Zu den Rohstoffen von Verbundwerkstoffen gehören Harz, Faser- und Kernmaterial usw.Es gibt viele Möglichkeiten und jedes Material hat seine einzigartige Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit und thermische Stabilität, und auch seine Kosten und Leistung sind unterschiedlich.
Die endgültige Leistung des Verbundwerkstoffs als Ganzes hängt jedoch nicht nur von der Harzmatrix und den Fasern (und dem Kernmaterial in der Sandwichstruktur) ab, sondern auch eng mit der Entwurfsmethode und dem Herstellungsprozess der Materialien in der Struktur .
In diesem Artikel werden die häufig verwendeten Methoden zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die wichtigsten Einflussfaktoren jeder Methode und die Auswahl von Rohstoffen für verschiedene Prozesse vorgestellt.
Methodenbeschreibung:Ein Formverfahren, bei dem das gehackte faserverstärkte Material und das Harzsystem gleichzeitig in die Form gesprüht und dann unter Normaldruck zu einem duroplastischen Verbundprodukt ausgehärtet werden.
Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Polyester
Faser: grobes Glasfasergarn
Kernmaterial: Keines, muss separat mit Laminaten kombiniert werden
Der Hauptvorteil:
1) Das Handwerk hat eine lange Geschichte
2) Kostengünstige, schnelle Faser- und Harzverlegung
3) Niedrige Formkosten
Hauptnachteile:
1) Die laminierte Platte bildet leicht einen mit Harz angereicherten Bereich und das Gewicht ist relativ hoch
2) Es können nur Schnittfasern verwendet werden, was die mechanischen Eigenschaften von Laminaten stark einschränkt
3) Um das Sprühen zu erleichtern, muss die Harzviskosität niedrig genug sein, um die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Verbundmaterials zu verlieren
4) Ein hoher Styrolgehalt im Sprühharz bedeutet ein höheres Gefahrenpotenzial für Bediener, und eine niedrige Viskosität bedeutet, dass das Harz leicht in die Arbeitskleidung der Mitarbeiter eindringt und direkt mit der Haut in Berührung kommt
5) Die Konzentration von verflüchtigtem Styrol in der Luft ist schwierig, die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen
typische Anwendung:
Einfache Zäune, Strukturplatten mit geringer Belastung wie Cabrio-Karosserien, LKW-Verkleidungen, Badewannen und kleine Boote
Beschreibung der Methode:Tränken Sie die Fasern manuell mit Harz.Die Fasern können durch Weben, Flechten, Nähen oder Kleben verstärkt werden.Das Auftragen von Hand erfolgt in der Regel mit Rollen oder Pinseln, anschließend wird das Harz mit einer Gummiwalze zusammengedrückt, um in die Fasern einzudringen.Die Laminate wurden unter Normaldruck ausgehärtet.
Materialauswahl:
Harz: keine Anforderung, Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharz sind akzeptabel
Faser: Keine Anforderung, aber die Aramidfaser mit größerem Flächengewicht lässt sich nur schwer von Hand infiltrieren
Kernmaterial: keine Anforderung
Der Hauptvorteil:
1) Das Handwerk hat eine lange Geschichte
2) Leicht zu erlernen
3) Wenn bei Raumtemperatur härtendes Harz verwendet wird, sind die Formkosten niedrig
4) Große Auswahl an Materialien und Lieferanten
5) Hoher Fasergehalt, die verwendeten Fasern sind länger als beim Sprühverfahren
Hauptnachteile:
1) Harzmischung, Harzgehalt und Qualität der Laminate hängen eng mit der Kompetenz der Bediener zusammen. Es ist schwierig, Laminate mit niedrigem Harzgehalt und geringer Porosität zu erhalten
2) Die Gesundheits- und Sicherheitsrisiken des Harzes.Je niedriger das Molekulargewicht des Handauflegeharzes ist, desto größer ist die potenzielle Gesundheitsgefährdung.Je niedriger die Viskosität, desto leichter kann das Harz in die Arbeitskleidung der Mitarbeiter eindringen und direkt mit der Haut in Kontakt kommen
3) Wenn keine gute Belüftungsausrüstung installiert ist, kann die Konzentration des aus Polyester und Polyvinylester verflüchtigten Styrols in der Luft die gesetzlichen Anforderungen nur schwer erfüllen
4) Die Viskosität des Handauflegeharzes muss sehr niedrig sein, daher muss der Gehalt an Styrol oder anderen Lösungsmitteln hoch sein, wodurch die mechanischen/thermischen Eigenschaften des Verbundmaterials verloren gehen
Typische Anwendungen:Standard-Windturbinenblätter, Massenboote, Architekturmodelle
Methodenbeschreibung:Das Vakuumbeutelverfahren ist eine Erweiterung des oben erwähnten Handauflegeverfahrens, das heißt, eine Schicht Kunststofffolie wird auf der Form versiegelt, um das von Hand aufgelegte Laminat zu vakuumieren, und um dies zu erreichen, wird ein atmosphärischer Druck auf das Laminat ausgeübt die Wirkung von Abgas und Verdichtung.Verbesserung der Qualität von Verbundwerkstoffen.
Materialauswahl:
Harz: hauptsächlich Epoxid- und Phenolharz, Polyester und Polyvinylester sind nicht geeignet, da sie Styrol enthalten, das sich in der Vakuumpumpe verflüchtigt
Faser: Keine Anforderung, auch Fasern mit großem Flächengewicht können unter Druck benetzt werden
Kernmaterial: keine Anforderung
Der Hauptvorteil:
1) Kann einen höheren Fasergehalt als beim Standard-Handauflegeverfahren erreichen
2) Die Porosität ist geringer als beim Standard-Handauflegeverfahren
3) Unter der Bedingung eines Unterdrucks verbessert der volle Fluss des Harzes den Benetzungsgrad der Fasern.Natürlich wird ein Teil des Harzes von den Vakuumverbrauchsmaterialien absorbiert
4) Gesundheit und Sicherheit: Das Vakuumbeutelverfahren kann die Freisetzung flüchtiger Stoffe während der Aushärtung reduzieren
Hauptnachteile:
1) Zusätzliche Prozesse erhöhen die Kosten für Arbeitskräfte und Einweg-Vakuumbeutelmaterialien
2) Höhere technische Anforderungen an die Betreiber
3) Die Kontrolle der Harzmischung und des Harzgehalts hängt weitgehend von der Kompetenz des Bedieners ab
4) Obwohl der Vakuumbeutel die Freisetzung flüchtiger Stoffe reduziert, ist die Gesundheitsgefahr für den Bediener immer noch höher als beim Infusions- oder Prepreg-Verfahren
Typische Anwendungen:große, einmalig limitierte Yachten, Rennwagenteile, Verklebung von Kernmaterialien im Schiffbau
Deyang Yaosheng Composite Material Co., Ltd.ist ein professionelles Unternehmen, das verschiedene Glasfaserprodukte herstellt.Das Unternehmen produziert hauptsächlich Glasfaser-Roving, Glasfaser-Schnittfasermatten, Glasfasergewebe/Roving-Gewebe/Marinegewebe usw. Bitte zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.
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Beschreibung der Methode:Das Wickelverfahren wird grundsätzlich zur Herstellung hohler, runder oder ovaler Strukturteile wie Rohre und Tanks eingesetzt.Nachdem das Faserbündel mit Harz imprägniert ist, wird es in verschiedenen Richtungen auf den Dorn gewickelt, wobei der Prozess durch die Wickelmaschine und die Dorngeschwindigkeit gesteuert wird.
Materialauswahl:
Harz: keine Anforderung, wie Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharz usw.
Faser: keine Anforderung, direkt das Faserbündel des Gatters verwenden, kein Weben oder Nähen in Faserstoff erforderlich
Kernmaterial: keine Anforderung, aber die Haut ist in der Regel ein einschichtiges Verbundmaterial
Der Hauptvorteil:
1) Die Produktionsgeschwindigkeit ist hoch und es handelt sich um eine wirtschaftliche und vernünftige Schichtmethode
2) Der Harzgehalt kann durch Messen der Harzmenge kontrolliert werden, die von dem Faserbündel transportiert wird, das durch den Harztank läuft
3) Minimierung der Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
4) Die statischen Eigenschaften sind hervorragend, da die linearen Faserbündel in verschiedenen Tragrichtungen verlegt werden können
Die Hauptnachteile:
1) Dieses Verfahren ist auf kreisförmige Hohlstrukturen beschränkt
2) Es ist nicht einfach, die Fasern genau entlang der axialen Richtung der Komponente anzuordnen
3) Die Kosten für eine Dornform für große Strukturteile sind relativ hoch
4) Die Außenfläche der Struktur ist nicht die Formoberfläche, daher ist die Ästhetik schlecht
5) Bei der Verwendung von niedrigviskosem Harz muss auf die chemische Leistung sowie die Gesundheits- und Sicherheitsleistung geachtet werden
Typische Anwendungen:Lagertanks und Förderleitungen für Chemikalien, Zylinder, Atemschutztanks für Feuerwehrleute
Methodenbeschreibung:Das vom Spulengatter abgezogene Faserbündel wird eingetaucht und durch die Heizplatte geleitet, und das Harz wird in die Faser auf der Heizplatte infiltriert, und der Harzgehalt wird kontrolliert, und schließlich wird das Material in die gewünschte Form ausgehärtet;Dieses formfixierte, ausgehärtete Produkt wird maschinell auf verschiedene Längen zugeschnitten.Fasern können auch in anderen Richtungen als 0 Grad in die Heizplatte eindringen.
Bei der Pultrusion handelt es sich um einen kontinuierlichen Produktionsprozess, bei dem der Querschnitt des Produkts in der Regel eine feste Form aufweist, sodass geringfügige Änderungen möglich sind.Fixieren Sie das vorbefeuchtete Material, das durch die Heizplatte läuft, und verteilen Sie es zur sofortigen Aushärtung in der Form.Obwohl dieser Prozess eine schlechte Kontinuität aufweist, kann er die Querschnittsform verändern.
Materialauswahl:
Harz: normalerweise Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharz usw.
Faser: keine Anforderung
Kernmaterial: nicht häufig verwendet
Der Hauptvorteil:
1) Die Produktionsgeschwindigkeit ist hoch und es ist eine wirtschaftliche und sinnvolle Möglichkeit, Materialien vorzubefeuchten und auszuhärten
2) Präzise Kontrolle des Harzgehalts
3) Minimierung der Faserkosten, kein Zwischenwebprozess
4) Hervorragende Strukturleistung, da die Faserbündel geradlinig angeordnet sind und der Faservolumenanteil hoch ist
5) Der Faserinfiltrationsbereich kann vollständig abgedichtet werden, um die Freisetzung flüchtiger Stoffe zu reduzieren
Hauptnachteile:
1) Dieser Prozess begrenzt die Querschnittsform
2) Die Kosten für die Heizplatte sind relativ hoch
Typische Anwendungen:Balken und Fachwerke für Hauskonstruktionen, Brücken, Leitern und Zäune
6. Resin Transfer Molding (RTM)
Methodenbeschreibung:Legen Sie trockene Fasern in die untere Form, üben Sie im Voraus Druck aus, damit sich die Fasern möglichst gut an die Form der Form anpassen, und verbinden Sie sie.Befestigen Sie dann die obere Form an der unteren Form, um einen Hohlraum zu bilden, und spritzen Sie dann das Harz in den Formhohlraum ein.
Üblicherweise werden vakuumunterstützte Harzinjektion und Faserinfiltration eingesetzt, nämlich das vakuumunterstützte Harzinfusionsverfahren (VARI).Sobald die Faserinfiltration abgeschlossen ist, wird das Harzeinlassventil geschlossen und der Verbundwerkstoff ausgehärtet.Das Einspritzen und Aushärten des Harzes kann bei Raumtemperatur oder unter erhitzten Bedingungen erfolgen.
Materialauswahl:
Harz: Normalerweise können Epoxid-, Polyester-, Polyvinylester- und Phenolharze verwendet werden. Bismaleimidharz kann bei hohen Temperaturen verwendet werden
Faser: Keine Anforderung.Genähte Fasern sind für dieses Verfahren besser geeignet, da die Lücken in den Faserbündeln den Harztransfer erleichtern;Es gibt speziell entwickelte Fasern, die den Harzfluss erleichtern
Kernmaterial: Wabenschaum ist nicht geeignet, da die Wabenzellen mit Harz gefüllt werden und der Schaum durch den Druck zusammenbricht
Der Hauptvorteil:
1) Hoher Faservolumenanteil und geringe Porosität
2) Da das Harz vollständig versiegelt ist, ist es gesund und sicher und die Betriebsumgebung ist sauber und ordentlich
3) Reduzieren Sie den Arbeitsaufwand
4) Die Ober- und Unterseite des Strukturteils sind Formoberflächen, was eine anschließende Oberflächenbehandlung erleichtert
Die Hauptnachteile:
1) Die zusammen verwendete Form ist teuer und um einem höheren Druck standzuhalten, ist sie schwer und relativ unhandlich
2) Beschränkt auf die Herstellung von Kleinteilen
3) Es besteht die Gefahr, dass nicht benetzte Bereiche entstehen, was zu einer großen Menge Ausschuss führt
Typische Anwendungen:kleine und komplexe Space-Shuttle- und Autoteile, Zugsitze
7. Andere Perfusionsprozesse – SCRIMP, RIFT, VARTM usw.
Methodenbeschreibung:Verlegen Sie die trockenen Fasern ähnlich wie beim RTM-Verfahren, legen Sie dann das Trenntuch und das Drainagenetz auf.Nachdem der Aufbau abgeschlossen ist, wird er vollständig mit einem Vakuumbeutel versiegelt und wenn das Vakuum einen bestimmten Wert erreicht, wird das Harz in die gesamte Aufbaustruktur eingebracht.Die Verteilung des Harzes im Laminat erfolgt durch die Führung des Harzflusses durch das Führungsnetz und schließlich werden die trockenen Fasern vollständig von oben nach unten infiltriert.
Materialauswahl:
Harz: normalerweise Epoxidharz, Polyester, Polyvinylesterharz
Faser: Jede übliche Faser.Genähte Fasern sind für diesen Prozess besser geeignet, da Faserbündellücken den Harztransfer beschleunigen
Kernmaterial: Wabenschaum. Nicht zutreffend
Der Hauptvorteil:
1) Wie das RTM-Verfahren, aber nur eine Seite ist Formoberfläche
2) Eine Seite der Form ist ein Vakuumbeutel, was die Kosten der Form erheblich senkt und die Anforderungen an die Druckfestigkeit der Form verringert
3) Große Strukturteile können auch einen hohen Faservolumenanteil und eine geringe Porosität aufweisen
4) Die Standardform für das Handauflegeverfahren kann nach Modifikation für dieses Verfahren verwendet werden
5) Die Sandwichstruktur kann gleichzeitig geformt werden
Hauptnachteile:
1) Bei großen Bauwerken ist der Prozess relativ kompliziert und Reparaturen lassen sich nicht vermeiden
2) Die Viskosität des Harzes muss sehr niedrig sein, wodurch sich auch die mechanischen Eigenschaften verschlechtern
3) Es besteht die Gefahr, dass nicht benetzte Bereiche entstehen, was zu einer großen Menge Ausschuss führt
Typische Anwendungen:Probeproduktion von Kleinbooten, Karosserieteilen für Züge und Lastkraftwagen, Rotorblättern für Windkraftanlagen
8. Prepreg – Autoklavenprozess
Methodenbeschreibung:Die Faser oder das Fasertuch wird vom Materialhersteller mit einem Harz, das einen Katalysator enthält, vorimprägniert, und das Herstellungsverfahren ist ein Hochtemperatur- und Hochdruckverfahren oder ein Lösungsmittellösungsverfahren.Der Katalysator ist bei Raumtemperatur latent, so dass das Material bei Raumtemperatur mehrere Wochen oder Monate haltbar ist.Durch Kühlung kann die Haltbarkeit verlängert werden.
Das Prepreg kann von Hand oder maschinell auf die Oberfläche der Form gelegt, dann mit einem Vakuumbeutel abgedeckt und auf 120–180 °C erhitzt werden.Nach dem Erhitzen kann das Harz wieder fließen und schließlich aushärten.Mit einem Autoklaven kann zusätzlicher Druck auf das Material ausgeübt werden, typischerweise bis zu 5 Atmosphären.
Materialauswahl:
Harz: Normalerweise können auch Epoxidharz, Polyester, Phenolharz, hochtemperaturbeständiges Harz wie Polyimid, Cyanatester und Bismaleimid verwendet werden
Faser: Keine Anforderung.Es können Faserbündel oder Fasertücher verwendet werden
Kernmaterial: keine Anforderung, aber der Schaum muss beständig gegen hohe Temperaturen und hohen Druck sein
Der Hauptvorteil:
1) Das Verhältnis von Harz zu Härter und der Harzgehalt werden vom Lieferanten genau eingestellt. Es ist sehr einfach, Laminate mit hohem Fasergehalt und geringer Porosität zu erhalten
2) Das Material verfügt über hervorragende Gesundheits- und Sicherheitseigenschaften und die Arbeitsumgebung ist sauber, was möglicherweise Automatisierungs- und Arbeitskosten spart
3) Die Kosten für unidirektionale Materialfasern werden minimiert und es ist kein Zwischenprozess erforderlich, um Fasern zu Stoff zu verweben
4) Der Herstellungsprozess erfordert Harz mit hoher Viskosität und guter Benetzbarkeit sowie optimierten mechanischen und thermischen Eigenschaften
5) Durch die Verlängerung der Verarbeitungszeit bei Raumtemperatur sind auch Strukturoptimierungen und der Aufbau komplexer Formen einfach zu erreichen
6) Potenzielle Einsparungen bei Automatisierung und Arbeitskosten
Hauptnachteile:
1) Der Materialaufwand steigt, ist aber zur Erfüllung der Anwendungsanforderungen unvermeidbar
2) Zur Vervollständigung der Aushärtung ist ein Autoklav erforderlich, was hohe Kosten, lange Betriebszeiten und Größenbeschränkungen mit sich bringt
3) Die Form muss hohen Prozesstemperaturen standhalten, und das Kernmaterial stellt die gleichen Anforderungen
4) Bei dickeren Teilen ist beim Auflegen der Prepregs ein Vorvakuum erforderlich, um Luftblasen zwischen den Schichten zu beseitigen
Typische Anwendungen:Space-Shuttle-Strukturteile (wie Flügel und Leitwerke), F1-Rennwagen
9. Prepreg – Verfahren ohne Autoklaven
Methodenbeschreibung:Der Herstellungsprozess für Prepregs mit Aushärtung bei niedriger Temperatur ist genau derselbe wie bei der Herstellung von Prepregs im Autoklaven. Der Unterschied besteht darin, dass die chemischen Eigenschaften des Harzes eine Aushärtung bei 60–120 °C ermöglichen.
Bei einer Niedertemperaturaushärtung von 60 °C beträgt die Verarbeitungszeit des Materials nur eine Woche;Bei Hochtemperaturkatalysatoren (>80°C) kann die Verarbeitungszeit mehrere Monate betragen.Die Fließfähigkeit des Harzsystems ermöglicht die Aushärtung ausschließlich mit Vakuumbeuteln, wodurch der Einsatz von Autoklaven entfällt.
Materialauswahl:
Harz: Normalerweise nur Epoxidharz
Faser: keine Anforderung, wie bei herkömmlichem Prepreg
Kernmaterial: keine Anforderung, bei der Verwendung von Standard-PVC-Schaum ist jedoch besondere Vorsicht geboten
Der Hauptvorteil:
1) Es verfügt über alle Vorteile des herkömmlichen Autoklaven-Prepregs ((i.))-((vi.))
2) Das Formmaterial ist billig, beispielsweise Holz, da die Aushärtetemperatur niedrig ist
3) Der Herstellungsprozess großer Strukturteile wird vereinfacht. Es müssen lediglich der Vakuumbeutel unter Druck gesetzt und die Heißluft des Ofens oder das Heißluftheizsystem der Form selbst zirkuliert werden, um die Aushärtungsanforderungen zu erfüllen
4) Es können auch gängige Schaumstoffe verwendet werden, und das Verfahren ist ausgereifter
5) Im Vergleich zum Autoklaven ist der Energieverbrauch geringer
6) Fortschrittliche Technologie gewährleistet eine gute Maßgenauigkeit und Wiederholbarkeit
Hauptnachteile:
1) Die Materialkosten sind immer noch höher als bei Trockenfasern, obwohl die Harzkosten niedriger sind als bei Luft- und Raumfahrt-Prepregs
2) Die Form muss einer höheren Temperatur als dem Infusionsprozess standhalten (80–140 °C).
Typische Anwendungen:Hochleistungs-Windturbinenblätter, große Rennboote und Yachten, Rettungsflugzeuge, Zugkomponenten
10. Nicht-Autoklav-Prozess von Semi-Preg SPRINT/Beam-Prepreg SparPreg
Methodenbeschreibung:Bei der Verwendung von Prepreg in dickeren Strukturen (>3 mm) ist es schwierig, die Luftblasen zwischen Schichten oder überlappenden Schichten während des Aushärtungsprozesses zu entfernen.Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde eine Vorvakuumierung in den Schichtungsprozess eingeführt, die jedoch die Prozesszeit erheblich verlängerte.
In den letzten Jahren hat Gurit eine Reihe verbesserter Prepreg-Produkte mit patentierter Technologie auf den Markt gebracht, die die Herstellung hochwertiger (geringer Porosität) und dickerer Laminate in einem einzigen Schritt ermöglichen.Der Semi-Preg-SPRINT besteht aus zwei Schichten trockener Fasern, die zwischen einer Schicht einer Harzfilm-Sandwichstruktur liegen.Nachdem das Material in die Form gelegt wurde, kann die Vakuumpumpe die darin enthaltene Luft vollständig absaugen, bevor sich das Harz erwärmt, erweicht und die Faser durchnässt.verfestigt.
Balken-Prepreg SparPreg ist ein verbessertes Prepreg, das bei der Aushärtung unter Vakuum problemlos Luftblasen aus dem verbundenen Zweischichtmaterial entfernen kann.
Materialauswahl:
Harz: meist Epoxidharz, andere Harze sind ebenfalls erhältlich
Faser: keine Anforderung
Kernmaterial: die meisten, bei der Verwendung von Standard-PVC-Schaum sollte jedoch besonders auf hohe Temperaturen geachtet werden
Der Hauptvorteil:
1) Bei dickeren Teilen (100 mm) können immer noch ein hoher Faservolumenanteil und eine geringe Porosität genau erreicht werden
2) Der Ausgangszustand des Harzsystems ist fest und die Leistung ist nach der Aushärtung bei hoher Temperatur ausgezeichnet
3) Ermöglichen Sie die Verwendung kostengünstiger Faserstoffe mit hohem Flächengewicht (z. B. 1600 g/m2), erhöhen Sie die Legegeschwindigkeit und sparen Sie Herstellungskosten
4) Der Prozess ist sehr fortschrittlich, die Bedienung ist einfach und der Harzgehalt wird präzise gesteuert
Hauptnachteile:
1) Die Materialkosten sind immer noch höher als bei Trockenfasern, obwohl die Harzkosten niedriger sind als bei Luft- und Raumfahrt-Prepregs
2) Die Form muss einer höheren Temperatur als dem Infusionsprozess standhalten (80–140 °C).
Typische Anwendungen:Hochleistungs-Windturbinenblätter, große Rennboote und Yachten, Rettungsflugzeuge
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. Dezember 2022
