Mnoge industrije trenutno se suočavaju sa zajedničkim problemom, a to je da im trebaju materijali koji su i čvrsti i fleksibilni, a opet lagani. Kompozitni materijali mogu riješiti ovaj problem. Oni mogu kombinirati snage različitih materijala kako bi postigli bolje, učinkovitije rezultate. Kompozitni materijali se intenzivno koriste u industrijama kao što su zrakoplovstvo, proizvodnja automobila i građevinarstvo. Što je kompozitni materijal?

Ovi materijali nastaju miješanjem dviju ili više različitih tvari, od kojih svaka ima svoje jedinstvene fizičke ili kemijske karakteristike. Posljedično, kada se spoje zajedno, stvaraju novi materijal s poboljšanim značajkama. Kao rezultat toga, ovaj bi novi materijal mogao biti jači, lakši ili otporniji na sile u usporedbi s izvornim tvarima.

Jeste li znatiželjni o kompozitnim materijalima i njihovim vrstama? Istražimo što ove materijale čini jedinstvenima i kako se primjenjuju u raznim industrijama.

Što je kompozitni materijal?

Kako bi stvorili kompozitni materijal, inženjeri kombiniraju dva različita materijala, svaki sa svojim jedinstvenim svojstvima. Ova kombinacija rezultira novim materijalom sa karakteristikama koje nema u originalu. Dizajnirali su ovaj novi materijal za obavljanje specifičnih funkcija, kao što je jači, lakši ili otporan na elektricitet. Osim toga, kompozitni materijali mogu povećati čvrstoću i krutost.

Kratka povijest kompozitnih materijala

Ljudi su počeli koristiti kompozitne materijale prije mnogo godina u prošlosti. Već 3400. godine prije Krista Mezopotamci su napravili prve umjetno izrađene kompozitne materijale. Oni lijepe tanke komade drveta zajedno pod različitim kutovima kako bi napravili jaču šperploču. Kasnije, oko 2181. godine prije Krista, stari Egipćani su izrađivali posmrtne maske. Koristili su lan ili papirus i pokrivali ga gipsom. Oba društva također su dodavala slamu za ojačavanje drugih materijala, kao što su cigle od blata, keramika i čamci.

Oko 1200. godine nove ere Mongoli su stvorili moćan složeni luk. Kako bi ga napravili, kombinirali su nekoliko materijala, uključujući drvo, tetivu, rog, bambus, kost i svilu. Koristili su terpentin kao ljepilo za držanje svih dijelova zajedno, što je rezultiralo vrlo učinkovitim oružjem.

Suvremeni napredak u kompozitima

Nakon industrijske revolucije sintetičke smole postale su čvrste procesom polimerizacije, što je dovelo do proizvodnje raznih vrsta plastike u 20. stoljeću. Leo Baekeland izumio je fenolnu smolu, koja je bila vrlo popularna zbog svojih svojstava neprovodljivosti i otpornosti na toplinu. U 1930-ima Owens Corning predstavio je staklena vlakna i bio pionir u industriji FRP-a (polimera ojačanog vlaknima). Smole proizvedene u to vrijeme snažno su se razvile i još uvijek su u upotrebi. Dvije godine kasnije pojavio se jači sustav smole.

Trajni utjecaj kompozita

Početna karbonska vlakna patentirana su 1961. i postupno su stekla popularnost u komercijalnim primjenama. Do sredine 1990-ih, kompozitni materijali su stekli veću popularnost u industrijama kao što su proizvodnja i građevinarstvo. Oni su jeftiniji i jači od starih materijala. Korištenje kompozita u Boeingu 787 Dreamliner sredinom 2000-ih dodatno je pokazalo njihovu vrijednost. To pokazuje njihovu važnost za aplikacije koje zahtijevaju visoku čvrstoću, što ih čini neophodnim za moderne primjene.

Od čega su napravljeni kompoziti?

Ljudi također nazivaju kompozite polimerima ojačanim vlaknima (FRP). Proizvođači ih stvaraju pomoću polimerne matrice. Oni ojačavaju ovu matricu pomoću konstruiranih, sintetičkih ili prirodnih vlakana, koja mogu uključivati ​​materijale poput stakla, ugljika ili aramida. Osim toga, mogu koristiti druge materijale za povećanje čvrstoće kompozita.

Matrica ima važnu ulogu. Štiti vlakna od oštećenja okoliša i drugih vanjskih utjecaja, a također olakšava prijenos opterećenja između njih. S druge strane, vlakna daju snagu i krutost. Oni pomažu poduprijeti matricu i omogućuju joj otpornost na pukotine i lomove.

U brojnim proizvodima u našoj industriji proizvođači često sastavljaju matricu od poliesterske smole i obično koriste staklena vlakna kao materijal za pojačanje. Unatoč tome, oni mogu stvoriti kompozite koristeći različite kombinacije smole i ojačanja, pri čemu svaki par jedinstveno utječe na različite karakteristike i svojstva konačnog proizvoda. Iako je vlakno jako, lako se lomi, pa daje snagu i krutost. U međuvremenu, fleksibilna smola oblikuje i štiti vlakno.

FRP kompoziti također mogu sadržavati punila, aditive i materijale jezgre. Mogu čak imati i površinsku obradu. Ovi dodaci se koriste kako bi proizvodni proces bio bolji. Oni također poboljšavaju izgled proizvoda i povećavaju njegovu učinkovitost.

Glavna svojstva kompozitnih materijala

Kompozitni materijali imaju mnoga posebna svojstva. Zbog ovih karakteristika, oni su vrlo svestrani i rade dobro čak iu teškim i zahtjevnim uporabama. Ove važne karakteristike imaju velik utjecaj na njihovu učinkovitost. Pogledajmo sada različita svojstva koja su vrlo korisna pri izradi proizvoda.

snaga

Ljudi prepoznaju kompozite po tome što su jači od pojedinačnih materijala koji ih čine. Posljedično, oni povećavaju čvrstoću i čine strukturu čvršćom. Stoga kompozitni materijali služe kao izvrsna opcija za primjene koje zahtijevaju sposobnost podnošenja velikih opterećenja.

Trajnost

Kompozitni materijali mogu se koristiti u teškim vremenskim uvjetima ili okruženjima koja uzrokuju koroziju. Također dobro rade pod opetovanim stresom kao što su udarci i vibracije. To ih čini idealnim za korištenje u svemirskim letjelicama, automobilima i zrakoplovima.

Otpornost na udarce

Proizvođači dizajniraju ove materijale da podnose udarce i rašire silu, čineći to bez oštećenja. Ova sposobnost je ključna, posebno u aplikacijama gdje je utjecaj vjerojatan. Posljedično, njihova sposobnost da se odupru oštećenjima od sudara ili udaraca čini ih ključnim za strukture za zaštitu od sudara.

Kemijska otpornost

Kompoziti mogu izdržati oštećenja uzrokovana jakim kemikalijama ili teškim okruženjima. To ih čini idealnima za stvaranje premaza otpornih na kemikalije. Također se koriste u opremi koja rukuje kemikalijama.

Fleksibilnost

Kompoziti su vrlo fleksibilni i mogu se saviti ili promijeniti oblik bez lomljenja. Također se mogu dizajnirati za savijanje na određene načine, ovisno o njihovoj namjeni. To ih čini dobrima za izradu protetičkih udova. Također, njihova fleksibilna priroda daje inženjerima bolji izbor za stvari koje se suočavaju s pokretnim opterećenjima ili vibracijama.

Lak

Ovi materijali imaju snažna svojstva, ali nisu teški. Omogućuju proizvodnju dijelova i konstrukcija koje su lagane. Njihova snaga u usporedbi s njihovom težinom važna je kvaliteta u industrijama u kojima je smanjenje težine vrlo važno.

Toplinska stabilnost

Kompozitni materijali mogu zadržati svoj oblik kada su izloženi visokoj toplini. Sposobnost da ostane jak pod visokim temperaturama vrlo je važna. Ovo je potrebno za uporabu koja se suočava s vrlo vrućim uvjetima.

Električna provodljivost

Kompoziti mogu imati vrlo dobra električna svojstva. Mogu se učiniti da djeluju kao dobri izolatori ili da dobro provode struju.

Zvučna izolacija

Kompoziti su posebni jer mogu smanjiti ili zaustaviti prolazak buke. Ovo svojstvo blokiranja zvuka čini ih savršenima za zvučnu izolaciju.

3 glavne prednosti kompozita Materijali

Ljudi često koriste kompozite u svakodnevnim predmetima. Možemo ih pronaći u automobilima, golf opremi, pa čak i u lulama. Također su vrlo važni za napredne strojeve poput raketnih brodova. Zbog svojih posebnih svojstava pružaju više prednosti u usporedbi s tradicionalnim materijalima. Inženjeri, dizajneri i arhitekti radije koriste kompozite, posebno u teškim situacijama gdje je važna visoka čvrstoća ili otpornost na toplinu.

Isplativost

Kompoziti su isplativiji od uobičajenih materijala kao što su drvo i metal. Osim što su jeftiniji, pružaju i bolju funkcionalnost. Osim toga, kompoziti su ekološki prihvatljiviji. To je zato što stvaraju manje otpada tijekom svoje proizvodnje i uporabe.

Smanjeno vrijeme i trud za proizvodnju

Korištenje kompozita u procesu proizvodnje pomaže smanjiti vrijeme potrebno za izradu proizvoda. Također smanjuje količinu rada potrebnog za sastavljanje različitih tradicionalnih materijala.

Svestranost dizajna

Jedna od ključnih prednosti kompozitnih materijala je njihova fleksibilnost u dizajnu. Inženjeri ih mogu napraviti u bilo koje oblike ili oblike koji im trebaju. To im omogućuje stvaranje složenih dijelova i komponenti s tim materijalima.

Vrste kompozita

Nakon što smo naučili o općim prednostima kompozita, istražimo sada različite vrste kompozita.

Prirodni kompozitni materijali

Kompozitni tip	Pojačanje	Distributori	Primjer upotrebe
Drvo	Celulozna vlakna	Lignin (organski polimeri na bazi ugljika)	Građevinski materijal, izrada namještaja itd.
Kost	Kolagena vlakna	Hidroksiapatit (kristalni mineral na bazi kalcija)	Strukturna potpora unutar živih organizama
Beton/Opeka	Slama	Blato ili glina	Izgradnja zgrada, infrastrukture poput zidova itd.

Klasični kompozitni materijali

Tridesetih godina prošlog stoljeća pojavio se prvi moderni kompozitni materijal, staklena vlakna. Također je poznata kao plastika ojačana staklenim vlaknima (GRFP ili GRP). S razvojem, GRP obično dolazi u obliku trake, zalijepljene na kalup za upotrebu, plastičnih traka kao podloge za podupiranje staklenih vlakana. Staklena vlakna pomažu ojačati materijal. Plastika ojačana ugljičnim vlaknima (CRFP ili CRP) slična je GRP-u, ali koristi ugljična vlakna.

• Plastika ojačana staklenim vlaknima (GRP)

Osnovni uvod

Fiberglas je bio prvi moderni kompozitni materijal. U početku napisan kao "fibreglas", sada se obično naziva plastika ojačana staklenim vlaknima (GRFP ili GRP). Ovaj materijal nastao je 1930-ih.

Forma i sastav

Danas proizvođači često nude staklena vlakna u obliku traka koje korisnici mogu nanijeti na površinu kalupa. Plastična potporna traka djeluje kao matrica, držeći staklena vlakna na mjestu. Međutim, staklena vlakna daju većinu čvrstoće materijala.

Svojstva materijala

Plastika je prirodno mekana i fleksibilna, dok je staklo čvrsto, ali krto. Kada se spoje, tvore materijal koji je i jak i izdržljiv. Ovaj je materijal idealan za primjene kao što su karoserije automobila ili brodova. Za razliku od metala ili legura, lakši je i otporan na hrđu.

• Plastika ojačana karbonskim vlaknima (CRFP ili CRP)

Spojite se na GRP

Slično je GRP-u.

Razlika

Koristi karbonska vlakna umjesto staklenih vlakana.

Moderni kompoziti

Moderni napredni kompoziti općenito se izrađuju od materijala kao što su metal, plastika (polimer) ili keramika. Kao rezultat toga, nastaju tri primarne vrste kompozita: kompoziti s metalnom matricom (MMC), kompoziti s polimernom matricom (PMC) i kompoziti s keramičkom matricom (CMC).

Metalno matrični kompoziti (MMC)

Proizvođači sastavljaju matricu MMC-a koristeći lagane metale kao što su aluminij ili legure magnezija. U proizvodnji koriste keramiku ili karbonska vlakna kako bi ga ojačali, poput aluminija ojačanog silicijevim karbidom i legura bakra i nikla ojačanih grafenom. Ovi materijali su čvrsti, tvrdi, izdržljivi, otporni na hrđu i relativno lagani. Međutim, njihova visoka cijena ograničava njihovu upotrebu. Popularni su u zrakoplovnoj, vojnoj, automobilskoj industriji i primjenama alata za rezanje.

Keramički matrični kompoziti (CMC)

Keramički matrični kompoziti (CMC) koriste keramički materijal, kao što je borosilikatno staklo, kao matricu. Ugljična ili keramička vlakna dodaju se za pojačanje kako bi se smanjila lomljivost tradicionalne keramike. Primjeri CMC-a uključuju silicij karbid ojačan ugljičnim vlaknima (C/SiC) i silicij karbid ojačan silicijevim karbidom (SiC/SiC).

U početku su CMC-i razvijeni za zrakoplovne i vojne primjene gdje su lagani materijali i otpornost na visoke temperature bili ključni. Danas se također koriste u automobilskim kočnicama, spojkama, ležajevima, izmjenjivačima topline, pa čak i nuklearnim reaktorima.

Kompoziti polimerne matrice (PMC)

PMC-i poput GRP-a su različiti. U PMC-ima, keramička ili karbonska vlakna povećavaju čvrstoću i krutost plastične matrice koja može biti termoplastična ili termoreaktivna. Općenito, termoreaktivni PMC-ovi bolje podnose visoke temperature i otapala, ali su manje otporni i potrebno im je više vremena za izradu. Izvrsni su za proizvodnju dijelova za automobile, brodove i avione. Proizvođači ih široko koriste u proizvodnji sportske opreme. Zrakoplovna industrija obično koristi PMC-ove na bazi epoksida (termoset), a važnost PMC-ova na bazi termoplasta otpornih na visoke temperature također raste.

Primjena kompozitnih materijala

Kompozitni materijali koriste se u mnogim industrijama i imaju mnogo primjena. Evo nekoliko primjera:

• zračno-kosmički prostor

Upotreba kompozita u zrakoplovima je porasla. Na primjer, B787 sastoji se od 50% kompozita po težini, s ugljikovim sendvič strukturama, CFRP laminatima i staklenim vlaknima. Kompoziti imaju prednost u odnosu na aluminij zbog svoje bolje čvrstoće i rasteznih svojstava.

• Autokuće

Proizvođači koriste kompozite u sportskim i električnim vozilima zbog njihove male težine, što poboljšava performanse i produljuje domet baterije. CFRC dijelovi mogu smanjiti težinu vozila za 30%. Recikliranje karbonskih vlakana pomaže u uštedi energije i smanjenju emisija.

• Marine

GF i CF kompoziti se intenzivno koriste u brodogradnji i popravcima brodova. Oni su istisnuli tradicionalne metale zbog svoje lagane prirode, iznimne čvrstoće i izdržljivosti. Proizvođači preferiraju GRP zbog njegove otpornosti na teške uvjete i niske zahtjeve za održavanjem.

• Energiju vjetra

Kompoziti su ključni u lopaticama vjetroturbina zbog visokog omjera čvrstoće i težine. Kako stare turbine dosegnu EoL, recikliranje je ključno. Neke zemlje EU-a zabranjuju odlaganje kompozitnih oštrica na odlagalištima, potičući bolja rješenja za recikliranje.

• Izgradnja i infrastruktura

Napredni kompoziti koriste se u izgradnji mostova i naknadnoj opremi konstrukcija za otpornost na potres. Staklena i karbonska vlakna u smolama su uobičajena. Industrija traži održivo recikliranje za upravljanje velikim EoL materijalnim otpadom.

TEAM Rapid: Vaš najbolji izbor za rješenja kompozitnih materijala

TEAM Rapid je vrhunska tvrtka specijalizirana za kompozitne materijale. Nudimo široku lepezu usluga, koristeći našu vrhunsku tehnologiju i poznavanje industrije. Naš stručni tim ima veliko iskustvo s različitim kompozitnim materijalima i tehnikama proizvodnje. Bez obzira jesu li vaše potrebe u zrakoplovnoj, automobilskoj, pomorskoj ili drugim industrijama, isporučujemo prilagođena rješenja dizajnirana da zadovolje vaše specifične zahtjeve.

Uz našu predanost kvaliteti i inovacijama, osiguravamo da su kompozitni dijelovi i proizvodi koje isporučujemo najvišeg standarda. S našim najsuvremenijim objektima i visoko iskusnim stručnjacima, pružamo učinkovite i pouzdane usluge za sve vaše potrebe za kompozitnim materijalima. Odabirom TEAM Rapid Toolinga osiguravate izvanrednu kvalitetu i izvedbu u svakom projektu od CNC brza izrada prototipova do dijelovi za brizganje. Obratite nam se već danas i dopustite nam da vam pomognemo u realizaciji vašeg sljedećeg složenog projekta!

PITANJA I ODGOVORI

• Što je skuplje, kompozitni ili tradicionalni materijali?

Trošak kompozitnog materijala ovisi o materijalima koji se koriste za njegovu izradu. Vrsta proizvodnih procesa i materijala ponekad kompozite može učiniti skupljima od tradicionalnih materijala. Međutim, kompoziti se smatraju isplativima jer nude bolje performanse, manju težinu i veću izdržljivost.

• Koji su nedostaci kompozitnih materijala?

Dok kompozitni materijali nude mnoge prednosti, imaju i neke nedostatke. Mogu biti izazovni za popravak i održavanje jer je oštećenje često teško otkriti ili popraviti. Delaminacija, gdje se slojevi razdvajaju, još je jedan čest problem. Osim toga, proizvodnja kompozita za specifične primjene može biti složena i skupa. Njihova otpornost na udarce često je niža u usporedbi s tradicionalnim materijalima poput metala, što ih čini manje prikladnima za određena okruženja s visokim stresom.