許多材料能夠增強(qiáng)聚合物。一些材料,例如木材中的纖維素,是天然存在的產(chǎn)品。然而,大多數(shù)商業(yè)纖維都是人造的。市售的加固形式很多,可以滿足用戶的設(shè)計(jì)要求。定制光纖架構(gòu)的能力可以優(yōu)化產(chǎn)品的性能,從而節(jié)省重量和成本。
盡管許多形式的纖維被用作復(fù)合材料層壓板中的增強(qiáng)材料,但玻璃纖維占增強(qiáng)塑料中使用的纖維的 90% 以上,因?yàn)樗鼈兩a(chǎn)成本低廉且具有相對(duì)較好的強(qiáng)度重量特性。
纖維
玻璃纖維:基于氧化鋁-石灰-硼硅酸鹽組合物,“E”或“E-CR”玻璃生產(chǎn)的纖維被認(rèn)為是聚合物基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)材料,因?yàn)樗鼈兙哂懈唠娊^緣性能、低濕氣敏感性和高機(jī)械性能。E-CR玻璃與E-玻璃的進(jìn)一步區(qū)別在于具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。其他商業(yè)成分包括具有更高強(qiáng)度、耐熱性和模量的“S”玻璃、具有更高模量的 H 玻璃和具有出色耐腐蝕性的 AR 玻璃(耐堿)。玻璃通常是一種良好的抗沖擊纖維,但比碳或芳綸重。玻璃纖維具有優(yōu)異的機(jī)械特性,在某些形式上比鋼強(qiáng)。在剛度至關(guān)重要的情況下,較低的模量需要特殊的設(shè)計(jì)處理。
碳纖維:碳纖維由有機(jī)前體制成,包括 PAN(聚丙烯腈)、人造絲和瀝青,后兩種通常用于低模量纖維。術(shù)語“碳”和“石墨”纖維通??梢曰Q使用,盡管石墨在技術(shù)上是指碳成分大于 99% 的纖維,而 PAN 基碳纖維的碳成分為 93-95%。碳纖維在所有增強(qiáng)纖維中具有最高的強(qiáng)度和剛度。碳纖維的高溫性能尤為突出。PAN基纖維的主要缺點(diǎn)是它們的相對(duì)成本較高,這是由于基礎(chǔ)材料成本和能源密集型制造過程造成的。碳纖維復(fù)合材料比玻璃或芳綸更脆。當(dāng)與金屬一起使用時(shí),碳纖維會(huì)導(dǎo)致電偶腐蝕。
芳綸纖維(聚芳綸):最常見的合成纖維是芳綸。芳綸纖維是一種芳香族聚酰亞胺,是一種用于復(fù)合增強(qiáng)的人造有機(jī)纖維。芳綸纖維以低密度提供良好的機(jī)械性能,并具有韌性或抗損傷/抗沖擊性的額外優(yōu)勢(shì)。與玻璃和碳相比,它們的特點(diǎn)是具有相當(dāng)高的拉伸強(qiáng)度、中等模量和非常低的密度。芳綸纖維是電和熱的絕緣體,可提高復(fù)合材料的抗沖擊性。它們耐有機(jī)溶劑、燃料和潤(rùn)滑劑。芳綸復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度不如玻璃或碳復(fù)合材料。干芳綸纖維堅(jiān)韌,已被用作電纜或繩索,并經(jīng)常用于彈道應(yīng)用。Kevlar® 也許是芳綸纖維最著名的例子。
新纖維:聚酯和尼龍熱塑性纖維最近被引入作為主要增強(qiáng)材料,并與玻璃纖維混合排列。吸引人的特點(diǎn)包括低密度、合理的成本以及良好的抗沖擊和抗疲勞性。盡管聚酯纖維具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,但它們的剛度遠(yuǎn)低于玻璃。用于高強(qiáng)度和高溫用途的更專業(yè)的增強(qiáng)材料包括金屬和金屬氧化物,例如用于飛機(jī)或航空航天應(yīng)用的那些。
加固表格
無論材料如何,增強(qiáng)材料的形式都可以滿足各種工藝和最終產(chǎn)品的要求。作為增強(qiáng)材料提供的材料包括粗紗、研磨纖維、短切原絲、連續(xù)、短切或熱成型墊。增強(qiáng)材料可以設(shè)計(jì)成獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu),并根據(jù)產(chǎn)品要求和制造工藝進(jìn)行預(yù)成型(成型)。
多頭和單頭粗紗:粗紗主要用于熱固性化合物,但也可用于熱塑性塑料。多頭粗紗由許多單獨(dú)的股線或長(zhǎng)絲束組成,然后將其短切并隨機(jī)沉積到樹脂基體中。片狀模塑料 (SMC)、預(yù)成型件和噴涂等工藝使用多頭粗紗。多頭粗紗也可用于一些長(zhǎng)絲纏繞和拉擠成型應(yīng)用。單端粗紗由許多單獨(dú)的細(xì)絲纏繞成單股組成。該產(chǎn)品通常用于利用單向增強(qiáng)材料的工藝,例如長(zhǎng)絲纏繞或拉擠成型。
墊子和面紗:增強(qiáng)墊和無紡布面紗通常用每單位面積的重量來描述。例如,一個(gè) 2 盎司的短切氈每平方碼重 2 盎司。用于將墊子或面紗固定在一起的增強(qiáng)材料類型、纖維分散度和粘合劑的量決定了墊子產(chǎn)品之間的差異。在某些工藝中,例如手糊,粘合劑需要溶解。在其他工藝中,特別是在壓縮成型和拉擠成型中,粘合劑必須承受成型過程中的液壓和基質(zhì)樹脂的溶解作用。因此,從粘合劑的角度來看,生產(chǎn)了兩大類墊子或面紗,稱為可溶性和不溶性粘合劑。
機(jī)織、縫合、編織和 3-D 面料:有許多類型的織物可用于增強(qiáng)復(fù)合材料中的樹脂。多向增強(qiáng)材料是通過將連續(xù)纖維從加捻和合股紗線編織、針織、縫合或編織成織物來生產(chǎn)的。幾乎可以使用任何增強(qiáng)纖維制造織物。最常見的織物由玻璃纖維、碳或芳綸制成??椢锾峁┰诟咝阅軕?yīng)用中常見的定向強(qiáng)度和高增強(qiáng)負(fù)載??椢镌试S精確放置加固物。這不能用磨碎的纖維或短切纖維來完成,只有使用相對(duì)昂貴的纖維鋪放設(shè)備的連續(xù)纖維才能實(shí)現(xiàn)。由于大多數(shù)織物中纖維的連續(xù)性,強(qiáng)度重量比遠(yuǎn)高于切割或短切纖維版本??p合織物允許在織物結(jié)構(gòu)內(nèi)定制纖維方向。在設(shè)計(jì)剪切或扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性時(shí),這可能具有很大的優(yōu)勢(shì)。
單向:?jiǎn)蜗蛟鰪?qiáng)材料包括帶、絲束、單向絲束片和粗紗(它們是纖維或股線的集合)。這種形式的纖維都在一個(gè)方向上平行排列并且未卷曲,提供最高的機(jī)械性能。使用單向帶或片材的復(fù)合材料在纖維方向上具有高強(qiáng)度。單向板很薄,大多數(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用都需要多層。單向增強(qiáng)材料的典型應(yīng)用包括高負(fù)載設(shè)計(jì)的復(fù)合材料,例如飛機(jī)部件或賽艇。
預(yù)浸料:預(yù)浸料是由增強(qiáng)形式和聚合物基體制成的現(xiàn)成材料。將增強(qiáng)纖維或織物等形式通過樹脂浴用于制造預(yù)浸料。樹脂飽和(浸漬)到纖維中,然后加熱以將固化反應(yīng)推進(jìn)到不同的固化階段。可以使用熱固性或熱塑性預(yù)浸料,并且可以根據(jù)組成材料儲(chǔ)存在冰箱中或室溫下。預(yù)浸料可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求在各個(gè)方向手動(dòng)或機(jī)械應(yīng)用。
研磨:研磨纖維是具有非常短纖維長(zhǎng)度(通常小于 1/8 英寸)的短切纖維。這些產(chǎn)品通常用于熱固性油灰、鑄件或復(fù)合泡沫塑料中,以防止固化組合物因樹脂收縮而開裂。