoidaan, kun kuidut kohdistetaan kuormitussuunnan kanssa, niin myös kuidun vetomurtumien mahdollisuus on oletettu, että vetolujuus ylittää matriisin. Kun kuidulla on jonkinlainen vääristymiskulma θ, useita murtumismuotoja on mahdollista. Pienillä arvoilla θ murtuman aloittamiseen tarvittava jännitys kasvaa kertoimella (cos θ) −2 johtuen kuidun lisääntyneestä poikkileikkausalueesta ( A cos θ) ja pienemmästä voimasta ( F/ cos θ) kuidun, mikä johtaa komposiitin vetolujuuteen σ yhdensuuntainen / cos 2 θ, jossa σ yhdensuuntainen on komposiitin vetolujuus, jossa kuidut on kohdistettu yhdensuuntaisesti kohdistetun voiman kanssa.
Väärin suuntautuneet välikulmat θ johtavat matriisin leikkausvikaan. Jälleen poikkileikkausaluetta muutetaan, mutta koska leikkausjännitys on nyt vikaantumisvoima, matriisin alue, joka on yhdensuuntainen kuitujen kanssa, kiinnostaa, ja se kasvaa kertoimella 1/sin θ. Samoin tämän alueen kanssa yhdensuuntainen voima taas pienenee ( F / cos θ), jolloin kokonaisvetolujuus on τ my / sin θ cos θ, jossa τ my on matriisin leikkauslujuus.
Lopuksi suurilla arvoilla θ (lähellä π/2) esiintyy todennäköisimmin poikittaismatriisi, koska kuidut eivät enää kanna suurinta osaa kuormasta. Vetolujuus on kuitenkin suurempi kuin puhtaasti kohtisuorassa suunnassa, koska kuituihin kohtisuora voima pienenee kertoimella 1/sin θ ja pinta -ala pienenee kertoimella 1/sin θ, jolloin muodostuu yhdistelmävetolujuus σ perp / sin 2 θ jossa σ perp on komposiitin vetolujuus ja kuidut kohdistuvat kohtisuoraan kohdistettuun voimaan.
Suurin osa kaupallisista komposiiteista muodostuu vahvistavien kuitujen satunnaisesta hajaantumisesta ja suunnasta, jolloin Youngin komposiittimoduuli putoaa isostrain- ja isostressirajojen väliin. Kuitenkin sovelluksissa, joissa lujuus-painosuhde on suunniteltu mahdollisimman suureksi (kuten ilmailuteollisuudessa), kuidun kohdistusta voidaan hallita tiukasti.
Paneelin jäykkyys riippuu myös paneelin suunnittelusta. Esimerkiksi käytetty kuituvahviste ja matriisi, paneelien rakentamismenetelmä, lämpökovettuva verrattuna kestomuoviin ja kudontatyyppi.
Päinvastoin kuin komposiitit, isotrooppisilla materiaaleilla (esimerkiksi alumiini tai teräs), tavallisissa takorahoissa, on sama jäykkyys tyypillisesti kohdistettujen voimien ja/tai momenttien suuntauksesta huolimatta. Isotrooppisen materiaalin voimien/momenttien ja venymien/kaarevuuksien suhdetta voidaan kuvata seuraavilla materiaalin ominaisuuksilla: Youngin moduuli, leikkausmoduuli ja Poissonin suhde suhteellisen yksinkertaisissa matemaattisissa suhteissa. Anisotrooppiselle materiaalille se tarvitsee toisen asteen tensorin matematiikkaa ja jopa 21 materiaalin ominaisvakioita. Ortogonaalisen isotropian erityistapauksessa kullekin Youngin moduulille, leikkausmoduulille ja Poissonin suhteelle on kolme erillistä materiaalin ominaisvakioa - yhteensä 9 vakioita, jotka ilmaisevat voimien/momenttien ja venymien/kaarevuuksien välisen suhteen.
Materiaalien anisotrooppisia ominaisuuksia hyödyntäviin tekniikoihin kuuluvat saumaus- ja nivelliitokset (luonnollisissa komposiiteissa, kuten puussa) ja Pi -liitokset synteettisissä komposiiteissa.
Komposiittien mekaaniset ominaisuudet
Hiukkasten vahvistaminen
Yleisesti partikkelin vahvistaminen on vahvistaa komposiittien vähemmän kuin kuitu vahvistaminen. Sitä käytetään parantamaan komposiittien jäykkyyttä ja lisäämään samalla lujuutta ja sitkeyttä . Koska niiden mekaaniset ominaisuudet , niitä käytetään sovelluksissa, joissa kuluminen vastus on tarpeen. Esimerkiksi sementin kovuutta voidaan lisätä lujittamalla sorahiukkasia rajusti. Hiukkasvahvistus on erittäin edullinen menetelmä materiaalien mekaanisten ominaisuuksien säätämiseksi, koska se on erittäin helppo toteuttaa samalla, kun se on edullinen.
Kimmomoduuli hiukkasen-komposiitit voidaan ilmaista,
jossa E on elastisuusmoduuli , V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, p ja m osoittavat komposiittia, hiukkasia ja matriisia. on vakio, löytyy empiirisesti.
Samoin hiukkasvahvisteisten komposiittien vetolujuus voidaan ilmaista
jossa TS on vetolujuus ja on vakio (ei yhtä suuri ), joka löytyy empiirisesti.
Jatkuva kuituvahvistus
Yleensä jatkuva kuituvahvistus toteutetaan sisällyttämällä kuitu vahvana faasina heikkoon matriisiin. Kuitujen käytön suosio johtuu siitä, että kuituina voidaan saada poikkeuksellisen lujia materiaaleja. Ei-metalliset kuidut osoittavat yleensä erittäin korkean lujuus / tiheys-suhteen verrattuna metallikuituihin niiden sidosten kovalenttisen luonteen vuoksi . Tunnetuin esimerkki tästä on hiilikuitujen että on monia sovelluksia ulottuu urheiluvälineitä ja suojaimia ja avaruusteollisuuden .
Komposiitin rasitus voidaan ilmaista kuidun ja matriisin tilavuusosuutena .
missä on jännitys, V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, f ja m osoittavat komposiittia, kuitua ja matriisia.
Vaikka kuitukomposiittien jännitys -rasituskäyttäytyminen voidaan määrittää vain testaamalla, on odotettu suuntaus, kolme jännitys -venymäkäyrän vaihetta . Ensimmäinen vaihe on jännitys -venymiskäyrän alue, jossa sekä kuitu että matriisi ovat elastisesti epämuodostuneita . Tämä lineaarisesti joustava alue voidaan ilmaista seuraavassa muodossa.
missä on jännitys, on venymä, E on joustomoduuli ja V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, f ja m osoittavat komposiittia, kuitua ja matriisia.
Sekä kuidun että matriisin elastisen alueen läpäisemisen jälkeen voidaan havaita jännitys -venymiskäyrän toinen alue]. Toisella alueella kuitu on edelleen elastisesti epämuodostunut, kun taas matriisi on plastisesti epämuodostunut, koska matriisi on heikko vaihe. Hetkellinen moduuli voidaan määrittää käyttämällä jännitys -venymiskäyrän kaltevuutta toisella alueella. Stressin ja rasituksen välinen suhde voidaan ilmaista seuraavasti:
missä on jännitys, on venymä, E on joustomoduuli ja V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, f ja m osoittavat komposiittia, kuitua ja matriisia. Tämän yhtälön toisen alueen johdannaisen löytämiseksi voidaan käyttää moduulia, koska käyrän kaltevuus on yhtä suuri kuin moduuli.
Useimmissa tapauksissa voidaan olettaa, että toinen termi on paljon pienempi kuin ensimmäinen.
Todellisuudessa jännityksen johdannainen venymän suhteen ei aina palauta moduulia kuidun ja matriisin välisen sitoutumisvuorovaikutuksen vuoksi. Näiden kahden vaiheen välisen vuorovaikutuksen vahvuus voi johtaa komposiitin mekaanisten ominaisuuksien muutoksiin . Kuidun ja matriisin yhteensopivuus on sisäisen rasituksen mitta .
Kovalenttisesti sitoutunut lujat kuidut (esim hiilikuitujen ) kokemus enimmäkseen elastinen muodonmuutos ennen murtuma, koska plastinen muodonmuutos voi tapahtua johtuen sijoiltaan liikettä . Ottaa huomioon, metallikuidut on enemmän tilaa muuttamaan muotoaan plastisesti, joten niiden komposiitit omaavat kolmasosa vaihe, jossa sekä kuitujen ja matriisin plastisesti muotoaan. Metallikuiduilla on monia sovelluksia toimia kryogeenisissä lämpötiloissa, mikä on yksi metallikuituisten komposiittien eduista ei -metallisiin verrattuna. Jännityksen ja rasituksen käyrän tämän alueen jännitys voidaan ilmaista seuraavasti:
missä on jännitys, on venymä, E on joustomoduuli ja V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, f ja m osoittavat komposiittia, kuitua ja matriisia. ja ovat kuitu- ja matriisivirtausjännityksiä vastaavasti. Heti kolmannen alueen komposiitti näyttely necking . Komposiitin niskajännitys sattuu olemaan kuidun kaulan ja veneen välissä, aivan kuten muutkin komposiittien mekaaniset ominaisuudet. Heikon vaiheen niskajännitys viivästyy vahvan vaiheen vuoksi. Viiveen määrä riippuu vahvan vaiheen tilavuusosasta.
Siten komposiitin vetolujuus voidaan ilmaista tilavuusosuutena .
jossa TS on vetolujuus , on jännitys, on venymä, E on elastisuusmoduuli ja V on tilavuusosuus . Alaindeksit c, f ja m osoittavat komposiittia, kuitua ja matriisia. Yhdistelmävetolujuus voidaan ilmaista muodossa
for on pienempi tai yhtä suuri kuin (tilavuusosuuden mielivaltainen kriittinen arvo)
sillä on suurempi tai yhtä suuri kuin
Tilavuusosuuden kriittinen arvo voidaan ilmaista seuraavasti:
Ilmeisesti komposiitin vetolujuus voi olla matriisia suurempi, jos se on suurempi kuin .
Siten kuidun vähimmäistilavuusosuus voidaan ilmaista seuraavasti:
Vaikka tämä vähimmäisarvo on käytännössä hyvin alhainen, on erittäin tärkeää tietää, koska jatkuvien kuitujen sisällyttämisen syy on materiaalien/komposiittien mekaanisten ominaisuuksien parantaminen, ja tämä tilavuusosuuden arvo on tämän parannuksen kynnys.
Kuituorientaation vaikutus
Muutos kuitujen suunnassa voi vaikuttaa kuituvahvisteisten komposiittien mekaanisiin ominaisuuksiin, erityisesti vetolujuuteen.
Komposiitin vetolujuus voidaan ennustaa riippuen (0 ° - 10 ° kulmista), haetun kohteen välisestä kulmasta ja kuitujen suunnasta.
jossa TS on vetolujuus , on rinnakkainen jännitys.
Väärän suuntauksen vuoksi komposiitin matriisi kokee leikkausvoiman. Matriisin leikkaushäiriöstä johtuvien komposiittien (10-60 ° kulmat) vetolujuus voidaan ilmaista seuraavasti:
jossa TS on vetolujuus , on leikkausjännitys.
Jos kulma on jopa suurempi kuin (60 ° - 90 ° kulma), toinen vikatapa, poikittainen, tulee voimaan. Yhdistetty poikittainen murtolujuus voidaan ilmaista seuraavasti:
jossa TS on vetolujuus , on kohtisuora jännitys.
Siten kulma, jolla siirtyminen murtumismoodiin voidaan ilmaista,
missä on kriittinen kulma, on rinnakkaisjännitys ja leikkausjännitys.
Tämä kriittinen kulma on tärkeä komposiittimateriaalien suunnittelussa tietyissä sovelluksissa.
Kuitujen tyypit ja niiden mekaaniset ominaisuudet
Yleisimmät teollisuudessa käytetyt kuitutyypit ovat lasikuidut , hiilikuidut ja kevlarit, koska ne ovat helppoja tuottaa ja saatavuus. Niiden mekaaniset ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä tietää, joten niiden mekaanisten ominaisuuksien taulukko on alla, jotta niitä voidaan verrata S97 -teräkseen . Kuitujen suuntautumiskulma on erittäin tärkeä kuitukomposiittien anisotropian vuoksi (katso tarkemmat selitykset kohdasta "Fysikaaliset ominaisuudet"). Komposiittien mekaaniset ominaisuudet voidaan testata käyttämällä tavanomaisia mekaanisia testausmenetelmiä sijoittamalla näytteet eri kulmiin (vakiokulmat ovat 0 °, 45 ° ja 90 °) suhteessa kuitujen suuntaukseen komposiittien sisällä. Yleensä 0 °: n aksiaalinen suuntaus tekee komposiitista kestävän pituussuuntaisen taipumisen ja aksiaalisen kireyden/puristuksen, 90 °: n kehän kohdistusta käytetään sisäisen/ulkoisen paineen kestävyyden saavuttamiseen ja ± 45 ° on ihanteellinen valinta puhtaan vääntymisen estämiseksi.
Kuitukomposiittimateriaalien mekaaniset ominaisuudet
Symboli | Yksiköt | Vakio
Hiilikuitu Kangas |
Korkea moduuli
Hiilikuitu Kangas |
E-lasi
Lasikuitu kangas |
Kevlar
Kangas |
Vakio
Yksisuuntainen Hiilikuitu Kangas |
Korkea moduuli
Yksisuuntainen Hiilikuitu Kangas |
E-lasi
Yksisuuntainen Lasikuitu kangas |
Kevlar
Yksisuuntainen kangas |
Teräs
S97 |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Youngin moduuli 0 ° | E1 | GPa | 70 | 85 | 25 | 30 | 135 | 175 | 40 | 75 | 207 |
Youngin moduuli 90 ° | E2 | GPa | 70 | 85 | 25 | 30 | 10 | 8 | 8 | 6 | 207 |
Tasossa oleva leikkausmoduuli | G12 | GPa | 5 | 5 | 4 | 5 | 5 | 5 | 4 | 2 | 80 |
Major Poissonin suhde | v12 | 0.10 | 0.10 | 0,20 | 0,20 | 0,30 | 0,30 | 0,25 | 0,34 | - | |
Ult. Vetolujuus 0 ° | Xt | MPa | 600 | 350 | 440 | 480 | 1500 | 1000 | 1000 | 1300 | 990 |
Ult. Comp. Vahvuus 0 ° | Xc | MPa | 570 | 150 | 425 | 190 | 1200 | 850 | 600 | 280 | - |
Ult. Vetolujuus 90 ° | Yt | MPa | 600 | 350 | 440 | 480 | 50 | 40 | 30 | 30 | - |
Ult. Comp. Vahvuus 90 ° | Yc | MPa | 570 | 150 | 425 | 190 | 250 | 200 | 110 | 140 | - |
Ult. Lentokoneen leikkaus Stren. | S | MPa | 90 | 35 | 40 | 50 | 70 | 60 | 40 | 60 | - |
Ult. Vetolujuus 0 ° | alanumero | % | 0,85 | 0,40 | 1.75 | 1.60 | 1.05 | 0,55 | 2.50 | 1.70 | - |
Ult. Comp. Siivilöi 0 ° | ex | % | 0,80 | 0,15 | 1.70 | 0,60 | 0,85 | 0,45 | 1.50 | 0,35 | - |
Ult. Vetolujuus 90 ° | eyt | % | 0,85 | 0,40 | 1.75 | 1.60 | 0,50 | 0,50 | 0,35 | 0,50 | - |
Ult. Comp. Siivilä 90 ° | eyc | % | 0,80 | 0,15 | 1.70 | 0,60 | 2.50 | 2.50 | 1.35 | 2.30 | - |
Ult. Tasossa oleva leikkausjännitys | es | % | 1,80 | 0,70 | 1.00 | 1.00 | 1.40 | 1.20 | 1.00 | 3.00 | - |
Tiheys | g/cc | 1.60 | 1.60 | 1.90 | 1.40 | 1.60 | 1.60 | 1.90 | 1.40 | - |
Symboli | Yksiköt | Vakio
Hiilikuitu |
Korkea moduuli
Hiilikuitu |
E-lasi
Kuitulasi |
Vakio
Hiilikuidut Kangas |
E-lasi
Lasikuitu kangas |
Teräs | Al | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Pitkittäismoduuli | E1 | GPa | 17 | 17 | 12.3 | 19.1 | 12.2 | 207 | 72 |
Poikittaismoduuli | E2 | GPa | 17 | 17 | 12.3 | 19.1 | 12.2 | 207 | 72 |
In Plane Shear Modulus | G12 | GPa | 33 | 47 | 11 | 30 | 8 | 80 | 25 |
Poissonin luku | v12 | .77 | .83 | .53 | .74 | .53 | |||
Vetolujuus | Xt | MPa | 110 | 110 | 90 | 120 | 120 | 990 | 460 |
Puristuslujuus | Xc | MPa | 110 | 110 | 90 | 120 | 120 | 990 | 460 |
Tasossa leikkausvoima | S | MPa | 260 | 210 | 100 | 310 | 150 | ||
Thermal Expansion Co-ef | Alfa1 | Kanta/K | 2.15 E-6 | 0,9 E-6 | 12 E-6 | 4.9 E-6 | 10 E-6 | 11 E-6 | 23 E-6 |
Kosteus Co-ef | Beta1 | Kanta/K | 3.22 Sähkö-4 | 2.49 E-4 | 6.9 E-4 |
Ilmailu- ja kaupallisten hiilikuitukomposiittien, lasikuitukomposiittien sekä alumiiniseoksen ja teräksen mekaaniset ominaisuudet
Tässä taulukossa esitetään yksi kuitukomposiittien tärkeimmistä ominaisuuksista ja eduista metalliin nähden, eli ominaislujuus ja ominaisjäykkyys. Vaikka teräksen ja alumiiniseoksen lujuus ja jäykkyys ovat verrattavissa kuitukomposiitteihin, komposiittien ominaislujuus ja jäykkyys ovat noin terästä ja alumiiniseosta korkeammat .
Hiilikuitukomposiitti (ilmailu- ja avaruusluokka) | Hiilikuitukomposiitti (kaupallinen luokka) | Lasikuitu komposiitti | Alumiini 6061 T-6 |
Teräs,
Lievä |
|
Hinta $/LB | 20-250 dollaria+ | 5–20 dollaria | 1,50–3,00 dollaria | 3 dollaria | 0,30 dollaria |
Vahvuus (psi) | 90 000 - 200 000 | 50 000 - 90 000 | 20000 - 35000 | 35000 | 60000 |
Jäykkyys (psi) | 10 x 10 6 - 50 x 10 6 | 8 x 10 6-10 x 10 6 | 1 x 10 6 - 1,5 x 10 6 | 10 x 10 6 | 30 x 10 6 |
Tiheys (lb/in3) | 0,050 | 0,050 | 0,055 | 0.10 | 0,30 |
Erityinen vahvuus | 1,8 x 10 6 - 4 x 10 6 | 1 x 10 6 - 1,8 x | 363 640–636 360 | 350 000 | 200 000 |
Erityinen jäykkyys | 200 x 10 6 - 1000 x 10 6 | 160 x 10 6 -200 x 10 6 | 18 x 10 6 -27 x 10 6 | 100 x 10 6 | 100 x 10 6 |
Epäonnistuminen
Iskut, iskut tai toistuvat sykliset jännitykset voivat saada laminaatin erottumaan kahden kerroksen rajapinnalla, mikä tunnetaan delaminoitumisena . Yksittäiset kuidut voivat erota matriisista, esimerkiksi kuidun ulosvedettävä .
Komposiitit voivat epäonnistua makroskooppisessa tai mikroskooppisessa mittakaavassa. Puristusviat voivat tapahtua sekä makroasteikolla että jokaisella yksittäisellä vahvistuskuidulla puristusmuotoilussa. Jännityshäiriöt voivat olla komposiitin osan poikkileikkausvirheitä tai hajoamista mikroskooppisessa mittakaavassa, jossa yksi tai useampi komposiitin kerros epäonnistuu matriisin kireydessä tai matriisin ja kuitujen välisen sidoksen epäonnistuminen.
Jotkut komposiitit ovat hauraita ja niillä on vain vähän varavoimaa alkuperäisen vian alkamisen jälkeen, kun taas toisilla voi olla suuria muodonmuutoksia ja varantoenergian absorptiokyky vaurion alkamisen jälkeen. Käytettävissä olevien kuitujen ja matriisien erot sekä seoksista valmistettavat seokset jättävät hyvin laajan valikoiman ominaisuuksia, jotka voidaan suunnitella komposiittirakenteeksi. Hauraan keraamisen matriisikomposiitin tunnetuin vika tapahtui, kun Space Shuttle Columbian siiven etureunan hiili-hiili-komposiittilaatta murtui, kun se törmäsi lentoonlähdön aikana. Se kohdistui ajoneuvon katastrofaaliseen hajottamiseen, kun se palasi maan ilmakehään 1. helmikuuta 2003.
Komposiiteilla on suhteellisen huono kantavuus verrattuna metalleihin.
Testaus
Komposiitteja testataan ennen rakentamista ja sen jälkeen vikojen ennustamiseksi ja estämiseksi. Rakentamista edeltävässä testauksessa voidaan käyttää finiitti-analyysiä (FEA) kaarevien pintojen kerros kerrallaan analysoimiseksi ja komposiittien rypistymisen, rypistymisen ja himmennyksen ennustamiseksi. Materiaaleja voidaan testata valmistuksen aikana ja rakentamisen jälkeen erilaisilla tuhoamattomilla menetelmillä, mukaan lukien ultraääni-, termografia-, leikkaus- ja röntgensäteilykuvaus, ja lasersidoksen tarkastus NDT: n suhteen suhteellisen sidoksen lujuuden suhteen paikallisella alueella.
Katso myös
- Alumiinikomposiittipaneeli
- American Composites Manufacturers Association
- Kemiallinen höyryn tunkeutuminen
- Komposiitti (täsmennys)
- Komposiittilaminaatit
- Epoksi graniitti
- Hybridimateriaali
- Lay-up-prosessi
- Nanokomposiitit
- Seosten sääntö
- Scaled Composites , amerikkalainen ilmailuyritys, jonka perusti Burt Rutan
- Älykäs materiaali
- Älykkäät materiaalit ja rakenteet
- Tyhjä (komposiitit)
Viitteet
Lue lisää
- Robert M. Jones (1999). Komposiittimateriaalien mekaniikka (2. painos). Taylor & Francis. ISBN 9781560327127.
- Cederbaum G., Elishakoff I., Aboudi J., Librescu L. (1992). Satunnainen tärinä ja komposiittirakenteiden luotettavuus . Tekninen. Bibcode : 1992tech.book ..... C .CS1 maint: useita nimiä: tekijöiden luettelo ( linkki )
- Librescu L., laulu O. (2006). Ohutseinäiset komposiittipalkit: teoria ja sovellus . Springer.
- Polymeerit ja polymeerikomposiitit: viitesarja . Springer. 1999.
- Autar K.Kaw (2005). Komposiittimateriaalien mekaniikka (2. painos). CRC. ISBN 978-0-8493-1343-1.
- Leonard Hollawayn käsikirja polymeerikomposiiteista insinööreille Julkaistu 1994 Woodhead Publishing
- Madbouly, Samy, Chaoqun Zhang ja Michael R.Kessler. Biopohjaiset kasviöljypolymeerit ja komposiitit. William Andrew, 2015.
- Matthews, FL; Rawlings, RD (1999). Komposiittimateriaalit: tekniikka ja tiede . Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0621-1.