stringtranslate.com

Пластик, армированный волокном

Армированный волокном пластик ( FRP ; также называется армированным волокном полимером или в американском английском волокном ) — это композитный материал, изготовленный из полимерной матрицы, армированной волокнами . Волокна обычно стеклянные (в стекловолокне ), углеродные (в армированном углеродным волокном полимере ), арамидные или базальтовые . Реже используются другие волокна, такие как бумага, дерево, бор или асбест . Полимер обычно представляет собой эпоксидный , винилэфирный или полиэфирный термореактивный пластик , хотя фенолформальдегидные смолы все еще используются.

FRP обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной промышленности. Они обычно встречаются в баллистической броне и баллонах для автономных дыхательных аппаратов .

История

Бакелит был первым армированным волокном пластиком. Лео Бакеланд изначально намеревался найти замену шеллаку (изготовленному из выделений лаковых червей ). Химики начали понимать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами, и Бакеланд исследовал реакции фенола и формальдегида. Сначала он создал растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием «Новолак», который так и не стал рыночным успехом, а затем занялся разработкой связующего для асбеста , который в то время формовался из резины. Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду , он обнаружил в 1905 году, что может производить свой мечтанный твердый формуемый материал (первый в мире синтетический пластик ): бакелит. [1] [2] Он объявил о своем изобретении на заседании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. [3]

Разработка армированного волокнами пластика для коммерческого использования широко исследовалась в 1930-х годах. В Соединенном Королевстве значительные исследования были проведены пионерами, такими как Норман де Брюйн . Это было особенно интересно для авиационной промышленности. [4]

Массовое производство стеклянных нитей было открыто в 1932 году, когда Геймс Слейтер , исследователь из Owens-Illinois, случайно направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и получил волокна. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. [5] Owens объединился с компанией Corning в 1935 году, и метод был адаптирован Owens Corning для производства своего запатентованного «fibreglas» (одна «s») в 1936 году. Первоначально стекловолокно представляло собой стекловату с волокнами, удерживающими большое количество газа, что делало его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.

Подходящая смола для объединения «стекловолокна» с пластиком для получения композитного материала была разработана в 1936 году компанией du Pont . Первым предком современных полиэфирных смол является смола Cyanamid 1942 года. К тому времени использовались системы отверждения пероксидом . [6] При объединении стекловолокна и смолы газосодержание материала было заменено пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но теперь впервые композит показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. По странному стечению обстоятельств, многие композиты из стекловолокна продолжали называть « стекловолокном » (как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.

Фэрчайлд F-46

Рэю Грину из Owens Corning приписывают создание первой композитной лодки в 1937 году, но в то время дело не пошло дальше из-за хрупкости используемого пластика. В 1939 году сообщалось, что Россия построила пассажирскую лодку из пластиковых материалов, а Соединенные Штаты — фюзеляж и крылья самолета. [7] Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был Stout Scarab 1946 года . Была построена только одна эта модель. [8] Прототип Ford 1941 года мог быть первым пластиковым автомобилем, но есть некоторая неопределенность относительно использованных материалов, поскольку он был уничтожен вскоре после этого. [9] [10]

Первым самолетом из армированного волокном пластика был либо Fairchild F-46 , впервые поднявшийся в воздух 12 мая 1937 года, либо построенный в Калифорнии Bennett Plastic Plane. [11] Стекловолоконный фюзеляж использовался на модифицированном Vultee BT-13A, обозначенном как XBT-16, базировавшемся на авиабазе Райт-Филд в конце 1942 года. [12] В 1943 году были проведены дальнейшие эксперименты по созданию структурных деталей самолета из композитных материалов, в результате чего первый самолет, Vultee BT-15 , с фюзеляжем из стеклопластика, обозначенный как XBT-19, поднялся в воздух в 1944 году. [13] [14] [15] Значительное развитие в области оснастки для компонентов из стеклопластика было осуществлено Republic Aviation Corporation в 1943 году. [16]

Производство углеродного волокна началось в конце 1950-х годов и использовалось, хотя и не широко, в британской промышленности до начала 1960-х годов. Арамидные волокна также производились примерно в это же время, впервые появившись под торговой маркой Nomex компанией DuPont . Сегодня каждое из этих волокон широко используется в промышленности для любых применений, требующих пластика с определенными прочностными или эластичными свойствами. Стеклянные волокна являются наиболее распространенными во всех отраслях промышленности, хотя углеродное волокно и углеродно-арамидные композиты широко используются в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности. [17] Эти три ( стекло , углерод и арамид ) продолжают оставаться важными категориями волокон, используемых в FRP.

Глобальное производство полимеров в масштабах, существующих сегодня, началось в середине 20-го века, когда низкие материальные и производственные затраты, новые производственные технологии и новые категории продуктов объединились, чтобы сделать производство полимеров экономичным. Индустрия окончательно созрела в конце 1970-х годов, когда мировое производство полимеров превзошло производство стали , сделав полимеры вездесущим материалом, которым они являются сегодня. Армированные волокном пластики были важным аспектом этой отрасли с самого начала.

Определение процесса

Полимер обычно производится путем ступенчатой ​​полимеризации или полимеризации присоединения . Когда один или несколько полимеров объединяются с различными агентами для улучшения или каким-либо образом изменения свойств их материалов, результат называется пластиком . Композитные пластики относятся к тем типам пластиков, которые получаются путем соединения двух или более однородных материалов с различными свойствами материала для получения конечного продукта с определенными желаемыми материальными и механическими свойствами. Армированные волокном пластики представляют собой категорию композитных пластиков, которые специально используют волокнистые материалы для механического повышения прочности и эластичности пластиков.

Исходный пластиковый материал без армирования волокнами известен как матрица или связующее вещество . Матрица представляет собой прочный, но относительно слабый пластик, который армирован более прочными жесткими армирующими нитями или волокнами. Степень, в которой прочность и эластичность усиливаются в армированном волокнами пластике, зависит от механических свойств как волокна, так и матрицы, их объема относительно друг друга, а также длины и ориентации волокна внутри матрицы. [18] Армирование матрицы происходит по определению, когда материал FRP проявляет повышенную прочность или эластичность относительно прочности и эластичности только матрицы. [17]

Описание процесса

Производство FRP включает в себя два различных процесса: первый — это процесс, при котором волокнистый материал изготавливается и формируется, второй — это процесс, при котором волокнистые материалы связываются с матрицей во время формования. [17]

Волокно

Производство волокнистых тканей

Армирующее волокно производится как в двухмерной, так и в трехмерной ориентации:

  1. Двумерный армированный стекловолокном полимер характеризуется слоистой структурой, в которой волокна выровнены только вдоль плоскости в направлении x и y материала. Это означает, что волокна не выровнены по толщине или по направлению z , это отсутствие выравнивания по толщине может создать недостаток в стоимости и обработке. Стоимость и трудозатраты увеличиваются, поскольку традиционные методы обработки, используемые для изготовления композитов, такие как мокрая ручная выкладка, автоклавное и литьевое формование смолы, требуют большого количества квалифицированной рабочей силы для резки, укладки и консолидации в предварительно сформированный компонент.
  2. Трехмерные полимерные композиты, армированные стекловолокном, представляют собой материалы с трехмерной волокнистой структурой, включающей волокна в направлениях x, y и z . Разработка трехмерных ориентаций возникла из-за потребности промышленности в снижении затрат на производство, повышении механических свойств по всей толщине и улучшении устойчивости к ударным повреждениям; все эти проблемы были связаны с двумерными полимерами, армированными волокнами.

Производство волокнистых заготовок

Волокнистые заготовки — это способ изготовления волокон перед их связыванием с матрицей. Волокнистые заготовки часто производятся в листах, непрерывных матах или в виде непрерывных нитей для распыления. Четыре основных способа изготовления волокнистых заготовок — это текстильные технологии обработки: ткачество , вязание , плетение и сшивание .

  1. Плетение может осуществляться как обычным способом для получения двумерных волокон, так и многослойным плетением, которое может создавать трехмерные волокна. Однако многослойное плетение требует нескольких слоев нитей основы для создания волокон в направлении z, что создает несколько недостатков в производстве, а именно время для установки всех нитей основы на ткацком станке . Поэтому в настоящее время большая часть многослойного плетения используется для производства относительно узкой по ширине продукции или продукции с высокой стоимостью, где стоимость производства заготовки приемлема. Еще одной из основных проблем, с которой сталкивается использование многослойных тканых материалов, является сложность производства ткани, содержащей волокна, ориентированные не под прямым углом друг к другу.
  2. Вторым основным способом изготовления волокнистых заготовок является плетение. Плетение подходит для изготовления узкой плоской или трубчатой ​​ткани и не так эффективно, как ткачество, при производстве больших объемов широких тканей. Плетение выполняется поверх оправок, которые различаются по форме поперечного сечения или размеру по длине. Плетение ограничено объектами размером с кирпич. В отличие от стандартного плетения, плетение может производить ткань, содержащую волокна под углом 45 градусов друг к другу. Плетение трехмерных волокон может быть выполнено с использованием четырехшагового, двухшагового или многослойного интерлок-плетения. Четырехшаговое или рядно-столбчатое плетение использует плоскую платформу, содержащую ряды и столбцы носителей пряжи, которые формируют форму желаемой заготовки. Дополнительные носители добавляются снаружи массива, точное расположение и количество которых зависят от точной формы заготовки и требуемой структуры. Существует четыре отдельных последовательности движения строк и столбцов, которые действуют для переплетения пряжи и создания плетеной заготовки. Нити механически вдавливаются в структуру между каждым шагом для ее консолидации, как при ткачестве используется бердо. Двухэтапное плетение отличается от четырехэтапного процесса тем, что двухэтапный процесс включает в себя большое количество нитей, закрепленных в осевом направлении, и меньшее количество нитей плетения. Процесс состоит из двух этапов, в которых носители плетения полностью перемещаются через структуру между осевыми носителями. Эта относительно простая последовательность движений способна формировать заготовки практически любой формы, включая круглые и полые формы. В отличие от четырехэтапного процесса, двухэтапный процесс не требует механического уплотнения: движения, задействованные в процессе, позволяют туго натягивать оплетку только за счет натяжения пряжи. Последний тип плетения — многослойное переплетенное плетение, которое состоит из ряда стандартных круглых оплеточных машин, соединенных для формирования цилиндрической плетеной рамы. Эта рама имеет ряд параллельных плетеных дорожек по окружности цилиндра, но механизм позволяет переносить носители пряжи между соседними дорожками, образуя многослойную плетеную ткань с нитями, переплетающимися с соседними слоями. Многослойная интерлок-плетенка отличается как от четырехшаговой, так и от двухшаговой плетенки тем, что переплетающиеся нити находятся в основном в плоскости структуры и, таким образом, не снижают существенно плоскостные свойства заготовки. Четырехшаговый и двухшаговый процессы обеспечивают большую степень переплетения, поскольку оплеточные нити проходят через толщу заготовки, но, следовательно, вносят меньший вклад в плоскостные характеристики заготовки. Недостатком многослойного интерлок-оборудования является то, что из-за обычного синусоидального движения носителей нитей для формирования заготовки оборудование не может иметь плотность носителей нитей, которая возможна на двухшаговых и четырехшаговых машинах.
  3. Вязание заготовок из волокон может быть выполнено традиционными методами основовязального и [уточного] вязания, и полученная ткань часто рассматривается многими как двумерная ткань, но машины с двумя или более игольницами способны производить многослойные ткани с нитями, которые проходят между слоями. Разработки в области электронного управления для выбора игл и переноса трикотажных петель, а также в сложных механизмах, которые позволяют удерживать определенные области ткани и контролировать их движение, позволили формировать ткань в требуемую трехмерную форму заготовки с минимальными отходами материала.
  4. Сшивание, возможно, является самой простой из четырех основных технологий текстильного производства и одной из тех, которая может быть выполнена с минимальными инвестициями в специализированное оборудование. В основном сшивание заключается во введении иглы, несущей нить стежка, через стопку слоев ткани для формирования трехмерной структуры. Преимущества сшивания заключаются в том, что можно сшивать как сухую, так и препреговую ткань, хотя липкость препрега затрудняет процесс и, как правило, создает больше повреждений в препреговом материале, чем в сухой ткани. Сшивание также использует стандартные двухмерные ткани, которые обычно используются в композитной промышленности, поэтому возникает ощущение знакомства с материальными системами. Использование стандартной ткани также обеспечивает большую степень гибкости в укладке ткани компонента, чем это возможно при других текстильных процессах, которые имеют ограничения по ориентации волокон, которые могут быть получены. [19]

Процессы формования

Жесткая структура обычно используется для установления формы компонентов FRP. Детали могут быть уложены на плоской поверхности, называемой «плита-уплотнитель», или на цилиндрической структуре, называемой «оправкой». Однако большинство деталей из армированного волокном пластика создаются с помощью формы или «инструмента». Формы могут быть вогнутыми женскими формами, мужскими формами или форма может полностью охватывать деталь с верхней и нижней формами.

Процесс формования пластика FRP начинается с помещения заготовки волокна на форму или в нее. Заготовка волокна может быть сухой или уже содержащей определенное количество смолы, называемой «препрегом». 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 используется тепло и/или давление. Ниже перечислены различные методы формования.

Формование мочевого пузыря

Отдельные листы препрегового материала укладываются и помещаются в форму женского типа вместе с похожим на баллон пузырем. Форма закрывается и помещается в нагретый пресс. Наконец, пузырь подвергается давлению, прижимая слои материала к стенкам формы.

Компрессионное формование

Когда сырье (пластиковый блок, резиновый блок, пластиковый лист или гранулы) содержит армирующие волокна, компрессионная формованная деталь квалифицируется как армированный волокном пластик. Чаще всего пластиковая преформа, используемая при компрессионном формовании, не содержит армирующих волокон. При компрессионном формовании «преформа» или «заряд» SMC , BMC помещается в полость формы. Форма закрывается, и материал формируется и отверждается внутри под давлением и теплом. Компрессионное формование обеспечивает превосходную детализацию для геометрических форм, начиная от детализации узоров и рельефа до сложных кривых и креативных форм, до точного машиностроения, и все это в течение максимального времени отверждения 20 минут. [20]

Автоклав и вакуумный пакет

Отдельные листы материала препрега укладываются и помещаются в открытую форму. Материал покрывается разделительной пленкой, воздухоотводящим/дышащим материалом и вакуумным мешком . На деталь нагнетается вакуум, и вся форма помещается в автоклав (нагреваемый сосуд под давлением). Деталь отверждается непрерывным вакуумом для извлечения захваченных газов из ламината. Это очень распространенный процесс в аэрокосмической промышленности, поскольку он обеспечивает точный контроль над формованием благодаря длительному, медленному циклу отверждения, который составляет от одного до нескольких часов. [21] Этот точный контроль создает точные геометрические формы ламината, необходимые для обеспечения прочности и безопасности в аэрокосмической промышленности, но он также медленный и трудоемкий, что означает, что затраты часто ограничивают его применение в аэрокосмической промышленности. [20]

Обертывание оправки

Листы материала препрега оборачиваются вокруг стальной или алюминиевой оправки. Материал препрега уплотняется нейлоновой или полипропиленовой целлофановой лентой. Детали обычно отверждаются партиями путем вакуумного мешка и подвешивания в печи. После отверждения целлофан и оправка удаляются, оставляя полую углеродную трубку. Этот процесс создает прочные и надежные полые углеродные трубки.

Мокрый лейап

Формование мокрой выкладки объединяет армирование волокнами и матрицу, когда они помещаются на формующий инструмент. [17] Слои армирующих волокон помещаются в открытую форму, а затем пропитываются мокрой смолой , выливая ее на ткань и втирая ее в ткань. Затем форму оставляют, чтобы смола затвердела, обычно при комнатной температуре, хотя иногда используется тепло для обеспечения надлежащего затвердевания. Иногда для сжатия мокрой выкладки используется вакуумный мешок. Для этого процесса чаще всего используются стеклянные волокна, результаты широко известны как стекловолокно и используются для изготовления обычных изделий, таких как лыжи, каноэ, байдарки и доски для серфинга. [20]

Вертолет-пушка

Непрерывные нити стекловолокна проталкиваются через ручной пистолет, который и рубит нити, и соединяет их с катализированной смолой, такой как полиэстер. Пропитанное рубленое стекло выстреливается на поверхность формы любой толщины и дизайна, которые оператор-человек считает подходящими. Этот процесс хорош для больших производственных циклов при экономичных затратах, но производит геометрические формы с меньшей прочностью, чем другие процессы формования, и имеет плохие допуски размеров. [20]

Намотка нити

Машины протягивают пучки волокон через влажную ванну со смолой и наматывают на вращающуюся стальную оправку в определенных ориентациях. Детали отверждаются либо при комнатной температуре, либо при повышенных температурах. Оправка извлекается, оставляя окончательную геометрическую форму, но в некоторых случаях ее можно оставить. [20]

Пултрузия

Пучки волокон и разрезанные ткани протягиваются через влажную ванну со смолой и формируются в грубую форму детали. Пропитанный материал выдавливается из нагретой закрытой матрицы отверждения при непрерывном протягивании через матрицу. Некоторые из конечных продуктов пултрузии представляют собой структурные формы, т. е. двутавровую балку, уголок, швеллер и плоский лист. Эти материалы могут использоваться для создания всех видов стекловолоконных конструкций, таких как лестницы, платформы, системы поручней, резервуары, опоры труб и насосов. [20]

Литье под давлением из смолы

Также называется инфузией смолы . Ткани помещаются в форму, в которую затем впрыскивается влажная смола. Смола обычно находится под давлением и вдавливается в полость, которая находится под вакуумом при литьевом прессовании смолы . Смола полностью втягивается в полость под вакуумом при литьевом прессовании смолы с вакуумной поддержкой. Этот процесс формования обеспечивает точные допуски и детальное формование, но иногда может не полностью пропитать ткань, что приводит к появлению слабых мест в окончательной форме. [20]

Преимущества и ограничения

FRP позволяет выравнивать стекловолокна термопластиков в соответствии с конкретными проектными программами. Указание ориентации армирующих волокон может повысить прочность и устойчивость полимера к деформации. Стеклоармированные полимеры наиболее прочны и наиболее устойчивы к деформирующим силам, когда полимерные волокна параллельны приложенной силе, и наиболее слабы, когда волокна перпендикулярны. Таким образом, эта способность является одновременно и преимуществом, и ограничением в зависимости от контекста использования. Слабые места перпендикулярных волокон могут использоваться для естественных шарниров и соединений, но также могут привести к разрушению материала, когда производственные процессы не могут правильно ориентировать волокна параллельно ожидаемым силам. [22] Когда силы прилагаются перпендикулярно ориентации волокон, прочность и эластичность полимера меньше, чем у одной матрицы. В компонентах из литых смол, изготовленных из стеклоармированных полимеров, таких как UP и EP, ориентация волокон может быть ориентирована в двумерных и трехмерных переплетениях. Это означает, что когда силы, возможно, перпендикулярны одной ориентации, они параллельны другой ориентации; это исключает возможность появления слабых мест в полимере.

Виды отказов

Разрушение конструкции FRP-материалов может произойти в следующих случаях:

Требования к материалам

Термореактивный полимерный матричный материал или термопластичный полимерный матричный материал инженерного класса должен соответствовать определенным требованиям, чтобы быть пригодным для FRP и обеспечивать успешное армирование самого себя. Матрица должна быть способна должным образом пропитываться и, желательно, химически связываться с армирующим волокном для максимальной адгезии в течение подходящего периода отверждения. Матрица также должна полностью обволакивать волокна, чтобы защитить их от порезов и надрезов, которые могут снизить их прочность, и передавать усилия волокнам. Волокна также должны храниться отдельно друг от друга, чтобы в случае возникновения отказа он был максимально локализован, а в случае возникновения отказа матрица также должна отсоединяться от волокна по аналогичным причинам. Наконец, матрица должна быть из пластика, который остается химически и физически стабильным во время и после процессов армирования и формования. Чтобы быть пригодным в качестве армирующего материала, добавки к волокну должны повышать прочность на растяжение и модуль упругости матрицы и соответствовать следующим условиям: волокна должны превышать критическое содержание волокна; прочность и жесткость самих волокон должны превышать прочность и жесткость только матрицы; и должно быть оптимальное сцепление между волокнами и матрицей

Стекловолокно

«Армированные стекловолокном пластики» или FRP (обычно называемые просто стекловолокном ) используют текстильные стекловолокна . Эти текстильные волокна отличаются от других форм стекловолокна, используемых для преднамеренного удержания воздуха в изоляционных целях (см. стекловата ). Текстильные стекловолокна начинаются с различных комбинаций SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , CaO или MgO в виде порошка. Затем эти смеси нагреваются путем прямого плавления до температур около 1300 градусов по Цельсию, после чего используются фильеры для экструзии нитей стекловолокна диаметром от 9 до 17 мкм. Затем эти нити наматываются в более крупные нити и наматываются на бобины для транспортировки и дальнейшей обработки. Стекловолокно является самым популярным средством для армирования пластика и, таким образом, пользуется множеством производственных процессов, некоторые из которых применимы также к арамидным и углеродным волокнам из-за их общих волокнистых качеств.

Ровинг — это процесс, в котором нити скручиваются в нити большего диаметра. Эти нити затем обычно используются для тканых армирующих стеклотканей и матов, а также в распылительных приложениях.

Волокнистые ткани ( стеклоткань и т. д.) представляют собой армирующий материал в форме сетки, который имеет как направление основы, так и направление утка. Волокнистые маты представляют собой нетканые маты в форме сетки из стекловолокна. Маты производятся в нарезанных размерах с рублеными волокнами или в виде непрерывных матов с использованием непрерывных волокон. Рубленое стекловолокно используется в процессах, где стеклянные нити нарезаются длиной от 3 до 26 мм, затем нити используются в пластмассах, чаще всего предназначенных для процессов формования. Короткие нити из стекловолокна представляют собой короткие нити из стекловолокна толщиной 0,2–0,3 мм, которые используются для армирования термопластов, чаще всего для литья под давлением.

Углеродное волокно

Углеродные волокна создаются, когда полиакрилонитрильные волокна (ПАН), смолы на основе смолы или вискоза обугливаются (путем окисления и термического пиролиза) при высоких температурах. С помощью дальнейших процессов графитизации или растяжения прочность или эластичность волокон могут быть соответственно повышены. Углеродные волокна производятся в диаметрах, аналогичных стеклянным волокнам с диаметром от 4 до 17 мкм. Эти волокна сматываются в более крупные нити для транспортировки и дальнейших производственных процессов. [17] Дальнейшие производственные процессы включают плетение или плетение в углеродные ткани, полотна и маты, аналогичные тем, которые описаны для стекла, которые затем могут использоваться в реальных армированиях. [18]

Арамидное волокно

Арамидные волокна наиболее известны как кевлар, номекс и технора. Арамиды обычно получают путем реакции между аминогруппой и группой галогенида карбоновой кислоты (арамид);. [18] Обычно это происходит, когда ароматический полиамид прядут из жидкой концентрации серной кислоты в кристаллизованное волокно. [17] Затем волокна прядут в более крупные нити, чтобы сплести из них большие веревки или тканые ткани (арамид). [18] Арамидные волокна производятся с различными сортами в зависимости от прочности и жесткости, так что материал можно адаптировать для удовлетворения конкретных требований дизайна, таких как резка жесткого материала во время производства. [17]

Пример сочетания полимера и армирования

Приложения

Стеклоарамидно-гибридная ткань (для высокого растяжения и сжатия)

Армированные волокнами пластики лучше всего подходят для любой программы проектирования, которая требует экономии веса, точного проектирования, определенных допусков и упрощения деталей как в производстве, так и в эксплуатации. Волокна обеспечивают прочность и жесткость материала, в то время как полимерная матрица удерживает волокна вместе и передает нагрузки между ними. Композиты FRP имеют широкий спектр применения в различных отраслях промышленности благодаря своему уникальному сочетанию свойств, включая высокое отношение прочности к весу, коррозионную стойкость и гибкость конструкции. Формованное полимерное изделие дешевле, быстрее и проще в производстве, чем литой алюминиевый или стальной продукт, и сохраняет аналогичные, а иногда и лучшие допуски и прочность материала.

Полимеры, армированные углеродным волокном

Руль Airbus A310

Полимеры, армированные стекловолокном

Впускные коллекторы двигателя изготовлены из армированного стекловолокном полиамида 66.

Автомобильные педали газа и сцепления из армированного стекловолокном полиамида 66 (DWP 12–13)

Алюминиевые окна, двери и фасады теплоизолированы с помощью теплоизоляционных пластиков из армированного стекловолокном полиамида. В 1977 году Ensinger GmbH выпустила первый изоляционный профиль для оконных систем.

Структурные применения

FRP можно применять для укрепления балок , колонн , [26] и плит зданий и мостов. Можно повысить прочность структурных элементов даже после того, как они были серьезно повреждены из-за условий нагрузки . В случае поврежденных железобетонных элементов для этого сначала потребуется отремонтировать элемент, удалив свободный мусор и заполнив полости и трещины раствором или эпоксидной смолой . После ремонта элемента укрепление может быть достигнуто путем мокрой ручной укладки листов фибры, пропитанных эпоксидной смолой, нанесенных на очищенные и подготовленные поверхности элемента.

Обычно для усиления балок применяются два метода в зависимости от желаемого повышения прочности: усиление изгиба или усиление сдвига . Во многих случаях может потребоваться обеспечить оба повышения прочности. Для усиления изгиба балки листы или пластины FRP накладываются на растянутую поверхность элемента (нижнюю поверхность для просто опертого элемента с приложенной верхней нагрузкой или гравитационной нагрузкой). Основные растягивающие волокна ориентированы параллельно продольной оси балки, аналогично ее внутренней гибкой стальной арматуре. Это увеличивает прочность балки и ее жесткость ( нагрузка, необходимая для прогиба единицы), но снижает способность к прогибу и пластичность.

Для усиления сдвига балки FRP наносится на стенку (стороны) элемента с волокнами, ориентированными поперек продольной оси балки. Сопротивление сдвиговым силам достигается аналогично внутренним стальным хомутам , путем перекрытия трещин сдвига, которые образуются под приложенной нагрузкой. FRP может применяться в нескольких конфигурациях, в зависимости от открытых поверхностей элемента и желаемой степени усиления, это включает: боковое склеивание, U-образные оболочки (U-образные рубашки) и закрытые оболочки (полные оболочки). Боковое склеивание подразумевает нанесение FRP только на стороны балки. Оно обеспечивает наименьшее количество усиления сдвига из-за отказов, вызванных отслоением от поверхности бетона на свободных краях FRP. Для U-образных оболочек FRP наносится непрерывно в форме «U» вокруг сторон и нижней (растянутой) поверхности балки. Если все поверхности балки доступны, желательно использовать закрытые оболочки, поскольку они обеспечивают наибольшее повышение прочности. Закрытая обмотка подразумевает наложение FRP по всему периметру элемента, так что нет свободных концов, а типичным видом отказа является разрыв волокон. Для всех конфигураций обмотки FRP может наноситься по длине элемента в виде непрерывного листа или в виде отдельных полос, имеющих предопределенную минимальную ширину и интервал.

Плиты могут быть усилены путем применения полос FRP на их нижней (растягивающей) поверхности. Это приведет к улучшению характеристик изгиба, поскольку сопротивление растяжению плит дополняется прочностью FRP на растяжение. В случае балок и плит эффективность усиления FRP зависит от характеристик смолы, выбранной для склеивания. Это особенно важно для усиления сдвига с использованием бокового склеивания или U-образных обертываний. Колонны обычно оборачиваются FRP по всему периметру, как при закрытой или полной обертке. Это не только приводит к более высокому сопротивлению сдвигу, но и, что более важно для конструкции колонны , приводит к повышению прочности на сжатие при осевой нагрузке. Обертывание FRP работает, сдерживая боковое расширение колонны, что может улучшить ограничение таким же образом, как спиральное армирование для ядра колонны. [27] [28]

Лифтовой кабель

В июне 2013 года компания KONE elevator объявила о том, что Ultrarope будет использоваться в качестве замены стальным тросам в лифтах. Он запечатывает углеродные волокна в полимере с высоким коэффициентом трения . В отличие от стального троса, Ultrarope был разработан для зданий, которым требуется подъем на высоту до 1000 м (3300 футов). Стальные лифты достигают высоты 500 м (1600 футов). Компания подсчитала, что в здании высотой 500 м (1600 футов) лифт будет потреблять на 15% меньше электроэнергии, чем версия со стальным тросом. По состоянию на июнь 2013 года продукт прошел все сертификационные испытания Европейского Союза и Соединенных Штатов. [29]

Конструктивные соображения

FRP используется в конструкциях, требующих меры прочности или модуля упругости, для которых неармированные пластики и другие варианты материалов не подходят ни механически, ни экономически. Основным соображением при проектировании с использованием FRP является обеспечение того, чтобы материал использовался экономично и таким образом, чтобы использовать его специфические структурные характеристики, но это не всегда так. Ориентация волокон создает слабость материала перпендикулярно волокнам. Таким образом, использование армирования волокнами и их ориентация влияют на прочность, жесткость, эластичность и, следовательно, на функциональность самого конечного продукта. Ориентация волокон либо однонаправленно, либо двухмерно, либо трехмерно во время производства влияет на прочность, гибкость и эластичность конечного продукта. Волокна, ориентированные в направлении приложенных сил, демонстрируют большую устойчивость к деформации от этих сил, поэтому области продукта, которые должны выдерживать силы, будут армированы волокнами, ориентированными параллельно силам, а области, которые требуют гибкости, такие как естественные шарниры, будут иметь волокна, ориентированные перпендикулярно силам.

Ориентация волокон в большем количестве измерений позволяет избежать этого сценария «или-или» и создает объекты, которые стремятся избежать какой-либо определенной слабости из-за однонаправленной ориентации волокон. Свойства прочности, гибкости и эластичности также могут быть увеличены или уменьшены посредством геометрической формы и дизайна конечного продукта. Например, обеспечение надлежащей толщины стенки и создание многофункциональных геометрических форм, которые могут быть отлиты как единое целое, повышает материальную и структурную целостность продукта за счет снижения требований к стыкам, соединениям и оборудованию. [17]

Проблемы утилизации и переработки

Как подвид пластика, огнестойкие пластики подвержены ряду проблем и опасений при утилизации и переработке пластиковых отходов . Пластики представляют особую проблему при переработке, поскольку они получены из полимеров и мономеров, которые часто невозможно разделить и вернуть в исходное состояние. По этой причине не все пластики можно перерабатывать для повторного использования, на самом деле, по некоторым оценкам, только 20–30 % пластиков вообще можно перерабатывать. Армированные волокнами пластики и их матрицы разделяют эти проблемы утилизации и охраны окружающей среды. Исследование безопасных методов утилизации привело к двум основным вариантам, включающим применение интенсивного тепла: в одном случае связующие вещества сжигаются — в процессе возвращая часть утонувшей стоимости материала в виде тепла — и негорючие элементы улавливаются фильтрацией; в другом случае негорючий материал сжигается в цементной печи, а волокна становятся неотъемлемой частью полученного литого материала. [30] В дополнение к проблемам, связанным с безопасной утилизацией, тот факт, что сами волокна трудно удалить из матрицы и сохранить для повторного использования, означает, что FRP усугубляют эти проблемы. FRP по своей природе трудно разделить на базовые материалы, то есть на волокна и матрицу, а матрицу трудно разделить на пригодные для использования пластики, полимеры и мономеры. Все это является проблемами для экологически обоснованного дизайна сегодня. Пластики часто предлагают экономию энергии и экономическую экономию по сравнению с другими материалами. Кроме того, с появлением новых более экологически чистых матриц, таких как биопластики и пластики, разлагаемые УФ -излучением, FRP приобретет экологическую чувствительность. [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Амато, Иван (29 марта 1999 г.). "The Time 100: Leo Baekeland". Time . Архивировано из оригинала 4 января 2007 г.
  2. ^ Trueman, CN (17 марта 2015 г.). «Пластик». Сайт изучения истории .
  3. ^ "Новое химическое вещество" (PDF) . The New York Times . 6 февраля 1909 г.
  4. ↑ Синтетическая смола – использование в авиастроении, The Times , Лондон, Англия, 5 октября 1936 г., стр. 14, выпуск 47497.
  5. ^ Патент США № 2133235: Метод и устройство для изготовления стекловаты [ нерабочая ссылка ] Первый патент на стекловату Slayter, 1933 г.
  6. ^ 50 лет лодкам из армированного пластика, Джордж Марш, 8 октября 2006 г., http://www.reinforcedplastics.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastic-boats-/ Архивировано 6 августа 2010 г. на Wayback Machine
  7. ↑ Значительный прогресс – использование пластика, Evening Post , Веллингтон, Новая Зеландия, том CXXVIII, выпуск 31, 5 августа 1939 г., стр. 28.
  8. ↑ Автомобиль будущего из пластика, The Mercury (Хобарт, Тасмания), понедельник, 27 мая 1946 г., стр. 16.
  9. ^ "Послевоенный автомобиль". Bradford Daily Record . 28 марта 1941 г. стр. 12. Получено 17 июня 2015 г. – через Newspapers.com . Значок открытого доступа
  10. ^ "Послевоенный автомобиль". The Corpus Christi Times . 12 января 1942 г. стр. 3. Получено 17 июня 2015 г. – через Newspapers.com . Значок открытого доступа
  11. ^ «Пластиковые самолеты из форм — план армии». Greeley Daily Tribune . 24 июня 1938 г. стр. 2. Получено 12 августа 2015 г. — через Newspapers.com . Значок открытого доступа
  12. ↑ Американские военные самолеты Второй мировой войны, Дэвид Дональд, Aerospace Publishing Limited, 1995, страницы 251–252, ISBN 1-874023-72-7 
  13. ^ Ускоренное использование новых материалов, Национальный исследовательский совет (США), Комитет по ускоренному использованию новых материалов, Вашингтон, Национальная академия наук – Национальная инженерная академия, Спрингфилд, Вирджиния, 1971, страницы 56–57, автор WP Conrardy
  14. ^ Формованные стекловолоконные сэндвич-фюзеляжи для самолета BT-15, Технический отчет ВВС 5159, 8 ноября 1944 г.
  15. ^ Справочник по армированным пластикам; Дональд В. Розато, Доминик В. Розато и Джон Мерфи; Elsevier; 2004; стр. 586
  16. ^ Бернадетт, Тим; Бенсоуд-Винсент, Палуцка (19 октября 2002 г.). «Обзор композитов». История новейшей науки и технологий .
  17. ^ abcdefghij Эрхард, Гюнтер. Проектирование с использованием пластика. Перевод Мартина Томпсона. Мюнхен: Hanser Publishers, 2006.
  18. ^ abcde Смоллмен, Р. Э. и Р. Дж. Бишоп. Современная физическая металлургия и материаловедение. 6-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 1999.
  19. ^ Тонг, Л., А. П. Мориц и М. К. Баннистер. 3D-волокнистые полимерные композиты. Оксфорд: Elsevier, 2002.
  20. ^ abcdefg "Quatro Composites Processes 101: Molding Carbon Composite Parts". 15 февраля 2008 г. Архивировано из оригинала 15 февраля 2008 г. Получено 2 апреля 2018 г.
  21. ^ Доган, Фатих; Хадавиния, Хомаюн; Дончев, Тодор; Бхонге, Прасаннакумар С. (5 августа 2012 г.). «Расслоение композитных конструкций, подверженных воздействию, элементами сопряжения когезионно-зонных соединений и контактом разрыва связей». Центральноевропейский инженерный журнал . 2 (4): 612–626. Bibcode : 2012CEJE....2..612D. doi : 10.2478/s13531-012-0018-0 . hdl : 10057/16013 .
  22. ^ Хуо, Л.; Кассапоглу, К.; Олдерлистен, Р.К. (1 июля 2024 г.). «Влияние ранее существовавших повреждений на рост расслоения в многократно вдавленных композитах». Материалы и дизайн . 243 : 113068. doi : 10.1016/j.matdes.2024.113068 . ISSN  0264-1275.
  23. ^ Саламоне, Сальваторе; Бартоли, Иван; Ди Лео, Патриция; Ланца Ди Скала, Франческо; Айоваласит, Аугусто; Д'Аквисто, Леонардо; Раймер, Дженнифер; Ким, Хённи (1 июня 2010 г.). «Определение местоположения высокоскоростного удара по панелям самолета с использованием пьезоэлектрических розеток из композитных материалов на основе макроволокон». Журнал «Интеллектуальные материальные системы и структуры » . 21 (9): 887–896. doi :10.1177/1045389X10368450. ISSN  1045-389X.
  24. ^ Ким, Хённи; Уэлч, Дуглас А; Кедвард, Кит Т (1 января 2003 г.). «Экспериментальное исследование высокоскоростных ударов льда по плетеным углеродно-эпоксидным композитным панелям». Композиты, часть A: прикладная наука и производство . 34 (1): 25–41. doi :10.1016/S1359-835X(02)00258-0. ISSN  1359-835X.
  25. ^ Appleby-Thomas, Gareth J.; Hazell, Paul J.; Dahini, Gussan (1 сентября 2011 г.). «О реакции двух коммерчески важных конструкций из углепластика на множественные удары льда». Композитные конструкции . 93 (10): 2619–2627. doi :10.1016/j.compstruct.2011.04.029. ISSN  0263-8223.
  26. ^ Naderpour, H.; Nagai, K.; Fakharian, P.; Haji, M. (1 мая 2019 г.). «Инновационные модели для прогнозирования прочности на сжатие круглых железобетонных колонн, ограниченных FRP, с использованием методов мягких вычислений». Композитные конструкции . 215 : 69–84. doi : 10.1016/j.compstruct.2019.02.048. ISSN  0263-8223. S2CID  139800570.
  27. ^ Megalooikonomou, Konstantinos G.; Monti, Giorgio; Santini, Silvia (2012). «Конститутивная модель для армированного фиброй полимера и бетона с ограничением по высоте». ACI Structural Journal . 109 (4): 569–578. doi :10.14359/51683876.
  28. ^ Megalooikonomou, Konstantinos G.; Papavasileiou, Georgios S. (2019). "Аналитическая модель напряжения-деформации для прямоугольных железобетонных колонн, ограниченных FRP". Frontiers in Built Environment . 5 : 39. doi : 10.3389/fbuil.2019.00039 .
  29. ^ "UltraRope анонсировала возможность масштабирования высотных зданий одним движением". Phys.org . Получено 13 июня 2013 г.
  30. ^ https://compositesuk.co.uk/system/files/documents/Composite%20Recycling.pdf Архивировано 4 декабря 2017 г. на Wayback Machine [ URL PDF без URL ]