Vật liệu rất khác nhau
Vật liệu composite khác với vật liệu thông thường ở chỗ các bộ phận composite chứa hai thành phần riêng biệt - vật liệu sợi và vật liệu ma trận (phổ biến nhất là nhựa polyme) - vẫn tách rời khi được kết hợp nhưng tương tác để tạo thành một vật liệu mới có các đặc tính không thể dự đoán được bằng cách thêm các đặc tính của nó. các thành phần.
Trên thực tế, một trong những ưu điểm chính của sự kết hợp sợi/nhựa là tính bổ sung của nó. Ví dụ, sợi thủy tinh mỏng có độ bền kéo tương đối cao nhưng dễ bị hư hỏng. Ngược lại, hầu hết các loại nhựa polyme có độ bền kéo yếu nhưng rất dai và dễ uốn. Tuy nhiên, khi kết hợp sợi và nhựa, chúng có thể bù đắp những điểm yếu của nhau, tạo ra một vật liệu hữu ích hơn nhiều so với bất kỳ thành phần riêng lẻ nào.
Các tính chất cấu trúc của vật liệu tổng hợp chủ yếu bắt nguồn từ cốt sợi. Vật liệu tổng hợp thương mại cho các thị trường lớn, chẳng hạn như phụ tùng ô tô, tàu thủy, hàng tiêu dùng và các bộ phận công nghiệp chống ăn mòn, thường được làm từ sợi thủy tinh định hướng ngẫu nhiên, không liên tục hoặc dạng sợi liên tục nhưng không định hướng.
Ban đầu được phát triển cho thị trường hàng không vũ trụ quân sự, vật liệu tổng hợp tiên tiến, hoạt động tốt hơn kim loại kết cấu truyền thống, hiện được tìm thấy trong vệ tinh liên lạc, máy bay, đồ thể thao, giao thông vận tải, công nghiệp nặng và lĩnh vực năng lượng để thăm dò dầu khí và xây dựng tua-bin gió.
Các vật liệu tổng hợp hiệu suất cao có được các đặc điểm cấu trúc của chúng từ các vật liệu gia cố sợi cường độ cao, định hướng, liên tục -- phổ biến nhất là sợi carbon, sợi arylpolyamide hoặc sợi thủy tinh -- trong một ma trận giúp cải thiện khả năng gia công và tăng cường các tính chất cơ học chẳng hạn như độ cứng và kháng hóa chất.
Định hướng sợi có thể được kiểm soát, đây là một yếu tố có thể cải thiện hiệu suất trong bất kỳ ứng dụng nào. Ví dụ: trong trục gậy đánh gôn composite, sợi boron và carbon được định hướng ở các góc khác nhau trong trục composite, có thể tận dụng tối đa các đặc tính độ bền và độ cứng của chúng, đồng thời chịu được tải trọng mô-men xoắn và nhiều lực uốn, nén và kéo.
Sợi thủy tinh
Phần lớn các sợi được sử dụng trong ngành công nghiệp composite là thủy tinh. Sợi thủy tinh là vật liệu gia cố lâu đời nhất và phổ biến nhất được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng thị trường cuối cùng (với ngành hàng không vũ trụ là một ngoại lệ quan trọng) để thay thế các thành phần kim loại nặng hơn.
Sợi thủy tinh nặng hơn và kém cứng hơn sợi carbon, vật liệu gia cố phổ biến tiếp theo, nhưng nó có khả năng chống va đập tốt hơn và có độ giãn dài lớn hơn khi đứt (nghĩa là nó sẽ giãn ra ở mức độ lớn hơn trước khi đứt). Có thể thu được nhiều đặc điểm và mức hiệu suất khác nhau tùy thuộc vào loại thủy tinh, đường kính dây tóc, hóa chất phủ (được gọi là "kích thước") và dạng sợi.
Sợi thủy tinh được cung cấp ở dạng bó gọi là sợi, là tập hợp các sợi thủy tinh liên tục.
Lưu động thường là một bó các sợi không xoắn được quấn như sợi chỉ quanh một ống chỉ lớn. Sợi thô một đầu bao gồm một dải liên tục gồm nhiều sợi thủy tinh chạy dọc theo chiều dài của sợi. Sợi thô nhiều đầu chứa các sợi dài nhưng không hoàn toàn liên tục được thêm vào hoặc thả xuống theo cách sắp xếp so le trong quá trình cuộn. Sợi là một tập hợp các sợi xoắn lại với nhau.
Sợi hiệu suất cao
Sợi carbon - cho đến nay là loại sợi được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng hiệu suất cao - được làm từ nhiều hệ thống tiền chất khác nhau, bao gồm polyacrylonitrile (PAN), tơ nhân tạo và nhựa đường. Sợi tiền thân được xử lý hóa học, nung nóng và kéo dài, sau đó được cacbon hóa để tạo ra sợi có độ bền cao. Sợi carbon hiệu suất cao đầu tiên trên thị trường được làm từ tiền chất rayon.
Ngày nay, sợi polyacrylonitrile và sợi nhựa đường đã thay thế sợi nhân tạo trong hầu hết các ứng dụng. Sợi carbon dựa trên chảo là linh hoạt nhất. Chúng cung cấp một loạt các đặc tính đáng kinh ngạc, bao gồm độ bền tuyệt vời và độ cứng cao. Sợi nhựa đường được làm từ nhựa đường dầu mỏ hoặc than đá và có độ cứng từ cao đến cực cao và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) theo trục âm thấp đến thấp. Các đặc tính CTE của chúng đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng tàu vũ trụ yêu cầu quản lý nhiệt, chẳng hạn như vỏ dụng cụ điện tử.
Mặc dù bền hơn sợi thủy tinh hoặc sợi aramid, nhưng sợi carbon không chỉ kém khả năng chống va đập mà còn bị ăn mòn điện khi tiếp xúc với kim loại. Các nhà sản xuất khắc phục vấn đề thứ hai bằng cách sử dụng vật liệu chắn hoặc lớp màn che (thường là sợi thủy tinh/epoxy) trong quá trình cán mỏng.
Dạng sợi cơ bản của sợi carbon hiệu suất cao là một bó sợi liên tục được gọi là bó sợi. Một bó sợi carbon bao gồm hàng nghìn sợi liên tục, không xoắn, số sợi được biểu thị bằng một số theo sau chữ "K", có nghĩa là nhân với 1,000 (ví dụ: 12K có nghĩa là số sợi là 12,000). Các bó có thể được sử dụng trực tiếp trong các quy trình như cuộn dây tóc hoặc đúc ép đùn hoặc có thể được chuyển đổi thành ruy băng một chiều, vải và các dạng gia cố khác.
