Что такое термопластичные композиты?
В последние годы бурное развитие получили армированные волокнами термопластичные композиционные материалы на основе термопластичных смол, и в мире наблюдается кульминация исследований и разработок таких высокоэффективных композиционных материалов. Под термопластичными композиционными материалами понимаются термопластичные полимеры (такие как полиэтилен (PE), полиамид (PA), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), полиэфиркетон (PEKK) и полиэфир Композиционные материалы из эфиркетона (PEEK) в качестве матрицы и различные непрерывные/непрерывные волокна (такие как углеродное волокно, стекловолокно, арамидное волокно и т.д.) в качестве армирующего материала.
К композитам на основе термопластичных смол в основном относятся гранулы, армированные длинными волокнами (LFT), ленты препрегов, армированные непрерывными волокнами (MT), и термопластичные композиты, армированные стекловолокном (CMT). В соответствии с различными требованиями к применению матрица смолы включает ППЭ, ПАПРТ, ПЭЛПКПЭ, ПЭЭКПИ, ПА и другие термопластичные инженерные пластики, а типы волокон - все возможные разновидности волокон, такие как стекловолокно, ксиларн и борное волокно. С развитием науки и техники в области композиционных материалов на основе термопластичных смол и разработкой материалов, пригодных для вторичной переработки, композиционные материалы этого типа получили быстрое развитие, и на долю термокомпозитных материалов в развитых странах Европы и США приходится более 30% от общего объема композиционных материалов на основе дерева.
термопластичная матрица
Термопластичная матрица - это термопластичный материал с хорошими механическими свойствами и теплостойкостью, который может быть использован для изготовления различных промышленных изделий. Термопластичная матрица характеризуется высокой прочностью, высокой теплостойкостью и хорошей коррозионной стойкостью.
Термопластичные смолы, используемые в настоящее время в аэрокосмической отрасли, в основном представляют собой высокотемпературные высокоэффективные матрицы, в том числе ПЭЭК, ППС и ПЭИ. Среди них аморфный ПЭИ находит большее применение в авиационных конструкциях, чем полукристаллический ППС и ПЭЭК с высокой температурой формования, благодаря более низкой температуре обработки и стоимости переработки.
Термопластичные смолы обладают лучшими механическими свойствами и стойкостью к химической коррозии, более высокой температурой эксплуатации, высокой удельной прочностью и твердостью, отличной вязкостью разрушения и устойчивостью к повреждениям, отличной усталостной прочностью, возможностью формования сложных геометрических форм и конструкций, регулируемой теплопроводностью, возможностью вторичной переработки, хорошей стабильностью в жестких условиях, повторяемостью формования, паяемостью и ремонтопригодностью и т.д.
Композиционные материалы, состоящие из термопластичных смол и армирующих материалов, обладают долговечностью, высокой прочностью, высокой ударопрочностью и устойчивостью к повреждениям; волокнистые препреги не требуют хранения при низкой температуре, неограниченный срок хранения препрегов; короткий цикл формования, свариваемость, высокая эффективность производства и простота ремонта; отходы производства могут быть переработаны и использованы повторно; конструкция изделий имеет большую степень свободы, может быть выполнена в сложных формах и имеет много преимуществ, таких как широкая адаптивность к формованию.
Материал армирования
Характеристики термопластичных композитов зависят не только от свойств смолы и армирующих волокон, но и тесно связаны со способом их армирования. Армирование термопластичных композитов волокнами имеет три основные формы: армирование короткими волокнами, армирование длинными волокнами и армирование непрерывными волокнами.
Как правило, длина коротковолокнистых армирующих волокон составляет 0,2~0,6 мм, а поскольку диаметр большинства волокон не превышает 70 мкм, коротковолокнистые волокна больше похожи на порошок. Термопласты, армированные короткими волокнами, обычно изготавливаются путем смешивания волокон с расплавленным термопластом. Длина и случайная ориентация волокон в матрице позволяют сравнительно легко добиться хорошего смачивания, поэтому композиты с короткими волокнами наиболее просты в изготовлении, но обеспечивают наименьшее улучшение механических свойств по сравнению с армированием длинными и непрерывными волокнами. Композиты с короткими волокнами обычно формуются или экструдируются для получения конечной детали, поскольку короткие волокна оказывают меньшее влияние на текучесть.
Длина волокон длинноволокнистых композитов обычно составляет около 20 мм, и обычно их получают путем разрезания непрерывного волокна на части определенной длины после пропитки смолой. Обычно используется процесс пултрузии, при котором непрерывный ровинг, смешанный с волокнами и термопластичными смолами, протягивается через специальную формующую матрицу. В настоящее время структурные характеристики термопластичных композитов PEEK, армированных длинными волокнами, при FDM-печати могут достигать более 200 МПа, а модуль упругости - более 20 ГПа, при этом характеристики литья под давлением будут лучше.
Волокна в композитах, армированных непрерывными волокнами, являются "непрерывными", их длина варьируется от нескольких метров до тысяч метров. Композиты с непрерывными волокнами обычно получают в виде ламинатов, лент или оплеток препрегов и т.д. путем пропитки их необходимой термопластичной матрицей. непрерывное волокно.
Каковы характеристики композиционных материалов, армированных волокнами
Армированные волокнами композиционные материалы - это композиционные материалы, образованные армирующими волокнами, такими как стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и т.д., и матричными материалами путем намотки, формования или пултрузии. В зависимости от вида армирующего материала композиты, армированные волокнами, подразделяются на композиты, армированные стекловолокном (GFRP), углеродным волокном (CFRP) и арамидным волокном (AFRP).
Поскольку композиционные материалы, армированные волокном, обладают следующими характеристиками: (1) высокая удельная прочность и большой удельный модуль; (2) свойства материала можно проектировать: (3) хорошая коррозионная стойкость и долговечность; (4) коэффициент теплового расширения и бетона аналогичны. Эти характеристики позволяют стеклопластиковым материалам удовлетворять потребности современных конструкций, которые являются большепролетными, высотными, тяжелыми, легкими и высокопрочными, а также работают в жестких условиях. Он используется в различных гражданских зданиях, мостах, автомагистралях, океанских, гидротехнических и подземных сооружениях.
Перспективы развития термопластичных композиционных материалов велики
Согласно отчету, объем мирового рынка термопластичных композитов к 2030 году достигнет 62,62 млрд. долл. при темпах роста в 7,8% в течение прогнозируемого периода. Этот рост объясняется увеличением спроса на продукцию со стороны аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также экспоненциальным ростом в строительной отрасли. Термопластичные композиты используются при строительстве жилых зданий, объектов инфраструктуры и водоснабжения. Такие свойства, как высокая прочность, жесткость, способность к переработке и изменению формы, делают термопластичные композиты идеальными для использования в строительстве.
Термопластичные композиты также будут использоваться для производства резервуаров для хранения, легких конструкций, оконных рам, столбов для инженерных коммуникаций, перил, труб, панелей и дверей. Одной из ключевых областей применения является автомобильная промышленность. Производители уделяют особое внимание повышению топливной экономичности и для этого заменяют металл и сталь легкими термопластичными композитами. Например, углеродное волокно весит на одну пятую меньше стали, что позволяет снизить общую массу автомобиля. По данным Европейской комиссии, к 2024 году предельный уровень выбросов углекислого газа для автомобилей будет повышен со 130 до 95 граммов на километр, что, как ожидается, приведет к увеличению спроса на термопластичные композиты в автомобилестроении.
