Im letzten halben Jahrhundert wurden faserverstärkte Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften weit verbreitet verwendet, und die wichtige Rolle faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist offensichtlich. Seit dem Aufkommen von Verbundwerkstoffen haben verstärkte Fasern einen Wandel von Naturfasern zu synthetischen Fasern durchlaufen.
Zu den derzeit gebräuchlichsten Verstärkungsfasern gehören Glasfaser, Aramidfaser, Kohlefaser usw. In diesem Beitrag werden zunächst die gängigen Verstärkungsfasertypen kurz vorgestellt.
In Verbundwerkstoffen besteht die Hauptaufgabe der Harzmatrix darin, die Fasern miteinander zu verbinden und äußere Belastungen von einer Faser auf die nächste zu übertragen. Die meisten verstärkten Fasern sind gebogen und schlaff, und wenn Spannung auf sie ausgeübt wird, haben sie eine ausreichende Zugfestigkeit und Steifheit.
Verstärkungsfasern sind normalerweise Bündel, und einzelne Fasern neigen dazu, sehr fein zu sein, wie Glasfasern und Kohlefasern mit einem typischen Durchmesserbereich von 5 bis 25 Mikron. Zum Vergleich: Menschliches Haar hat normalerweise einen Durchmesser zwischen 50 und 200 Mikrometer. Alle faserverstärkten "Strukturen" können aus Filamentfasern abgeleitet werden, einschließlich Werg, Garn, geschnittene Faser, gemahlene Faser usw.
Übliche Verstärkungsfasern umfassen Glasfasern und Kohlefasern.
1. Glasfaser
Es gibt viele verschiedene Arten von Glasfasern, aber bei Verbundwerkstoffen sind zwei am häufigsten. E-Glasfaser ist der Standardtyp in fast allen glasfaserverstärkten Produkten, während S-Glasfaser (auch bekannt als R-Glas oder T-Glasfaser) eine deutlich bessere Zugfestigkeit aufweist.
S-Glasfaser ist normalerweise kleiner als E-Glasfaser, hat eine bessere Haftung in der Harzmatrix und die Schlagfestigkeit ist verbessert. Aber es kostet viel mehr. S-2-Glasfaser ist eine handelsübliche S-Glasfaser mit höherer Festigkeit, die die doppelte Zugfestigkeit einer typischen E-Glasfaser und auch eine um etwa 10-20 Prozent höhere Steifigkeit aufweist. Aber für fast alle Anwendungen ist E-Glasfaser ausreichend.
Fiberglas wird hergestellt, indem geschmolzene (1700 Grad) Mineralprodukte (Silica, Aluminium- und Calciumoxid usw.) durch Löcher mit kleinem Durchmesser extrudiert werden. Typischerweise haben E-Glasfasern einen Durchmesser von etwa 10-25 Mikrometern, was sie größer als Kohlenstofffasern macht.
2. Kohlefaser
Kohlenstofffasern gibt es in vielen Varianten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und Kosten. Die Kohlefaser wird nicht direkt aus dem geschmolzenen Material extrudiert, sondern wird durch Wärmebehandlung der Vorläuferfaser hergestellt, einschließlich einer Voroxidation in einer Luftatmosphäre und Karbonisierung in einer inerten Atmosphäre. Unter Spannung richtet sich die Kohlenstoffstruktur innerhalb der Faser aus und hilft, die Zugfestigkeit und Steifigkeit zu maximieren.
Der am häufigsten verwendete Vorläufer für Kohlenstofffasern ist Polyacrylnitril (PAN)-Faser. Gegenwärtig basieren die gebräuchlichsten Kohlenstofffasern mit Standard- und mittlerem Modul auf PAN-Vorläufer. Der Modul der durch das Asphaltvorläufersystem hergestellten Kohlefaser ist gewöhnlich höher. Abhängig von den Eigenschaften des Vorläufers, dem Durchmesser der Faser und den Details des Wärmebehandlungsprozesses (Oxidation, Karbonisierung, Graphitisierung) weist die resultierende Kohlenstofffaser ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften auf.
Eine einzelne Kohlefaser ist typischerweise kleiner als eine Glasfaser, nämlich nur 5 Mikron im Durchmesser. Modul Modul Modul Kohlefaser wird häufig mit Standardmodul und Zwischenmodul klassifiziert, insbesondere mit Modul. IM), High-Modulus (HM) und Ultra-High-Modulus-Kohlefaser.
3. Andere häufig verwendete Verstärkungsfasern
Kevlar-Aramidfaser:
Eine von DuPont entwickelte synthetische Aramidfaser. Andere kommerzielle Aramidfasern umfassen Twaron, Technora und Nomex. Als Verstärkungsfaser für Verbundwerkstoffe wird die Aramidfaser hauptsächlich für Anwendungen mit hoher Zugfestigkeit sowie Stich-, Verschleiß- und Bruchfestigkeit eingesetzt. Aramidfasern sind oft schwierig zu binden, zu schneiden und zu handhaben und werden oft in Kombination mit Kohlefaser oder Glasfaser verwendet.
Basaltfaser:
hergestellt durch ein Schmelz- und Extrusionsverfahren ähnlich wie bei Glasfasern. Seine Zugfestigkeit und sein Modul sind etwas höher als bei E-Glasfaser, aber geringer als bei Kohlefaser. Die Dichte ist ähnlich der von E-Glasfaser. Der Preis liegt zwischen E-Glasfaser und Kohlefaser. Es gibt ein begrenztes Angebot an Basalt in Verbundqualität, der normalerweise eine braune Farbe hat.
Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht:
Sowohl Dyneema als auch Spectra sind Fasern aus ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE) oder extrudiertem Filament aus hochmoduligem Polyethylen (HMPE). UHMWPE wird für Schleppkabel, Bogensehne, Angelschnur und Fahrzeugpanzerung verwendet und ist robust und langlebig. Diese Fasern können in Verbundstoffanwendungen verwendet werden, oft gemischt mit Kohlenstofffasern Dyneema/Kohlenstofffaser-Hybridverstärkung kann die Zähigkeit von Laminaten, Energieabsorption und Schlagfestigkeit von Kohlenstofffasern verbessern Spectra-Gewebe können topisch aufgetragen werden, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen.
Polypropylen mit hohem Molekulargewicht:
Innegra ist eine Faser, die von Innegra Technologies aus Polypropylen mit hohem Molekulargewicht (HMPP) hergestellt wird. Obwohl es nicht so stark ist wie Kevlar oder Dyneema, ist Innegra robust und widerstandsfähig gegen Stöße und Bruch bei geringeren Kosten. Oft wird Innegra als Bestandteil von Hybrid-Verstärkungsmaterial verwendet, das mit Kohlefaser oder Glasfaser gemischt wird, um die Zähigkeit des Laminats zu erhöhen.
Pflanzenfasern:
Während Glasfaser und Kohlefaser die am häufigsten verwendeten Verstärkungsfasern sind, sind die ältesten strukturellen Verstärkungsfasern Holz- und Pflanzenfasern. In den letzten zehn Jahren ist das Interesse an laminierten Pflanzenfasern, insbesondere Flachs und Jute, wieder aufgelebt, die nützliche mechanische Eigenschaften und eine ähnliche Verarbeitung wie Standardfasertypen bieten. Eine Herausforderung für Pflanzenfasern ist ein viel breiteres Spektrum an mechanischen Eigenschaften als herkömmliche technische Materialien, und sie sind nicht so stark wie normale E-Glasfasern. Die Feuchtigkeitsaufnahme ist ein Problem für alle biobasierten Verbundwerkstoffe, was bei vielen Verbundprozessen zu Problemen führen kann.
Keramische Fasern:
Ceramic Matrix Composites (CMC) haben ähnliche mechanische Eigenschaften wie Kohlefaserverbundwerkstoffe, sind aber extrem hochtemperaturbeständig. Sie werden je nach chemischer Zusammensetzung in der Regel durch Oxid- und Nichtoxidfasern abgebaut. Auf der nichtoxidischen Seite ist Bor einer der bekanntesten keramischen Verstärkungsstoffe mit unglaublicher Druckfestigkeit. Fasern aus Siliciumcarbid (SiC) haben eine hohe Festigkeit und Steifigkeit und sind sehr hart. Fasern auf Oxidbasis haben eine höhere Oxidationsbeständigkeit, aber schlechtere mechanische Eigenschaften.
Xiamen LFT Composite Plastic Co., Ltd. ist ein Markenunternehmen, das sich auf LFT&LFRT konzentriert. Langglasfaser-Serie (LGF) und Langkohlefaser-Serie (LCF). Das thermoplastische LFT des Unternehmens kann für das Spritzgießen und Extrudieren von LFT-G und auch für das Spritzgießen von LFT-D verwendet werden. Es kann nach Kundenwunsch hergestellt werden: 5 ~ 25 mm lang. Die langfaserigen, durch kontinuierliche Infiltration verstärkten Thermoplaste des Unternehmens haben die Systemzertifizierung nach ISO9001 und 16949 bestanden, und die Produkte haben viele nationale Warenzeichen und Patente erhalten.
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