Fiberförstärkt plast - Fibre-reinforced plastic

Fiberarmerad plast ( FRP ; även kallad fiberarmerad polymer eller fiberarmerad plast ) är ett kompositmaterial tillverkat av en polymermatris förstärkt med fibrer . Fibrerna är vanligtvis glas (i glasfiber ), kol (i kolfiberförstärkt polymer ), aramid eller basalt . Sällan har andra fibrer som papper, trä eller asbest använts. Polymeren är vanligtvis en härdplast av epoxi , vinylester eller polyester , även om fenolformaldehydhartser fortfarande används.

Frp används vanligtvis inom flyg-, fordons-, marin- och byggindustrin. De finns vanligtvis i ballistiska rustningar och cylindrar för fristående andningsapparater .

Processdefinition

En polymer tillverkas i allmänhet genom steg-tillväxtpolymerisation eller additionspolymerisation . I kombination med olika medel för att förstärka eller på något sätt ändra materialegenskaperna hos polymerer kallas resultatet plast . Kompositplast hänvisar till de typer av plast som härrör från bindning av två eller flera homogena material med olika materialegenskaper för att härleda en slutprodukt med vissa önskade material och mekaniska egenskaper. Fiberförstärkt plast är en kategori av kompositplaster som specifikt använder fibermaterial för att mekaniskt förbättra plastens hållfasthet och elasticitet .

Det ursprungliga plastmaterialet utan fiberförstärkning är känt som matrisen eller bindemedlet . Matrisen är en hård men relativt svag plast som förstärks av starkare styvare förstärkande trådar eller fibrer. I vilken utsträckning styrka och elasticitet förstärks i en fiberarmerad plast beror på de mekaniska egenskaperna hos både fibern och matrisen, deras volym i förhållande till varandra och fiberlängden och orienteringen inuti matrisen. Förstärkning av matrisen sker per definition när FRP -materialet uppvisar ökad styrka eller elasticitet i förhållande till styrkan och elasticiteten för matrisen ensam.

Historia

Bakelit var den första fiberarmerade plasten. Leo Baekeland hade ursprungligen bestämt sig för att hitta en ersättare för shellack (tillverkad av utsöndring av lac buggar ). Kemister hade börjat inse att många naturliga hartser och fibrer var polymerer, och Baekeland undersökte reaktionerna av fenol och formaldehyd. Han producerade först ett lösligt fenol-formaldehydskalack som kallades "Novolak" som aldrig blev en framgång på marknaden, och vände sig sedan till att utveckla ett bindemedel för asbest som vid den tiden gjordes med gummi. Genom att kontrollera trycket och temperaturen som appliceras på fenol och formaldehyd fann han 1905 att han kunde producera sitt drömda hårda formbara material (världens första syntetiska plast ): bakelit. Han tillkännagav sin uppfinning vid ett möte i American Chemical Society den 5 februari 1909.

Utvecklingen av fiberarmerad plast för kommersiellt bruk forskades omfattande på 1930-talet. I Storbritannien genomfördes omfattande forskning av pionjärer som Norman de Bruyne . Det var särskilt intressant för flygindustrin.

Massproduktion av glassträngar upptäcktes 1932 när Games Slayter , en forskare vid Owens-Illinois, av misstag riktade en tryckluftstråle mot en ström av smält glas och producerade fibrer. Ett patent på denna metod för att producera glasull ansökades först 1933. Owens gick med Corning -företaget 1935 och metoden anpassades av Owens Corning för att producera sitt patenterade "fibreglas" (ett "s") 1936. Ursprungligen, fibreglas var en glasull med fibrer som innehöll mycket gas, vilket gjorde den användbar som isolator, särskilt vid höga temperaturer.

Ett lämpligt harts för att kombinera "fibreglas" med en plast för att producera ett kompositmaterial, utvecklades 1936 av du Pont . Den första förfadern till moderna polyesterhartser är Cyanamids harts från 1942. Peroxidhärdningssystem användes då. Med kombinationen av fiber och harts ersattes materialets gasinnehåll med plast. Detta reducerade isoleringsegenskaperna till värden som är typiska för plasten, men nu visade kompositen för första gången stor styrka och löften som konstruktions- och byggmaterial. Förvirrande nog fortsatte många glasfiberkompositer att kallas " glasfiber " (som ett generiskt namn) och namnet användes också för lågdensitetsglasullprodukten som innehåller gas istället för plast.

Ray Greene från Owens Corning krediteras med att ha tillverkat den första kompositbåten 1937, men gick inte vidare på den tiden på grund av den spröda karaktären hos den använda plasten. År 1939 rapporterades Ryssland ha konstruerat en passagerarbåt av plastmaterial och USA en flygplanskropp och vingar. Den första bilen som hade en glasfiberkropp var 1946 Stout Scarab . Endast en av denna modell byggdes. Den Ford prototyp av 1941 kunde ha varit den första plast bil, men det finns en viss osäkerhet kring de material som används som det förstördes kort därefter.

Det första fiberförstärkta plastplanet var antingen Fairchild F-46 , som först flögs den 12 maj 1937, eller det kaliforniska byggda Bennett Plastic Plane. Ett glasfiberkropp användes på en modifierad Vultee BT-13A, betecknad XBT-16 baserad på Wright Field i slutet av 1942. År 1943 utfördes ytterligare experiment med att bygga konstruktionsflygplansdelar av kompositmaterial som resulterade i det första planet, en Vultee BT-15 , med en GFRP-skrov, betecknad XBT-19, som flög 1944. En betydande utveckling av verktyget för GFRP-komponenter hade gjorts av Republic Aviation Corporation 1943.

Kolfiberproduktionen började i slutet av 1950 -talet och användes, men inte i stor utsträckning, i brittisk industri från början av 1960 -talet. Aramidfibrer producerades också vid den här tiden, som först uppträdde under handelsnamnet Nomex av DuPont . Idag används var och en av dessa fibrer i stor utsträckning inom industrin för alla applikationer som kräver plast med specifik styrka eller elastiska egenskaper. Glasfibrer är de vanligaste inom alla branscher, även om kolfiber- och kolfiberaramidkompositer förekommer i stor utsträckning inom flyg-, bil- och sportapplikationer. Dessa tre ( glas , kol och aramid ) fortsätter att vara de viktiga fiberkategorierna som används i FRP.

Den globala polymerproduktionen i den skala som finns idag började i mitten av 1900 -talet, då låga material- och produktionskostnader, ny produktionsteknik och nya produktkategorier kombinerades för att göra polymerproduktionen ekonomisk. Industrin mognade slutligen i slutet av 1970 -talet när världspolymerproduktionen överträffade stålets , vilket gjorde polymerer till det allestädes närvarande materialet som de är idag. Fiberförstärkt plast har varit en viktig aspekt av denna industri från början.

Metodbeskrivning

FRP innefattar två distinkta processer, den första är den process där fibermaterialet tillverkas och formas, det andra är processen där fibermaterial binds till matrisen under gjutning.

Fiber

Tillverkning av fiberduk

Armeringsfiber tillverkas i både tvådimensionella och tredimensionella riktningar:

1. Tvådimensionell glasfiberarmerad polymer kännetecknas av en laminerad struktur där fibrerna endast är inriktade längs planet i x-riktning och y-riktning av materialet. Detta innebär att inga fibrer är inriktade i genomtjockleken eller z-riktningen , denna brist på inriktning i genomtjockleken kan skapa en nackdel i kostnad och bearbetning. Kostnader och arbetskraft ökar eftersom konventionella bearbetningstekniker som används för att tillverka kompositer, såsom våtlagring, autoklav och hartsöverföring, kräver en stor mängd kvalificerad arbetskraft för att skära, stapla och konsolidera till en förformad komponent.
2. Tredimensionella glasfiberförstärkta polymerkompositer är material med tredimensionella fiberstrukturer som innehåller fibrer i x-riktning, y-riktning och z-riktning . Utvecklingen av tredimensionella orienteringar uppstod från industrins behov av att minska tillverkningskostnaderna, att öka mekaniska egenskaper genom tjocklek och att förbättra toleransen för slagskador; alla var problem i samband med tvådimensionella fiberförstärkta polymerer.

Tillverkning av fiberformar

Fiberförformar är hur fibrerna tillverkas innan de binds till matrisen. Fiberförformar tillverkas ofta i ark, kontinuerliga mattor eller som kontinuerliga filament för sprayapplikationer. De fyra huvudsakliga sätten att tillverka fiberförformen är genom textilbehandlingsteknikerna vävning , stickning , flätning och sömnad .

1. Vävning kan göras på ett konventionellt sätt för att producera tvådimensionella fibrer såväl som i en flerskiktsvävning som kan skapa tredimensionella fibrer. Kräver emellertid flerskikts vävning multipla skikt av varptrådar för att skapa fibrerna i z-riktningen, vilket skapar några nackdelar vid tillverkning, nämligen den tid att sätta upp alla varptrådar på vävstolen . Därför används mest flerskiktsvävning för närvarande för att producera produkter med relativt smal bredd, eller produkter med högt värde där kostnaden för förformsproduktionen är acceptabel. Ett annat av huvudproblemen med användningen av flerskiktsvävda tyger är svårigheten att producera ett tyg som innehåller fibrer som är orienterade i andra än rät vinkel mot varandra.
2. Det andra stora sättet att tillverka fiberformar är flätning. Flätning är lämplig för tillverkning av platt eller rörformigt tyg med smal bredd och är inte lika kapabel som vävning vid tillverkning av stora volymer breda tyger. Flätning görs ovanpå dornar som varierar i tvärsnittsform eller dimension längs deras längd. Flätning är begränsad till föremål med en tegelsten. Till skillnad från vanlig vävning kan flätning producera tyg som innehåller fibrer i 45 graders vinklar mot varandra. Flätning av tredimensionella fibrer kan göras med hjälp av fyrstegs-, tvåstegs- eller flerskiktsfläsning. Fyrstegs- eller rad- och kolumnflätning använder en platt bädd som innehåller rader och kolumner av garnbärare som formar önskad förform. Ytterligare bärare läggs till på utsidan av gruppen, vars exakta plats och mängd beror på den exakta förformens form och struktur som krävs. Det finns fyra separata sekvenser av rad- och kolumnrörelser, som verkar för att låsa ihop garnen och producera den flätade förformen. Garnen tvingas mekaniskt in i strukturen mellan varje steg för att konsolidera strukturen, eftersom en vass används vid vävning. Tvåstegsflätning är till skillnad från fyrstegsprocessen eftersom tvåstegsprocessen innefattar ett stort antal garn fixerade i axiell riktning och ett mindre antal flätningsgarner. Processen består av två steg där flätningsbärarna rör sig helt genom strukturen mellan de axiella bärarna. Denna relativt enkla rörelsekvens kan bilda förformer av i huvudsak vilken form som helst, inklusive cirkulära och ihåliga former. Till skillnad från fyrstegsprocessen kräver tvåstegsprocessen inte mekanisk komprimering: rörelserna som är involverade i processen gör att flätan kan dras tätt av garnspänning ensam. Den sista typen av flätning är flerskiktsflätad fläta som består av ett antal vanliga cirkulära flätare som sammanfogas för att bilda en cylindrisk flätningsram. Denna ram har ett antal parallella flätningsspår runt cylinderns omkrets men mekanismen möjliggör överföring av garnbärare mellan angränsande spår som bildar en flerskikts flätad tyg med garner som låser sig mot angränsande lager. Flerskiktsförreglingsflätan skiljer sig från både fyrstegs- och tvåstegsflätorna genom att de förreglande garnen i första hand befinner sig i konstruktionens plan och därmed inte signifikant reducerar preformens egenskaper i planet. Fyrstegs- och tvåstegsprocesserna ger en högre grad av sammankoppling när flätningsgarnen rör sig genom förformens tjocklek, men bidrar därför mindre till förformens in-plan-prestanda. En nackdel med flerlagers förreglingsutrustning är att på grund av den konventionella sinusformade rörelsen hos garnbärarna för att bilda förformen kan utrustningen inte ha den densitet av garnbärare som är möjlig med tvåstegs- och fyrstegsmaskinerna.
3. Att sticka fiberförformar kan göras med de traditionella metoderna Warp och [Weft] Stickning, och tyget som framställs betraktas ofta av många som tvådimensionellt tyg, men maskiner med två eller flera nålbäddar kan producera flerskiktsväv med garn som korsa mellan lagren. Utvecklingen av elektroniska kontroller för nålval och stickad loop-överföring, och i de sofistikerade mekanismerna som gör att specifika områden av tyget kan hållas och deras rörelse kontrolleras, har gjort att tyget kan formas till den nödvändiga tredimensionella förformen med ett minimum av materialspill.
4. Syning är utan tvekan den enklaste av de fyra huvudsakliga teknikerna för textiltillverkning och en som kan utföras med den minsta investeringen i specialiserade maskiner. I grund och botten består sömmen av att sätta in en nål, bära sömtråden, genom en bunt tyglager för att bilda en 3D -struktur. Fördelarna med sömmar är att det är möjligt att sy både torrt och prepreg -tyg, även om klibbigheten i prepreg gör processen svår och generellt skapar mer skada i prepreg -materialet än i det torra tyget. Stitching använder också vanliga tvådimensionella tyger som vanligtvis används inom kompositindustrin, så det finns en känsla av bekantskap med materialsystemen. Användningen av standardväv medger också en större grad av flexibilitet i komponentens tyguppläggning än vad som är möjligt med de andra textilprocesserna, som har begränsningar för de fiberorienteringar som kan produceras.

Bildande processer

En stel struktur används vanligtvis för att fastställa formen på FRP -komponenter. Delar kan läggas upp på en plan yta som kallas en "täckplatta" eller på en cylindrisk struktur som kallas "dorn". Men de flesta fiberarmerade plastdelar skapas med en form eller "verktyg". Formar kan vara konkava honformar, hanformar, eller så kan formen helt omsluta delen med en topp- och bottenform.

De formningsprocesser av FRP plaster börjar med att placera fiberförformen på eller i formen. Fiberförformen kan vara torr fiber, eller fiber som redan innehåller en uppmätt mängd harts som kallas "prepreg". Torra fibrer "väts" med harts antingen för hand eller så injiceras hartset i en sluten form. Delen härdas sedan och lämnar matrisen och fibrerna i formen som formen skapar. Värme och/eller tryck används ibland för att härda hartset och förbättra kvaliteten på den sista delen. De olika formningsmetoderna listas nedan.

Blåsformning

Individuella ark av prepreg-material läggs upp och placeras i en kvinnlig form tillsammans med en ballongliknande urinblåsa. Formen stängs och placeras i en uppvärmd press. Slutligen pressas blåsan för att tvinga materialskikten mot formväggarna.

Kompressionsgjutning

När råvaran (plastblock, gummiblock, plastark eller granulat) innehåller armeringsfibrer, kvalificeras en formpressad del som en fiberarmerad plast. Mer typiskt innehåller plastförformen som används vid formpressning inte armeringsfibrer. Vid formpressning placeras en "förform" eller "laddning" av SMC , BMC i formhålan. Formen är stängd och materialet bildas och härdas inuti genom tryck och värme. Kompressionsgjutning erbjuder utmärkta detaljer för geometriska former, allt från mönster och reliefdetaljer till komplexa kurvor och kreativa former, till precisionsteknik inom en maximal härdningstid på 20 minuter.

Autoklav och vakuumpåse

Enskilda ark av prepreg-material läggs upp och läggs i en öppen form. Materialet är täckt med släppfilm, avluftnings-/utluftningsmaterial och en vakuumpåse . Ett vakuum dras på delen och hela formen placeras i en autoklav (uppvärmt tryckkärl). Delen härdas med ett kontinuerligt vakuum för att extrahera instängda gaser från laminat. Detta är en mycket vanlig process inom flygindustrin eftersom den ger exakt kontroll över formning på grund av en lång, långsam härdningscykel som är allt från en till flera timmar. Denna exakta kontroll skapar de exakta laminatgeometriska former som behövs för att säkerställa styrka och säkerhet inom flygindustrin, men det är också långsamt och arbetskrävande, vilket innebär att kostnaderna ofta begränsar det till flygindustrin.

Dornförpackning

Skivor av prepreg -material lindas runt en stål- eller aluminiumdorn. Det prepreg -materialet komprimeras av celltape av nylon eller polypropen. Delar härdas vanligtvis genom vakuumpåse och hänger i en ugn. Efter härdning avlägsnas cello och dorn och lämnar ett ihåligt kolrör. Denna process skapar starka och robusta ihåliga kolrör.

Våt uppläggning

Våt uppläggning kombinerar fiberarmering och matrisen när de placeras på formningsverktyget. Förstärkande fiberlager placeras i en öppen form och sedan mättas med ett vått harts genom att hälla det över tyget och arbeta in det i tyget. Formen lämnas sedan så att hartset härdar, vanligtvis vid rumstemperatur, även om värme ibland används för att säkerställa en korrekt härdning. Ibland används en vakuumpåse för att komprimera en våt uppläggning. Glasfibrer används oftast för denna process, resultaten är allmänt kända som glasfiber och används för att göra vanliga produkter som skidor, kanoter, kajaker och surfbrädor.

Chopper gun

Kontinuerliga trådar av glasfiber skjuts genom en handhållen pistol som både hugger trådarna och kombinerar dem med ett katalyserat harts som polyester. Det impregnerade hackade glaset skjuts på formytan i vilken tjocklek och design som den mänskliga operatören tycker är lämplig. Denna process är bra för stora produktionskörningar till ekonomiska kostnader, men ger geometriska former med mindre hållfasthet än andra formningsprocesser och har dålig dimensionstolerans.

Filamentlindning

Maskiner drar fiberknippen genom ett vått bad av harts och lindas över en roterande ståldorn i specifika riktningar Delar härdas antingen vid rumstemperatur eller förhöjda temperaturer. Dorn extraheras och lämnar en slutlig geometrisk form men kan lämnas i vissa fall.

Pultrusion

Fiberbuntar och slitsväv dras genom ett vått bad av harts och formas till den grova delformen. Mättat material extruderas från en uppvärmd stängd munstyckshärdning medan det kontinuerligt dras genom munstycket. Några av slutprodukterna från pultrudering är strukturella former, dvs I -balk, vinkel, kanal och plan platta. Dessa material kan användas för att skapa alla slags glasfiberkonstruktioner som stegar, plattformar, ledstångstank, rör- och pumpstöd.

Gjutning av harts

Kallas även hartsinfusion . Tyger placeras i en form i vilken våt harts sedan injiceras. Hartset trycksätts typiskt och tvingas in i en hålighet som är under vakuum vid formning av hartshastighet . Hartset dras helt in i hålrummet under vakuum i vakuumassisterat hartsöverföringsformverk. Denna formningsprocess tillåter exakta toleranser och detaljerad formning, men kan ibland misslyckas med att helt mätta tyget vilket leder till svaga fläckar i den slutliga formen.

Fördelar och begränsningar

FRP möjliggör anpassning av glasfibrerna i termoplaster för att passa specifika designprogram. Specificering av armeringsfibrernas orientering kan öka styrkan och motståndskraften mot deformation av polymeren. Glasförstärkta polymerer är starkast och mest motståndskraftiga mot deformeringskrafter när polymerfibrerna är parallella med kraften som utövas och är svagast när fibrerna är vinkelräta. Således är denna förmåga på en gång både en fördel eller en begränsning beroende på användningskontext. Svaga fläckar av vinkelräta fibrer kan användas för naturliga gångjärn och anslutningar, men kan också leda till materialfel när produktionsprocesser inte korrekt orienterar fibrerna parallellt med förväntade krafter. När krafter utövas vinkelrätt mot fibrernas orientering är styrkan och elasticiteten hos polymeren mindre än enbart matrisen. I gjutna hartskomponenter tillverkade av glasförstärkta polymerer som UP och EP kan fibrernas orientering orienteras i tvådimensionella och tredimensionella vävar. Detta betyder att när krafter möjligen är vinkelräta mot en orientering, är de parallella med en annan orientering; detta eliminerar risken för svaga fläckar i polymeren.

Misslyckanden

Strukturellt misslyckande kan uppstå i FRP -material när:

• Dragkrafter sträcker matrisen mer än fibrerna, vilket får materialet att skära vid gränsytan mellan matris och fibrer.
• Dragkrafter nära fibrernas ände överstiger matrisens toleranser och separerar fibrerna från matrisen.
• Dragkrafter kan också överstiga fibrernas toleranser vilket gör att fibrerna själva spricker vilket leder till materialfel.

Materialkrav

Ett värmehärdat polymermatrismaterial , eller termoplastiskt polymermatrismaterial av teknisk kvalitet, måste uppfylla vissa krav för att först vara lämpligt för frp och säkerställa en framgångsrik förstärkning av sig själv. Matrisen måste kunna mätta ordentligt och helst binda kemiskt med fiberförstärkningen för maximal vidhäftning inom en lämplig härdningsperiod. Matrisen måste också helt omsluta fibrerna för att skydda dem mot snitt och skåror som skulle minska deras styrka och för att överföra krafter till fibrerna. Fibrerna måste också hållas åtskilda från varandra så att om fel inträffar lokaliseras det så mycket som möjligt, och om fel inträffar måste matrisen också avskilja fibern av liknande skäl. Slutligen bör matrisen vara av en plast som förblir kemiskt och fysiskt stabil under och efter armerings- och formningsprocesserna. För att vara lämpliga som förstärkningsmaterial måste fiberadditiv öka matrisens draghållfasthet och elasticitetsmodul och uppfylla följande villkor; fibrer måste överstiga kritisk fiberhalt; styrkan och styvheten i själva fibrerna måste överstiga styrkan och styvheten för matrisen ensam; och det måste finnas optimal bindning mellan fibrer och matris

Glasfiber

"Glasfiberarmerad plast" eller FRP (vanligen kallad glasfiber ) använder glasfibrer av textilkvalitet . Dessa textilfibrer skiljer sig från andra former av glasfibrer som används för att avsiktligt fånga upp luft, för isoleringstillämpningar (se glasull ). Textilglasfibrer börja så varierande kombinationer av SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , B ₂ O ₃ , CaO, eller MgO i pulverform. Dessa blandningar värms sedan genom direkt smältning till temperaturer runt 1300 grader Celsius, varefter matrisar används för att extrudera glödtrådar i diameter från 9 till 17 µm. Dessa trådar lindas sedan i större trådar och snurras på spolar för transport och vidare bearbetning. Glasfiber är det överlägset mest populära sättet att förstärka plast och har därmed en mängd produktionsprocesser, varav några är tillämpliga på aramid- och kolfibrer också på grund av deras gemensamma fibrösa egenskaper.

Roving är en process där trådar snurras till trådar med större diameter. Dessa trådar används sedan vanligen för vävda armeringsglastyger och -mattor och för sprayapplikationer.

Fibertyger ( glastyg , etc) är tygförstärkande material i nätform som har både varp- och väftriktningar. Fibermattor är fiberduksmattor av glasfibrer. Mattor tillverkas i snittdimensioner med hackade fibrer, eller i kontinuerliga mattor med kontinuerliga fibrer. Hackat glasfiber används i processer där längder av glastrådar skärs mellan 3 och 26 mm, gängor används sedan i plast som oftast är avsedd för formningsprocesser. Glasfiber korta trådar är korta 0,2–0,3 mm trådar av glasfibrer som används för att förstärka termoplaster som oftast används för formsprutning.

Kolfiber

Kolfibrer skapas när polyakrylnitrilfibrer (PAN), Pitch -hartser eller Rayon kolsyras (genom oxidation och termisk pyrolys) vid höga temperaturer. Genom ytterligare processer för grafitisering eller sträckning kan fibrernas styrka respektive elasticitet förbättras. Kolfibrer tillverkas i diametrar som är analoga med glasfibrer med diametrar från 4 till 17 µm. Dessa fibrer lindas i större trådar för transport och vidare produktionsprocesser. Ytterligare produktionsprocesser inkluderar vävning eller flätning i kolvävar, dukar och mattor som är analoga med de som beskrivs för glas som sedan kan användas i faktiska förstärkningar.

Aramidfiber

Aramidfibrer är mest kända som Kevlar, Nomex och Technora. Aramider framställs i allmänhet genom reaktionen mellan en amingrupp och en karboxylsyrahalogenidgrupp (aramid) ;. Vanligtvis sker detta när en aromatisk polyamid centrifugeras från en flytande koncentration av svavelsyra till en kristalliserad fiber. Fibrer snurras sedan till större trådar för att väva till stora rep eller vävda tyger (Aramid). Aramidfibrer tillverkas med olika kvaliteter baserat på styrka och styvhet, så att materialet kan anpassas för att uppfylla specifika konstruktionskrav, till exempel att klippa det hårda materialet under tillverkningen.

Exempel på polymer- och förstärkningskombinationer

Förstärkande material	Vanligaste matrismaterial	Egenskaperna förbättrades
Glasfibrer	UP , EP , PA , PC , POM , PP , PBT , VE	Styrka, elasticitet, värmebeständighet
Träfibrer	PE , PP, ABS , HDPE , PLA	Böjhållfasthet, dragmodul, draghållfasthet
Kol- och aramidfibrer	EP, UP, VE, PA	Elasticitet, draghållfasthet, tryckhållfasthet, elektrisk styrka.
Oorganiska partiklar	Halvkristallin termoplast, UP	Isotrop krympning, nötning, tryckhållfasthet
Mikrosfärer	Glasmikrosfärer	Viktminskning i förhållande till fasta fyllmedel

Ansökningar

Fiberförstärkt plast är bäst lämpad för alla designprogram som kräver viktbesparingar, precisionsteknik, bestämda toleranser och förenkling av delar i både produktion och drift. En gjuten polymerprodukt är billigare, snabbare och lättare att tillverka än en gjuten aluminium- eller stålprodukt, och upprätthåller liknande och ibland bättre toleranser och materialstyrkor.

Kolfiberförstärkta polymerer

Rodret på Airbus A310

• Fördelar jämfört med ett traditionellt roder av plåtaluminium är:
  • 25% viktminskning
  • 95% minskning av komponenter genom att kombinera delar och former till enklare formade delar.
  • Övergripande minskning av produktion och driftskostnader, ekonomi av delar resulterar i lägre produktionskostnader och viktbesparingar skapar bränslebesparingar som sänker driftskostnaderna för att flyga flygplanet.

Glasfiberförstärkta polymerer

Motorintagsgrenrören är tillverkade av glasfiberarmerad PA 66.

• Fördelar detta har jämfört med gjutna aluminiumgrenrör är:
  • Upp till 60% viktminskning
  • Förbättrad ytkvalitet och aerodynamik
  • Minskning av komponenter genom att kombinera delar och former till enklare formade former.

Fordonsgas- och kopplingspedaler tillverkade av glasfiberförstärkt PA 66 (DWP 12–13)

• Fördelar jämfört med stämplat aluminium är:
  • Pedaler kan formas som enstaka enheter som kombinerar både pedaler och mekaniska länkar som förenklar tillverkningen och driften av konstruktionen.
  • Fibrer kan orienteras för att förstärka mot specifika påfrestningar, vilket ökar hållbarheten och säkerheten.

Aluminiumfönster, dörrar och fasader är värmeisolerade med hjälp av värmeisoleringsplast av glasfiberarmerad polyamid. År 1977 producerade Ensinger GmbH den första isoleringsprofilen för fönstersystem.

Strukturella tillämpningar

FRP kan appliceras för att förstärka balkar , pelare och plattor i byggnader och broar. Det är möjligt att öka hållfastheten hos konstruktionsdelarna även efter att de har skadats allvarligt på grund av belastningsförhållanden . För skadade armerade betongelement skulle detta först kräva reparation av elementet genom att ta bort löst skräp och fylla i hålrum och sprickor med murbruk eller epoxiharts . När elementet har reparerats kan förstärkning uppnås genom våt, handuppläggning av fiberark impregnerade med epoxiharts, applicerat på delens rengjorda och förberedda ytor.

Två tekniker används vanligtvis för förstärkning av balkar, beroende på önskad styrka : böjförstärkning eller skjuvförstärkning . I många fall kan det vara nödvändigt att tillhandahålla båda styrka förbättringar. För böjningsförstärkning av en balk appliceras FRP -ark eller plattor på elementets spänningsyta (bottenytan för en enkelt uppburen del med applicerad toppbelastning eller tyngdkraftsbelastning). Huvudsakliga dragfibrer orienteras parallellt med balkens längdaxel, liknande dess inre böjningsstålarmering. Detta ökar strålstyrkan och dess styvhet ( belastning som krävs för att orsaka enhetsböjning), men minskar böjningskapaciteten och duktiliteten.

För skjuvförstärkning av en stråle appliceras FRP på banan (sidorna) hos en del med fibrer orienterade tvärs strålens längdaxel. Motstånd mot skjuvkrafter uppnås på liknande sätt som inre stålbygel genom att överbrygga skjuvsprickor som bildas under påförd belastning. FRP kan appliceras i flera konfigurationer, beroende på elementets exponerade ytor och önskad förstärkningsgrad, detta inkluderar: sidobindning, U-omslag (U-jackor) och slutna omslag (kompletta omslag). Sidbindning innebär att man applicerar FRP endast på balkens sidor. Det ger minst skjuvförstärkning på grund av fel som orsakas av avbindning från betongytan vid de frp-fria kanterna. För U-omslag appliceras FRP kontinuerligt i en "U" -form runt balkens sidor och botten (spänning). Om alla balkar är tillgängliga är användningen av slutna omslag önskvärda eftersom de ger den mest styrka. Stängd omslag innefattar applicering av FRP runt elementets hela omkrets, så att det inte finns några fria ändar och det typiska felmetoden är bristning av fibrerna. För alla omslagskonfigurationer kan FRP appliceras längs elementets längd som ett kontinuerligt ark eller som diskreta remsor, med en fördefinierad minsta bredd och avstånd.

Plattor kan förstärkas genom att applicera FRP -remsor i botten (spänning). Detta kommer att resultera i bättre böjprestanda, eftersom plattornas dragmotstånd kompletteras med draghållfastheten hos FRP. När det gäller balkar och plattor beror effektiviteten av FRP -förstärkning på prestandan hos hartset som valts för bindning. Detta är särskilt ett problem för skjuvförstärkning med sidobindning eller U-omslag. Kolumner är vanligtvis inslagna med FRP runt omkretsen, som med sluten eller komplett förpackning. Detta resulterar inte bara i högre skjuvmotstånd, utan mer avgörande för kolumnutformning , det resulterar i ökad tryckhållfasthet vid axiell belastning. FRP -omslaget fungerar genom att begränsa den laterala expansionen av kolonnen, vilket kan öka inneslutningen på ett liknande sätt som spiralförstärkning gör för kolumnkärnan.

Hisskabel

I juni 2013 tillkännagav KONE hissföretag Ultrarope för användning som ersättning för stålkablar i hissar. Det tätar kolfibrerna i högfriktionspolymer . Till skillnad från stålkabel var Ultrarope konstruerad för byggnader som kräver upp till 1 000 meters hiss. Stålhissar toppar på 500 meter. Företaget uppskattade att i en 500 meter hög byggnad skulle en hiss använda 15 procent mindre elkraft än en stålkabelversion. I juni 2013 hade produkten klarat alla EU: s och USA: s certifieringstester.

Designhänsyn

FRP används i konstruktioner som kräver ett mått på styrka eller elasticitetsmodul för vilken icke-armerad plast och andra materialval är olämpliga, antingen mekaniskt eller ekonomiskt. Den primära designhänsynen för användning av FRP är att se till att materialet används ekonomiskt och på ett sätt som drar nytta av dess specifika strukturella egenskaper, men så är inte alltid fallet. Fibrernas orientering skapar en materialsvaghet vinkelrät mot fibrerna. Således påverkar användningen av fiberarmering och deras orientering styrkan, styvheten, elasticiteten och därmed funktionaliteten hos själva slutprodukten. Att orientera fibrerna antingen enriktat, 2-dimensionellt eller 3-dimensionellt under produktionen påverkar slutproduktens styrka, flexibilitet och elasticitet. Fibrer som är orienterade i riktningen av applicerade krafter uppvisar större motståndskraft mot förvrängning från dessa krafter, så områden av en produkt som måste motstå krafter kommer att förstärkas med fibrer orienterade parallellt med krafterna, och områden som kräver flexibilitet, såsom naturliga gångjärn, kommer att ha fibrer orienterade vinkelrätt mot krafterna.

Att orientera fibrerna i fler dimensioner undviker detta antingen-eller-scenario och skapar objekt som försöker undvika någon specifik svaghet på grund av fibrernas enriktade orientering. Egenskaperna styrka, flexibilitet och elasticitet kan också förstoras eller minskas genom den slutliga produktens geometriska form och design. Till exempel, genom att säkerställa korrekt väggtjocklek och skapa multifunktionella geometriska former som kan gjutas som en enda bit, förbättras produktens material och strukturella integritet genom att minska kraven på skarvar, anslutningar och hårdvara.

Avfallshantering och återvinning

Som en delmängd av plast är FR -plaster ansvariga för ett antal frågor och problem vid bortskaffande och återvinning av plastavfall . Plast utgör en särskild utmaning vid återvinning eftersom de härrör från polymerer och monomerer som ofta inte kan separeras och återföras till sina jungfruliga tillstånd. Av denna anledning kan inte all plast återvinnas för återanvändning. Faktum är att vissa uppskattningar hävdar att endast 20% till 30% av plasten kan återvinnas alls. Fiberförstärkt plast och deras matriser delar dessa bortskaffnings- och miljöhänsyn. Undersökning av säkra avfallshanteringsmetoder har lett till två huvudvariationer som innefattar applicering av intensiv värme: i ett bindningsmedel bränns av - i processen återvinner en del av den sjunkna materialkostnaden i form av värme - och brännbara element som fångas upp genom filtrering; i den andra bränns det brännbara materialet i en cementugn, fibrerna blir en integrerad del av det resulterande gjutmaterialet. Förutom farhågor om säkert bortskaffande, innebär det faktum att fibrerna i sig är svåra att ta bort från matrisen och bevara för återanvändning att FRP förstärker dessa utmaningar. FRP är i sig svåra att separera i basmaterial, det vill säga i fiber och matris, och matrisen är svår att separera i användbar plast, polymerer och monomerer. Dessa är alla bekymmer för miljöinformerad design idag. Plast ger ofta besparingar i energi och ekonomiska besparingar jämfört med andra material. Dessutom, med tillkomsten av nya mer miljövänliga matriser som bioplast och UV -nedbrytbar plast, kommer FRP att bli miljökänslig.

Se även

• Långfiberförstärkt termoplast
• Pre-preg
• Komposit material

Referenser

externa länkar