طیف گسترده‌ای از مواد اولیه برای کامپوزیت‌ها، از جمله رزین‌ها، الیاف و مواد هسته، وجود دارد و هر ماده خواص منحصر به فرد خود را در زمینه استحکام، سختی، چقرمگی و پایداری حرارتی با هزینه‌ها و بازده‌های متفاوت دارد. با این حال، عملکرد نهایی یک ماده کامپوزیت به طور کلی نه تنها به ماتریس رزین و الیاف (و همچنین ماده هسته در ساختار مواد ساندویچی) مربوط می‌شود، بلکه ارتباط نزدیکی با روش طراحی و فرآیند تولید مواد در ساختار دارد. در این مقاله، روش‌های رایج تولید کامپوزیت‌ها، عوامل اصلی تأثیرگذار بر هر روش و نحوه انتخاب مواد اولیه برای فرآیندهای مختلف را معرفی خواهیم کرد.
قالب‌گیری اسپری
۱، شرح روش: ماده تقویت‌کننده الیاف کوتاه و سیستم رزین به طور همزمان در قالب اسپری می‌شوند و سپس تحت فشار اتمسفر به محصولات کامپوزیتی ترموست از یک فرآیند قالب‌گیری تبدیل می‌شوند.
۲. انتخاب مواد:
رزین: عمدتاً پلی‌استر
الیاف: نخ الیاف شیشه درشت
جنس هسته: ندارد، فقط باید با تخته سه لا ترکیب شود
۳. مزایای اصلی:
۱) سابقه طولانی در صنعتگری
۲) هزینه کم، سرعت بالای انباشت الیاف و رزین
۳) هزینه کم قالب
4، معایب اصلی:
1) تخته سه لا به راحتی می تواند منطقه غنی از رزین، وزن بالا را تشکیل دهد
۲) فقط می‌توان از الیاف کوتاه استفاده کرد که این امر خواص مکانیکی تخته سه لا را به طور جدی محدود می‌کند.
۳) برای تسهیل اسپری کردن، ویسکوزیته رزین باید به اندازه کافی پایین باشد تا خواص مکانیکی و حرارتی ماده کامپوزیت از بین نرود.
۴) میزان بالای استایرن موجود در رزین اسپری به این معنی است که خطر بالقوه بالایی برای اپراتور وجود دارد و ویسکوزیته پایین به این معنی است که رزین به راحتی می‌تواند به لباس کار کارمند نفوذ کرده و مستقیماً با پوست تماس پیدا کند.
۵) غلظت استایرن فرار در هوا به سختی می‌تواند الزامات قانونی را برآورده کند.
۵. کاربردهای معمول:
حصارکشی ساده، پنل‌های سازه‌ای کم‌بار مانند بدنه خودروهای کروک، قاب جلو کامیون‌ها، وان حمام و قایق‌های کوچک.
قالب‌گیری لایه‌ای دستی
۱، شرح روش: رزین را به صورت دستی به الیاف نفوذ دهید، الیاف را می‌توان بافته، بافته شده، دوخته شده یا به هم متصل کرد و سایر روش‌های تقویت‌کننده، قالب‌گیری لایه‌گذاری دستی معمولاً با غلتک یا برس انجام می‌شود و سپس رزین با غلتک چسب فشرده می‌شود تا به الیاف نفوذ کند. تخته سه لا تحت فشار معمولی قرار می‌گیرد تا عمل‌آوری شود.
۲. انتخاب مواد:
رزین: نیازی نیست، رزین‌های اپوکسی، پلی‌استر، استر بر پایه پلی‌اتیلن و فنولیک موجود است
فیبر: الزامی نیست، اما وزن پایه فیبر آرامید بزرگتر به سختی در لایه گذاری دستی نفوذ می‌کند.
جنس هسته: الزامی نیست
3، مزایای اصلی:
۱) سابقه طولانی در فناوری
۲) یادگیری آسان
۳) هزینه قالب پایین در صورت استفاده از رزین پخت شونده در دمای اتاق
۴) انتخاب گسترده از مواد و تأمین‌کنندگان
۵) محتوای فیبر بالا، الیاف بلندتری نسبت به فرآیند پاشش استفاده می‌شود
4، معایب اصلی:
۱) مخلوط کردن رزین، میزان رزین لمینت و کیفیت آن ارتباط نزدیکی با مهارت اپراتور دارد، دستیابی به میزان رزین کم و تخلخل کم لمینت دشوار است.
۲) خطرات بهداشتی و ایمنی رزین، هرچه وزن مولکولی رزین لایه گذاری دستی کمتر باشد، تهدید بالقوه سلامتی بیشتر است، ویسکوزیته کمتر به این معنی است که رزین احتمال بیشتری دارد که به لباس کار کارکنان نفوذ کند و در نتیجه مستقیماً با پوست تماس پیدا کند.
۳) اگر تهویه مناسب نصب نشود، غلظت استایرن تبخیر شده از استرهای پلی‌استر و پلی‌اتیلن در هوا، به سختی می‌تواند الزامات قانونی را برآورده کند.
۴) ویسکوزیته رزین خمیری دستی باید بسیار پایین باشد، بنابراین مقدار استایرن یا سایر حلال‌ها باید زیاد باشد، در نتیجه خواص مکانیکی/حرارتی ماده کامپوزیت از بین می‌رود.
۵) کاربردهای معمول: پره‌های استاندارد توربین بادی، قایق‌های تولید انبوه، ماکت‌های معماری.
فرآیند بسته‌بندی در خلاء
۱. شرح روش: فرآیند کیسه خلاء، امتداد فرآیند چیدمان دستی فوق است، یعنی آب‌بندی یک لایه فیلم پلاستیکی روی قالب، با خلاء تخته سه لا به صورت دستی انجام می‌شود و با اعمال فشار اتمسفری به تخته سه لا، اثر فشرده‌سازی و سفت شدن ایجاد می‌شود تا کیفیت مواد کامپوزیت بهبود یابد.
۲. انتخاب مواد:
رزین: عمدتاً رزین‌های اپوکسی و فنولیک، استر مبتنی بر پلی‌استر و پلی‌اتیلن کاربرد ندارد، زیرا حاوی استایرن هستند و در پمپ خلاء تبخیر می‌شوند.
فیبر: نیازی نیست، حتی اگر وزن پایه الیاف بزرگتر تحت فشار قرار گیرد.
جنس هسته: الزامی نیست
۳. مزایای اصلی:
۱) می‌توان به محتوای فیبر بالاتری نسبت به فرآیند لایه‌گذاری دستی استاندارد دست یافت
۲) نسبت خلل و فرج کمتر از فرآیند لایه گذاری دستی استاندارد است.
۳) تحت فشار منفی، رزین به اندازه کافی جریان می‌یابد تا درجه نفوذ الیاف را بهبود بخشد، البته بخشی از رزین توسط مواد مصرفی خلاء جذب می‌شود.
۴) سلامت و ایمنی: فرآیند بسته‌بندی در خلاء می‌تواند انتشار مواد فرار را در طول فرآیند پخت کاهش دهد.
4، معایب اصلی:
۱) فرآیند اضافی هزینه نیروی کار و مواد اولیه کیسه خلاء یکبار مصرف را افزایش می‌دهد
۲) الزامات مهارتی بالاتر برای اپراتورها
۳) اختلاط رزین و کنترل محتوای رزین تا حد زیادی به مهارت اپراتور بستگی دارد
۴) اگرچه کیسه‌های خلاء، آزاد شدن مواد فرار را کاهش می‌دهند، اما خطر سلامتی برای اپراتور هنوز بیشتر از فرآیند تزریق یا پیش‌پرگ است.
5، کاربردهای معمول: قایق‌های تفریحی سایز بزرگ، قایق‌های تفریحی تک نسخه محدود، قطعات ماشین‌های مسابقه‌ای، فرآیند اتصال مواد اصلی کشتی‌سازی.
قالب‌گیری سیم‌پیچ
۱. شرح روش: فرآیند پیچیدن الیاف اساساً برای ساخت قطعات ساختاری توخالی، گرد یا بیضی شکل مانند لوله‌ها و ناودان‌ها استفاده می‌شود. دسته‌های الیاف با رزین آغشته شده و سپس در جهات مختلف روی یک مندرل پیچیده می‌شوند. این فرآیند توسط دستگاه پیچیدن الیاف و سرعت مندرل کنترل می‌شود.
۲. انتخاب مواد:
رزین: نیازی نیست، مانند اپوکسی، پلی استر، استر بر پایه پلی اتیلن و رزین فنولیک و غیره
الیاف: بدون نیاز، استفاده مستقیم از دسته‌های الیاف قاب قرقره، نیازی به بافتن یا دوخت پارچه الیافی بافته شده نیست
جنس هسته: الزامی نیست، اما پوسته معمولاً یک ماده کامپوزیت تک لایه است
۳. مزایای اصلی:
(1) سرعت تولید بالا، روشی اقتصادی و معقول برای چیدمان است
(2) میزان رزین را می‌توان با اندازه‌گیری مقدار رزین حمل‌شده توسط دسته‌های الیاف عبوری از شیار رزین کنترل کرد.
(3) هزینه الیاف به حداقل رسیده، بدون فرآیند بافت میانی
(4) عملکرد سازه‌ای عالی، زیرا دسته‌های خطی الیاف را می‌توان در امتداد جهات مختلف تحمل بار قرار داد
۴. معایب اصلی:
(1) این فرآیند به ساختارهای توخالی گرد محدود می‌شود.
(2) الیاف به راحتی و با دقت در امتداد جهت محوری قطعه قرار نمی‌گیرند
(3) هزینه بالاتر قالب‌گیری مندرل مثبت برای قطعات سازه‌ای بزرگ
(4) سطح بیرونی سازه، سطح قالب نیست، بنابراین زیبایی‌شناسی بدتر است
(5) استفاده از رزین با ویسکوزیته پایین، نیاز به توجه به خواص مکانیکی و عملکرد بهداشتی و ایمنی دارد.
کاربردهای معمول: مخازن و لوله‌های ذخیره مواد شیمیایی، سیلندرها، مخازن تنفسی آتش‌نشانان.
قالب‌گیری پالتروژن
۱. شرح روش: دسته الیاف آغشته به چسب از نگهدارنده ماسوره کشیده شده و از طریق صفحه گرمایش، در صفحه گرمایش برای تکمیل نفوذ رزین روی الیاف و کنترل محتوای رزین عبور داده می‌شوند و در نهایت ماده به شکل مورد نیاز پخته می‌شود. این شکل از محصول پخته شده ثابت به صورت مکانیکی در طول‌های مختلف برش داده می‌شود. الیاف همچنین می‌توانند در جهاتی غیر از ۰ درجه وارد صفحه داغ شوند. قالب‌گیری اکستروژن و کششی یک فرآیند تولید مداوم است و سطح مقطع محصول معمولاً شکل ثابتی دارد که امکان تغییرات جزئی را فراهم می‌کند. ماده از پیش خیس شده از صفحه داغ عبور کرده و بلافاصله در قالب پخش می‌شود و پخته می‌شود، اگرچه چنین فرآیندی کمتر مداوم است، اما می‌تواند تغییر شکل سطح مقطع را ایجاد کند.
۲. انتخاب مواد:
رزین: معمولاً اپوکسی، پلی‌استر، رزین استر و فنولیک بر پایه پلی‌اتیلن و غیره.
فیبر: نیازی نیست
جنس هسته: معمولاً استفاده نمی‌شود
۳. مزایای اصلی:
(1) سرعت تولید بالا، روشی اقتصادی و معقول برای پیش خیساندن و عمل آوری مواد است
(2) کنترل دقیق محتوای رزین
(3) به حداقل رساندن هزینه الیاف، بدون فرآیند بافت واسطه
(4) خواص ساختاری عالی، زیرا دسته‌های الیاف در خطوط مستقیم چیده شده‌اند، کسر حجمی الیاف زیاد است
(5) ناحیه نفوذ الیاف می‌تواند کاملاً آب‌بندی شود تا انتشار مواد فرار کاهش یابد.
۴. معایب اصلی:
(1) این فرآیند شکل مقطع را محدود می‌کند
(2) هزینه بالاتر صفحه گرمایش
۵. کاربردهای معمول: تیرها و خرپاهای سازه‌های مسکونی، پل‌ها، نردبان‌ها و نرده‌ها.
فرآیند قالب‌گیری انتقالی رزین (RTM)
۱. شرح روش: الیاف خشک در قالب پایینی قرار می‌گیرند که می‌توان آن را از قبل تحت فشار قرار داد تا الیاف تا حد امکان با شکل قالب مطابقت داشته باشند و به صورت چسبنده به هم متصل شوند. سپس، قالب بالایی روی قالب پایینی ثابت می‌شود تا یک حفره تشکیل شود و سپس رزین به داخل حفره تزریق می‌شود. تزریق و نفوذ رزین به کمک خلاء، که به عنوان تزریق رزین به کمک خلاء (VARI) شناخته می‌شود، معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد. پس از اتمام نفوذ الیاف، دریچه ورود رزین بسته می‌شود و کامپوزیت پخت می‌شود. تزریق و پخت رزین می‌تواند در دمای اتاق یا در شرایط گرم انجام شود.
۲. انتخاب مواد:
رزین: معمولاً اپوکسی، پلی‌استر، پلی‌وینیل استر و رزین فنولیک، رزین بیسمالیمید را می‌توان در دمای بالا استفاده کرد
الیاف: نیازی نیست. الیاف دوخته شده برای این فرآیند مناسب‌تر هستند، زیرا فاصله بین دسته الیاف برای انتقال رزین مساعد است؛ الیاف مخصوصی وجود دارند که می‌توانند جریان رزین را بهبود بخشند.
جنس هسته: فوم سلولی مناسب نیست، زیرا سلول‌های لانه زنبوری با رزین پر می‌شوند و فشار نیز باعث فروپاشی فوم می‌شود.
۳. مزایای اصلی:
(1) کسر حجمی الیاف بالاتر، تخلخل کم
(2) بهداشت و ایمنی، محیط کار تمیز و مرتب زیرا رزین کاملاً آب‌بندی شده است.
(3) کاهش استفاده از نیروی کار
(4) قسمت‌های بالایی و پایینی قطعات سازه‌ای، سطوح قالب‌گیری شده هستند که عملیات سطحی بعدی را آسان می‌کند.
۴. معایب اصلی:
(1) قالب‌های مورد استفاده در کنار هم گران، سنگین و نسبتاً حجیم هستند تا بتوانند فشار بیشتری را تحمل کنند.
(2) محدود به ساخت قطعات کوچک
(3) نواحی خیس نشده به راحتی می‌توانند ایجاد شوند و در نتیجه تعداد زیادی ضایعات ایجاد شود.
۵. کاربردهای معمول: قطعات کوچک و پیچیده شاتل فضایی و خودرو، صندلی‌های قطار.
زمان ارسال: ۸ آگوست ۲۰۲۴
