От идеи до серийного производства изделий

Проектирование, производство прототипов

Особо ответственные, нагруженные детали

Высокопроизводительные технологии

Любая степень сложности и габариты

previous arrow
next arrow
Slider

Сравнительный анализ высокопрочных композитов.

25.08.2020

В последние годы высокопрочные композиционные материалы занимают всё более широкие рыночные ниши. Основные типы высокопрочных композитов – это углепластики и стеклопластики на основе высокопрочного стекловолокна. Отличительная особенность таких композитов – это применение длинных волокон, длина которых ограничена только длиной деталей, в отличие от композитов на основе коротких волокон (длина – до нескольких миллиметров) и волокон средней длины (длина до 50мм).

Фланец из стеклопластика высокопрочныйДуга из карбона (углепластика), высокопрочная

Примеры деталей из высокопрочных композитов: фитинг для трубы высокого давления из высокопрочного стеклопластика (слева) и дуга крутильной машины из углепластика (справа)

На начальном этапе развития производства деталей из стеклопластика и карбоновых деталей (деталей из углепластика), 30-40 лет назад, их применение ограничивалось узкими сферами, такими как космос, авиация, гоночные автомобили, а к настоящему времени параллельно с расширением применений в авиации и автомобильной промышленности, стали развиваться и другие направления применения – такие как инженерный сектор и ветрогенерация.

Еще одним трендом в сфере технологий композитных материалов стало повышение степени автоматизации, позволяющее более эффективно осуществлять производство стеклопластиковых деталей крупными сериями. Наиболее развитыми методами производства высокопрочных композитов являются RTM и компрессионное формование (прессование).

Помимо армирующего материала (стеклянные или угольные волокна, соответственно, изделия из стеклопластика и изделия из углепластика) ключевую роль также играет тип матрицы – термопластичный (термопласт) или термореактивный (реактопласт). Ниже приведен сравнительный анализ свойств различных комбинаций типа армирующего материала и матрицы.

Волокно Угольное Стеклянное
Матрица Реактопласт Термопласт Реактопласт Термопласт
Свойства
Жесткость Высокая Средняя Низкая Низкая
Прочность Высокая Средняя Средняя Низкая
Удельный вес Низкий Средний Высокий Высокий
Цена Высокая Средняя Низкая Низкая

Волокно и матрица, составляющие композит, служат фундаментально различным целям. Волокно в основном поглощают усилия натяжения, тогда как матрица поддерживает связность материала и поглощает сжатие и сдвиговые усилия.

Влияние свойств волокна и матрицы на различные свойства композиционного материала приведены ниже.

Свойство Влияние волокна Влияние матрицы
Жесткость 4 1
Прочность 4 1
Усталостные свойства 4 1
Стойкость к дефектам 1 4
Электрические свойства 3 3
Температурная стойкость 0 5
Химическая стойкость 0 5
Коррозионная стойкость 1 4
Применимость методов изготовления 0 5

*шкала от 1 до 5 – где 5 наивысшее влияние, 1 – практически отсутствие влияния

Таким образом, механические свойства определяются волокном, тогда как физические и химические свойства в основном обусловлены свойствами матрицы

Высокопрочные композиты имеют два основных преимущества над традиционными материалами (например, металлами) – удельную (в пересчете на массу) жесткость и удельную прочность.

Тип материала Относительная удельная жесткость* Относительная удельная прочность*
Сталь 1 1
Алюминий, сплавы алюминия 1,2 0,5-1,8
Титан 1,2 2,2
Композит, стандартное стекловолокно, квази-изотропный 0,5 2
Композит, высокопрочное стекловолокно, квази-изотропный 0,4 3
Композит, высокопрочное углеволокно, квази-изотропный 1,4 3
Композит, высокомодульное углеволокно, квази-изотропный 1,8-2,4 1,5-2,5
Композит, стекловолокно, однонаправленный 0,9-1,1 6-9
Композит, углеволокно, однонаправленный 4-7 4-8

* относительно стали

Как можно видеть из таблицы, это преимущество особенно сильно проявляется для однонаправленного волокна, однако даже для квази-изотропных ламинатов (имеющих одинаковые свойства по всем направлениям) преимущество над металлами существенно выражено.

В отличие от стандартных материалов, в случае композитов можно оптимизировать деталь, путем преимущественной ориентации волокон вдоль направления основной нагрузки на деталь.