A megerősítő szálak gyakori típusai
Az elmúlt több mint fél évszázadban a szálerősítésű kompozit anyagokat széles körben használták kiváló tulajdonságaik miatt, és a megerősítő szálak fontos szerepet játszanak a kompozit anyagokban. A kompozit anyagok megjelenése óta a megerősítő szálak átmentek a természetes szálakról a szintetikus szálakra.
Jelenleg a leggyakoribb erősítőszálak közé tartozik az üvegszálak, az aramidszálak, a szénszálak stb. Ez a cikksorozat részletesen bemutatja a kompozit anyagok erősítőszálainak típusait, tulajdonságait és alkalmazási módszereit. Ez a cikk először röviden ismerteti a megerősítő szálak gyakori típusait.
Kompozit anyagokban a gyanta mátrix elsődleges szerepe a szálak összekapcsolása és a külső terhelések átvitele az egyik szálról a másikra. A legtöbb erősítő szál hajlított és lapos, és ha feszültséget alkalmaznak rájuk, elegendő szakítószilárdságuk és merevségük lesz.
A megerősítő szálak általában kötegelt szálak, és az egyes szálak általában nagyon finomak, mint például az üvegszálak és a szénszálak tipikus átmérője 5 és 25 mikron között. Összehasonlításként az emberi haj általában 50 és 200 mikron közötti átmérőjű. Szálerősítésű" struktúrák" Egyetlen szálból (szálból) származhat, beleértve a vonatot, fonalat, aprított rostot, őrölt rostot stb., amint az alábbi ábrán látható.
Jelenleg gyakori erősítő szálak közé tartozik: üvegszál
Az üvegszál számos különböző fajtája létezik, de a kompozitok esetében kettő a leggyakoribb. Az E-üvegszálak szinte minden üvegszálas erősítésű termék standard típusa, míg az S-üvegszálak (más néven R-üvegszálak vagy T-üvegszálak) jelentősen jobb szakítószilárdsággal rendelkeznek.
Az S-üvegszálak általában kisebbek, mint az E-üvegszálak, jobb tapadással rendelkeznek a gyanta mátrixban, és jobb ütési tulajdonságokkal rendelkeznek. Azonban sokkal többe kerül. Az S-2 üvegszál nagyobb szilárdságú kereskedelmi S-üvegszál, amely kétszer akkora szakítószilárdságú, mint a tipikus E-üvegszálak, és körülbelül 10-20% -kal merevebb. De szinte minden alkalmazáshoz elegendő az E-üvegszálak.
Az üvegszálakat olvadt (1700°C) ásványi termékek (szilícium, alumínium, kalcium-oxid stb.) kis átmérőjű lyukakon keresztül történő extrudálásával állítják elő. Általában az E-üvegszálak körülbelül 10-25 mikron átmérőjűek, ami nagyobb, mint a szénszálak.
Szénszál
Számos típusú szénszál létezik különböző mechanikai tulajdonságokkal és költségekkel. A szénszálakat nem közvetlenül olvadt anyagból extrudálják, hanem a prekurzor szálak hőkezelésével, beleértve a levegőben történő előoxidációt és inert légkörben történő karbonizációt. A feszültség alatt a szálon belüli szénszerkezet igazodik, hogy maximalizálja a szakítószilárdságot és a merevséget.
A szénszál leggyakoribb prekurzora a poliakrilonitril (PAN) szál. Jelenleg a leggyakoribb standard és közepes modulusú szénszálakat PAN prekurzorok alapján állítják elő; Míg a pitch prekurzorokból készült szénszálak általában magasabb modulusúak. A prekurzorok tulajdonságaitól, a szálátmérőtől és a hőkezelési folyamat részleteitől (oxidáció, karbonizáció, grafitizálás) függően a végső szénszál mechanikai tulajdonságai széles körben eltérhetnek.
Általában egyetlen szénszál átmérője kisebb, mint az üvegszál átmérője, csak 5 mikron. Jelenleg a szénszál leggyakoribb osztályozása a szál mechanikai tulajdonságain alapul, különösen a szálmodulon. Főként szabványos modulusra (Standard modulus), köztes modulusra (IM), nagy modulusra (High Modulus, HM) és ultra-magas modulusra osztható A mennyiség (Ultra-magas modulus) szénszál, a reprezentatív termékek az alábbi táblázatban láthatók.
Egyéb gyakran használt erősítőszálak
Kevlar Aramid Fiber: A DuPont által kifejlesztett szintetikus aramid rost. Egyéb kereskedelmi aramidszálak közé tartozik a Twaron, Technora és Nomex. Kompozit anyagok erősítőszálaként az aramidot elsősorban nagy szakítószilárdságú és szúrásállóságú alkalmazásokban használják, kopásállóságú és törésállóságú alkalmazásokban. Az aramidszálakat gyakran nehéz kötni, vágni és kezelni, és gyakran kombinálják szén- vagy üvegszálakkal.
Basaltszál: Olvasztási és extrudálási eljárással készült, hasonló az üvegszálhoz. Szakítószilárdsága és modulusa kissé magasabb, mint az E-üvegszál, de nem olyan jó, mint a szénszál. A sűrűség hasonló az E-üvegszálhoz. Az ár E-üveg és szénszál között van. Korlátozott a kompozit minőségű bazalt, amely általában barna színű.
Ultra nagy molekulatömegű polietilén: Mind a Dyneema, mind a Spectra szálak ultranagy molekulatömegű polietilén (UHMWPE) extrudált szálakból készülnek. Nagymodulú polietilén" (HMPE). Az UHMWPE-t vontatóhajó kábelekben, íjzsinórokban, halászzsinórokban és járműpáncélokban használják, erős és tartós. Ezek a szálak kompozit alkalmazásokban használhatók, és gyakran keverednek szénszálakkal. A Dyneema / szénszálas hibrid erősítések növelhetik a laminált anyagok szilárdságát, és javíthatják a szénszálas energiaelnyelést és ütésállóságot. A Spectra szövet helyileg használható az ellenállás növelésére.
Nagy molekulatömegű polipropilén: Az Innegra egy olyan szál, amely az Innegra Technologies által készített nagy molekulatömegű polipropilénből (HMPP) készült. Bár nem olyan erős, mint a Kevlár vagy a Dyneema, az Innegra elég kemény ahhoz, hogy ellenálljon az ütésnek és a törésnek alacsonyabb áron. Gyakran használják az Innegra-t hibrid erősítések összetevőjeként, szén- vagy üvegszálakkal keverve, hogy növeljék a laminált szilárdságát.
Növényi szálak: Míg az üvegszálak és a szénszálak a leggyakoribb erősítőszálak, a legrégebbi szerkezeti erősítőszálak a fa és a növényi szálak. Az elmúlt évtizedben újra megjelent az érdeklődés a laminált növényi rostok, különösen a len és a juta iránt, amelyek hasznos mechanikai tulajdonságokat biztosítanak és hasonló feldolgozást biztosítanak a standard rosttípusokhoz. A növényi szálak egyik kihívása az, hogy a mechanikai tulajdonságok sokkal szélesebbek, mint a hagyományos mérnöki anyagok, és nem olyan erősek, mint a hagyományos E-üvegszálak. A nedvesség felszívódása probléma minden bioalapú kompozit erősítésnél, ami sok kompozit folyamat esetében problémát okozhat.
Kerámiaszálak: A kerámiamátrix kompozitok (CMC) mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, közel a szénszálas kompozitokhoz, de rendkívül magas hőmérsékletállósággal rendelkeznek. Általában oxidatív és nem oxidatív rostok bontják le, kémiai összetételüktől függően. A nem oxid oldalon a bór az egyik legismertebb kerámia erősítés, hihetetlen nyomószilárdsággal. A szilícium-karbid (SiC) szálak nagy szilárdsággal és merevséggel rendelkeznek, és nagyon merevek. Az oxid alapú szálak nagyobb oxidációs ellenállással rendelkeznek, de alacsonyabb mechanikai tulajdonságokkal.