Πολύ διαφορετικά υλικά
Τα σύνθετα υλικά διαφέρουν από τα συμβατικά υλικά στο ότι τα σύνθετα μέρη περιέχουν δύο διακριτά συστατικά - ίνες και υλικά μήτρας (συνήθως πολυμερείς ρητίνες) - τα οποία παραμένουν διαχωρισμένα όταν συνδυάζονται αλλά αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν ένα νέο υλικό του οποίου οι ιδιότητες δεν μπορούν να προβλεφθούν με απλή προσθήκη των ιδιοτήτων του συστατικά.
Στην πραγματικότητα, ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του συνδυασμού ίνας/ρητίνης είναι η συμπληρωματικότητά του. Οι λεπτές ίνες γυαλιού, για παράδειγμα, έχουν σχετικά υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό αλλά καταστρέφονται εύκολα. Αντίθετα, οι περισσότερες πολυμερείς ρητίνες έχουν ασθενή εφελκυστική αντοχή αλλά είναι πολύ σκληρές και εύπλαστες. Όταν οι ίνες και η ρητίνη συνδυάζονται, ωστόσο, μπορούν να αντισταθμίσουν τις αδυναμίες του άλλου, δημιουργώντας ένα υλικό που είναι πολύ πιο χρήσιμο από οποιοδήποτε μεμονωμένο συστατικό.
Οι δομικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών προέρχονται κυρίως από την ενίσχυση με ίνες. Τα εμπορικά σύνθετα υλικά για μεγάλες αγορές, όπως ανταλλακτικά αυτοκινήτων, πλοία, καταναλωτικά αγαθά και ανθεκτικά στη διάβρωση βιομηχανικά εξαρτήματα, κατασκευάζονται συνήθως από ασυνεχείς, τυχαία προσανατολισμένες μορφές fiberglass ή συνεχείς αλλά μη προσανατολισμένες ίνες.
Αρχικά αναπτύχθηκαν για τη στρατιωτική αεροδιαστημική αγορά, τα προηγμένα σύνθετα υλικά, που αποδίδουν καλύτερα από τα παραδοσιακά δομικά μέταλλα, βρίσκονται τώρα σε δορυφόρους επικοινωνιών, αεροσκάφη, αθλητικά είδη, μεταφορές, βαριά βιομηχανία και στον ενεργειακό τομέα για εξερεύνηση πετρελαίου και φυσικού αερίου και κατασκευή ανεμογεννητριών.
Τα σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης αντλούν τα δομικά τους χαρακτηριστικά από συνεχή, προσανατολισμένα, υψηλής αντοχής υλικά ενίσχυσης ινών -- συνηθέστερα από ίνες άνθρακα, ίνες αρυλοπολυαμιδίου ή ίνες γυαλιού -- σε μια μήτρα που βελτιώνει τη μηχανική ικανότητα και ενισχύει τις μηχανικές ιδιότητες όπως η ακαμψία και η χημική αντοχή.
Ο προσανατολισμός των ινών μπορεί να ελεγχθεί, κάτι που είναι ένας παράγοντας που μπορεί να βελτιώσει την απόδοση σε οποιαδήποτε εφαρμογή. Για παράδειγμα, σε σύνθετους άξονες γκολφ, οι ίνες βορίου και άνθρακα είναι προσανατολισμένες σε διαφορετικές γωνίες εντός του σύνθετου άξονα, ικανές να εκμεταλλευτούν πλήρως τα χαρακτηριστικά αντοχής και ακαμψίας τους και να αντέχουν σε φορτία ροπής και πολλαπλές δυνάμεις κάμψης, συμπίεσης και εφελκυσμού.
Γυάλινες ίνες
Η συντριπτική πλειοψηφία των ινών που χρησιμοποιούνται στη σύνθετη βιομηχανία είναι γυαλί. Το Fiberglass είναι το παλαιότερο και πιο κοινό ενισχυτικό υλικό που χρησιμοποιείται στις περισσότερες εφαρμογές τελικής αγοράς (με σημαντική εξαίρεση την αεροδιαστημική βιομηχανία) για την αντικατάσταση βαρύτερων μεταλλικών εξαρτημάτων.
Το Fiberglass είναι βαρύτερο και λιγότερο άκαμπτο από το ανθρακονήματα, το επόμενο πιο κοινό ενισχυτικό υλικό, αλλά είναι πιο ανθεκτικό στην κρούση και έχει μεγαλύτερη επιμήκυνση στο σπάσιμο (δηλαδή, τεντώνεται σε μεγαλύτερο βαθμό πριν σπάσει). Ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών και επιπέδων απόδοσης μπορεί να ληφθεί ανάλογα με τον τύπο του γυαλιού, τη διάμετρο του νήματος, τη χημεία της επικάλυψης (που ονομάζεται "μεγέθους") και τη μορφή ινών.
Τα νήματα από γυαλί παρέχονται με τη μορφή δεσμίδων που ονομάζονται κλώνοι, οι οποίες είναι συλλογές συνεχών νημάτων γυαλιού.
Το Roving είναι συνήθως μια δέσμη από μη στριμμένα νήματα που τυλίγονται σαν κλωστή γύρω από ένα μεγάλο καρούλι. Η περιπλάνηση με ένα άκρο αποτελείται από ένα συνεχές σκέλος πολλαπλών γυάλινων νημάτων που διατρέχουν το μήκος του κλώνου. Το κύλινδρο πολλαπλών άκρων περιέχει μακριές αλλά όχι εντελώς συνεχείς κλωστές που προστίθενται ή πέφτουν σε κλιμακωτή διάταξη κατά τη διάρκεια της περιέλιξης. Το νήμα είναι μια συλλογή από νήματα στριμμένα μεταξύ τους.
Ίνα υψηλής απόδοσης
Οι ίνες άνθρακα - μακράν η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη ίνα σε εφαρμογές υψηλής απόδοσης - κατασκευάζονται από μια ποικιλία προδρόμου συστημάτων, όπως πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), ρεγιόν και άσφαλτο. Οι πρόδρομες ίνες υποβάλλονται σε χημική επεξεργασία, θερμαίνονται και τεντώνονται και στη συνέχεια ανθρακώνονται για να παραχθούν ίνες υψηλής αντοχής. Το πρώτο υψηλής απόδοσης ανθρακονήματα στην αγορά κατασκευάστηκε από πρόδρομες ουσίες ρεγιόν.
Σήμερα, το πολυακρυλονιτρίλιο και οι ίνες με βάση την άσφαλτο έχουν αντικαταστήσει τις τεχνητές ίνες στις περισσότερες εφαρμογές. Οι ίνες άνθρακα με βάση το τηγάνι είναι το πιο ευέλικτο. Προσφέρουν μια εκπληκτική γκάμα ιδιοτήτων, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικής αντοχής και της υψηλής ακαμψίας. Οι ίνες ασφάλτου κατασκευάζονται από πίσσα πετρελαίου ή λιθανθρακόπισσας και έχουν υψηλή έως εξαιρετικά υψηλή ακαμψία και χαμηλό έως αρνητικό αξονικό συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE). Τα χαρακτηριστικά CTE τους είναι ιδιαίτερα χρήσιμα σε εφαρμογές διαστημικών σκαφών που απαιτούν θερμική διαχείριση, όπως θήκες ηλεκτρονικών οργάνων.
Αν και είναι ισχυρότερες από τις ίνες γυαλιού ή αραμιδίου, οι ίνες άνθρακα όχι μόνο είναι λιγότερο ανθεκτικές στην κρούση, αλλά υφίστανται και γαλβανική διάβρωση όταν έρχονται σε επαφή με μέταλλο. Οι κατασκευαστές ξεπερνούν το τελευταίο πρόβλημα χρησιμοποιώντας υλικά φραγμού ή στρώσεις πέπλου (συνήθως υαλοβάμβακα/εποξειδικό) κατά τη διαδικασία laminate.
Η βασική μορφή ινών των ανθρακονημάτων υψηλής απόδοσης είναι μια συνεχής δέσμη ινών που ονομάζεται δέσμη νήματος. Μια δέσμη ανθρακονημάτων αποτελείται από χιλιάδες συνεχή, μη στριμμένα νήματα, ο αριθμός των νημάτων που αντιπροσωπεύεται από έναν αριθμό ακολουθούμενο από ένα "K", που σημαίνει πολλαπλασιασμένο επί 1,000 (για παράδειγμα, 12K σημαίνει ότι ο αριθμός των νημάτων είναι 12,000). Τα τσαμπιά μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας σε διαδικασίες όπως η περιέλιξη νήματος ή η χύτευση με ώθηση ή μπορούν να μετατραπούν σε μονοκατευθυντικές κορδέλες, υφάσματα και άλλες ενισχυμένες μορφές.
