Fiber takviyeli plastik - Fibre-reinforced plastic

Fiberle güçlendirilmiş plastik ( FRP ; fiberle güçlendirilmiş polimer veya fiberle güçlendirilmiş plastik olarak da adlandırılır ), fiberlerle güçlendirilmiş bir polimer matrisinden yapılmış kompozit bir malzemedir . Lifler genellikle cam ( cam elyafında ), karbon ( karbon elyaf takviyeli polimerde ), aramid veya bazalttır . Nadiren kağıt, ahşap veya asbest gibi diğer lifler kullanılmıştır. Polimer genellikle bir epoksi , vinil ester veya polyester termoset plastiktir , ancak fenol formaldehit reçineleri hala kullanımdadır.

FRP'ler havacılık, otomotiv, denizcilik ve inşaat endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle bağımsız solunum cihazları için balistik zırh ve silindirlerde bulunurlar .

Süreç tanımı

Bir polimer genellikle kademeli büyüme polimerizasyonu veya ekleme polimerizasyonu ile üretilir . Polimerlerin malzeme özelliklerini geliştirmek veya herhangi bir şekilde değiştirmek için çeşitli maddelerle birleştirildiğinde, sonuç plastik olarak adlandırılır . Kompozit plastikler , belirli istenen malzeme ve mekanik özelliklere sahip nihai bir ürün elde etmek için farklı malzeme özelliklerine sahip iki veya daha fazla homojen malzemenin birleştirilmesinden kaynaklanan plastik türlerini ifade eder. Fiber takviyeli plastikler, plastiklerin mukavemetini ve elastikiyetini mekanik olarak arttırmak için özel olarak fiber malzemeler kullanan bir kompozit plastik kategorisidir .

Elyaf takviyesi olmayan orijinal plastik malzeme, matris veya bağlayıcı madde olarak bilinir . Matris, daha güçlü, daha sert takviye filamentleri veya lifleri ile takviye edilmiş, sert fakat nispeten zayıf bir plastiktir. Elyaf takviyeli bir plastikte mukavemet ve elastikiyetin arttırılma derecesi, hem elyafın hem de matrisin mekanik özelliklerine, bunların birbirine göre hacmine ve matris içindeki elyaf uzunluğuna ve yönüne bağlıdır. Matrisin güçlendirilmesi, tanımı gereği, FRP malzemesi, matrisin tek başına mukavemet ve elastikiyetine göre artan mukavemet veya elastikiyet gösterdiğinde meydana gelir.

Tarih

Bakalit , ilk elyaf takviyeli plastikti. Leo Baekeland başlangıçta gomalak ( lak böceklerinin salgılanmasından yapılmış) için bir yedek bulmak için yola çıkmıştı . Kimyagerler birçok doğal reçine ve lifin polimer olduğunu anlamaya başlamışlardı ve Baekeland fenol ve formaldehit reaksiyonlarını araştırmıştı. İlk olarak "Novolak" adı verilen ve hiçbir zaman pazar başarısı olmayan çözünür bir fenol-formaldehit şellak üretti, ardından o zamanlar kauçukla kalıplanmış asbest için bir bağlayıcı geliştirmeye yöneldi . Fenol ve formaldehite uygulanan basıncı ve sıcaklığı kontrol ederek , 1905'te hayalini kurduğu sert, kalıplanabilir malzemeyi (dünyanın ilk sentetik plastiği ) üretebileceğini keşfetti : bakalit. Buluşunu 5 Şubat 1909'da Amerikan Kimya Derneği toplantısında duyurdu .

Ticari kullanım için elyaf takviyeli plastiğin gelişimi 1930'larda kapsamlı bir şekilde araştırılıyordu. In İngiltere'de , hatırı sayılır araştırma gibi öncülerin üstlendi Norman de BRUYNE . Özellikle havacılık endüstrisinin ilgisini çekti.

Owens-Illinois'de bir araştırmacı olan Games Slayter , 1932'de bir erimiş cam akışına bir basınçlı hava jetini yanlışlıkla yönlendirdiğinde ve lifler ürettiğinde , cam şeritlerin seri üretimi keşfedildi . Cam yünü üretmek için bu yöntem için bir patent ilk olarak 1933'te uygulandı. Owens, 1935'te Corning şirketine katıldı ve yöntem, 1936'da patentli "fiberglas" (bir "s") üretmek için Owens Corning tarafından uyarlandı. Fiberglas , özellikle yüksek sıcaklıklarda bir yalıtkan olarak yararlı kılan, büyük miktarda gazı hapseden liflere sahip bir cam yünüydü .

Bir kompozit malzeme üretmek için "fiberglas" bir plastikle birleştirmek için uygun bir reçine, 1936'da du Pont tarafından geliştirildi . Modern polyester reçinelerinin ilk atası, Cyanamid'in 1942 reçinesidir. O zamana kadar peroksit kürleme sistemleri kullanılıyordu. Fiberglas ve reçine kombinasyonu ile malzemenin gaz içeriği plastik ile değiştirildi. Bu, yalıtım özelliklerini plastiğin tipik değerlerine indirdi, ancak şimdi ilk kez kompozit, yapısal ve yapı malzemesi olarak büyük bir güç ve umut gösterdi. Şaşırtıcı bir şekilde, birçok cam elyafı kompoziti " cam elyafı " (genel bir isim olarak) olarak adlandırılmaya devam etti ve isim, plastik yerine gaz içeren düşük yoğunluklu cam yünü ürünü için de kullanıldı.

Fairchild F-46

Owens Corning'den Ray Greene, 1937'de ilk kompozit tekneyi üretmekle tanınır, ancak kullanılan plastiğin kırılgan doğası nedeniyle o sırada daha ileri gitmedi. 1939'da Rusya'nın plastik malzemeden bir yolcu teknesi, Amerika Birleşik Devletleri'nin ise bir uçak gövdesi ve kanatları inşa ettiği bildirildi. Fiberglas gövdeye sahip ilk otomobil 1946 Stout Scarab'dı . Bu modelden sadece bir adet üretilmiştir. Ford prototip 1941 yılının ilk plastik otomobil olabilirdi ama kısa bir süre sonra yıkıldı olarak kullanılan malzemelerin etrafında bazı belirsizlik bulunmaktadır.

İlk fiber takviyeli plastik uçak , ilk olarak 12 Mayıs 1937'de uçurulan Fairchild F-46 ya da Kaliforniya yapımı Bennett Plastic Plane idi. 1942'nin sonlarında Wright Field'da bulunan XBT-16 olarak adlandırılan modifiye edilmiş bir Vultee BT-13A'da bir fiberglas gövde kullanıldı. 1943'te, kompozit malzemelerden yapısal uçak parçaları inşa etmek için daha ileri deneyler yapıldı ve ilk uçak olan bir Vultee BT-15 elde edildi. XBT-19 olarak adlandırılan bir GFRP gövdesi ile 1944'te uçtu . 1943'te Republic Aviation Corporation tarafından GFRP bileşenlerine yönelik takımlarda önemli bir gelişme yapıldı .

Karbon fiber üretimi 1950'lerin sonlarında başladı ve yaygın olmasa da 1960'ların başlarından itibaren İngiliz endüstrisinde kullanıldı. Aramid lifleri de bu sıralarda üretiliyordu ve ilk olarak DuPont tarafından Nomex ticari adı altında ortaya çıktı . Bugün, bu liflerin her biri, belirli mukavemet veya elastik niteliklere sahip plastikler gerektiren herhangi bir uygulama için endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Her ne kadar karbon fiber ve karbon fiber-aramid kompozitler havacılık, otomotiv ve sporla ilgili iyi uygulamalarda yaygın olarak bulunsa da, cam fiberler tüm endüstrilerde en yaygın olanıdır. Bu üçü ( cam , karbon ve aramid ) , FRP'de kullanılan önemli elyaf kategorileri olmaya devam ediyor.

Bugünkü ölçekte küresel polimer üretimi, düşük malzeme ve üretim maliyetlerinin, yeni üretim teknolojilerinin ve yeni ürün kategorilerinin bir araya gelerek polimer üretimini ekonomik hale getirmesiyle 20. yüzyılın ortalarında başladı. Endüstri nihayet 1970'lerin sonlarında, dünya polimer üretiminin çeliği geçtiğinde olgunlaştı ve polimerleri bugün oldukları her yerde bulunan malzeme haline getirdi. Fiber takviyeli plastikler, başından beri bu endüstrinin önemli bir yönü olmuştur.

Süreç açıklaması

FRP iki farklı süreci içerir, birincisi elyaflı malzemenin üretildiği ve şekillendirildiği süreç, ikincisi ise elyaflı malzemelerin kalıplama sırasında matris ile birleştirildiği süreçtir.

Lif

lifli kumaş imalatı

Güçlendirici Elyaf, hem iki boyutlu hem de üç boyutlu yönlerde üretilir:

  1. İki boyutlu cam elyaf takviyeli polimer, elyafların yalnızca düzlem boyunca x-yönünde ve malzemenin y-yönünde hizalandığı lamine bir yapı ile karakterize edilir . Bu, hiçbir elyafın kalınlık boyunca veya z-yönünde hizalanmadığı anlamına gelir, boydan boya kalınlıktaki bu hizalama eksikliği, maliyet ve işlemede bir dezavantaj yaratabilir. Islak elle yerleştirme, otoklav ve reçine transfer kalıplama gibi kompozitleri imal etmek için kullanılan geleneksel işleme teknikleri, kesmek, istiflemek ve önceden oluşturulmuş bir bileşende birleştirmek için yüksek miktarda vasıflı işgücü gerektirdiğinden maliyetler ve işçilik artar.
  2. Üç boyutlu fiberglas takviyeli polimer kompozitler, fiberleri x yönünde, y yönünde ve z yönünde birleştiren üç boyutlu fiber yapılarına sahip malzemelerdir . Üç boyutlu yönelimlerin gelişimi, endüstrinin imalat maliyetlerini düşürme, kalınlık boyunca mekanik özellikleri artırma ve darbe hasarı toleransını iyileştirme ihtiyacından ortaya çıktı; hepsi iki boyutlu fiber takviyeli polimerlerle ilgili problemlerdi.

Fiber preformların imalatı

Fiber preformlar, fiberlerin matrise bağlanmadan önce nasıl üretildiğidir. Elyaf ön kalıpları genellikle tabakalar, sürekli keçeler veya sprey uygulamaları için sürekli filamentler halinde üretilir. Elyaf ön kalıbı üretmenin dört ana yolu dokuma , örme , örgü ve dikiş gibi tekstil işleme tekniklerinden geçer .

  1. Dokuma, iki boyutlu lifler üretmek için geleneksel bir şekilde yapılabileceği gibi, üç boyutlu lifler oluşturabilen çok katmanlı bir dokumada da yapılabilir. Bununla birlikte, çok katmanlı dokuma, z-yönünde lifler oluşturmak için birden fazla çözgü ipliği katmanı gerektirir, bu da imalatta birkaç dezavantaj, yani tüm çözgü ipliklerinin dokuma tezgahında kurulma süresi yaratır . Bu nedenle, çoğu çok katmanlı dokuma, şu anda nispeten dar genişlikli ürünler veya preform üretim maliyetinin kabul edilebilir olduğu yüksek değerli ürünler üretmek için kullanılmaktadır. Çok katmanlı dokuma kumaşların kullanımının karşı karşıya olduğu diğer bir ana problem, birbirine dik açılardan farklı yönlerde yönlendirilmiş lifler içeren bir kumaş üretmenin zorluğudur.
  2. Elyaf ön kalıpları üretmenin ikinci ana yolu Örgüdür. Örgü, dar enli düz veya boru şeklindeki kumaşların imalatına uygundur ve büyük hacimli geniş kumaşların üretiminde dokuma kadar yetenekli değildir. Örgü, uzunlukları boyunca kesit şekli veya boyutu değişen mandrellerin üzerinden yapılır. Örgü, bir tuğla boyutundaki nesnelerle sınırlıdır. Standart dokumadan farklı olarak örgü, birbirine 45 derecelik açılarda lifler içeren kumaşlar üretebilir. Üç boyutlu liflerin örülmesi, dört aşamalı, iki aşamalı veya Çok Katmanlı Kilitli Örgü kullanılarak yapılabilir. Dört aşamalı veya sıra ve sütun örgüsü, istenen ön kalıbın şeklini oluşturan sıralar ve sütunlar içeren düz bir yatak kullanır. Dizinin dışına ek taşıyıcılar eklenir, bunların kesin konumu ve miktarı, gereken tam preform şekline ve yapısına bağlıdır. İplikleri birbirine kenetleyen ve örgülü ön kalıbı üreten dört ayrı sıra ve sütun hareketi dizisi vardır. Dokumada bir tarak kullanıldığından, yapıyı sağlamlaştırmak için iplikler her adım arasında yapıya mekanik olarak zorlanır. İki aşamalı örgü, dört aşamalı süreçten farklıdır, çünkü iki aşamalı süreç, eksenel yönde sabitlenmiş çok sayıda iplik ve daha az sayıda örgü ipliği içerir. İşlem, örgü taşıyıcıların, eksenel taşıyıcılar arasındaki yapı boyunca tamamen hareket ettiği iki adımdan oluşur. Bu nispeten basit hareket dizisi, dairesel ve içi boş şekiller de dahil olmak üzere, esasen herhangi bir şekle sahip ön formlar oluşturabilir. Dört aşamalı sürecin aksine, iki aşamalı süreç mekanik sıkıştırma gerektirmez: süreçte yer alan hareketler, örgünün yalnızca iplik gerilimi ile sıkı bir şekilde çekilmesini sağlar. Son örgü türü, silindirik bir örgü çerçevesi oluşturmak üzere bir araya getirilen bir dizi standart dairesel örgüden oluşan çok katmanlı birbirine geçen örgüdür. Bu çerçeve, silindirin çevresi etrafında bir dizi paralel örgü yoluna sahiptir, ancak mekanizma, ipliklerin bitişik katmanlara kenetlendiği çok katmanlı örgülü bir kumaş oluşturan bitişik yollar arasında iplik taşıyıcıların transferine izin verir. Çok katmanlı kenet örgü, kenetlenen ipliklerin esas olarak yapının düzleminde olması ve dolayısıyla ön kalıbın düzlem içi özelliklerini önemli ölçüde azaltmaması bakımından hem dört aşamalı hem de iki aşamalı örgülerden farklıdır. Dört aşamalı ve iki aşamalı işlemler, örgü iplikleri ön kalıbın kalınlığı boyunca ilerlerken daha yüksek derecede birbirine bağlanma üretir, ancak bu nedenle ön kalıbın düzlem içi performansına daha az katkıda bulunur. Çok katmanlı kenetleme ekipmanının bir dezavantajı, ön kalıbı oluşturmak için iplik taşıyıcıların geleneksel sinüzoidal hareketi nedeniyle ekipmanın, iki aşamalı ve dört aşamalı makinelerle mümkün olan iplik taşıyıcı yoğunluğuna sahip olamamasıdır.
  3. Örgü elyaf ön kalıpları, geleneksel Çözgü ve [Atkı] Örme yöntemleriyle yapılabilir ve üretilen kumaş çoğu kişi tarafından iki boyutlu kumaş olarak kabul edilir, ancak iki veya daha fazla iğne yatağına sahip makineler, ipliklerle çok katmanlı kumaşlar üretebilir. katmanlar arasında geçiş yapın. İğne seçimi ve örgü ilmek transferi için elektronik kontrollerdeki gelişmeler ve kumaşın belirli alanlarının tutulmasına ve hareketlerinin kontrol edilmesine izin veren karmaşık mekanizmalardaki gelişmeler, kumaşın gerekli olan üç boyutlu preform şekline minimum düzeyde oluşturulmasını sağlamıştır. malzeme israfından.
  4. Dikiş, dört ana tekstil üretim tekniğinin tartışmasız en basitidir ve özel makinelere yapılan en küçük yatırımla gerçekleştirilebilir. Temel olarak dikiş, bir 3D yapı oluşturmak için bir kumaş katmanı yığını boyunca dikiş ipliğini taşıyan bir iğnenin sokulmasından oluşur. Dikişin avantajları, prepregin yapışkanlığı işlemi zorlaştırsa ve genellikle prepreg malzeme içinde kuru kumaşa göre daha fazla hasar yaratsa da, hem kuru hem de prepreg kumaşı dikmenin mümkün olmasıdır. Dikiş, kompozit endüstrisinde yaygın olarak kullanılan standart iki boyutlu kumaşları da kullanır, bu nedenle malzeme sistemlerine aşinalık duygusu vardır. Standart kumaşın kullanılması, aynı zamanda, üretilebilecek elyaf yönelimleri üzerinde kısıtlamalara sahip olan diğer tekstil işlemleri ile mümkün olandan, bileşenin kumaş yerleşiminde daha büyük bir esneklik derecesi sağlar.

şekillendirme süreçleri

FRP bileşenlerinin şeklini oluşturmak için genellikle sert bir yapı kullanılır. Parçalar, "kaul plakası" olarak adlandırılan düz bir yüzey üzerine veya "mandrel" olarak adlandırılan silindirik bir yapı üzerine yerleştirilebilir. Bununla birlikte, fiber takviyeli plastik parçaların çoğu bir kalıp veya "alet" ile oluşturulur. Kalıplar içbükey dişi kalıplar, erkek kalıplar olabilir veya kalıp parçayı bir üst ve alt kalıpla tamamen kaplayabilir.

Kalıplama işlemleri CTP plastikten ya da bir kalıp içinde elyaf ön yerleştirilmesiyle başlar. Elyaf ön formu, kuru elyaf veya halihazırda "prepreg" adı verilen ölçülü miktarda reçine içeren elyaf olabilir. Kuru lifler reçine ile ya elle "ıslatılır" veya reçine kapalı bir kalıba enjekte edilir. Parça daha sonra kürlenir, matris ve lifler kalıp tarafından oluşturulan şekilde bırakılır. Reçineyi sertleştirmek ve nihai parçanın kalitesini iyileştirmek için bazen ısı ve/veya basınç kullanılır. Farklı şekillendirme yöntemleri aşağıda listelenmiştir.

Mesane kalıplama

Bireysel prepreg malzeme tabakaları serilir ve balon benzeri bir mesane ile birlikte dişi tarzı bir kalıba yerleştirilir. Kalıp kapatılır ve ısıtılmış bir prese yerleştirilir. Son olarak, mesane, malzeme katmanlarını kalıp duvarlarına doğru zorlayarak basınçlandırılır.

Sıkıştırma kalıplama

Hammadde (plastik blok, kauçuk blok, plastik levha veya granüller) takviye lifleri içerdiğinde, basınçla kalıplanmış bir parça lif takviyeli plastik olarak nitelendirilir. Daha tipik olarak, sıkıştırma kalıplamada kullanılan plastik ön kalıp, takviye edici lifler içermez. Sıkıştırma kalıplamada, SMC , BMC'nin bir "ön-formu" veya "yükü", kalıp boşluğuna yerleştirilir. Kalıp kapatılır ve malzeme içeride basınç ve ısı ile şekillendirilir ve kürlenir. Sıkıştırma kalıplama, desen ve kabartma detaylandırmadan karmaşık eğrilere ve yaratıcı formlara, hassas mühendisliğe kadar tüm geometrik şekiller için maksimum 20 dakikalık kürleme süresi içinde mükemmel detaylandırma sunar .

Otoklav ve vakum torbası

Bireysel prepreg malzeme tabakaları serilir ve açık bir kalıba yerleştirilir. Malzeme, salma filmi, hava alma/havalandırma malzemesi ve bir vakum torbası ile kaplanmıştır . Parça üzerine bir vakum çekilir ve tüm kalıp bir otoklava (ısıtılmış basınçlı kap) yerleştirilir. Parça, sıkışmış gazları laminattan çıkarmak için sürekli bir vakumla kürlenir. Bu, havacılık endüstrisinde çok yaygın bir işlemdir, çünkü bir saatten birkaç saate kadar olan uzun, yavaş kürleme döngüsü nedeniyle kalıplama üzerinde hassas kontrol sağlar. Bu hassas kontrol, havacılık ve uzay endüstrisinde güç ve güvenliği sağlamak için ihtiyaç duyulan tam laminat geometrik formları yaratır, ancak aynı zamanda yavaş ve emek yoğundur, yani maliyetler genellikle onu havacılık endüstrisi ile sınırlandırır.

mandrel sarma

Prepreg malzeme levhaları çelik veya alüminyum bir mandrel etrafına sarılır. Prepreg malzeme naylon veya polipropilen viyolonsel bant ile sıkıştırılır. Parçalar tipik olarak vakumlu torbalama ve bir fırına asılarak toplu olarak kürlenir. Sertleştikten sonra, çello ve mandrel, içi boş bir karbon tüp bırakarak çıkarılır. Bu işlem, güçlü ve sağlam içi boş karbon tüpler oluşturur.

ıslak döşeme

Islak döşeme şekillendirme, şekillendirme aletine yerleştirildikleri sırada fiber takviyesini ve matrisi birleştirir. Güçlendirici elyaf katmanları açık bir kalıba yerleştirilir ve daha sonra kumaşın üzerine dökülerek ve kumaşa işlenerek ıslak reçine ile doyurulur . Kalıp daha sonra reçinenin genellikle oda sıcaklığında sertleşmesi için bırakılır, ancak bazen uygun bir sertleşmeyi sağlamak için ısı kullanılır. Bazen ıslak bir döşemeyi sıkıştırmak için bir vakum torbası kullanılır. Bu işlem için en yaygın olarak cam elyafı kullanılır, sonuçlar yaygın olarak cam elyafı olarak bilinir ve kayaklar, kanolar, kanolar ve sörf tahtaları gibi yaygın ürünleri yapmak için kullanılır.

kıyıcı tabanca

Sürekli cam elyafı şeritleri, hem telleri kesen hem de bunları polyester gibi katalize edilmiş bir reçine ile birleştiren elde tutulan bir tabancadan geçirilir. Emprenye edilmiş doğranmış cam, insan operatörün uygun olduğunu düşündüğü kalınlık ve tasarımda kalıp yüzeyine vurulur. Bu işlem, ekonomik maliyetle büyük üretim çalışmaları için iyidir, ancak diğer kalıplama işlemlerinden daha az mukavemete sahip geometrik şekiller üretir ve boyutsal toleransı düşüktür.

filament sarma

Makineler elyaf demetlerini ıslak bir reçine banyosundan çeker ve belirli yönlerde dönen bir çelik mandrel üzerine sarılır Parçalar ya oda sıcaklığında ya da yüksek sıcaklıklarda kürlenir. Mandrel, son bir geometrik şekil bırakarak çıkarılır, ancak bazı durumlarda bırakılabilir.

pultrüzyon

Elyaf demetleri ve yarık kumaşlar, ıslak bir reçine banyosundan çekilir ve kaba parça şekline dönüştürülür. Doymuş malzeme, sürekli olarak kalıptan çekilirken ısıtılmış bir kapalı kalıp kürlemeden ekstrüde edilir. Pultrüzyonun son ürünlerinden bazıları yapısal şekillerdir, yani I kiriş, açı, kanal ve düz levha. Bu malzemeler merdiven, platform, küpeşte sistemleri, tank, boru ve pompa destekleri gibi her türlü fiberglas yapıyı oluşturmak için kullanılabilir.

reçine transfer kalıplama

Reçine infüzyonu da denir . Kumaşlar, daha sonra ıslak reçinenin enjekte edildiği bir kalıba yerleştirilir. Reçine tipik olarak basınçlıdır ve reçine transfer kalıplamada vakum altında olan bir boşluğa zorlanır . Vakum destekli reçine transfer kalıplamada reçine tamamen vakum altında boşluğa çekilir. Bu kalıplama işlemi, hassas toleranslara ve ayrıntılı şekillendirmeye izin verir, ancak bazen kumaşı tamamen doyurmada başarısız olabilir ve bu da son şekilde zayıf noktalara neden olabilir.

Avantajlar ve sınırlamalar

FRP, termoplastiklerin cam elyaflarının özel tasarım programlarına uyacak şekilde hizalanmasına izin verir. Takviye edici liflerin oryantasyonunun belirtilmesi, polimerin mukavemetini ve deformasyona karşı direncini artırabilir. Cam takviyeli polimerler, polimer lifleri uygulanan kuvvete paralel olduğunda deforme edici kuvvetlere en güçlü ve dirençlidir ve lifler dik olduğunda en zayıftır. Bu nedenle, bu yetenek, kullanım bağlamına bağlı olarak hem bir avantaj hem de bir sınırlamadır. Dikey liflerin zayıf noktaları, doğal mafsallar ve bağlantılar için kullanılabilir, ancak üretim süreçleri lifleri beklenen kuvvetlere paralel olarak doğru şekilde yönlendirmediğinde malzeme arızasına da yol açabilir. Kuvvetler liflerin oryantasyonuna dik olarak uygulandığında, polimerin mukavemeti ve elastikiyeti tek başına matristen daha azdır. UP ve EP gibi cam takviyeli polimerlerden yapılan dökme reçine bileşenlerinde, liflerin oryantasyonu iki boyutlu ve üç boyutlu dokumalarda yönlendirilebilir. Bu, kuvvetler muhtemelen bir yönelime dik olduğunda, başka bir yönelime paralel oldukları anlamına gelir; bu, polimerdeki zayıf nokta potansiyelini ortadan kaldırır.

Başarısızlık modları

FRP malzemelerinde yapısal başarısızlık şu durumlarda meydana gelebilir:

  • Çekme kuvvetleri matrisi liflerden daha fazla gererek malzemenin matris ve lifler arasındaki arayüzde kaymasına neden olur.
  • Liflerin ucuna yakın gerilme kuvvetleri, matrisin toleranslarını aşarak lifleri matristen ayırır.
  • Çekme kuvvetleri, elyafların toleranslarını da aşabilir ve elyafların kendilerinin kırılmasına ve bu da malzeme arızasına yol açmasına neden olabilir.

Malzeme gereksinimleri

Bir termoset polimer matris malzemesi veya mühendislik sınıfı termoplastik polimer matris malzemesi, öncelikle FRP'lere uygun olması ve kendisinin başarılı bir şekilde güçlendirilmesini sağlamak için belirli gereksinimleri karşılamalıdır. Matris, uygun bir kürleme süresi içinde maksimum yapışma için uygun şekilde doyabilmeli ve tercihen fiber takviyesi ile kimyasal olarak bağlanabilmelidir. Matris ayrıca lifleri, mukavemetlerini azaltacak kesik ve çentiklerden korumak ve liflere kuvvet aktarmak için tamamen sarmalıdır. Elyaflar da birbirinden ayrı tutulmalıdır, böylece arıza meydana gelirse mümkün olduğunca lokalize edilir ve arıza meydana gelirse matris de benzer nedenlerle elyaftan ayrılmalıdır. Son olarak, matris, takviye ve kalıplama işlemleri sırasında ve sonrasında kimyasal ve fiziksel olarak stabil kalan bir plastikten olmalıdır. Takviye malzemesi olarak uygun olabilmesi için elyaf katkı maddelerinin matrisin çekme mukavemetini ve elastisite modülünü arttırması ve aşağıdaki şartları karşılaması gerekir; lifler kritik lif içeriğini aşmalıdır; liflerin mukavemeti ve rijitliği, tek başına matrisin mukavemetini ve rijitliğini aşmalıdır; ve lifler ve matris arasında optimum bağ olmalıdır

cam elyaf

"Fibreglass ile güçlendirilmiş plastikler" veya FRP'ler (genellikle basitçe fiberglas olarak anılır ) tekstil sınıfı cam elyafları kullanır . Bu tekstil lifleri, yalıtım uygulamaları için kasıtlı olarak havayı hapsetmek için kullanılan diğer cam lifi formlarından farklıdır (bkz. cam yünü ). Tekstil cam elyaf SiO kombinasyonları değişen olarak başlar 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 Toz formunda, CaO, MgO ya da. Bu karışımlar daha sonra doğrudan eritme yoluyla 1300 santigrat derece civarındaki sıcaklıklara ısıtılır, ardından 9 ila 17 um arasında değişen cam elyaf filamentlerini ekstrüde etmek için kalıplar kullanılır. Bu filamentler daha sonra daha büyük ipliklere sarılır ve nakliye ve daha fazla işlem için bobinler üzerine bükülür. Cam elyafı, plastiği güçlendirmenin açık ara en popüler yoludur ve bu nedenle, bazıları ortak elyaf nitelikleri nedeniyle aramid ve karbon elyaflarına da uygulanabilen zengin üretim süreçlerine sahiptir.

Fitil, filamentlerin daha büyük çaplı ipliklere eğrildiği bir işlemdir. Bu iplikler daha sonra dokuma takviyeli cam kumaşlar ve paspaslar için ve sprey uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.

Fiber kumaşlar ( cam bezi vb.), hem çözgü hem de atkı yönlerine sahip ağ şeklinde kumaş takviye malzemeleridir. Fiber paspaslar, cam elyafından ağ şeklinde dokuma olmayan paspaslardır. Paspaslar, kıyılmış liflerle kesilmiş boyutlarda veya sürekli lifler kullanılarak sürekli keçelerde üretilir. Doğranmış cam elyafı, 3 ila 26 mm arasında cam dişlerinin kesildiği işlemlerde kullanılır, dişler daha sonra en yaygın olarak kalıplama işlemlerine yönelik plastiklerde kullanılır. Cam elyaf kısa şeritleri, en yaygın olarak enjeksiyon kalıplama için termoplastikleri güçlendirmek için kullanılan 0,2-0,3 mm'lik kısa cam elyaf şeritleridir.

Karbon fiber

Poliakrilonitril lifleri (PAN), Pitch reçineleri veya Rayon yüksek sıcaklıklarda (oksidasyon ve termal piroliz yoluyla) karbonize edildiğinde karbon lifleri oluşturulur. Diğer grafitleştirme veya gerdirme işlemleri yoluyla, sırasıyla liflerin mukavemeti veya esnekliği arttırılabilir. Karbon fiberler, 4 ila 17 µm arasında değişen çaplarda cam fiberlere benzer çaplarda üretilir. Bu lifler, nakliye ve daha ileri üretim süreçleri için daha büyük ipliklere sarılır. Diğer üretim prosesleri, daha sonra gerçek takviyelerde kullanılabilen, cam için tarif edilenlere benzer karbon kumaşlar, kumaşlar ve paspaslar halinde dokuma veya örmeyi içerir.

Aramid lifi

Aramid lifleri en yaygın olarak Kevlar, Nomex ve Technora olarak bilinir. Aramidler genellikle bir amin grubu ile bir karboksilik asit halojenür grubu (aramid) arasındaki reaksiyonla hazırlanır; Genellikle bu, aromatik bir poliamid, sıvı bir sülfürik asit konsantrasyonundan kristalize bir elyafa eğrildiğinde meydana gelir. Elyaflar daha sonra büyük ipler veya dokuma kumaşlar (Aramid) halinde dokunmak için daha büyük iplikler halinde bükülür. Aramid elyaflar, mukavemet ve sertliğe göre değişen derecelerde üretilir, böylece malzeme, imalat sırasında sert malzemenin kesilmesi gibi özel tasarım gereksinimlerini karşılayacak şekilde uyarlanabilir.

Örnek polimer ve takviye kombinasyonları

Takviye malzemesi En yaygın matris malzemeleri Özellikler iyileştirildi
Cam elyafları UP , EP , PA , PC , POM , PP , PBT , VE Mukavemet, esneklik, ısı direnci
Ağaç lifleri PE , PP, ABS , HDPE , PLA Eğilme mukavemeti, çekme modülü, çekme mukavemeti
Karbon ve aramid lifleri EP, YUKARI, VE, PA Elastikiyet, çekme mukavemeti, basma mukavemeti, elektrik mukavemeti.
inorganik partiküller Yarı kristal termoplastikler, UP İzotropik büzülme, aşınma, sıkıştırma mukavemeti
mikroküreler Cam mikro küreler Katı dolgu maddelerine göre ağırlık azaltma

Uygulamalar

Cam-aramid-hibrit kumaş (yüksek gerilim ve sıkıştırma için)

Fiber takviyeli plastikler, ağırlık tasarrufu, hassas mühendislik, belirli toleranslar ve hem üretim hem de operasyonda parçaların basitleştirilmesini gerektiren herhangi bir tasarım programı için en uygun olanıdır. Kalıplanmış bir polimer ürün, dökme alüminyum veya çelik üründen daha ucuz, daha hızlı ve üretimi daha kolaydır ve benzer ve bazen daha iyi toleransları ve malzeme mukavemetlerini korur.

Karbon fiber takviyeli polimerler

Airbus A310'un Dümeni

  • Sac alüminyumdan yapılmış geleneksel bir dümene göre avantajları şunlardır:
    • Ağırlıkta %25 azalma
    • Parçaları ve formları daha basit kalıplanmış parçalar halinde birleştirerek bileşenlerde %95 azalma.
    • Üretim ve işletme maliyetlerinde genel azalma, parça ekonomisi, daha düşük üretim maliyetleri ile sonuçlanır ve ağırlık tasarrufları, uçağı uçurmanın operasyonel maliyetlerini düşüren yakıt tasarrufları yaratır.

Cam elyaf takviyeli polimerler

Motor emme manifoldları cam elyaf takviyeli PA 66'dan yapılmıştır.

  • Bunun dökme alüminyum manifoldlara göre avantajları şunlardır:
    • Ağırlıkta %60'a varan azalma
    • Geliştirilmiş yüzey kalitesi ve aerodinamik
    • Parçaları ve formları daha basit kalıplanmış şekillerde birleştirerek bileşenlerde azalma.

Cam elyaf takviyeli PA 66'dan (DWP 12–13) otomotiv gaz ve debriyaj pedalları

  • Damgalı alüminyuma göre avantajları şunlardır:
    • Pedallar, tasarımın üretimini ve çalışmasını basitleştiren hem pedalları hem de mekanik bağlantıları birleştiren tek üniteler olarak kalıplanabilir.
    • Lifler, dayanıklılık ve güvenliği artırarak, belirli streslere karşı güçlendirmeye yönlendirilebilir.

Alüminyum pencere, kapı ve cepheler, cam elyaf takviyeli polyamidden üretilmiş ısı yalıtım plastikleri kullanılarak ısıl olarak yalıtılır. 1977'de Ensinger GmbH, pencere sistemleri için ilk yalıtım profilini üretti.

Yapısal uygulamalar

Binaların ve köprülerin kirişlerini , kolonlarını ve döşemelerini güçlendirmek için FRP uygulanabilir . Yükleme koşulları nedeniyle ağır hasar gördükten sonra bile yapı elemanlarının mukavemetini artırmak mümkündür . Hasarlı betonarme elemanlar söz konusu olduğunda , bu, önce gevşek döküntüleri kaldırarak ve boşlukları ve çatlakları harç veya epoksi reçine ile doldurarak elemanın onarılmasını gerektirecektir . Eleman onarıldıktan sonra, elemanın temizlenmiş ve hazırlanmış yüzeylerine uygulanan epoksi reçine emdirilmiş fiber levhaların ıslak, elle yatırılması yoluyla güçlendirme sağlanabilir .

Arzu edilen dayanım artışına bağlı olarak, kirişlerin güçlendirilmesi için tipik olarak iki teknik benimsenir: eğilme güçlendirmesi veya kesme güçlendirmesi . Çoğu durumda, her iki güç geliştirmesinin de sağlanması gerekli olabilir. Bir kirişin eğilme mukavemeti için, elemanın gerilim yüzüne (üstten yüklemeli veya yerçekimi yüklemeli basit bir şekilde desteklenen bir eleman için alt yüz) FRP levhalar veya plakalar uygulanır. Temel çekme lifleri, iç bükülme çelik takviyesine benzer şekilde, kirişin uzunlamasına eksenine paralel olarak yönlendirilir. Bu, kiriş mukavemetini ve sertliğini arttırır ( birim sapmaya neden olmak için gereken yük ), ancak eğilme kapasitesini ve sünekliği azaltır .

Bir kirişin kesme mukavemeti için, FRP, kirişin uzunlamasına eksenine enine yönlendirilmiş liflere sahip bir elemanın ağı (yanları) üzerine uygulanır. Kesme kuvvetlerine direnme , uygulanan yükleme altında oluşan kesme çatlaklarının köprülenmesiyle, iç çelik etriyelere benzer şekilde sağlanır . FRP, elemanın açıkta kalan yüzlerine ve istenen güçlendirme derecesine bağlı olarak çeşitli konfigürasyonlarda uygulanabilir, buna şunlar dahildir: yan bağlama, U-sargılar (U-kılıflar) ve kapalı sargılar (tam sargılar). Yan yapıştırma, yalnızca kirişin kenarlarına FRP uygulanmasını içerir. Bu nedeniyle sebep olduğu hataları kesme güçlendirilmesi en az miktarda içerir de-bağlama CTP serbest kenarlarında beton yüzeyinden. U-sargılar için, FRP, kirişin yanları ve alt (gerginlik) yüzü etrafına sürekli olarak 'U' şeklinde uygulanır. Bir kirişin tüm yüzlerine erişilebiliyorsa, en fazla mukavemet geliştirmeyi sağladıkları için kapalı sargıların kullanılması arzu edilir. Kapalı sarma orada hiç boş uç ve tipik hata modu olacak şekilde, elemanın çevresinin tamamı etrafında FRP uygulanmasını kapsar kopma liflerin. Tüm sargı konfigürasyonları için, FRP, elemanın uzunluğu boyunca, önceden tanımlanmış bir minimum genişliğe ve aralığa sahip, sürekli bir tabaka veya ayrı şeritler olarak uygulanabilir.

Döşemeler, alt (germe) yüzlerine FRP şeritleri uygulanarak güçlendirilebilir. Bu, daha iyi eğilme performansı ile sonuçlanacaktır, çünkü levhaların gerilme direnci, FRP'nin gerilme mukavemeti ile desteklenir. Kirişler ve döşemeler söz konusu olduğunda, FRP güçlendirmesinin etkinliği, yapıştırma için seçilen reçinenin performansına bağlıdır. Bu, özellikle yan bağlama veya U-sargılar kullanılarak kesme güçlendirmesi için bir sorundur. Sütunlar, kapalı veya tam sarmada olduğu gibi tipik olarak çevrelerine FRP ile sarılır. Bu sadece daha yüksek kesme direnci ile sonuçlanmakla kalmaz, aynı zamanda kolon tasarımı için daha da önemlidir , eksenel yükleme altında artan basınç dayanımı ile sonuçlanır. FRP sargısı, kolon çekirdeği için spiral takviyenin yaptığına benzer şekilde sınırlandırmayı artırabilen kolonun yanal genişlemesini kısıtlayarak çalışır.

Asansör kablosu

Haziran 2013'te KONE asansör şirketi, Ultrarope'un asansörlerdeki çelik kabloların yerine kullanılacağını duyurdu. Yüksek sürtünmeli polimerde karbon liflerini sızdırmaz hale getirir . Çelik kablodan farklı olarak Ultrarope, 1.000 metreye kadar kaldırma gerektiren binalar için tasarlanmıştır. Çelik asansörler 500 metrede çıkıyor. Şirket, 500 metre yüksekliğindeki bir binada bir asansörün çelik kablolu bir versiyondan yüzde 15 daha az elektrik gücü kullanacağını tahmin ediyor. Haziran 2013 itibariyle ürün tüm Avrupa Birliği ve ABD sertifika testlerinden geçmiştir.

Tasarım konuları

FRP, takviye edilmemiş plastiklerin ve diğer malzeme seçeneklerinin mekanik veya ekonomik olarak uygun olmadığı bir mukavemet ölçüsü veya elastikiyet modülü gerektiren tasarımlarda kullanılır. FRP kullanmak için birincil tasarım düşüncesi, malzemenin ekonomik ve kendine özgü yapısal özelliklerinden yararlanacak şekilde kullanılmasını sağlamaktır, ancak bu her zaman böyle değildir. Liflerin yönü, liflere dik bir malzeme zayıflığı yaratır. Bu nedenle, elyaf takviyesinin kullanımı ve oryantasyonu, nihai ürünün mukavemetini, sertliğini, esnekliğini ve dolayısıyla işlevselliğini etkiler. Üretim sırasında liflerin tek yönlü, 2 boyutlu veya 3 boyutlu olarak yönlendirilmesi, nihai ürünün mukavemetini, esnekliğini ve elastikiyetini etkiler. Uygulanan kuvvetler yönünde yönlendirilen lifler, bu kuvvetlerden kaynaklanan bozulmaya karşı daha fazla direnç gösterir, bu nedenle, bir ürünün kuvvetlere dayanması gereken alanları, kuvvetlere paralel yönlendirilmiş liflerle takviye edilecek ve doğal menteşeler gibi esneklik gerektiren alanlar, kuvvetlere dik yönlendirilmiş lifler.

Lifleri daha fazla boyutta yönlendirmek bu ya şu ya da bu senaryoyu önler ve liflerin tek yönlü oryantasyonu nedeniyle herhangi bir spesifik zayıflıktan kaçınmaya çalışan nesneler yaratır. Mukavemet, esneklik ve elastikiyet özellikleri de nihai ürünün geometrik şekli ve tasarımı yoluyla büyütülebilir veya azaltılabilir. Örneğin, uygun duvar kalınlığının sağlanması ve tek parça olarak kalıplanabilen çok işlevli geometrik şekiller oluşturulması, bağlantı, bağlantı ve donanım gereksinimlerini azaltarak ürünün malzeme ve yapısal bütünlüğünü artırır.

İmha ve geri dönüşüm endişeleri

Plastiğin bir alt kümesi olarak, FR plastikler, plastik atıkların bertaraf edilmesi ve geri dönüştürülmesiyle ilgili bir dizi sorun ve endişeden sorumludur . Plastikler, genellikle ayrılamayan ve bakir hallerine geri döndürülemeyen polimerlerden ve monomerlerden türetildikleri için geri dönüşümde özel bir zorluk teşkil eder. Bu nedenle, tüm plastikler yeniden kullanım için geri dönüştürülemez, aslında bazı tahminler, plastiklerin yalnızca %20 ila %30'unun hiç geri dönüştürülebileceğini iddia etmektedir. Fiber takviyeli plastikler ve bunların matrisleri, bu bertaraf ve çevresel kaygıları paylaşır. Güvenli bertaraf yöntemlerinin araştırılması, yoğun ısının uygulanmasını içeren iki ana varyasyona yol açmıştır: birinde bağlayıcı maddeler yakılır - işlem sırasında batık malzeme maliyetinin bir kısmının ısı şeklinde yeniden yakalanması - ve süzme ile yakalanan yanmaz elementler; diğerinde yanmaz malzeme bir çimento fırınında yakılır, lifler ortaya çıkan döküm malzemenin ayrılmaz bir parçası haline gelir. Güvenli imha ile ilgili endişelere ek olarak, elyafların kendilerini matristen çıkarmanın ve yeniden kullanım için korumanın zor olması, FRP'lerin bu zorlukları arttırdığı anlamına gelir. FRP'lerin temel malzemelere, yani fiber ve matrise ayrılması doğal olarak zordur ve matrisin kullanılabilir plastiklere, polimerlere ve monomerlere ayrılması zordur. Bunların hepsi, günümüzde çevreye duyarlı tasarımın endişeleridir. Plastikler genellikle diğer malzemelere kıyasla enerji tasarrufu ve ekonomik tasarruf sağlar. Ek olarak, biyoplastikler ve UV ile bozunabilen plastikler gibi daha çevre dostu yeni matrislerin ortaya çıkmasıyla FRP, çevresel hassasiyet kazanacaktır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar