Pojęcie kompozytu jest stosunkowo nowe w technice, jednak początki zastosowań mają bardzo długą tradycje. Już od wczesnych początków tworzenia cywilizacji technicznej ludzkość stawała przed wyzwaniami techniki, mającymi na celu połączenie różnych właściwości materiałów by osiągnąć efekt synergii, stworzyć takie połączenie materiałów by uzyskać najlepsze efekt, czyli tak połączyć różne materiały by wyzyskać z nich ich najlepsze własności oraz zredukować niekorzystne. Jednym z pierwszych materiałów które można uznać za wczesny kompozyt była chińska tradycyjna laka, czyli materiał do wytwarzania naczyń oraz mebli. Otrzymywano go poprzez przesycanie cienkich warstewek papieru „samo utwardzającym się” sokiem z Sumaka Rhus. Równie starym i popularnym od wieków kompozytem jest sklejka drewniana oraz cegła gliniana wzmocniona słomą która była stosowana już w V w p.n.e.

Obecnie kompozyty są szeroko stosowane ich zastosowanie jest powszechne, a z racji rozwoju technicznego i cywilizacyjnego nastąpił ich gwałtowny rozwój.

Dziś kompozytem nazywamy materiał składający się z dwóch lub większej liczby różnych materiałów, celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, rozłożony w sposób kontrolowany w celu nadania optymalnych własności oraz posiadający nowe lepsze własności niż indywidualne składniki.

Składnik ciągły kompozytu który występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą. W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane napełniaczem, wzmocnieniem lub zbrojeniem. Kompozyty wykazują silną anizotropie. Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiału osnowy:

  • Metaliczna (głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu i niklu),
  • Ceramiczna (węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium),
  • Polimerowa (poliestry, epoksydy – termo i chemoutwardzalne, poliamidy, polipropylen),

Osnowa w materiale kompozytowym spełnia następującą rolę:

  • Spaja włókna w elemencie konstrukcji,
  • Jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń włókna,
  • Chroni włókna przed zniszczeniem na skutek działania czynników zewnętrznych,

Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej

  1. Nanocząstki (nanowłókna)
  2. Ziarna (cząstki) o rozmiarach rządu mikrometra,
  3. Włókna cięte krótkie lub długie,
  4. Włókna ciągłe (jednokierunkowe lub tkane w dwóch kierunkach)

Generalnie najbardziej powszechne występowanie kompozytów to przemysł i budownictwo. Choć często dziedziny te się przenikają. Najpowszechniejszym kompozytem występującym w budownictwie jest żelbeton czyli beton zbrojony stalą, ale również są stosowane inne typy wzmocnienia (fibrobeton). Natomiast w przemyśle jest to kompozyt strukturalny-laminat, jest to najważniejszy rodzaj kompozytów, mający najszersze zastosowanie.

Kompozyty wzmacniane włóknami

Kompozyty wzmacniane włóknami są materiałami o bardzo szerokim spektrum zastosowania, są proste w wytwarzaniu i obróbce (po odpowiednim przeszkoleniu można je wykonywać w warunkach „garażowych”) jednocześnie dają znakomitą możliwość modyfikowania oczekiwanych własności. Do niewątpliwych zalet należy zaliczyć wysoką odporność na czynniki zewnętrzne, atmosferyczne i korozyjne. Laminat wykonany w odpowiednim reżimie technologicznym posiada oczekiwaną żywotność na poziomie 50 lat. Jednocześnie zachowuje wysoką estetykę i własności funkcjonalne. Również jako cechę charakterystyczną należy wymienić łatwość napraw uszkodzeń mechanicznych.

Lecz mimo szeregu zalet laminat posiada również wady takie jak mały potencjał modernizacyjny wykonanego już urządzenia, kłopoty z utylizacją zużytego sprzętu.

Wykonywanie konstrukcji laminatowych zasadniczo odbywa się dwiema głównymi metodami:

  • Kontaktową,
  • Nawijania,

Stosuje się jeszcze inne bardziej specjalistyczne metody wytwarzania które są stosowane głównie w specyficznych przypadkach mających na celu wytworzenie produktu o ściśle określonych zastosowaniach. I tak można zetknąć się z wytwarzaniem prętów i kształtowników metodą poltruzji:

Oraz produkcja laminatów metodą infuzji lub worka próżniowego

Infuzja – jest to proces polegający na układaniu na sucho zbrojenia (tkaniny szklanej,

aramidowej lub węglowej) a następnie uzyskaniu podciśnienia pomiędzy formą a workiem

próżniowym. Powstała próżnica w ciśnieniu, powoduje zassanie żywicy i impregnację.

Worek próżniowy – jest kontynuacją laminowania ręcznego. Polega on na układaniu

ręcznym żywicy i wzmocnienia a następnie za pomocą próżni odessaniu nadmiaru powietrza

i żywicy z laminatu.

Jednakże jak już wspomniano największą popularnością z racji zastosowania i kosztów cieszą się tradycyjne metody wytwarzania.

Metoda kontaktowa:

Metoda nawijania:

Nawijanie krzyżowe:

Nawijanie równoległe:

Są to metody którymi wytwarza się około 90% laminatów użytkowanych w przemyśle. Obydwie metody mają swoje wady i zalety, i użycie odpowiedniej powinno zostać rozważone.

Duolaminaty

Są to struktury laminatowe zabezpieczone przed wpływem korozji warstwą termoplastu, w takim rozwiązaniu laminat przenosi obciążenia –warstwa strukturalna, natomiast termoplast pełni rolę warstwy chemoodpornej

Materiały używane do produkcji

Zasadniczo do produkcji używa się żywic syntetycznych oraz włókien wzmacniających, przy czym najpowszechniejszym wzmocnieniem jest włókno szklane w każdej postaci, rowingu- czyli sznurków z włókna szklanego, tkaniny jedno i dwukierunkowej, maty oraz ciętego rowingu. W rzadszych przypadkach używa się innych rodzajów włókna, węglowego lub aramidowego. Przy doborze rodzaju żywicy kluczową rolę odgrywają parametry pracy układu (temperatura, medium, dopuszczalne odkształcenie) oraz oczywiście kryterium ekonomiczne. Natomiast typ wzmocnienia determinuje dostępność technologii, spodziewane naprężenia oraz również ekonomia. Cechą charakterystyczna kompozytów jest to, iż można modyfikować ich budowę wewnętrzną tak, by jej charakter był odpowiedni do spodziewanych warunków pracy. Jest to największą zaletą tego materiału i jest to cecha nie do przecenienia. Dzięki temu mamy możliwość tak dobrania i ułożenia wzmocnienia by przebiegało ono w miejscach największych naprężeń, dzięki temu uzyskujemy redukcję masy i znakomitą wydajność konstrukcji. Również modyfikacja osnowy daje nam ogromne możliwości, pozwala na stosowanie dodatków gwarantujących niepalność (zdyspergowanie w żywicy antypirenu) , lub zapewnienie przewodności elektrycznej w celu uniknięcia ładunków elektrostatycznych, oraz zastosowanie dodatków anty-abrazyjnych (SiC). Możliwe jest także takie dobranie materiałów oraz procesu technologicznego by zastosować Produkty laminatowe w przemyśle spożywczym i przetwórstwie żywności.

Powszechnie używane materiały wzmacniające:

Materiały kompozytowe powstają przeważnie równocześnie z wytwarzaniem wyrobu. Producent

zaopatruje się w płynną żywicę wraz z niezbędnymi dodatkami (utwardzacz, katalizator,

przyspieszacz, dodatki tiksotropowe, antypireny itp.) oraz wzmocnienie. Wzmocnienie jest oferowane

najczęściej w postaci:

  • Rovingu − utworzonego przez pasmo zawierające od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy

pojedynczych nie skręconych włókien, biegnących w przybliżeniu równolegle. Jeden z

najgrubszych wytwarzanych obecnie rovingów węglowych, oznaczony jako Fortafil 80k

zawiera 80000 elementarnych włókien węglowych o średnicy wynoszącej około 7 μm.

Przekrój netto takiego pasma wynosi 2,31 mm 2 . Włókna szklane mają większy przekrój od

węglowych − ich średnica wynosi około 8−15 μm. Z rovingu wytwarza się maty, tkaniny,

dzianiny i taśmy stosowane jako wzmocnienie w elementach płytowych i powłokowych o

strukturze warstwowej. Roving sprzedaje się w szpulach zawierających zwykle do kilkunastu

kilogramów włókna.

  • Mat − najczęściej wykonuje się je z rovingu ciętego na odcinki o długości około 25−50 mm,

które są rozłożone w sposób chaotyczny w płaszczyźnie. W celu zapewnienia spójności maty,

odcinki rovingu są posklejane tzw. lepiszczem. Maty oznacza się symbolem CSM (Chopped

Strandt Mat). Wytrzymałość na rozciąganie warstw wzmocnionych matą CSM jest nieduża

(100-130 MPa).

  • Tkanin − ten rodzaj wzmocnienia jest często stosowany podczas wykonywania konstrukcji

powłokowych. Ze zwykłych tkanin szklanych wytwarza się kompozyty o wytrzymałości na

rozciąganie wynoszącej około 200−400 MPa. W takich tkaninach włókna nie biegną

prostoliniowo, co nie sprzyja pełnemu wykorzystaniu ich właściwości mechanicznych. Pod

tym względem lepsze są tkaniny modułowe, zawierające po kilka delikatnie zszywanych ze

sobą warstw wzmocnionych jednokierunkowo. Nici łączące poszczególne warstwy nie

zaburzają istotnie prostoliniowego ułożenia włókien, dzięki czemu można w większym

stopniu wykorzystać ich wytrzymałość i sztywność .

  • Taśm jednokierunkowych wytwarzanych z rovingu biegnącego wzdłużnie (co najmniej 90%

włókien) oraz niewielkiej ilości włókien poprzecznych, zapewniających spójność oraz

sztywność i wytrzymałość poprzeczną. Z taśm wytwarza się elementy o wysokiej

wytrzymałości na rozciąganie i zginanie (nawet powyżej 1000 MPa). Taśmy jednokierunkowe

stosuje się m.in. przy renowacji belek nośnych mostów i innych zużytych konstrukcji

żelbetowych.

  • Tkanin trójwymiarowych – stosowanych bardzo rzadko w zwykłych zastosowaniach

kompozytów.

Parametry zbrojenia:

  • Rozkład,
  • Koncentracja,
  • Orientacja,
  • Kształt,
  • Wielkość.

Charakterystyka laminatów

Jak widać możliwości oraz spektrum zastosowania jest ogromne, właściwie urządzenia wykonane z laminatu znajdują zastosowanie w każdej gałęzi przemysłu. Zwłaszcza w przemyśle chemicznym i petrochemicznym, gdzie występują duże wyzwania związane z wysoką korozyjnością stosowanych materiałów. Jak już wspomniano, długi czas oczekiwanej –praktycznie bezobsługowej- eksploatacji dodatkowo zwiększa długą listę zalet, wszędzie tam gdzie istnieje problem korozji często jedynym rozwiązanie z racji panujących warunków jest laminat. Ale również w najprostszych konstrukcjach przemysłowych laminat jest wdzięcznym materiałem, który wykazuje się wysoką estetyką oraz niską ceną.

Zalety kompozytów

  • Wysoka sztywność,
  • Łatwość montażu,
  • Wysoka odporność na korozję i zmęczenie,
  • Dobry izolator,
  • Tłumienie drgań,

Do wad niestety należy zaliczyć kruchość oraz cenę początkową. Chociaż producenci lepiszcza coraz częściej proponują surowce bardziej elastyczne po utwardzeniu 😉 Natomiast moduł elastyczności można zwiększyć stosując odpowiednio długie włókna.

Przykłady kompozytów strukturalnych (z rdzeniami oraz warstwowe) oraz elementów wykonanych z laminatu