Faserverstärkte Kunststoff

Faserverstärktes Kunststoff ( FRP ) (auch faserverstärktes Polymer ) ist ein Verbundmaterial aus einer mit Fasern verstärkten Polymermatrix. Die Fasern sind normalerweise Glas, Kohlenstoff, Aramide oder Basalt. Selten wurden andere Fasern wie Papier oder Holz oder Asbest verwendet. Das Polymer ist normalerweise ein Epoxid-, Vinylester- oder Polyester -Thermosetting -Kunststoff; Phenolformaldehydharze werden noch verwendet.

FRPs werden üblicherweise in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil-, Meeres- und Bauindustrie verwendet. Sie sind häufig auch in ballistischer Rüstung gefunden.

Prozessdefinition

Ein Polymer wird im Allgemeinen durch Stufenwachstumspolymerisation oder Additionspolymerisation hergestellt. In Kombination mit verschiedenen Wirkstoffen, um die materiellen Eigenschaften von Polymeren zu verbessern oder in irgendeiner Weise zu verändern, wird das Ergebnis als Plastik. Faserverstärkte Kunststoffe sind eine Kategorie von Verbundstoffen, die spezifisch Fasermaterialien verwenden, um die Stärke und Elastizität von Kunststoffen mechanisch zu verbessern. Das ursprüngliche Kunststoffmaterial ohne Faserverstärkung ist als Thematrix oder Bindemittel bekannt. Die Matrix ist ein schwieriger, aber relativ schwacher Kunststoff, der durch stärkere steifere Verstärkungsfilamente oder Fasern verstärkt wird. Das Ausmaß, in dem Stärke und Elastizität in einem faserverstärkten Kunststoff verstärkt werden, hängt von den mechanischen Eigenschaften sowohl der Faser als auch der Matrix, ihrem Volumen relativ zueinander und der Faserlänge und Orientierung innerhalb der Matrix ab. ^[1] Die Verstärkung der Matrix tritt per Definition auf, wenn das FRP -Material eine erhöhte Festigkeit oder Elastizität im Vergleich zur Stärke und Elastizität der Matrix allein aufweist. ^[2]

Geschichte

Bakelite war der erste Faser-verstärkte Kunststoff. Dr. Leo Baekelland hatte sich ursprünglich vorgenommen, einen Ersatz für Shellac (hergestellt aus der Ausscheidung von Lac -Käfern) zu finden. Chemiker hatten begonnen zu erkennen, dass viele natürliche Harze und Fasern Polymere waren, und Baekeland untersuchte die Reaktionen von Phenol und Formaldehyd. Er produzierte zum ersten Mal einen löslichen Phenol-Formaldehyd-Schellac namens 'Novolak', der nie zu einem Markterfolg wurde, und wandte sich dann der Entwicklung eines Ordners für Asbestos, die zu dieser Zeit mit Gummi geformt wurde. Durch die Kontrolle des Drucks und der Temperatur, die auf Phenol und Formaldehyd ausgeübt wurden, stellte er 1905 fest, dass er sein träumiges hartes, rodbares Material (das erste synthetische Kunststoff der Welt) produzieren konnte: Bakelit. ^{[3] [4]} Er kündigte seine Erfindung bei einem Treffen der American Chemical Society am 5. Februar 1909 an. ^[5]

Die Entwicklung von faserverstärktem Kunststoff für den kommerziellen Gebrauch wurde in den 1930er Jahren ausführlich untersucht. In Großbritannien wurden erhebliche Untersuchungen von Pionieren wie Norman de Bruyne durchgeführt. Für die Luftfahrtindustrie war es besonders von Interesse. ^[6]

Die Massenproduktion von Glassträngen wurde 1932 entdeckt, als Games Slayter, ein Forscher bei Owens-Illinois, versehentlich einen Strahl mit Druckluft auf einen Strom geschmolzener Glas und produzierte Fasern leitete. Ein Patent für diese Methode zur Herstellung von Glaswolle wurde erstmals 1933 angewendet. ^[7] Owens schloss sich 1935 mit der Corning Company an, und die Methode wurde von Owens Corning angepasst, um seine patentierte 'Fibreglas' (eine 'S ') zu produzieren. Temperaturen.

Ein geeignetes Harz zur Kombination der 'Fibreglas ' mit einem Kunststoff zur Herstellung eines Verbundmaterials wurde 1936 von Du Pont entwickelt. Der erste Vorfahr der modernen Polyesterharze ist Cyanamids Harz von 1942. Peroxidhärtungssysteme wurden bis dahin verwendet. ^[8] Mit der Kombination von Fibreglas und Harz wurde der Gasgehalt des Materials durch Kunststoff ersetzt. Dies reduzierte sich auf die für den Kunststoff typischen Werte auf Isolationseigenschaften, aber jetzt zeigte das Verbund das Verbund als strukturelles und Baumaterial. Verwirrlich wurden viele Glasfaserverbundwerkstoffe weiterhin als 'Glasfaser' (als generischer Name) bezeichnet, und der Name wurde auch für das mit Gas enthaltende Glaswolle mit niedriger Dichte anstelle von Kunststoff verwendet.

Ray Greene von Owens Corning wird 1937 die Herstellung des ersten Verbundboots zugeschrieben, ging jedoch zu diesem Zeitpunkt aufgrund der spröden Natur des verwendeten Plastiks nicht weiter vor. 1939 soll Russland ein Passagierboot mit Kunststoffmaterialien gebaut haben, und die Vereinigten Staaten einen Rumpf und Flügel eines Flugzeugs. ^[9] Das erste Auto mit einem Faserglaskörper war der kräftige Skarabet von 1946. Nur eines dieses Modells wurde gebaut. ^[10] Der Ford -Prototyp von 1941 hätte das erste Plastikauto sein können, aber es gibt einige Unsicherheiten über die verwendeten Materialien, die kurz später zerstört wurden. ^{[11] [12]}

Das erste faserverstärkte Plastikflugzeug war entweder das Fairchild F-46, das am 12. Mai 1937 zum ersten Mal geflogen ist, oder das kalifornische Bennett-Plastikflugzeug. ^[13] einem modifizierten Vultee BT-13A wurde ein Faserglas-Rumpf verwendet ^Bei , der Ende 1942 als XBT-16-Basis auf dem Wright Field ^{. bezeichnet wurde [17]} 1943 wurde von der Republic Aviation Corporation eine bedeutende Entwicklung bei der Instrument für GFK -Komponenten durchgeführt. ^[18]

Die Kohlefaserproduktion begann Ende der 1950er Jahre und wurde in den frühen 1960er Jahren in der britischen Industrie, wenn auch nicht weit verbreitet. Auch um diese Zeit wurden Aramidfasern produziert, was zuerst unter dem Handelsnamen Nomex von DuPont erschienen. Heutzutage wird jede dieser Fasern in der Industrie für Anwendungen, die Kunststoffe mit spezifischen Festigkeit oder elastischen Eigenschaften erfordern, häufig verwendet. Glasfasern sind in allen Branchen am häufigsten, obwohl Carbon-Faser- und Carbon-Faser-Aramid-Verbundwerkstoffe in Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Sport-gute Anwendungen weit verbreitet sind. ^[2] Diese drei (Glas, Kohlenstoff, Andaramid) sind weiterhin die wichtigen Kategorien von Ballaststoffen, die in FRP verwendet werden.

Die globale Polymerproduktion in der heutigen Ebene begann Mitte des 20. Jahrhunderts, als niedrige Material- und Produktionskosten, neue Produktionstechnologien und neue Produktkategorien zusammen die Polymerproduktion zu sparsam machen. Die Branche reifte schließlich Ende der 1970er Jahre, als die Weltpolymerproduktion die von Stahl übertraf und Polymere das allgegenwärtige Material, das sie heute ist, machte. Faserverstärkte Kunststoffe waren von Anfang an ein wesentlicher Aspekt dieser Branche.

Prozessbeschreibung

FRP beinhaltet zwei unterschiedliche Prozesse, der erste ist der Prozess, bei dem das faserige Material hergestellt und gebildet wird. Der zweite ist der Prozess, bei dem faserige Materialien während des Formteils mit der Matrix gebunden werden. ^[2]

Faser

Die Herstellung von Fasergewebe

Verstärkungsfaser werden sowohl in zweidimensionalen als auch in dreidimensionalen Orientierungen hergestellt

1. Das zweidimensionale faserverstärkte Polymer ist durch eine laminierte Struktur gekennzeichnet, in der die Fasern nur in der Ebene in X-Richtung und y-Richtung des Materials entlang der Ebene ausgerichtet sind. Dies bedeutet, dass keine Fasern in der Durch durch Dicke oder Z-Region ausgerichtet sind. Diese mangelnde Ausrichtung in der durch Dicke kann zu einem Nachteil der Kosten und der Verarbeitung führen. Kosten und Arbeitskräfte erhöhen, da herkömmliche Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wie Nasshand-Lay-up, Autoklaven und Harztransferformungen eine hohe Menge an Fachkräften erfordern, um eine vorgeformte Komponente zu schneiden, zu stapeln und zu konsolidieren.

2. Dreidimensionale faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe sind Materialien mit dreidimensionalen Faserstrukturen, die Fasern in die x-Richtung, y-Richtung und Z-Richtung enthalten. Die Entwicklung von dreidimensionalen Orientierungen ergab sich aus der Notwendigkeit der Industrie, die Herstellungskosten zu senken, durch mechanische Eigenschaften durch die Dicke zu erhöhen und die Toleranz der Auswirkungen zu verbessern. Alle waren Probleme, die mit zweidimensionalen faserverstärkten Polymeren verbunden waren.

Die Herstellung von Faservorbereitungen

Faserpreforms sind, wie die Fasern hergestellt werden, bevor sie an die Matrix gebunden werden. Faservorformungen werden häufig in Blättern, kontinuierlichen Matten oder als kontinuierliche Filamente für Sprühanwendungen hergestellt. Die vier wichtigsten Möglichkeiten zur Herstellung der Faservorformungen sind die Textilverarbeitungstechniken des Webens, Strickens, Flechtens und Nähens.

1. Das Weben kann auf konventionelle Weise durchgeführt werden, um zweidimensionale Fasern in einem mehrschichtigen Weben zu erzeugen, das dreidimensionale Fasern erzeugen kann. Mehrschichtiges Weben ist jedoch erforderlich, um mehrere Schichten von Warp-Garnen zu haben, um Fasern in der zeitlichen Richtung zu erzeugen, die einige Nachteile im Fertigung verursachen, nämlich die Zeit, um alle Warp-Garne auf dem Webstuhl einzurichten. Daher werden die meisten mehrschichtigen Weben verwendet, um relativ schmale Breitenprodukte oder Produkte mit hohem Wert zu produzieren, bei denen die Kosten für die Vorformung akzeptabel sind. Ein weiteres Hauptproblem für die Verwendung von mehrschichtigen Gewebstoffen ist die Schwierigkeit, einen Stoff zu produzieren, der Fasern enthält, die mit anderen Winkeln als 0 'bzw. 90 ' zueinander ausgerichtet sind.

2. Die zweite Hauptmethode zur Herstellung von Faservorformungen ist das Flechten. Das Flechten ist für die Herstellung von schmaler Breite flacher oder röhrenförmiger Stoff geeignet und ist nicht so fähig wie das Weben bei der Herstellung großer Volumina von breiten Stoffen. Das Flechten erfolgt über die Oberseite der Muskeln, die sich in der Querschnittsform oder -abmessung entlang ihrer Länge unterscheiden. Das Flechten ist auf Objekte über einen Ziegelstein beschränkt. Im Gegensatz zum Standardweben kann Flechten Stoff produzieren, das Fasern bei 45 Gradwinkel zueinander enthält. Dreidimensionale Fasern von Flechten können mit vier Schritten, zweistufigen oder mehrschichtigen Interlock-Flügeln durchgeführt werden. Vierer Schritt oder Reihen und Säulenbraten verwendet ein flaches Bett, das Zeilen und Säulen von Garnträgern enthält, die die Form der gewünschten Vorform bilden. Zusätzliche Träger werden an der Außenseite des Arrays hinzugefügt, wobei der genaue Ort und die genaue Menge von der genauen Vorformungsform und -struktur abhängt. Es gibt vier separate Sequenzen der Zeilen- und Säulenbewegung, die die Garne zusammenschließen und das geflochtene Vorformpunkt erzeugen. Die Garne werden zwischen jedem Schritt mechanisch in die Struktur gezwungen, um die Struktur in einem ähnlichen Prozess wie die Verwendung eines Schilfswebens zu konsolidieren. Das zweistufige Flechten ist anders als der vierstufige Prozess, da der Zwei-Schritt-Vorsprung eine große Anzahl von Garnen enthält, die in axialer Richtung befestigt sind, und eine weniger Anzahl von Bechtgarns. Der Prozess besteht aus zwei Schritten, bei denen sich die Flechtenträger vollständig durch die Struktur zwischen den axialen Trägern bewegen. Diese relativ einfache Folge von Bewegungen kann im Wesentlichen jede Form bilden, einschließlich kreisförmiger und hohlen Formen. Im Gegensatz zum vierstufigen Prozess erfordert der zweistufige Prozess keine mechanische Verdichtung. Die in den Prozess verbundenen Bewegungen ermöglichen es, dass das Geflecht allein durch Garnspannung fest gezogen wird. Die letzte Art des Flechtens ist mehrschichtiger, ineinandergreifendes Flechten, das aus einer Reihe von kreisförmigen Braidern besteht, die zusammen mit einem zylindrischen Flechten zusammengefügt werden. Dieser Rahmen hat eine Reihe von parallelen Flechtenspuren um den Umfang des Zylinders, aber der Mechanismus ermöglicht die Übertragung von Garnträgern zwischen benachbarten Spuren, die einen mehrschichtigen geflochtenen Stoff mit Garns mit den benachbarten Schichten bilden. Das mehrschichtige Verriegelungsgeflecht unterscheidet sich sowohl von den vier Schritten als auch von zwei Schritten, da sich die ineinandergreifenden Garne hauptsächlich in der Ebene der Struktur befinden und somit die Eigenschaften der In-Ebene des Vorforms nicht signifikant reduzieren. Die vierstufigen und zweistufigen Prozesse erzeugen einen größeren Grad an Verknüpfung, wenn die Flechtengarne durch die Dicke der Vorformung fließen, aber daher weniger zur Leistung der Vorformung des Vorforms beitragen. Ein Nachteil der mehrschichtigen Verriegelungsausrüstung ist, dass aufgrund der konventionellen sinusoidalen Bewegung der Garnträger zur Bildung der Vorform die Ausrüstung nicht in der Lage ist, die Dichte von Garnträgern zu haben, die mit den zwei Stufen- und vier Stufenmaschinen möglich sind.

3. Strickfaser-Vorformen können mit den traditionellen Verzerrungs- und [Schuss] -Kricken durchgeführt werden, und der hergestellte Stoff wird häufig von vielen als zweidimensionaler Stoff angesehen, Maschinen mit zwei oder mehr Nadelbetten können jedoch mehrschichtige Stoffe mit Yams erzeugen, die zwischen den Schichten durchqueren. Entwicklungen in elektronischen Kontrollen für die Nadelauswahl und den Strickschleifentransfer sowie in den ausgefeilten Mechanismen, die es ermöglichen, bestimmte Bereiche des Stoffes zu halten und ihre Bewegung zu kontrollieren. Dies hat es dem Stoff ermöglicht, sich in die erforderliche dreidimensionale Vorformform mit einem Minimum an Materialverschwendung zu formen.

4. Nähen sind wohl die einfachste der vier Haupttextilerherstellungstechniken, die mit der kleinsten Investition in spezialisierte Maschinen durchgeführt werden können. Grundsätzlich besteht die Nähte darin, eine Nadel einzuführen, den Stichfaden durch einen Stapel von Stoffschichten zu tragen, um eine 3D -Struktur zu bilden. Die Vorteile des Nähens sind, dass es möglich ist, sowohl trockene als auch prepreg -Stoff zu nähen, obwohl die Klebrigkeit des Prepregs den Prozess schwierig macht und im Allgemeinen mehr Schäden innerhalb des Prepreg -Materials verursacht als im trockenen Stoff. Das Nähen verwendet auch die zweidimensionalen Standardstoffe, die in der zusammengesetzten Branche häufig verwendet werden. Daher besteht ein Gefühl der Vertrautheit in Bezug auf die materiellen Systeme. Die Verwendung von Standardgewebe ermöglicht auch einen größeren Grad an Flexibilität in der Stoffaufstellung der Komponente als bei den anderen Textilprozessen, die Einschränkungen für die erzeugten Faserorientierungen aufweisen. ^[19]

Bildungsprozesse

Eine starre Struktur wird normalerweise verwendet, um die Form von FRP -Komponenten zu ermitteln. Teile können auf einer flachen Oberfläche aufgelegt werden, die als 'Caul -Platte ' oder auf einer zylindrischen Struktur als 'Dynrel' bezeichnet wird. Die meisten faserverstärkten Kunststoffteile werden jedoch mit einer Form oder einem 'Werkzeug erzeugt. Formen können konkave weibliche Formen, männliche Formen oder die Form sein, oder die Form kann den Teil vollständig mit einer Ober- und Bodenform einschließen.

Die Formprozesse von FRP -Kunststoffen beginnen mit der Einfügung der Faservorformung in oder in die Form. Die Faser -Preform kann trockene Faser oder Faser sein, die bereits eine gemessene Menge an Harz enthält, die als 'prepreg ' bezeichnet wird. Trockenfasern werden entweder von Hand mit Harz benetzt, oder das Harz wird in eine geschlossene Form injiziert. Der Teil wird dann geheilt und lässt die Matrix und die Fasern in der Form der Form. Wärme und/oder Druck werden manchmal verwendet, um das Harz zu heilen und die Qualität des letzten Teils zu verbessern. Die unterschiedlichen Bildungsmethoden sind unten aufgeführt.

Blasenformung

Einzelne Blätter von Prepreg-Material werden zusammen mit einer ballonähnlichen Blase in eine Form im weiblichen Stil gelegt. Die Form ist geschlossen und in eine erhitzte Presse gelegt. Schließlich wird die Blase unter Druck gesetzt, die die Materialien gegen die Schimmelpilzwände erzwingt.

Kompressionsformung

Wenn der Rohstoff (Kunststoffblock, Gummi-Block, Kunststofffolie oder Granulat) Verstärkungsfasern enthält, qualifiziert sich ein Kompressionsteil als faserverstärktes Kunststoff. In der Regel enthält die im Kompressionsform verwendete Kunststoffpreform keine Verstärkungsfasern. Beim Kompressionsformen wird BMC in Formhohlhöhle eingerichtet, ein 'preform ' oder 'Ladung ', von SMC. Die Form ist geschlossen und das Material wird durch Druck und Wärme gebildet und ausgehärtet. Kompressionsformen bietet hervorragende Details für geometrische Formen, die von Muster und Reliefdetails bis hin zu komplexen Kurven und kreativen Formen reichen, bis hin zu Precision Engineering innerhalb einer maximalen Aushärtungszeit von 20 Minuten. ^[20]

Autoklave und Vakuumtasche

Einzelne Blätter von Prepreg-Material werden aufgelegt und in eine offene Form gelegt. Das Material ist mit Veröffentlichungsfilm, Entlüftungsmaterial und einem Vakuumbeutel bedeckt. Ein Vakuum wird Teil gezogen und die gesamte Form wird in einen Autoklaven (erhitztes Druckgefäß) gelegt. Der Teil wird mit einem kontinuierlichen Vakuum geheilt, um eingebleichte Gase aus Laminat zu extrahieren. Dies ist ein sehr häufiger Prozess in der Luft- und Raumfahrtindustrie, da es aufgrund eines langen, langsamen Heilungszyklus, der zwischen einem und mehreren Stunden liegt, eine präzise Kontrolle über das Formteil bietet. ^[21] Diese genaue Kontrolle erzeugt die genauen geometrischen Formen, die erforderlich sind, um Stärke und Sicherheit in der Luft- und Raumfahrtindustrie zu gewährleisten, aber sie ist auch langsam und arbeitsintensiv, was bedeutet, dass die Kosten sie häufig auf die Luft- und Raumfahrtindustrie beschränken. ^[20]

Wickelverpackung

Prepreg -Materialblätter werden um einen Stahl- oder Aluminiumdorstharn gewickelt. Das Prepreg -Material wird durch Nylon oder Polypropylen -Cello -Klebeband verdichtet. Teile werden typischerweise durch Vakuumbacken und Hängen in einem Ofen geheilt. Nach der Heilung werden das Cello und das Dorn entfernt, wobei ein Hohlkohlenohrröhrchen gelassen wird. Dieser Prozess erzeugt starke und robuste hohle Kohlenstoffrohre.

Nasse Layup

Die feuchte Layup -Form kombiniert die Faserverstärkung und die Matrix, wenn sie auf dem Formwerkzeug platziert sind. ^[2] Verstärkung von Faserschichten werden in eine offene Form gelegt und dann mit einem nassen Harz gesättigt, indem sie über den Stoff gegossen und in den Stoff gearbeitet werden. Die Form bleibt dann so, dass das Harz heilt, normalerweise bei Raumtemperatur, obwohl manchmal Wärme verwendet wird, um eine ordnungsgemäße Heilung zu gewährleisten. Manchmal wird ein Vakuumbeutel verwendet, um ein nasses Layup zu komprimieren. Glasfasern werden am häufigsten für diesen Prozess verwendet, die Ergebnisse sind allgemein als Glasfaser bezeichnet und werden verwendet, um gemeinsame Produkte wie Skier, Kanus, Kajaks und Surfbretter herzustellen. ^[20]

Hubschrauberwaffe

Kontinuierliche Glasfaserstränge werden durch eine handgehaltene Pistole geschoben, die beide die Stränge schottet und sie mit einem katalysierten Harz wie Polyester kombiniert. Das imprägnierte gehackte Glas wird in jeder Dicke auf die Schimmelpilzfläche geschossen und entworfen, die der menschliche Bediener für angemessen hält. Dieser Prozess ist gut für große Produktionsläufe zu wirtschaftlichen Kosten, erzeugt jedoch geometrische Formen mit weniger Festigkeit als andere Formprozesse und hat eine schlechte dimensionale Toleranz. Design Tanks LLC ist einer der Top -Hersteller, die diesen Prozess nutzen. ^[20]

Filamentwicklung

Maschinen ziehen Faserbündel durch ein feuchtes Harzbad und wunden über einem rotierenden Stahldarm in spezifischen Orientierungen Teile, entweder Raumtemperatur oder erhöhte Temperaturen. Der Mund wird extrahiert, wobei eine endgültige geometrische Form bleibt, kann jedoch in einigen Fällen übrig bleiben. ^[20]

Pulstusion

Faserbündel und Schlitzstoffe werden durch ein feuchtes Harzbad gezogen und in die Form des rauen Teils gebildet. Gesättigtes Material wird von einer erhitzten geschlossenen Würfelhärtung extrudiert, während sie kontinuierlich durch Würfel gezogen wird. Einige der Endprodukte der Pulstusion sind strukturelle Formen, dh I I Strahl, Winkel, Kanal und flaches Blatt. Diese Materialien können verwendet werden, um alle Arten von Glasfaserstrukturen wie Leitern, Plattformen, Handläuf -Systemtank, Rohr und Pumpen zu erstellen. ^[20]

Harzübertragungsform

Auch genannt Harzinfusion . Stoffe werden in eine Form gestellt, in die dann Nassharz injiziert wird. Harz wird typischerweise unter Druck gesetzt und in einen Hohlraum gezwungen, der im Harztransferform unter Vakuum steht. Harz wird im Vakuum in vakuumunterstützten Harzübertragungsforms vollständig in den Hohlraum gezogen. Dieser Formprozess ermöglicht präzise Toleranzen und detaillierte Formgebung, kann jedoch manchmal den Stoff nicht vollständig gesättigt, was zu Schwachstellen in der endgültigen Form führt. ^[20]

Vorteile und Einschränkungen

FRP ermöglicht die Ausrichtung der Glasfasern von Thermoplastik an bestimmten Designprogrammen. Wenn Sie die Ausrichtung der Verstärkungsfasern angeben, können Sie die Stärke und Resistenz gegen die Verformung des Polymers erhöhen. Glasverstärkte Polymere sind am stärksten und am stärksten gegen Verformungskräfte, wenn die Polymerfasern parallel zur Ausübung der Kraft sind, und sind am schwächsten, wenn die Fasern senkrecht sind. Daher ist diese Fähigkeit sowohl ein Vorteil als auch eine Einschränkung, abhängig vom Kontext des Gebrauchs. Schwachstellen von senkrechten Fasern können für natürliche Scharniere und Verbindungen verwendet werden, können jedoch auch zu einem Materialversagen führen, wenn Produktionsprozesse die parallelen Fasern nicht ordnungsgemäß zu den erwarteten Kräften orientiert. Wenn Kräfte senkrecht zur Ausrichtung der Fasern ausgeübt werden, ist die Stärke und Elastizität des Polymers geringer als die Matrix allein. In gegossenen Harzkomponenten aus glasverstärkten Polymeren wie UP und EP kann die Ausrichtung der Fasern in zweidimensionalen und dreidimensionalen Geweben ausgerichtet werden. Dies bedeutet, dass Kräfte, die möglicherweise senkrecht zu einer Orientierung sind, parallel zu einer anderen Ausrichtung sind; Dies beseitigt das Potenzial für Schwachstellen im Polymer.

Ausfallmodi

Strukturelles Versagen kann in FRP -Materialien auftreten, wenn:

• Zugkräfte dehnen die Matrix mehr als die Fasern, wodurch das Material an der Grenzfläche zwischen Matrix und Fasern geschert wird.

• Die Zugkräfte gegen Ende der Fasern überschreiten die Toleranzen der Matrix und trennen die Fasern von der Matrix.

• Zugkräfte können auch die Toleranzen der Fasern überschreiten, was dazu führt, dass die Fasern selbst zu Frakturen führen, was zu materiellem Versagen führt. ^[2]

Materialbedarf

Ein thermosetisches Polymermatrixmaterial oder ein thermoplastisches Polymermatrixmaterial für technische Grads muss bestimmte Anforderungen erfüllen, um zunächst für FRPs geeignet zu sein und eine erfolgreiche Verstärkung für sich selbst zu gewährleisten. Die Matrix muss in der Lage sein, ordnungsgemäß zu sättigen und sich vorzugsweise chemisch mit der Faserverstärkung zu verbinden, um maximale Haftung innerhalb einer geeigneten Aushärtungszeit zu erhalten. Die Matrix muss auch die Fasern vollständig umhüllen, um sie vor Schnitten und Kerben zu schützen, die ihre Stärke verringern und Kräfte auf die Fasern übertragen würden. Die Fasern müssen ebenfalls voneinander getrennt gehalten werden, sodass der Fehler so weit wie möglich lokalisiert ist, und wenn ein Fehler auftritt, muss die Matrix auch aus ähnlichen Gründen aus der Faser debondieren. Schließlich sollte die Matrix von einem Kunststoff sein, der chemisch und physikalisch stabil bleibt, während und nach der Verstärkung und der Formprozesse. Um als Verstärkungsmaterial geeignet zu sein, müssen Faserzusatzstoffe die Zugfestigkeit und den Elastizitätsmodul der Matrix erhöhen und die folgenden Bedingungen erfüllen. Fasern müssen den kritischen Fasergehalt überschreiten. Die Stärke und Steifheit der Fasern selbst muss die Stärke und Steifheit der Matrix allein überschreiten. und es muss eine optimale Bindung zwischen Fasern und Matrix geben

Glasfasermaterial

'Glasfaserverstärkte Kunststoffe ' oder FRPS (üblicherweise einfach als Glasfaser bezeichnet) verwenden textile Glasfasern. Diese Textilfasern unterscheiden sich von anderen Formen von Glasfasern, mit denen die Luft absichtlich die Isolierung von Anwendungen fangen (siehe Glaswolle). Textilglasfasern beginnen als unterschiedliche Kombinationen von SiO ₂, Al ₂O ₃, B ₂O ₃, Cao oder MGO in Pulverform. Diese Gemische werden dann durch direktes Schmelzen auf Temperaturen um 1300 Grad Celsius erhitzt, wonach Sterben verwendet werden, um Filamente von Glasfasern mit einem Durchmesser von 9 bis 17 µm zu extrudieren. Diese Filamente werden dann in größere Fäden verwundet und für den Transport und die weitere Verarbeitung auf Spannungen gedreht. Glasfaser sind bei weitem das beliebteste Mittel zur Verstärkung von Plastik und genießen so eine Fülle von Produktionsprozessen, von denen einige aufgrund ihrer gemeinsamen faserigen Eigenschaften auf Aramid- und Kohlenstofffasern anwendbar sind.

Roving ist ein Prozess, bei dem Filamente in Gewinne mit größerem Durchmesser gedreht werden. Diese Fäden werden dann üblicherweise für gewebte Verstärkungsgewebe und Matten sowie für Sprühanwendungen verwendet.

Fasergewebe sind Web-Form-Stoffverstärkungsmaterial, das sowohl Warp- als auch Schussanweisungen aufweist. Fasermatten sind nicht gewebte Matten mit Glasfasern. Matten werden in geschnittenen Abmessungen mit gehackten Fasern oder in kontinuierlichen Matten unter Verwendung kontinuierlicher Fasern hergestellt. Gehacktes Glasfaserglas wird in Prozessen verwendet, bei denen die Längen von Glasfäden zwischen 3 und 26 mm geschnitten werden. Anschließend werden Gewinde in Kunststoffen verwendet, die am häufigsten für Formprozesse bestimmt sind. Die kurzen Stränge von Glasfasern sind knapp 0,2 bis 0,3 mm Stränge von Glasfasern, die zur Verstärkung der Thermoplastik am häufigsten zum Injektionsformpunkt verwendet werden.

Kohlefaser

Kohlenstofffasern werden erzeugt, wenn Polyacrylonitrilfasern (PAN), Stellharze oder Rayon bei hohen Temperaturen (durch Oxidation und thermische Pyrolyse) karbonisiert werden. Durch weitere Prozesse der Graphitisierung oder Streckung können die Fasernstärke oder Elastizität verbessert werden. Kohlenstofffasern werden in Durchmessern analog zu Glasfasern mit Durchmessern von 4 bis 17 µm hergestellt. Diese Fasern verwunden in größere Fäden für den Transport und weitere Produktionsprozesse. ^[2] Weitere Produktionsprozesse umfassen das Weben oder Flechten in Kohlenstoffstoffe, Tücher und Matten analog zu den für Glas beschriebenen, die dann in tatsächlichen Verstärkungen verwendet werden können. ^[1]

Aramidfasermaterial

Aramidfasern sind am häufigsten als Kevlar, Nomex und Technora bekannt. Aramiden werden im Allgemeinen durch die Reaktion zwischen einer Amingruppe und einer Carbonsäure -Halogenidgruppe (Aramid) hergestellt; ^[1] Dies tritt häufig auf, wenn ein aromatisches Polyamid aus einer flüssigen Konzentration von Schwefelsäure in eine kristallisierte Faser gedreht wird. ^[2] Fasern werden dann in größere Fäden gedreht, um in große Seile oder gewebte Stoffe (Aramid) zu weben. ^[1] Aramidfasern werden mit unterschiedlichen Noten hergestellt, die auf unterschiedlichen Eigenschaften für Festigkeit und Steifheit beruhen, so dass das Material etwas auf bestimmte Designanliegen zugeschnitten werden kann, z. ^[2]

Beispiel Polymer- und Verstärkungskombinationen

Verstärkungsmaterial [2]	Die häufigsten Matrixmaterialeigenschaften	verbesserten sich
Glasfasern	UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE	Festigkeit, Elastizität, Wärmebeständigkeit
Holzfasern	PE, PP, ABS, HDPE, PLA	Biegefestigkeit, Zugmodul, Zugfestigkeit
Kohlenstoff- und Aramidfasern	EP, up, ve, pa	Elastizität, Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, elektrische Festigkeit.
Anorganische Partikel	Semikristalline Thermoplastik, Up	Isotrope Schrumpfung, Abrieb, Kompressionsstärke

Anwendungen

Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich am besten für jedes Entwurfsprogramm, das Gewichtsersparnis, Präzisionstechnik, endliche Toleranzen und die Vereinfachung von Teilen sowohl in der Produktion als auch im Betrieb erfordert. Ein geformtes Polymer -Artefakt ist billiger, schneller und leichter hergestellt als Aluminium- oder Stahlartefakte und hält ähnliche und manchmal bessere Toleranzen und Materialstärken bei.

Kohlenstofffaserverstärkte Polymere

Ruder von Airbus A310

• Vorteile gegenüber einem traditionellen Ruder aus Blattaluminium sind:

• 25% Gewichtsreduzierung

• 95% Reduktion der Komponenten durch Kombination von Teilen und Formen zu einfacheren geformten Teilen.

• Die allgemeine Reduzierung der Produktions- und Betriebskosten, die Wirtschaft der Teile führt zu niedrigeren Produktionskosten und die Gewichtsersparnisse führen zu Kraftstoffeinsparungen, die die Betriebskosten für den Flug des Flugzeugs senken.

Glasfaserverstärkte Polymere

Motoransaugkrümmer werden aus glasfaserverstärktem PA 66 hergestellt.

• Vorteile Dies hat über Aluminiumverteiler gegossene Verteiler:

• Bis zu einer Gewichtsreduzierung von 60%

• Verbesserte Oberflächenqualität und Aerodynamik

• Verringerung der Komponenten durch Kombination von Teilen und Formen in einfachere geformte Formen.

Kfz-Gas und Kupplungspedale aus Glasfaserverstärkten PA 66 (DWP 12–13)

• Vorteile gegenüber gestempeltem Aluminium sind:

• Pedale können als einzelne Einheiten geformt werden, die sowohl Pedale als auch mechanische Verbindungen kombinieren, die die Produktion und den Betrieb des Designs vereinfachen.

• Fasern können sich auf bestimmte Belastungen auswirken und die Haltbarkeit und Sicherheit erhöhen.

Aluminiumfenster, Türen und Fassaden werden durch die Verwendung von Kunststoffisolpastik aus Glasfasern aus Glasfasern aus Glasfasern thermisch isoliert. 1977 erzeugte Ensinger GmbH ein erstes Isolierungsprofil für Fenstersysteme.

Strukturelle Anwendungen

FRP kann angewendet werden, um die Strahlen, Säulen und Brückenplatten und Brücken zu stärken. Es ist möglich, die Stärke von Strukturmitgliedern zu erhöhen, selbst nachdem sie aufgrund von Belastungsbedingungen schwer beschädigt wurden. Bei geschädigten Mitgliedern für verstärkte Beton würde dies zunächst die Reparatur des Mitglieds erfordern, indem er lose Ablagerungen und Hohlräume und Risse mit Mörtel oder Epoxidharz ausfüllt. Sobald das Mitglied repariert wurde, kann die Stärkung durch nasses Erfolge erreicht werden.

In der Regel werden zwei Techniken zur Stärkung von Strahlen angewendet, die sich auf die gewünschte Festigkeitsverbesserung beziehen: Biegeverstärkung oder Scherverstärkung. In vielen Fällen kann es notwendig sein, beide Festigkeitsverbesserungen vorzunehmen. Für die Biegeverstärkung eines Strahls werden FLP -Blätter oder -platten auf die Spannungsfläche des Mitglieds angewendet (die untere Gesichtsfläche für ein einfach unterstütztes Mitglied mit angelegter Oberladung oder Schwerkraftbelastung). Die Hauptfaserfasern sind in der Strahllängsachse ausgerichtet, ähnlich wie in der inneren Biegestahlverstärkung. Dies erhöht die Strahlfestigkeit und ihre Steifheit (Last, die zur Auslenkung der Einheit erforderlich ist), verringert jedoch die Ablenkkapazität und Duktilität.

Für die Scherverstärkung eines Strahls wird die FRP im Netz (Seiten) eines Mitglieds mit Fasern, die quer zur Längsachse des Strahls orientiert sind, angewendet. Das Widerstand von Scherkräften wird auf ähnliche Weise wie innere Stahlbügel erreicht, indem Scherrisse untergebracht werden, die unter angelegter Belastung bilden. FRP kann in mehreren Konfigurationen angewendet werden, abhängig von den exponierten Gesichtern des Mitglieds und dem gewünschten Grad der gewünschten Stärkung, darunter: Seitenbindung, U-Wraps (U-Jackets) und geschlossene Wraps (vollständige Wraps). Bei der Seitenverklebung wird nur die FRP auf die Seiten des Strahls angewendet. Es bietet die geringste Menge an Scherverstärkung aufgrund von Ausfällen, die durch das Abbau der Betonoberfläche an den FRP-freien Kanten verursacht werden. Für U-Wraps wird die FRP kontinuierlich in einer u'-Form um die Seiten und die Boden (Spannung) des Strahls aufgetragen. Wenn alle Gesichter eines Strahls zugänglich sind, ist die Verwendung von geschlossenen Wraps wünschenswert, da sie die größte Stärke verbessern. Bei der geschlossenen Verpackung werden FRP um den gesamten Umfang des Mitglieds angewendet, so dass es keine freien Enden gibt und der typische Fehlermodus die Fasern brütet. Für alle Wrap -Konfigurationen kann die FRP entlang der Länge des Mitglieds als kontinuierliches Blatt oder als diskrete Streifen mit einer vordefinierten Mindestbreite und Abstand angewendet werden.

Platten können durch die Anwendung von FRP -Streifen auf der Gesichtsfläche (Spannung) gestärkt werden. Dies führt zu einer besseren Biegerleistung, da der Zugwiderstand der Platten durch die Zugfestigkeit von FRP ergänzt wird. Bei Strahlen und Platten hängt die Wirksamkeit der FRP -Verstärkung von der Leistung des für die Bindung gewählten Harzes ab. Dies ist insbesondere ein Problem bei der Scherverstärkung mit der Seitenverklebung oder U-Schaltungen. Säulen werden in der Regel mit FRP um ihren Umfang umwickelt, wie bei geschlossener oder vollständiger Verpackung. Dies führt nicht nur zu einem höheren Scherwiderstand, sondern auch für die Säulendesign, sondern auch zu einer erhöhten Druckfestigkeit unter axialer Belastung. Das FRP -Wrap funktioniert, indem die laterale Expansion der Säule eingesperrt wird, die die Begrenzung auf ähnliche Weise verbessern kann wie die Spiralverstärkung für den Säulenkern.

Aufzugskabel

Im Juni 2013 kündigte die KONE EILECATOR Company Ultrarope zur Verwendung als Ersatz für Stahlkabel in Aufzügen an. Es versiegelt die Kohlenstofffasern in Hochfriktionspolymer. Im Gegensatz zu Stahlkabel wurde Ultrarope für Gebäude ausgelegt, die bis zu 1.000 Meter Lift benötigen. Stahlaufzüge mit 500 Metern. Das Unternehmen schätzte, dass in einem 500-Meter-hohen Gebäude ein Aufzug 15 Prozent weniger elektrischer Strom als eine stahlköpfige Version verbrauchen würde. Ab Juni 2013 hatte das Produkt alle Europäischen Union- und US -Zertifizierungstests bestanden. ^[22]

Konstruktionsüberlegungen

FRP wird in Konstruktionen verwendet, die ein Maß für Festigkeit oder Elastizitätsmodul erfordern, die nicht verstärkte Kunststoffe und andere materielle Auswahlmöglichkeiten entweder für mechanisch oder wirtschaftlich schlecht geeignet sind. Dies bedeutet, dass die primäre Konstruktionsprüfung für die Verwendung von FRP darin besteht, sicherzustellen, dass das Material wirtschaftlich und auf eine Weise verwendet wird, die seine strukturellen Verbesserungen speziell ausnutzt. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, die Ausrichtung von Fasern schafft auch eine materielle Schwäche senkrecht zu den Fasern. Somit beeinflusst die Verwendung von Faserverstärkung und ihre Orientierung die Stärke, Steifigkeit und Elastizität einer endgültigen Form und damit die Funktionsweise des Endprodukts selbst. Die Ausrichtung der Richtung der Fasern, entweder unidirektional, zweidimensional oder dreidimensional während der Produktion, wirkt sich auf den Grad der Festigkeit, Flexibilität und Elastizität des Endprodukts aus. Fasern, die in Richtung der Kräfte ausgerichtet sind, weisen einen größeren Widerstand gegen Verzerrungen von diesen Kräften auf und umgekehrt. So werden Bereiche eines Produkts, die Kräften standhalten müssen, mit Fasern in die gleiche Richtung verstärkt, und Bereiche, die Flexibilität wie natürliche Scharniere erfordern, verwenden Fasern in einer senkrechten Richtung zu Kräften. Die Verwendung von mehr Dimensionen vermeidet dies entweder oder des Szenarios und erzeugt Objekte, die aufgrund der unidirektionalen Ausrichtung von Fasern bestimmte Schwachstellen vermeiden möchten. Die Eigenschaften von Stärke, Flexibilität und Elastizität können auch durch die geometrische Form und das Design des Endprodukts vergrößert oder vermindert werden. Dazu gehören eine solche Entwurfsüberlegungen wie die Sicherstellung der richtigen Wanddicke und die Erzeugung multifunktionaler geometrischer Formen, die als einzelne Stücke geformt werden können, wodurch Formen erzeugt werden, die mehr Material und strukturelle Integrität haben, indem sie Gelenke, Verbindungen und Hardware reduzieren. ^[2]

Entsorgung und Recycling -Bedenken

Als Untergruppe von Plastik -FR -Kunststoffen haften Kunststoffe einer Reihe von Problemen und Bedenken bei der Entsorgung von Plastikabfällen und dem Recycling. Kunststoffe stellen eine besondere Herausforderung beim Recycling dar, da sie von Polymeren und Monomeren abgeleitet werden, die oft nicht getrennt und in ihre jungfräulichen Staaten zurückgegeben werden können. Aus diesem Grund können nicht alle Kunststoffe zur Wiederverwendung recycelt werden. Tatsächlich können einige Schätzungen nur 20% bis 30% der Kunststoffe recyckliert werden. Faserverstärkte Kunststoffe und ihre Matrizen teilen diese Entsorgung und Umweltprobleme. Zusätzlich zu diesen Bedenken ist die Tatsache, dass die Fasern selbst schwer aus der Matrix zu entfernen sind, und die Wiederverwendung zu erhalten, bedeutet, dass die Fasern diese Herausforderungen verstärkt. FRPs sind von Natur aus schwer in Grundmaterialien zu trennen, dh in Faser und Matrix, und die Matrix in separate nutzbare Plastik, Polymere und Monomere. Dies alles sind Bedenken hinsichtlich des heutigen Umweltdesigns. Kunststoffe bieten häufig Einsparungen bei Energie und wirtschaftlichen Einsparungen im Vergleich zu anderen Materialien. Mit dem Aufkommen neuer umweltfreundlicherer Matrizen wie Bioplastik und UV-abbaubarer Kunststoffe wird FRP die Umweltempfindlichkeit erlangen. ^[1]

Siehe auch

• Langfaserverstärktes thermoplastisch

Referenzen

>>>>>> Hinweis: Artikel von https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reininforced_plastic <<<< zusammengefasst.