Procese tehnologice de fabricare a pieselor din materiale compozite cu matrice plastică

Composite Materials

Polymer Matrix Composites

• A composite material consisting of a polymer matrix and reinforcements (e.g., fibers, particles)
• The polymer matrix:
  • Binds the reinforcements together
  • Transfers loads to the reinforcements
  • Provides toughness and resistance to crack propagation
• Common polymer matrices:
  • Thermoset polymers (e.g., epoxy, polyester)
  • Thermoplastic polymers (e.g., nylon, polypropylene)

Fiber Reinforced Polymers (FRP)

• A type of polymer matrix composite where fibers are the primary reinforcement
• Fibers:
  • Provide high strength and stiffness
  • Improve mechanical properties of the composite
  • Can be made from various materials (e.g., carbon, glass, aramid)
• Types of FRP:
  • Unidirectional (UD) FRP: fibers aligned in one direction
  • Bidirectional (BD) FRP: fibers aligned in two directions
  • Multidirectional (MD) FRP: fibers aligned in multiple directions

Mechanical Properties

• Strength: The maximum stress a material can withstand before failure
• Stiffness: The ability of a material to resist deformation under load
• Toughness: The energy required to cause fracture in a material
• Factors affecting mechanical properties:
  • Fiber orientation and volume fraction
  • Polymer matrix properties
  • Interfacial bonding between fibers and matrix
• Methods for improving mechanical properties:
  • Increasing fiber volume fraction
  • Optimizing fiber orientation
  • Using hybrid fibers or matrices

Materiale Composite

Materiale Polimerice Compuse

• Un material compus format dintr-o matrice polimerică și armături (de exemplu, fibre, particule)
• Matricea polimerică:
  • Leagă armăturile împreună
  • Transmite sarcinile la armături
  • Asigură rezistență la rupere și propagarea crăpăturilor
• Matrice polimerice comune:
  • Polimeri termoreactivi (de exemplu, epoxid, poliester)
  • Polimeri termoplastici (de exemplu, nylon, polipropilenă)

Polimeri Armate cu Fibre (PAF)

• Un tip de material compus polimeric în care fibrele sunt armătura principală
• Fibrele:
  • Asigură rezistență și rigiditate înalte
  • Îmbunătățesc proprietățile mecanice ale compusului
  • Pot fi fabricate din diverse materiale (de exemplu, carbon, sticlă, aramidă)
• Tipuri de PAF:
  • PAF unidirecțional (UD): fibrele sunt aliniate într-o singură direcție
  • PAF bidirecțional (BD): fibrele sunt aliniate în două direcții
  • PAF multidirecțional (MD): fibrele sunt aliniate în multiple direcții

Proprietăți Mecanice

• Rezistență: Stresul maxim pe care un material îl poate suporta înainte de a se rupe
• Rigiditate: Capabilitatea unui material de a rezista la deformare sub sarcină
• Toughness: Energia necesară pentru a cauza fractura într-un material
• Factori care afectează proprietățile mecanice:
  • Orientarea și fracțiunea volumică a fibrelor
  • Proprietățile matricei polimerice
  • Legătura interfacială între fibre și matrice
• Metode de îmbunătățire a proprietăților mecanice:
  • Creșterea fracțiunii volumice a fibrelor
  • Optimizarea orientării fibrelor
  • Utilizarea fibrelor hibride sau matricelor

Fibră de Carbon

Definiție

• Fibră de carbon este un material compozit alcătuit din fire subțiri de atomi de carbon legați împreună într-o structură cristalină.
• Este cunoscut pentru proprietățile sale excepționale de rezistență, rigiditate și ușurință.

Proprietăți

• Raport între rezistență și greutate: Fibră de carbon are o rezistență la tracțiune de până la 10 ori mai mare decât oțelul, în timp ce este semnificativ mai ușoară.
• Rigiditate ridicată: Fibră de carbon are un modul de elasticitate de până la 70 de ori mai mare decât oțelul.
• Extindere termică scăzută: Fibră de carbon are un coeficient de extindere termică scăzut, făcându-le aplicabile în aplicații la temperatură ridicată.
• Rezistență ridicată la oboseală: Fibră de carbon prezintă o rezistență excelentă la oboseală, făcându-le ideale pentru aplicații cu încărcare ciclică.

Proces de producție

• Producție PAN: Metoda cea mai comună de producere a fibrilor de carbon implică piroliza fibrilor de poliacrilonitril (PAN).
• Producție pitch: O altă metodă implică utilizarea pitch-ului de petrol ca material precursor.
• Tratament și prelucrare: Fibrile de carbon sunt tratate cu substanțe chimice și căldură pentru a îmbunătăți proprietățile și a le face aplicabile în materiale compozite.

Aplicații

• Industria aerospațială: Fibrile de carbon sunt utilizate pe scară largă în avioane și nave spațiale datorită raportului lor între rezistență și greutate și rezistenței la oboseală.
• Echipament sportiv: Fibrile de carbon sunt utilizate în echipamentul sportiv de înaltă performanță, cum ar fi cadre de bicicletă, bastoane de golf și rachete de tenis.
• Industria auto: Fibrile de carbon sunt utilizate în componente de vehicule de înaltă performanță, cum ar fi șasiuri, panouri de caroserie și componente de motor.
• Stocare de energie: Fibrile de carbon sunt utilizate în sisteme de stocare a energiei avansate și supercapacitatori datorită conductivității lor electrice și rezistenței mecanice.

Tipuri de Fibră de Carbon

• Fibră de carbon standard (SM): Fibră de carbon de uz general cu un modul de elasticitate de aproximativ 35-40 GPa.
• Fibră de carbon de înaltă modul (HM): Fibră de carbon de înaltă rezistență cu un modul de elasticitate de aproximativ 50-70 GPa.
• Fibră de carbon de ultra-înaltă modul (UHM): Fibră de carbon de înaltă performanță cu un modul de elasticitate de peste 70 GPa.