섬유질 강화 플라스틱 ( FRP ) (또한 섬유 강화 폴리머 )은 섬유로 강화 된 중합체 매트릭스로 만들어진 복합 재료입니다. 섬유는 일반적으로 유리, 탄소, 아라미드 또는 현무암입니다. 드물게 종이 나 나무 또는 석면과 같은 다른 섬유가 사용되었습니다. 중합체는 일반적으로 에폭시, 비닐 에스테르 또는 폴리 에스테르 열 세팅 플라스틱이다; 페놀 포름 알데히드 수지는 여전히 사용 중입니다.
FRP는 일반적으로 항공 우주, 자동차, 해양 및 건설 산업에서 사용됩니다. 그들은 일반적으로 탄도 갑옷에서도 발견됩니다.
중합체는 일반적으로 계단-성장 중합 또는 첨가 중합에 의해 제조된다. 폴리머의 재료 특성을 향상 시키거나 어떤 방식으로도 변경하기 위해 다양한 제제와 결합 될 때, 결과는 플라스틱 등급의 플라스틱이라고 지칭된다. 섬유질 강화 플라스틱은 섬유 재료를 구체적으로 사용하여 플라스틱의 강도와 탄성을 기계적으로 향상시키는 복합 플라스틱의 범주입니다. 섬유 강화가없는 원래 플라스틱 재료는 Thematrix 또는 바인딩 제로 알려져 있습니다. 매트릭스는 강력하지만 비교적 약한 플라스틱으로 강력한 강화 필라멘트 또는 섬유에 의해 강화됩니다. 섬유 강화 플라스틱에서 강도와 탄성이 향상되는 정도는 섬유와 매트릭스의 기계적 특성, 서로 관련된 부피, 매트릭스 내의 섬유 길이 및 방향에 따라 다릅니다. [1] 매트릭스의 강화는 FRP 재료가 매트릭스 단독의 강도 및 탄성에 비해 강도 또는 탄성을 증가시킬 때 정의에 의해 발생한다. [2]
Bakelite는 최초의 섬유질 강화 플라스틱이었습니다. Leo Baekeland 박사는 원래 Shellac의 대체물을 찾기 위해 출발했습니다 (Lac 딱정벌레의 배설로 만들어졌습니다). 화학자들은 많은 천연 수지와 섬유가 폴리머임을 인식하기 시작했으며, Baekeland는 페놀과 포름 알데히드의 반응을 조사했습니다. 그는 먼저 시장의 성공이되지 않은 'novolak '라는 가용성 페놀-포름 알데히드 쉘락을 생산 한 후 그 당시에는 석면의 바인더를 개발하는 것으로 바뀌 었습니다. 그는 페놀과 포름 알데히드에 적용된 압력과 온도를 제어함으로써 1905 년에 자신의 꿈꾸는 어려운 소재 (세계 최초의 합성 플라스틱) : Bakelite를 생산할 수 있음을 발견했습니다. [3] [4] 그는 1909 년 2 월 5 일 미국 화학 협회 회의에서 발명품을 발표했다. [5]
상업적 사용을위한 섬유질 강화 플라스틱의 개발은 1930 년대에 광범위하게 연구되고있었습니다. 영국에서는 Norman de Bruyne과 같은 개척자들이 상당한 연구를 수행했습니다. 항공 산업에 특히 관심이있었습니다. [6]
유리 가닥의 대량 생산은 1932 년 Games Slayter, Owens-Illinois의 연구원이 우연히 용융 유리 스트림에서 압축 공기를 지시하고 섬유를 생산했을 때 발견되었습니다. 이 유리 울을 생산하는 방법에 대한 특허는 1933 년에 처음으로 적용되었습니다. [7] Owens는 1935 년 코닝 회사에 합류 했으며이 방법은 Owens Corning이 특허받은 'fibreglas '(One 'S ')를 제작하기 위해 적응했습니다. 온도.
'fibreglas '를 플라스틱과 결합하여 복합 재료를 생산하기위한 적절한 수지는 1936 년 Du Pont에 의해 개발되었습니다. 현대 폴리 에스테르 수지의 첫 번째 조상은 1942 년 시아나미드의 수지입니다. 그 당시에는 과산화물 경화 시스템이 사용되었습니다. [8] Fibreglas와 수지의 조합으로 재료의 가스 함량을 플라스틱으로 대체 하였다. 이것은 플라스틱의 전형적인 값으로 절연 특성으로 감소했지만, 이제는 처음으로 복합재가 구조 및 건축 자재로서 큰 강도와 약속을 보여주었습니다. 혼란스럽게도, 많은 유리 섬유 복합재는 계속해서 'fiberglass '(일반 이름으로)라고 불렀으며 이름은 플라스틱 대신 가스를 함유 한 저밀도 유리 울 제품에도 사용되었습니다.
Owens Corning의 Ray Greene은 1937 년에 첫 번째 복합 보트를 생산 한 것으로 인정 받았지만 사용 된 플라스틱의 취성 특성으로 인해 더 이상 진행되지 않았습니다. 1939 년 러시아는 플라스틱 재료의 여객 보트와 미국에 항공기의 동체와 날개를 건설 한 것으로 알려졌다. [9] 섬유질의 몸체를 가진 최초의 차는 1946 년 스타우트 스 캐롭이었습니다. 이 모델 중 하나만 구축되었습니다. [10] 1941 년의 포드 프로토 타입은 최초의 플라스틱 자동차 일 수 있었지만 얼마 지나지 않아 파괴 된 재료에 대한 불확실성이있다. [11] [12]
최초의 섬유 강화 플라스틱 평면은 Fairchild F-46, 1937 년 5 월 12 일에 처음으로 날아간 캘리포니아 주 Bennett 플라스틱 비행기였습니다. [ ] 유리 섬유 동체는 1942 년 후반 Wright Field에 기반을 둔 XBT-16을 지정된 수정 된 Vultee BT-13A에서 13 되었다 . 사용 [17] 1943 년 공화국 항공 회사에 의해 GFRP 구성 요소를위한 툴링의 상당한 발전이 이루어졌다. [18]
탄소 섬유 생산은 1950 년대 후반에 시작되었으며 1960 년대 초부터 영국 산업에서는 널리 사용되지 않았습니다. 이시기에 아라미드 섬유도 생산되었으며, 듀폰 (Dupont)이 상표 이름 NOMEX에서 처음으로 나타났습니다. 오늘날, 이러한 각 섬유는 특정 강도 또는 탄성 특성을 가진 플라스틱이 필요한 모든 응용 분야에서 산업에서 널리 사용됩니다. 탄소 섬유 및 탄소 섬유 아라미드 복합재는 항공 우주, 자동차 및 스포츠 좋은 응용 분야에서 널리 발견되지만 유리 섬유는 모든 산업에서 가장 흔합니다. [2] 이 세 가지 (유리, 탄소, 안다 라미드)는 FRP에 사용되는 섬유의 중요한 범주입니다.
현재 현재 규모의 글로벌 폴리머 생산은 20 세기 중반에 시작되었으며, 저재 및 생산 비용, 새로운 생산 기술 및 신제품 범주가 결합되어 중합체 생산을 경제적으로 만들었습니다. 이 산업은 1970 년대 후반 세계 중합체 생산이 철강을 능가했을 때 마침내 성숙하여 폴리머를 오늘날의 유비쿼터스 물질로 만들었습니다. 섬유질 강화 플라스틱은 처음 부터이 산업의 중요한 측면이었습니다.
FRP는 두 가지 별개의 공정을 포함하고, 첫 번째는 섬유질 재료가 제조되고 형성되는 공정이며, 두 번째는 섬유질 재료가 성형 동안 매트릭스와 결합되는 공정입니다. [2]
강화 섬유는 2 차원 및 3 차원 방향으로 제조됩니다.
2 차원 섬유 강화 폴리머는 섬유가 X 방향 및 재료의 y 방향으로 만 평면을 따라 단지 정렬되는 적층 구조를 특징으로한다. 이는 경유 두께 또는 Z 방향으로 섬유가 정렬되지 않음을 의미하며, 두께의 정렬 부족은 비용과 처리에 불리한 점을 유발할 수 있습니다. 비용 및 노동 증가는 습식 손 레이 업, 오토 클레이브 및 수지 전달 성형과 같은 복합재를 제조하는 데 사용되는 기존의 가공 기술은 미리 형성된 구성 요소로 자르고, 스택 및 통합하기 위해 많은 양의 숙련 된 노동이 필요하기 때문입니다.
3 차원 섬유 강화 폴리머 복합재는 X 방향, y 방향 및 Z 방향에 섬유를 포함하는 3 차원 섬유 구조를 갖는 재료이다. 3 차원 오리엔테이션의 개발은 제조 비용을 줄이고 두께를 통한 기계적 특성을 높이며 충격 손상 허용 오차를 향상시키기위한 산업의 필요성에서 발생했습니다. 모두 2 차원 섬유 강화 폴리머와 관련된 문제였다.
섬유 사전 형성은 매트릭스에 결합되기 전에 섬유가 제조되는 방법입니다. 섬유 사전 형성은 종종 시트, 연속 매트 또는 스프레이 응용을위한 연속 필라멘트로 제조됩니다. 섬유 사전 형태를 제조하는 4 가지 주요 방법은 직조, 뜨개질, 브레이딩 및 스티칭의 섬유 처리 기술을 통한 것입니다.
직조는 기존의 방식으로 수행 될 수 있으며, 3 차원 섬유를 생성 할 수있는 다층 직조에서 2 차원 섬유를 생성 할 수 있습니다. 그러나, 다층 직조는 Z- 방향으로 섬유를 생성하기 위해 여러 층의 Warp 원사를 가지려면 제조에 몇 가지 단점, 즉 직기에 모든 Warp 원사를 설정할 시간을 생성해야합니다. 따라서 대부분의 다층 직조는 현재 비교적 좁은 폭 제품 또는 사전 양식 생산 비용이 허용되는 고 가치 제품을 생산하는 데 사용됩니다. 다층 직조 직물의 사용에 직면 한 주요 문제 중 하나는 각각 서로에게 0 '및 90 '이외의 각도를 지향하는 섬유를 포함하는 직물을 생산하는 데 어려움이 있다는 것입니다.
파이버 프리 폼 제조의 두 번째 주요 방법은 브레이딩입니다. 브레이딩은 좁은 폭이 평평하거나 관형 직물의 제조에 적합하며 대량의 넓은 직물의 생산에서 직조만큼 능력이 없습니다. 브레이딩은 길이에 따라 단면 모양이나 치수가 다른 맨드 렐의 꼭대기에 이루어집니다. 브레이딩의 크기는 벽돌에 대한 물체로 제한됩니다. 표준 직조와는 달리, 브레이딩은 서로 45 도의 각도로 섬유를 함유하는 직물을 생산할 수 있습니다. 브레이딩 3 차원 섬유는 4 단계, 2 단계 또는 다층 인터록 브레이딩을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 어색한 단계 또는 행 브레이딩은 원하는 프리폼의 모양을 형성하는 원사 캐리어의 행 및 기둥을 포함하는 평평한 침대를 사용합니다. 추가 캐리어는 배열의 외부에 추가되며, 정확한 위치 및 수량은 필요한 정확한 사전 형태 및 구조에 따라 다릅니다. 4 개의 별도의 행 및 열 움직임 시퀀스가 있으며, 이는 원사를 연동시키고 꼰 사전 양식을 생성하는 작용을합니다. 원사는 직조에서 리드를 사용하는 것과 유사한 과정에서 구조를 통합하기 위해 각 단계 사이의 구조로 기계적으로 강제로 강제됩니다. 2 단계 브레이딩은 4 단계 프로세스와 다릅니다. 2 단계에는 축 방향에 고정 된 많은 수의 원사와 더 많은 수의 브레이딩 원사가 포함되기 때문입니다. 이 과정은 브레이딩 캐리어가 축 방향 캐리어 사이의 구조를 완전히 통과하는 두 단계로 구성됩니다. 이 비교적 간단한 운동 순서는 원형 및 중공 모양을 포함하여 본질적으로 모든 형태의 사전 형태를 형성 할 수 있습니다. 4 단계 프로세스와 달리, 2 단계 프로세스는 기계적 압축을 요구하지 않습니다. 프로세스와 관련된 동작은 원사 장력만으로 브레이드를 단단히 당길 수 있습니다. 마지막 유형의 브레이딩은 여러 표준 원형 브레이더가 함께 결합되어 원통형 브레이딩 프레임을 형성하는 다층 연동 브레이딩입니다. 이 프레임은 실린더의 둘레 주위에 다수의 평행 브레이딩 트랙이 있지만 메커니즘은 원사가 인접한 층으로 연결되는 다층 브레이드 패브릭을 형성하는 인접한 트랙 사이의 원사 캐리어를 전달할 수있게한다. 다층 인터 로크 브레이드는 인터 로킹 얀이 주로 구조의 평면에 있으므로 프리 폼의 평면 내 특성을 크게 감소시키지 않는다는 점에서 4 단계 및 2 단계 브레이드와 다릅니다. 4 단계 및 2 단계 프로세스는 브레이딩 원사가 프리 폼의 두께를 통과함에 따라 더 큰 상호 연결을 생성하지만 프리 폼의 평면 내 성능에 덜 기여합니다. 다층 인터록 장비의 단점은 원사 캐리어의 종래의 정현파 이동으로 인해 프리 폼을 형성하기 위해 장비가 2 단계 및 4 단계 기계로 가능한 원사 캐리어의 밀도를 가질 수 없다는 것입니다.
뜨개질 섬유 사전 형태는 전통적인 날실 및 [weft] 뜨개질로 수행 할 수 있으며, 생산 된 직물은 종종 2 차원 직물로 간주되지만, 2 개 이상의 바늘 베드가있는 기계는 층 사이를 가로 지르는 YAM으로 다층 직물을 생산할 수 있습니다. 바늘 선택 및 니트 루프 전달을위한 전자 제어 및 직물의 특정 영역을 유지하고 움직임을 제어 할 수있는 정교한 메커니즘의 개발. 이를 통해 직물은 최소한의 재료 낭비로 필요한 3 차원 프리 폼 모양으로 형성 될 수있었습니다.
스티칭은 아마도 4 가지 주요 섬유 제조 기술 중 가장 간단하고 전문 기계에 가장 적은 투자로 수행 할 수있는 것입니다. 기본적으로 스티칭은 바늘을 삽입하고, 스티치 실을 운반, 직물 층 스택을 통해 3D 구조를 형성하는 것으로 구성됩니다. 스티칭의 장점은 건식 및 Prepreg 직물을 모두 꿰매는 것이 가능하다는 것입니다. 비록 Prepreg의 삭제가 프로세스를 어렵게 만들고 일반적으로 건식 직물보다 Prepreg 재료 내에서 더 많은 손상을 만듭니다. 스티칭은 또한 복합 산업 내에서 일반적으로 사용되는 표준 2 차원 직물을 사용하므로 재료 시스템에 대한 친숙 함이 있습니다. 표준 직물의 사용은 또한 생산할 수있는 섬유 방향에 제한이있는 다른 섬유 공정에서 가능한 것보다 성분의 직물 배치에서 더 많은 유연성을 허용합니다. [19]
강성 구조는 일반적으로 FRP 구성 요소의 모양을 설정하는 데 사용됩니다. 부품은 'caul plate '라고하는 평평한 표면 또는 'mandrel '라고하는 원통형 구조에 놓을 수 있습니다. 그러나 대부분의 섬유질 강화 플라스틱 부품은 금형 또는 '도구로 만들어집니다. '금형은 오목한 암 곰팡이, 수컷 금형 또는 금형이 상단 및 하단 금형으로 부품을 완전히 둘러싸게 할 수 있습니다.
FRP 플라스틱의 성형 공정은 섬유 프리폼을 금형에 배치하여 시작합니다. 섬유 사전 양식은 건조 섬유 또는 이미 'prepreg '라고 불리는 측정 된 수지를 포함하는 섬유 일 수 있습니다. 건조 섬유는 수지로 수지로 '습식 '또는 수지가 닫힌 금형에 주입됩니다. 그런 다음 부품을 경화시켜 매트릭스와 섬유를 금형에 의해 생성 된 모양으로 남겨 둡니다. 열 및/또는 압력은 때때로 수지를 치료하고 최종 부품의 품질을 향상시키는 데 사용됩니다. 다른 형성 방법은 아래에 나열되어 있습니다.
Prepreg 재료의 개별 시트는 풍선 모양의 방광과 함께 여성 스타일의 곰팡이에 놓여져 있습니다. 곰팡이가 닫히고 가열 된 프레스에 배치됩니다. 마지막으로, 방광은 곰팡이 벽에 대한 재료 층을 강제로 강제로 가압됩니다.
원료 (플라스틱 블록, 고무 블록, 플라스틱 시트 또는 과립)에 강화 섬유가 포함되어 있으면 압축 성형 부품은 섬유 강화 플라스틱으로 자격이됩니다. 보다 일반적으로 압축 성형에 사용되는 플라스틱 프리폼에는 강화 섬유가 포함되어 있지 않습니다. 압축 성형에서 SMC의 a 'preform '또는 'Charge ', BMC는 금형 공동에 배치됩니다. 곰팡이가 닫히고 재료는 압력과 열에 의해 내부에서 형성되고 경화됩니다. 압축 성형은 패턴 및 릴리프 디테일에서 복잡한 곡선 및 창의적인 형태에 이르기까지 최대 20 분 이내에 정밀 엔지니어링에 이르기까지 기하학적 형태에 대한 훌륭한 디테일을 제공합니다. [20]
Prepreg 재료의 개별 시트가 배치되어 개방형 금형에 배치됩니다. 이 재료는 릴리스 필름, 블 리더/브리더 소재 및 진공 가방으로 덮여 있습니다. 진공이 부분적으로 당겨지고 전체 금형을 오토 클레이브 (가열 압력 용기)에 넣습니다. 부품은 연속 진공으로 경화되어 라미네이트에서 포획 된 가스를 추출합니다. 이는 항공 우주 산업에서 매우 일반적인 프로세스입니다. 왜냐하면 1 시간에서 몇 시간 사이의 길고 느린 치료 주기로 인해 성형을 정확하게 제어 할 수 있기 때문입니다. [21] 이 정확한 제어는 항공 우주 산업에서 강도와 안전을 보장하는 데 필요한 정확한 라미네이트 기하학적 형태를 만듭니다. 그러나 또한 느리고 노동 집약적이므로 비용은 종종 항공 우주 산업에 국한됩니다. [20]
Prepreg 재료의 시트는 강철 또는 알루미늄 맨드릴에 감싸고 있습니다. Prepreg 물질은 나일론 또는 폴리 프로필렌 첼로 테이프에 의해 압축된다. 부품은 일반적으로 오븐에 진공 포장 및 매달린 배치로 경화됩니다. 치료 후 첼로와 맨드 릴을 제거하여 중공 탄소 튜브를 남겨 둡니다. 이 과정은 강력하고 강력한 중공 탄소 튜브를 생성합니다.
습식 레이 업 형성은 섬유 보강과 형성 도구에 배치 될 때 매트릭스를 결합합니다. [2] 강화 섬유 층을 개방형 금형에 넣은 다음 직물 위에 붓고 직물에 작동시켜 습식 수지로 포화됩니다. 그런 다음 금형은 왼쪽으로 좌회전하여 수지가 일반적으로 실온에서 경화되지만 열은 때때로 적절한 경화를 보장하는 데 사용됩니다. 때로는 진공 백이 습식 레이 업을 압축하는 데 사용됩니다. 유리 섬유는이 과정에서 가장 일반적으로 사용되며 결과는 유리 섬유로 널리 알려져 있으며 스키, 카누, 카약 및 서핑 보드와 같은 일반적인 제품을 만드는 데 사용됩니다. [20]
연속 유리 섬유 가닥은 가닥을 자르고 폴리 에스테르와 같은 촉매적인 수지와 결합하는 핸드 헬드 건을 통해 밀립니다. 함침 된 다진 유리는 두께로 곰팡이 표면에 사로 잡히고 인간 운영자가 적절하다고 생각하는 두께와 설계합니다. 이 프로세스는 경제적 인 비용으로 대규모 생산에 적합하지만 다른 성형 공정보다 강도가 적은 기하학적 모양을 생성하고 차원 공차가 열악합니다. 디자인 탱크 LLC는이 프로세스를 사용하는 최고 제조업체 중 하나입니다. [20]
기계는 습식 수지 욕조를 통해 섬유 다발을 당겨 특정 방향 부품의 회전 강철 맨드릴 위에 상처를 입는다. Mandrel은 추출되어 최종 기하학적 모양을 남기지 만 경우에 따라 남을 수 있습니다. [20]
섬유 다발 및 슬릿 직물은 수지의 습식 욕조를 통해 당겨서 거친 부분 모양으로 형성됩니다. 포화 재료는 가열 된 폐쇄 다이 경화로부터 압출되어 다이를 지속적으로 당겨집니다. 펄트의 최종 생성물 중 일부는 구조적 모양, 즉 빔, 각도, 채널 및 평평한 시트입니다. 이 재료는 사다리, 플랫폼, 핸드 레일 시스템 탱크, 파이프 및 펌프 지지대와 같은 모든 종류의 유리 섬유 구조를 만드는 데 사용될 수 있습니다. [20]
이라고도합니다 수지 주입 . 직물은 습식 수지가 주입되는 금형에 배치됩니다. 수지는 전형적으로 수지 전달 성형에서 진공 상태에있는 공동으로 가압되어 강제로 강제된다. 수지는 진공 보조 수지 전달 성형으로 진공 상태에서 캐비티로 완전히 당겨집니다. 이 성형 공정은 정확한 공차와 상세한 형성을 허용하지만 때로는 직물을 완전히 포화시키지 못할 수 있습니다. [20]
FRP는 특정 설계 프로그램에 적합하도록 열가소성 유리 섬유의 정렬을 허용합니다. 강화 섬유의 배향을 지정하면 중합체의 변형에 대한 강도 및 저항성을 증가시킬 수 있습니다. 유리 강화 폴리머는 중합체 섬유가 가해지는 힘과 평행 할 때 가장 강력하고 변형력에 가장 저항력이 있으며 섬유가 수직 일 때 가장 약하다. 따라서이 능력은 사용 컨텍스트에 따라 이점 또는 제한 사항입니다. 수직 섬유의 약한 반점은 천연 힌지와 연결에 사용될 수 있지만 생산 공정이 섬유를 예상 힘과 평행하게 배향하지 않으면 재료 고장으로 이어질 수도 있습니다. 힘이 섬유의 방향에 수직으로 가해지면 중합체의 강도와 탄성은 매트릭스 단독보다 작다. UP 및 EP와 같은 유리 강화 중합체로 제조 된 주조 수지 성분에서, 섬유의 방향은 2 차원 및 3 차원 직조로 배향 될 수있다. 이것은 힘이 하나의 방향에 수직 일 때 다른 방향과 평행하다는 것을 의미합니다. 이것은 중합체의 약점에 대한 잠재력을 제거합니다.
구조적 실패는 다음과 같은 경우 FRP 재료에서 발생할 수 있습니다.
인장력은 섬유보다 매트릭스를 더 많이 늘려 매트릭스와 섬유 사이의 계면에서 재료가 전단됩니다.
섬유 끝 근처의 인장력은 매트릭스의 공차를 초과하여 섬유를 매트릭스로부터 분리합니다.
인장력은 또한 섬유의 공차를 초과하여 섬유 자체가 골절로 발생하여 재료 부전으로 이어질 수 있습니다. [2]
Thermoset 중합체 매트릭스 재료 또는 엔지니어링 등급 열가소성 폴리머 매트릭스 재료는 먼저 FRP에 적합하고 자체를 성공적으로 강화하기 위해 특정 요구 사항을 충족해야합니다. 매트릭스는 적절한 경화 기간 내에 최대 접착력을 위해 섬유 강화와 화학적으로 적절하게 포화 될 수 있고 바람직하게는 화학적으로 결합 할 수 있어야한다. 매트릭스는 또한 섬유를 완전히 포위하여 강도를 줄이고 힘을 섬유로 옮길 수있는 절단 및 노치로부터 보호해야합니다. 섬유는 또한 실패가 발생하면 가능한 한 많이 로컬로 연결되도록 서로 분리되어야하며, 고장이 발생하면 유사한 이유로 매트릭스도 섬유로부터 디돈을 가져야합니다. 마지막으로 매트릭스는 보강 및 성형 공정 중 및 성형 과정에서 화학적으로나 육체적으로 안정적으로 유지되는 플라스틱이어야합니다. 강화 재료로서 적합하기 위해, 섬유 첨가제는 매트릭스의 탄력성의 인장 강도와 계수를 증가시키고 다음 조건을 충족시켜야한다. 섬유는 임계 섬유 함량을 초과해야합니다. 섬유 자체의 강도와 강성은 매트릭스 단독의 강도와 강성을 초과해야합니다. 섬유와 매트릭스 사이에 최적의 결합이 있어야합니다.
'유리 섬유 강화 플라스틱 '또는 FRP (일반적으로 유리 섬유라고 함)는 섬유 등급 유리 섬유를 사용합니다. 이 섬유 섬유는 의도적으로 공기를 덫을 놓는 데 사용되는 다른 형태의 유리 섬유와 다릅니다 (유리 울 참조). 섬유 유리 섬유는 분말 형태의 SIO 의 다양한 조합으로 시작합니다 . 2, Al 2O 3, B 2O 3, CAO 또는 MGO 그런 다음이 혼합물은 섭씨 1300도 정도의 온도로 직접 용융하여 가열 된 후, 다이는 9 내지 17 μm 범위의 직경의 유리 섬유의 필라멘트를 압출하는 데 사용됩니다. 그런 다음이 필라멘트는 더 큰 실로 상처를 입히고 운송 및 추가 가공을 위해 보빈으로 회전시킵니다. 유리 섬유는 플라스틱을 강화하는 가장 인기있는 수단이므로 풍부한 생산 공정을 즐기며, 그 중 일부는 공유 섬유 품질로 인해 아라미드 및 탄소 섬유에 적용 할 수 있습니다.
Roving은 필라멘트가 더 큰 직경의 실로 회전하는 과정입니다. 그런 다음이 실은 일반적으로 짠 강화 유리 직물 및 매트 및 스프레이 응용 분야에 사용됩니다.
섬유 직물은 날실과 씨실 방향을 모두 갖는 웹 포맷 패브릭 보강재입니다. 섬유 매트는 유리 섬유의 웹 형태 비직 매트입니다. MAT는 다진 섬유가있는 절단 치수 또는 연속 섬유를 사용하여 연속 매트로 제조됩니다. 다진 섬유 유리는 유리 나사의 길이가 3mm에서 26mm 사이로 절단되는 공정에서 사용되며, 실이 성형 공정을 위해 가장 일반적으로 의도 된 플라스틱에서 실이 사용됩니다. 유리 섬유 짧은 가닥은 주입 성형을 위해 가장 일반적으로 열가소성을 강화하는 데 사용되는 유리 섬유의 0.2–0.3 mm 가닥입니다.
탄소 섬유는 폴리 아크릴로 니트릴 섬유 (PAN), 피치 수지 또는 레이온이 고온에서 탄화 될 때 생성됩니다. 더 많은 프로세스를 통해 검색 또는 스트레칭을 통해 섬유 강도 또는 탄성을 각각 향상시킬 수 있습니다. 탄소 섬유는 4 내지 17 μm 범위의 직경을 갖는 유리 섬유와 유사한 직경으로 제조된다. 이 섬유는 운송 및 추가 생산 공정을 위해 더 큰 실로 감겨졌습니다. [2] 추가 생산 공정에는 유리에 대해 설명 된 것과 유사한 탄소 직물, 천 및 매트로의 직조 또는 브레이딩이 포함되며, 그런 다음 실제 강화에 사용할 수 있습니다. [1]
아라미드 섬유는 가장 일반적으로 Kevlar, Nomex 및 Technora로 알려져 있습니다. 아라미드는 일반적으로 아민 그룹과 카르 복실 산 할라이드 그룹 (아라미드) 사이의 반응에 의해 제조된다; [1] 일반적으로 이것은 방향족 폴리 아미드가 황산의 액체 농도로부터 결정화 된 섬유로 회전 될 때 발생한다. [2] 그런 다음 섬유는 큰 밧줄이나 직물 (아라미드)으로 직조하기 위해 더 큰 실로 회전합니다. [1] 아라미드 섬유는 강도와 강성에 대한 다양한 품질에 따라 다양한 등급으로 제조되므로 재료는 제조 중에 터프한 재료를 절단하는 것과 같은 특정 설계가 필요합니다. [2]
| 강화 재료 [2] | 가장 일반적인 매트릭스 재료 | 특성 개선 |
|---|---|---|
| 유리 섬유 | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | 강도, 탄력성, 내선 |
| 나무 섬유 | PE, PP, ABS, HDPE, PLA | 굴곡 강도, 인장 모듈러스, 인장 강도 |
| 탄소 및 아라미드 섬유 | EP, UP, VE, PA | 탄성, 인장 강도, 압축 강도, 전기 강도. |
| 무기 미립자 | 반 결정질 열가소성 및 UP | 등방성 수축, 마모, 압축 강도 |
Fibre-reinforced Plastics는 체중 절약, 정밀 엔지니어링, 유한 공차 및 생산 및 운영에서 부품의 단순화를 요구하는 모든 설계 프로그램에 가장 적합합니다. 성형 폴리머 인공물은 캐스트 알루미늄 또는 철강 인공물보다 저렴하고 빠르며 제조하기 쉽고 유사하고 때로는 더 나은 공차 및 재료 강도를 유지합니다.
에어 버스 A310의 방향타
시트 알루미늄으로 만든 전통적인 방향타에 대한 장점은 다음과 같습니다.
체중 감소 25%
부품과 형태를 더 간단한 성형 부품으로 결합하여 구성 요소의 95% 감소.
생산 및 운영 비용의 전반적인 감소, 부품의 경제는 생산 비용이 낮아지고 중량 절약은 연료 절약이 발생하여 비행기 비행의 운영 비용을 낮추는 연료 절약을 만듭니다.
엔진 흡입 매니 폴드는 유리 섬유 강화 PA 66으로 만들어집니다.
이점은 알루미늄 매니 폴드를 초과로 캐스트 한 것입니다.
체중이 최대 60% 감소합니다
표면 품질 및 공기 역학 개선
부품과 형태를 더 간단한 성형 모양으로 결합하여 구성 요소의 감소.
유리 섬유 강화 PA 66으로 만든 자동차 가스 및 클러치 페달 (DWP 12–13)
스탬프 알루미늄에 대한 장점은 다음과 같습니다.
페달은 페달과 기계적 연결을 결합한 단일 장치로 성형하여 디자인의 생산 및 작동을 단순화 할 수 있습니다.
섬유는 특정 응력에 대해 강화하여 내구성과 안전성을 증가시킬 수 있습니다.
알루미늄 창, 문 및 외관은 유리 섬유 강화 폴리 아미드로 만든 열 절연 플라스틱을 사용하여 열 절연됩니다. 1977 년 Ensinger Gmbh는 윈도우 시스템에 대한 최초의 단열 프로파일을 생산했습니다.
FRP는 건물과 다리의 빔, 기둥 및 슬래브를 강화하기 위해 적용될 수 있습니다. 하중 조건으로 인해 심하게 손상된 후에도 구조 구성원의 강도를 높일 수 있습니다. 손상된 철근 콘크리트 부재의 경우, 먼저 느슨한 잔해물을 제거하고 모르타르 또는 에폭시 수지로 충치를 채우고 균열을 채워서 구성원의 수리가 필요합니다. 부재가 수리되면, 에폭시 수지로 섬유 시트를 임신시키는 습식 손 레이 업을 통해 강화를 달성 할 수 있습니다.
원하는 강화 강화와 관련하여 빔 강화 또는 전단 강화와 관련하여 빔의 강화를 위해 일반적으로 채택됩니다. 많은 경우 강도 향상을 모두 제공해야 할 수도 있습니다. 빔의 굴곡 강화를 위해, FRP 시트 또는 플레이트는 부재의 장력면에 적용됩니다 (적용된 상단 하중 또는 중력 하중이있는 간단한지지 된 부재의 바닥면). 주요 인장 섬유는 내부 굴곡 강 철근과 유사한 빔 세로 축에 배향됩니다. 이것은 빔 강도와 강성 (단위 편향을 유발하는 데 필요한 하중)을 증가 시키지만 편향 용량과 연성을 감소시킵니다.
빔의 전단 강화를 위해, FRP는 빔의 종 방향 축에 섬유 방향 가로가있는 부재의 웹 (측면)에 적용된다. 전단력의 저항은 적용된 하중 하에서 형성되는 전단 균열을 연결함으로써 내부 스틸 등자와 유사한 방식으로 달성된다. FRP는 부재의 노출 된면과 원하는 강화 정도에 따라 여러 구성으로 적용될 수 있습니다. 여기에는 측면 본딩, U- 랩 (U- 재킷) 및 닫힌 랩 (완전 랩)이 포함됩니다. 측면 결합은 빔의 측면에만 FRP를 적용하는 것을 포함합니다. FRP가없는 가장자리에서 콘크리트 표면으로부터의 탈지로 인한 고장으로 인해 전단 강화가 가장 적습니다. U- 랩의 경우, FRP는 빔의 측면과 바닥 (장력)면 주위에 'U'모양으로 연속적으로 적용됩니다. 빔의 모든면이 접근 할 수 있다면, 가장 강도 향상을 제공하므로 폐쇄 랩을 사용하는 것이 바람직합니다. 닫힌 랩핑은 멤버의 전체 주변 주위에 FRP를 적용하여 자유 끝이없고 일반적인 실패 모드는 섬유의 파열입니다. 모든 랩 구성의 경우, FRP는 멤버의 길이를 연속 시트 또는 불연속 스트립으로 적용하여 사전 정의 된 최소 너비 및 간격을 갖습니다.
바닥 (장력)면에 FRP 스트립을 적용하여 슬래브가 강화 될 수 있습니다. 슬래브의 인장 저항은 FRP의 인장 강도에 의해 보충되기 때문에 이로 인해 굽힘 성능이 향상됩니다. 빔 및 슬래브의 경우, FRP 강화의 효과는 결합을 위해 선택된 수지의 성능에 달려 있습니다. 이것은 특히 측면 결합 또는 U- 랩을 사용하여 전단 강화에 문제가됩니다. 컬럼은 일반적으로 닫히거나 완전한 포장과 같이 주변 주위의 FRP로 포장됩니다. 이것은 전단 저항이 높을뿐만 아니라 컬럼 설계에 더 중요 할뿐만 아니라 축 방향 하중 하에서 압축 강도를 증가시킵니다. FRP 랩은 열의 측면 확장을 억제하여 작동하며, 이는 나선형 강화가 열 코어에 대해하는 것과 유사한 방식으로 감금을 향상시킬 수 있습니다.
2013 년 6 월, Kone Elevator Company는 엘리베이터의 강철 케이블을 대체 할 수있는 Ultrarope를 발표했습니다. 그것은 고산 중합체에서 탄소 섬유를 밀봉합니다. 강철 케이블과 달리 Ultrarope는 최대 1,000 미터의 리프트가 필요한 건물을 위해 설계되었습니다. 강철 엘리베이터는 500 미터로 상승합니다. 이 회사는 500 미터 높이의 건물에서 엘리베이터가 강철 케이블 버전보다 15 % 적은 전력을 사용할 것으로 추정했습니다. 2013 년 6 월 현재이 제품은 모든 유럽 연합 및 미국 인증 테스트를 통과했습니다. [22]
FRP는 비 강화 플라스틱 및 기타 재료 선택이 기계적으로나 경제적으로 적합하지 않도록 강도 또는 탄력성의 계수를 측정 해야하는 설계에 사용됩니다. 이는 FRP를 사용하기위한 주요 설계 고려 사항은 재료가 구조적 향상을 구체적으로 활용하는 방식으로 경제적으로 사용되도록하는 것임을 의미합니다. 그러나 이것이 항상 그런 것은 아닙니다. 섬유의 방향은 또한 섬유에 수직 인 물질 약점을 생성합니다. 따라서 섬유 강화 및 방향의 사용은 최종 형태의 강도, 강성 및 탄성에 영향을 미치며 따라서 최종 제품 자체의 작동에 영향을 미칩니다. 생산 동안 섬유의 방향을 방향, 단방향, 2 차원 또는 3 차원 적으로 배향하면 최종 제품의 강도, 유연성 및 탄성의 정도에 영향을 미칩니다. 힘의 방향으로 배향 된 섬유는 이들 힘으로부터 왜곡에 대한 저항에 더 큰 저항성을 나타내고 그 반대도 마찬가지입니다. 따라서 힘을 견딜 수 있어야하는 생성물의 영역은 동일한 방향으로 섬유로 강화 될 것이며, 천연 힌지와 같은 유연성이 필요한 영역은 힘에 수직 방향으로 섬유를 사용합니다. 더 많은 치수를 사용하면이 시나리오를 피하고 섬유의 단방향 방향으로 인해 특정 약점을 피하려는 객체를 만듭니다. 강도, 유연성 및 탄력성의 특성은 또한 최종 제품의 기하학적 모양과 설계를 통해 확대되거나 감소 될 수 있습니다. 여기에는 올바른 벽 두께 보장 및 단일 조각으로 성형 할 수있는 다기능 기하학적 모양을 만들고 조인트, 연결 및 하드웨어를 줄임으로써 더 많은 재료와 구조적 무결성을 가진 모양을 만듭니다. [2]
플라스틱 FR 플라스틱의 하위 집합은 플라스틱 폐기물 처리 및 재활용의 여러 문제와 우려에 책임이 있습니다. 플라스틱은 종종 분리되어 처녀 상태로 돌아갈 수없는 폴리머 및 단량체에서 유래하기 때문에 재활용에 특별한 도전을 제기합니다. 이러한 이유로 모든 플라스틱은 재사용을 위해 재활용 할 수있는 것은 아닙니다. 실제로 일부 추정치는 플라스틱의 20%에서 30% 만 전혀 재활용 할 수 있다고 주장합니다. 섬유질 강화 플라스틱과 그 행렬은 이러한 처분 및 환경 문제를 공유합니다. 이러한 우려 외에도 섬유 자체가 매트릭스에서 제거하기가 어렵다는 사실은 FRP의 이러한 과제를 증폭시키는 것을 의미합니다. FRP는 본질적으로 섬유 및 매트릭스로, 매트릭스를 별도의 유용한 플라스틱, 폴리머 및 단량체로 분리하기가 어렵다. 이들은 오늘날 환경 적으로 정보에 입각 한 설계에 대한 관심사입니다. 플라스틱은 종종 다른 재료와 비교하여 에너지와 경제 비용 절감을 제공합니다. 또한, 생물 플라스틱 및 UV 분해 성 플라스틱과 같은 새로운 환경 친화적 인 매트릭스의 출현으로 FRP는 환경 민감도를 얻게됩니다. [1]
장점이 긴 강화 열가소성
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>>>>> 참고 : https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reinforced_plastic <<<<