Типы волокон, используемых в композиционных материалах

Структурные свойства композиционных материалов в основном определяются армированием волокон. В композитных материалах волокна, удерживаемые матричной смолой, помогают повысить прочность на разрыв, улучшая такие свойства конечной детали, как прочность и жесткость, при этом минимизируя вес.

Свойства волокна определяются процессом производства волокна, а также ингредиентами и химическими веществами для покрытия, используемыми в этом процессе.

Стекловолокно

Большинство волокон, используемых в промышленности композитов, представляют собой стекловолокна. Стекловолокно является старейшим и, безусловно, наиболее распространенным армирующим материалом в большинстве приложений конечного рынка (аэрокосмическая промышленность является важным исключением), где оно используется для замены более тяжелых металлических деталей.

Стекловолокно тяжелее, чем следующий по распространенности армирующий материал, углеродное волокно, оно не такое твердое, но более устойчиво к ударам и имеет большее удлинение при разрыве (то есть оно растягивается в большей степени перед разрывом). В зависимости от типа стекловолокна, диаметра нити, химического состава покрытия (так называемого «проклейки») и формы волокна может быть достигнут широкий диапазон свойств и уровней производительности.

Для изготовления стекловолокна сырье плавится и вытягивается в тонкие, тщательно измельченные нити диаметром от 3,5 до 24 микрон. Кварцевый песок является основным сырьем, на его долю обычно приходится более 50% веса стекловолокна. К диоксиду кремния можно добавлять оксиды металлов и другие компоненты, а методы обработки можно изменять, чтобы адаптировать волокна для конкретных применений.

Непрерывные стекловолокна поставляются в пучках, называемых ровингом. Ровинг обычно представляет собой пучок нескрученной пряжи, намотанный, как нить, на большую катушку. Односторонний ровинг состоит из прядей из множества непрерывных стекловолокон, которые проходят по длине пряди. Множественный ровинг содержит более длинные, но не полностью непрерывные пряди, которые при намотке добавляются или опускаются в шахматном порядке. Пряжа – это группа нитей, скрученных вместе.

Электрическое стекловолокно, или стекловолокно E, названо так потому, что его химический состав делает его отличным электрическим изолятором, особенно подходящим для применений, требующих прозрачности радиосигнала, таких как обтекатели самолетов, антенны и печатные платы. Тем не менее, это также наиболее экономичное стекловолокно для композитных материалов, обеспечивающее достаточную прочность при относительно низкой стоимости для удовлетворения требований к производительности во многих областях применения. Он стал стандартной формой стекловолокна, на которую приходится более 90% всех армирующих материалов из стекловолокна. По меньшей мере 50% волокна Е-стекла состоит из оксида кремния; Допуски включают оксиды алюминия, бора, кальция и/или другие соединения, включая известняк, флюорит, борную кислоту и глину.

Когда требуется большая прочность, можно использовать высокопрочное стекловолокно, впервые разработанное для военного применения в 1960-х годах. Он имеет несколько названий — стекловолокно S в США, стекловолокно R в Европе и стекловолокно T2 в Японии. Стекловолокно, предел прочности его прядей составляет около 700 тысяч фунтов на квадратный дюйм, модуль упругости до 14 фунтов на квадратный дюйм. Содержание оксида кремния, оксида алюминия и оксида магния в волокне S-стекла значительно выше, чем в волокне E-стекла, и оно на 40 ~ 70% прочнее, чем волокно E-стекла.

When the temperature is increased from ambient temperature to 540°C, the tensile strength of E-glass fiber and S-glass fiber is reduced by half, although both fibers still exhibit good strength over this elevated temperature range. Manufacturers constantly adjust the formula of S glass fiber. For example, AGY Holding Corp. (Aiken, SC, US) introduced S-3 UHM (Ultra High Modulus) glass fiber a few years ago. The upgraded S-3 glass fiber has a tensile modulus of 14,359, which is higher than S-glass fiber glass and 40% higher than E-glass, due to improved fiber manufacturing as well as proprietary additives and melt chemistry.

Although glass fibers have relatively high chemical resistance, they are eroded by leaching when exposed to water. For example, an E-glass filament with a diameter of 10 μs typically loses 0.7% of its weight when left in hot water for 24 hours. However, the rate of erosion slows significantly because the leached glass fibers form a protective barrier on the outside of the filaments; After 7 days of exposure, the total weight loss was only 0.9%. To slow down erosion, moisture-resistant adhesives, such as silane compounds, are used in the fiber manufacturing process.

Corrosion-resistant glass fibers, known as C glass fibers or E-CR glass fibers, are more resistant to acidic solutions than E glass fibers. However, E-glass fiber and S-glass fiber are more resistant to sodium carbonate solution (alkali) than C-glass fiber. Boron-free glass fibers are comparable in performance and price to e-glass, showing higher corrosion resistance in acidic environments (similar to E-CR glass fibers), higher elastic modulus, and better high-temperature performance. In addition, removing boron from the manufacturing process has less impact on the environment, which is a decisive advantage.

Carbon fiber

Carbon fiber is by far the most widely used fiber in high-performance applications and is produced from a variety of precursors, including polyacrylonitrile (PAN), rayon, asphalt, and bio-based carbon-rich precursors such as lignin or bio-based PAN. The precursor fibers are chemically treated, heated and stretched, and then carbonized to form high-strength fibers. The first high-performance carbon fibers on the market were made from rayon precursors. Pan-based carbon fibers have long replaced rayon in structural applications, but rayon's "dogbone" cross-section and high temperature properties often make it the fiber of choice for ablating carbon/carbon (C/C) composites in heat shields. Pan-based carbon fiber is the most widely used carbon fiber. They offer a range of amazing properties, including excellent strength (1000 KLB/sq. inch) and high stiffness. Asphalt fibers are made from petroleum or coal bitumen and have high to extremely high stiffness and low to negative axial thermal expansion (CTE-thermal expansion). Their CTE characteristics are particularly useful in spacecraft applications that require thermal management, such as electronic instrument housings.

Although carbon fiber is stronger than glass or aramid fiber, because of its electrical conductivity, carbon fiber is not only poor impact resistance, but also can cause galvanic corrosion in the metal it contacts. Manufacturers overcome the latter problem by using a barrier material or veil layer (usually fiberglass/epoxy) during the laminate lamination process.

The basic fiber form of high-performance carbon fiber is a continuous fiber bundle called a tow. The carbon fiber bundle consists of thousands of continuous, untwisted filaments, the number of filaments represented by a number by a "K", which means multiplied by 1000 (for example, 12K means the number of filaments is 12000). The tow can be used directly for processes such as fiber winding or pultrusion, or can be converted into one-way tape, fabric, and other enhanced forms.

Injection molding

Also known as injection molding, it is the thermoplastic resin raw materials (pellets) such as carbon fiber reinforced nylon and polycarbonate that are heated and melted and injected into the mold cavity (gap). This is a molding method suitable for short cycle and complex shape molding.