Армированный волокном пластик (FRP ) (также называется армированный волокном полимер, или пластик, армированный волокном ) представляет собой композитный материал, изготовленный из полимерной матрицы, армированной волокнами. Волокна обычно: стекло (в стекловолокно ), углерод (в полимер, армированный углеродным волокном ), арамид, или базальт. Редко использовались другие волокна, такие как бумага, дерево или асбест. Полимер обычно представляет собой эпоксидную смолу, сложный виниловый эфир или полиэфир термореактивный пластик, хотя фенолформальдегидные смолы являются все еще используется.
FRP обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной отраслях. Они также обычно встречаются в баллистической броне.
A полимер обычно производится ступенчатым выращиванием h полимеризация или аддитивная полимеризация. В сочетании с различными агентами для улучшения или каких-либо изменений свойств материалов полимеров определяется как пластик. Композитные пластмассы к тем типам пластмасс, которые образуются в результате соединения двух или более однородных материалов с разными свойствами материала для получения конечного продукта с определенным желаемым материалом и механическими свойствами. Пластмассы, армированные волокном, указанные категории композитных пластиков, в которых волокнистые материалы специально используются для механической прочности и эластичности пластмасс.
Исходный пластик без армирования волокном известен как матрица или связующий агент. Матрица представляет собой прочный, но относительно слабый пластик, армированный более прочными и жесткими армирующими нитями или волокнами. Степень прочности и эластичности армированного волокном пластика зависит от механических свойств волокна, так и матрицы, их объема относительно друг друга, а также длины и ориентации волокон внутри матрицы. Армирование матрицы происходит по определению, когда материал FRP демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с эластичностью одной только матрицы.
Бакелит был первым армированным волокном пластиком. Лео Бэкеланд изначально намеревался найти замену шеллаку (сделанному из выделения лаковых жуков ). Химики начали понимать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами, и Бэкеланд исследовал реакции фенола и формальдегида. Сначала он произвел растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием «Новолак», который так и не стал успешным на рынке, а затем обратился к разработке связующего для асбеста, которое в то время формовалось из резины. Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду, в 1905 году он обнаружил, что может твердый пластик формованный материал своей мечты (первый в мире синтетический пластик ) : бакелит. Он объявил о своем изобретении на собрании Американского химического общества 5 февраля 1909 года.
Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко исследовалась в 1930-х годах. В Великобритании крупные исследования были предприняты первопроходцами, такими как Норман де Брюйн. Это представляет особый интерес для авиационной промышленности.
Массовое производство стеклянных нитей было обнаружено в 1932 году, когда Games Slayter, исследователь из Оуэнс-Иллинойс случайно направил струя сжатого воздуха на потоке расплавленного стекла и получаемых ими. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и этот метод был адаптирован Owens Corning для производства запатентованного «фибрегласа» (one «s») в 1936 году. фибреглас представляет собой стекловату с волокнами, улавливающими большое количество газа, что делает его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.
Подходящая смола для объединения «фибрегласа» с использованием пластика с целью получения композитного материала усиление в 1936 году дю Пон. Первым предком современных полиэфирных смол является смола Цианамид 1942 года. К тому времени использовались системы отверждения на основе пероксида. Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газовый состав материала был заменен пластиком. Это снизило изоляционные до значений, типичных для пластика, но теперь композит впервые показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и свойств строительного материала. Как ни странно, многие композиты из стекловолокна продолжали называться «стекловолокно » (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловолокна низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.
Fairchild F-46Рэй Грин из Owens Corning считается создателем первой композитной лодки в 1937 году, но в то время это не произошло из-за хрупкой природы используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластмассовых материалов, Соединенные Штаты - фюзеляж и крылья самолета. Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был Stout Scarab 1946 года выпуска. Была построена только одна такая модель. Прототип Ford 1941 года мог быть первым пластмассовым автомобилем, но есть некоторая неопределенность в используемых материалах, поскольку он был разрушен вскоре после этого.
Первый пластиковый самолет, армированный волокном, был либо Fairchild F-46, первый полет которого состоялся 12 мая 1937 года, или построенный в Калифорнии пластиковый самолет Bennett. Фюзеляж из стекловолокна использовался в модифицированном Vultee BT-13A, обозначенном XBT-16, базировавшемся в Райт Филд в конце 1942 года. В 1943 году были предприняты дальнейшие эксперименты по созданию структурных частей самолета из композитных материалов. материалы, из которых был изготовлен первый самолет, Vultee BT-15, с фюзеляжем из стеклопластика, обозначенный как XBT-19, который летал в 1944 году. Значительное развитие инструментов для компонентов из стеклопластика было сделано Republic Aviation Corporation в 1943 году.
Производство начального волокна волокна широко использовалось в британской с начала 1960-х годов. Примерно в это же время производились арамидные волокна, впервые появившиеся под торговым наименованием Nomex компанией DuPont. Сегодня каждый из этих видов широко используется в промышленности для применений, где требуются пластмассы с определенной прочностью или эластичностью. Стекловолокно наиболее распространенным во всех отраслях промышленности, хотя композиты из углеродного волокна и углеродного волокна используются в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности. Эти три (стекло, углерод и арамид ) продолжают оставаться важными категориями волокон, используемыми в FRP.
Мировое производство полимеров в нынешних масштабах началось в середине 20 века, когда низкие затраты на материалы и производство, новые производственные технологии и новые категории продуктов объединились, чтобы сделать производство полимеров экономичным. Индустрия окончательно созрела в конце 1970-х, когда мировое производство полимеров превысило производство стали, в результате чего полимеры стали повсеместными средствами, которыми они являются сегодня. Пластмассы, армированные волокном, с самого начала важными аспектами этой отрасли.
FRP включает в себя два различных процесса, первый - это процесс, посредством которого формируются волокнистый материал, второй - это процесс, посредством которого волокнистые материалы связываются с матрицей во время формования.
Армирующее Волокно производится как в двумерной, так и в трехмерной ориентации:
Волоконные преформы - это способ волокна перед их приклеиванием к матрице. Волокнистые преформы часто производятся в виде листов, непрерывных матов или непрерывных волокон для распыления. Четыре способа изготовления волокнистой преформы - использование технологий обработки текста: ткачества, вязания, плетения и сшивания.
Жесткая конструкция обычно используется для определения формы компонентов FRP. Детали можно укладывать на плоскую поверхность, называемую «герметизирующей пластиной», или на цилиндрическую конструкцию, называемую «оправкой». Однако большинство деталей из армированного волокном пластика создаются с помощью пресс-формы или «инструмента». Формы могут быть вогнутыми охватывающими формами, охватываемыми формами или формой может быть полностью охватывать деталь с верхней и нижней формой.
Процессы формования пластика FRP начинаются с помещения волокнистой заготовки на форму или в нее. Заготовка волокна может быть сухим волокном или волокном, которое уже содержит определенное количество смолы, называемой «препрег». Сухие волокна «смачиваются» смолой вручную или смола впрыскивается в закрытую форму. Затем деталь отверждается, оставляя матрицу и волокна в форме, созданной формой. Иногда для отверждения смолы и улучшения качества готовой детали используют нагревание и / или давление. Ниже перечислены различные методы формирования.
Отдельные листы препрега складываются и помещаются в форму охватывающего типа вместе с баллонным пузырем. Форма закрывается и помещается в нагретый пресс. Наконец, в баллоне создается давление, прижимающее слои материала к стенкам формы.
Когда сырье (пластиковый блок, резиновый блок, пластиковый лист или гранулы) содержит армирующие волокна, отформованная под давлением деталь квалифицируется как армированный волокном пластик. Обычно пластиковая преформа, используемая при компрессионном формовании, не содержит армирующих волокон. При компрессионном формовании «преформу» или «загрузку» SMC, BMC помещают в полость формы. Форма закрывается, и материал формируется и затвердевает внутри под действием давления и тепла. Компрессионное формование обеспечивает превосходную детализацию геометрических форм, от узоров и рельефных деталей до сложных кривых и творческих форм, до точного машиностроения, и все это в течение максимального времени отверждения 20 минут.
Отдельные листы препрега складываются и помещаются в открытую форму. Материал покрыт разделительной пленкой, воздухопроницаемым / дышащим материалом и вакуумным мешком. Частично создается вакуум, и вся форма помещается в автоклав (нагретый сосуд высокого давления). Деталь отверждается под постоянным вакуумом для удаления захваченных газов из ламината. Это очень распространенный процесс в аэрокосмической промышленности, поскольку он позволяет точно контролировать процесс формования благодаря длительному, медленному циклу отверждения, который составляет от одного до нескольких часов. 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 авиакосмической промышленностью.
Листы препрега наматываются на стальную или алюминиевую оправку. Материал препрега уплотняется нейлоновой или полипропиленовой целлюлозной лентой. Детали обычно подвергаются периодической полимеризации с помощью вакуумной упаковки и подвешивания в печи. После отверждения виолончель и оправка удаляются, остается полая углеродная трубка. Этот процесс создает прочные и прочные полые углеродные трубки.
Формовка мокрой укладкой объединяет армирование волокном и матрицу по мере их размещения на формующем инструменте. Слои армирующего волокна помещают в открытую форму и затем пропитывают влажной смолой, выливая ее на ткань и втирая в ткань. Затем форму оставляют, чтобы смола застыла, обычно при комнатной температуре, хотя иногда для обеспечения надлежащего отверждения используется тепло. Иногда для сжатия мокрой упаковки используют вакуумный мешок. Стекловолокно чаще всего используется для этого процесса, результаты широко известны как стекловолокно и используются для изготовления обычных продуктов, такихкак лыжи, каноэ, каяки и доски для серфинга.
Непрерывные нити стекловолокна проталкиваются через ручной пистолет, и режет нити, и объединяет их с катализированной смолой, такой как полиэфир. Пропитанное колотое стекло выстреливается на поверхность любой толщины и конструкции, которую оператор считает подходящей. Этот процесс хорош для больших производственных циклов при экономичных затратах, но позволяет получать геометрические формы с меньшей прочностью, чем другие процессы формования, и с плохими допусками по размерам.
Машины протягивают пучки волокон через мокрый ванну со смолой и наматывают на вращающуюся стальную оправку в определенной ориентации. Детали отверждаются при комнатной температуре или при повышенных температурах. Оправка извлекается, оставляя окончательную геометрическую форму, но в некоторых случаях ее можно оставить.
Пучки волокон и ткани с прорезями протягиваются через влажную ванну со смолой и формируют грубую форму деталей.. Насыщенный материал экструдируется из нагретой закрытой фильеры, отверждаемой, при непрерывном протягивании через фильеру. Некоторые из конечных продуктов пултрузии представляют собой структурные формы, например двутавровую балку, угол, швеллер и плоский лист. Эти материалы для установки всевозможных конструкций из стекловолокна, таких как лестницы платформы, системы перил, резервуары, трубы и опоры насосов.
Также называется вливание смолы . Ткани помещаются в форму, в которую затем впрыскивается влажная смола. Смолу обычно сжимают и нагнетают в полость, находящуюся под вакуумом в литьевом формовании смолы. Смола полностью втягивается в полость под вакуумом при формовании с переносом смолы с помощью вакуума. Этот процесс формования обеспечивает точные допуски и детализацию формы, но иногда может не полностью пропитать ткань, что приводит к появлению слабых мест в окончательной форме.
FRP позволяет выравнивать стекло из термопласта для соответствия конкретным программам проектирования. Указание ориентации армирующих волокон может повысить прочность и сопротивление деформации полимера. Полимеры, армированные стекловолокном, являются самыми прочными и наиболее устойчивыми деформирующими силами, когда волокна полимера параллельны действующей силе, являются самыми слабыми, когда волокна перпендикулярны. Таким образом, эта возможность является одновременно преимуществом или ограничением в зависимости от контекста использования. Произвести повреждение материала. Когда сила перпендикулярно ориентации волокна, прочность и эластичность полимера ниже, чем у матрицы. В компонентах из литой смолы, изготовленных из армированных стекловолокном полимеров, таких как UP и EP, ориентация волоконного кабеля может быть ориентирована в виде двухмерного и трехмерного переплетения. Это означает, что когда силы, возможно, перпендикулярны одной ориентации, они параллельны другой ориентации; это исключает возможность появления слабых мест в полимере.
Разрушение структуры может происходить в материалах FRP, когда:
A матрица из термореактивного полимера или матричный материал из термопластичного полимера инженерного качества должны соответствовать определенным требованиям, чтобы в первую очередь быть пригодными для FRP и последовательное успешное самоупрочнение. Матрица должна быть способна должным образом пропитаться и химически связываться с армирующим волокном для максимальной адгезии в течение подходящего периода отверждения. Матрица также должна полностью охватывать волокна, чтобы защитить их от порезов и надрезов, которые могут снизить их прочность, и силы волокна. Волокна также должна храниться отдельно друг от друга, чтобы в случае отказа он был максимально локализован. Наконец, матрица должна быть из пластика, который остается химически и стабильно физически во время и после процессов армирования и формования. Чтобы быть качественными в качестве армирующего материала, волокнистые добавки должны повышать предел прочности на разрыв и модуль упругости матрицы и соответствовать условиям следующим образом: могут быть пригодны критерии содержания волокна; и жесткость одной другой волокна прочность и жесткость только матрицы; и между волокнами и матрицей должно быть оптимальное соединение
«Пластмассы, армированные стекловолокно» или FRP (обычно называемые просто стекловолокно ), використовуйте текстильную марку стекловолокно. Эти текстильные волокна отличаются от других видов стекловолокна, которые используются для преднамеренного улавливания воздуха в изоляционных (см. стекловата ). Текстильные стекловолокна начинаются с различных комбинаций SiO 2, Al 2O3, B 2O3, CaO или MgO в порошковой форме. Затем эти смеси нагревают путем прямого плавления до температуры около 1300 по Цельсию, после чего используются фильеры для экструзии волокна из стекловолокна диаметром от 9 17 мкм. Эти нити наматываются в более крупные нити и наматываются на бобины для дальнейшей обработки. Стекловолокно на сегодняшний день является самым популярным средством для усиления пластики, таким образом, используется в различных производственных процессах, некоторых из них, используемых в различных производственных процессах, благодаря их общим волокнистым свойствам.
Ровинг - это процесс, при котором нити скручиваются в нити большего диаметра. Эти нити обычно используются для тканых армирующих стеклотканей и матов, а также для нанесения распылением.
Волокнистые ткани предоставляют собой материал, армирующий ткань в виде полотна, который имеет направления как основы, так и утка. Волокнистые маты предоставят собой нетканые маты из стекловолокна в виде полотна. Маты изготавливаются в разрезе с измельченными волокнами или в виде непрерывных матов с использованием непрерывных волокон. Рубленое стекловолокно используется в процессах, где отрезки стеклянной нити длиной от 3 до 26 мм используются в пластмассах, наиболее часто предназначенных для процессов формования. Короткие пряди из стекловолокна - это короткие пряди из стекловолокна толщиной 0,2–0,3 мм, которые используются для усиления термопластов, чаще всего для литья под давлением.
Углеродные пироги образуются при карбонизации полиакрилонитрильных волокон (PAN), смол или вискозы (окисления и термическогоолиза) при высоких температурах. Посредством дополнительных методов повышения прочности или эластичности волокон. Углеродные волокна диаметром от 4 до 17 мм. Эти на волокна матируются в более крупные нити для транспортировки и дальнейших производственных процессов. Дальнейшие производственные процессы включают в себя производство материалов, материалов и материалов, производящих материалы.
Арамидные волокна наиболее широко известны как Кевлар, Номекс и Технора. Арамиды обычно получают реакцию между аминогруппой и галогенидной группой карбоновой кислоты (арамид). Обычно это происходит, когда ароматический полидамид прядут из кристаллизованной серной кислоты в жидком волокне. Затем волокна прядут в более крупные нити, чтобы ткать их в большие веревки или тканые ткани (арамид). Арамидные производственные волокна различных типов в зависимости от прочности и жесткости, так что материал может быть адаптирован для удовлетворения проектных требований, таких как резка жесткого материала во время производства.
Аргумент материал Hijn . | Наиболее распространенные матричные материалы | Улучшенные свойства |
---|---|---|
Стекловолокно | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | Прочность, эластичность, термостойкость |
Древесные эластичность, PP, ABS, HDPE, PLA | Прочность на изгиб, модуль упругости, предел прочности | |
Углеродные и арамидные волокна | EP, UP, VE, PA | Эластичность, предел прочности, прочность на сжатие, электрическая прочность. |
Неорганические частицы | Полукристаллические термопласты, UP | Изотропная усадка, истирание, прочность на сжатие |
Микросферы | Стеклянные микросферы | Снижение веса по с твердыми наполнителями |
Армированные волокном пластмассы лучше всего подходят для любой программы проектирования, которая требует экономии веса, точного проектирования, допусков и упрощения деталей как при производстве, так и операция. Изделие из формованного полимера дешевле, и проще в производстве, чем изделие из литого алюминия или стали, и сохраненные аналогичные, а иногда и лучшие допуски и прочность материала.
Руль направления Airbus A310
Впускные коллекторы двигателей изготовлены из армированного стекловолокна PA 66.
Автомобильные педали газа и сцепления изготовлен из армированного стекловолокна PA 66 (DWP 12–13)
Алюминиевые окна, двери и фасады имеют теплоизоляцию с использованием теплоизоляционных пластиков из полиамида, армированного стекловолокном. В 1977 году Ensinger GmbH выпустила первый изоляционный профиль для оконных систем.
FRP могут использоваться для усиления балок, колонн и плит зданий и мостов. Можно повысить прочность элементов конструкции даже после того, как они были серьезно повреждены из-за условий нагружения. В случае железобетонных элементов, это сначала потребует ремонта элемента путем удаления рыхлого мусора и заполнения пустот и трещин строительным раствором или эпоксидной смолой <182.>. После ремонта элемента упрочнение может быть достигнуто за счет влажной ручной укладки волоконных листов, пропитанных эпоксидной смолой, и нанесенных на очищенные и подготовленные поверхности элемента.
Обычно используются два метода усиления балок в зависимости от желаемого повышения прочности: усиление на изгиб или усиление на сдвиг. Во многих случаях может потребоваться увеличение силы и того и другого. Для упрочнения балки на изгиб листы или пластины FRP прикладываются к растянутой поверхности элемента (нижняя поверхность для элемента с простой опорой с приложенной верхней или гравитационной нагрузкой). Основные растягивающие волокна ориентированы параллельно продольной оси балки, как и ее внутренняя изгибаемая стальная арматура. Это увеличивает прочность балки и ее жесткость (нагрузка, необходимая для того, чтобы вызвать отклонение блока), но снижает прогиб, и пластичность.
Для упрочнения балки на сдвиг, стеклопластик наносят на стенки (стороны) элемента с волокнами, ориентированными поперек продольной оси балки. Сопротивление сдвиговым силам достигается аналогично тому, как у внутренних стальных хомутов , путем перекрытия сдвиговых трещин, которые образуются при приложенной нагрузке. FRP может применяться в нескольких конфигурациях, в зависимости от открытых поверхностей элемента и желаемой степени усиления, включая: боковое соединение, U-образные оболочки (U-образные оболочки) и закрытые оболочки (полные оболочки). Боковая склейка включает применение FRP только по бокам балки. Он обеспечивает наименьшее усиление сдвига из-за отказов, вызванных отсоединением от бетонной поверхности на свободных краях FRP. Для U-образных обмоток FRP наносится непрерывно в форме «U» по бокам и нижней (натянутой) поверхности балки. Если доступны все грани балки, желательно использование закрытых оберток, поскольку они обеспечивают максимальное повышение прочности. Закрытая обертка включает наложение FRP по всему периметру элемента, так что отсутствуют свободные концы, а типичным режимом отказа является разрыв волокон. Для всех конфигураций переноса FRP может применяться по длине элемента как сплошной лист или как отдельные полосы, имеющие заранее определенную минимальную ширину и интервалы.
Плиты можно усилить, применив полосы FRP на их нижней (натянутой) поверхности. Это приводит к лучшим характеристикам изгиба, поскольку сопротивление растяжению плит дополняется пределом прочности на разрыв FRP. В случае балок и плит эффективность усиления FRP зависит от характеристик смолы, выбранной для склеивания. Это особенно важно при упрочнении на сдвиг с использованием бокового соединения или U-образной обмотки. Столбцы обычно оборачиваются по периметру FRP, как при закрытой, так и полной обертке. Это не только приводит к прочности на прочность на прочность при осевой нагрузке, но, что более важно для конструкции колонны . Обертка из стеклопластика ограничивает поперечное расширение колонны, что может улучшить расширение удержания аналогично, как это делает спиральное армирование для сердечника колонны.
В июне 2013 года лифтовая компания KONE объявила о выпуске Ultrarope для замены стальных тросов в лифтах. Он герметизирует волоконные полимеры в с высоким коэффициентом трения. В отличие от стального троса, Ultrarope разработан для зданий, требующих подъема до 1000 метров. Стальные лифты достигают высоты 500 метров. По оценкам компании, в здании высотой 500 метров лифт потребляет на 15 процентов меньше электроэнергии, чем вариант со стальным тросом. По состоянию на июнь 2013 года продукт прошел все сертификационные испытания в Европейском Союзе и США.
FRP используется в конструкциях, требующих прочности или модуля упругости, для которых не подходят ни с механической, ни с экономической точки зрения, пластмассы и другие материалы. Основное внимание при проектировании при использовании FRP заключается в том, чтобы использовать безопасные структурные материалы, чтобы использовать его обычные структурные характеристики, но это не всегда так. Ориентация создается непрочность материала перпендикулярно волокнам. Таким образом, использование волоконного армирования и их ориентация влияет на прочность, жесткость, эластичность и, следовательно, на функцию ионности самого конечного продукта. Ориентация в одном, двух или трех измерениях во время производства прочность на прочность, гибкость и эластичность конечного продукта. Волокна, ориентированные в направлении приложенных сил, демонстрируют большее сопротивление материала, которые выдерживают силы, армированы волокнами, ориентированные направляющие силы, требующие гибкости, такие как естественные шарниры. перпендикулярно силам.
Ориентация волокон в больших количествах позволяет избежать этих целей. Прочность, гибкость и эластичность также могут быть увеличены или уменьшены за счет геометрической формы и улучшения конечного продукта. Например, обеспечивает единое целое, обеспечивают материальную и структурную целостность за счет требований к соединению, соединению и оборудованию.
Как подмножество пластмасс, FR-пластики связаны с рядом 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 разделить и вернуть в исходное состояние. По этой пластиковой может быть переработан для повторного использования, по некоторым оценкам, только от 20% до 30% пластика вообще. Армированные волокном пластмассы и их матрицы разделяют проблемы утилизации и защиты окружающей среды. Исследование безопасных методов утилизации привело к двум основным вариациям, возможности использования интенсивного тепла: в одном вяжущие агенты выгорают - в процессе улавливается часть затраченных средств на материал в виде тепла - и негорючие элементы улавливаются фильтрацией; в другом негорючий материал сжигается в цементной печи, волокна неотъемлемой части получаемого литого материала. В дополнение к безопасным утилизациям, ткани FRP усугубляет эти проблемы. FRP по своей природе трудно разделить на основные материалы, то есть на волокно и матрицу, а матрицу сложно разделить на пригодные для использования пластмассы, полимеры и мономеры. Все это сегодня забота об экологичном дизайне. Пластмассы часто регистрируют экономию энергии и экономию по сравнению с другими материалами. Кроме того, с появлением новых, экологически чистых матриц, таких биопластик и УФ -разлагаемый пластик, FRP станет более чувствительным к окружающей среде.