Bardzo różne materiały
Materiały kompozytowe różnią się od materiałów konwencjonalnych tym, że części kompozytowe zawierają dwa odrębne składniki – materiały włókniste i matrycowe (najczęściej żywice polimerowe), które pozostają oddzielone po połączeniu, ale oddziałują, tworząc nowy materiał, którego właściwości nie można przewidzieć poprzez proste dodanie właściwości jego składniki.
W rzeczywistości jedną z głównych zalet kombinacji włókna/żywicy jest jej komplementarność. Na przykład cienkie włókna szklane mają stosunkowo dużą wytrzymałość na rozciąganie, ale łatwo ulegają uszkodzeniu. Natomiast większość żywic polimerowych ma słabą wytrzymałość na rozciąganie, ale są bardzo wytrzymałe i plastyczne. Jednak gdy połączy się włókno i żywicę, mogą one zrównoważyć swoje słabości, tworząc materiał o wiele bardziej użyteczny niż jakikolwiek pojedynczy komponent.
Właściwości strukturalne kompozytów wynikają głównie ze wzmocnienia włóknami. Komercyjne kompozyty przeznaczone na duże rynki, takie jak części samochodowe, statki, towary konsumpcyjne i odporne na korozję części przemysłowe, są zwykle wykonane z nieciągłych, losowo zorientowanych włókien szklanych lub ciągłych, ale nieorientowanych form włókien.
Zaawansowane kompozyty, pierwotnie opracowane dla wojskowego rynku lotniczego i kosmonautycznego, które sprawdzają się lepiej niż tradycyjne metale konstrukcyjne, są obecnie stosowane w satelitach komunikacyjnych, samolotach, sprzęcie sportowym, transporcie, przemyśle ciężkim i sektorze energetycznym przy poszukiwaniach ropy i gazu oraz budowie turbin wiatrowych.
Kompozyty o wysokiej wydajności wywodzą swoje właściwości strukturalne z ciągłych, zorientowanych materiałów wzmacniających włókna o wysokiej wytrzymałości -- najczęściej z włókna węglowego, włókna arylopoliamidowego lub włókna szklanego -- w matrycy, która poprawia obrabialność i właściwości mechaniczne takie jak sztywność i odporność chemiczna.
Można kontrolować orientację włókien, co jest czynnikiem poprawiającym wydajność w każdym zastosowaniu. Na przykład w kompozytowych trzonkach kijów golfowych włókna borowe i węglowe są ułożone pod różnymi kątami w kompozytowym trzonku, co umożliwia pełne wykorzystanie ich właściwości wytrzymałościowych i sztywności oraz wytrzymuje obciążenia momentem obrotowym oraz wielokrotne siły zginania, ściskania i rozciągania.
Włókno szklane
Zdecydowana większość włókien stosowanych w przemyśle kompozytowym to szkło. Włókno szklane to najstarszy i najpopularniejszy materiał wzmacniający stosowany w większości zastosowań na rynku końcowym (z ważnym wyjątkiem w przemyśle lotniczym) w celu zastąpienia cięższych elementów metalowych.
Włókno szklane jest cięższe i mniej sztywne niż włókno węglowe, kolejny najpopularniejszy materiał wzmacniający, ale jest bardziej odporne na uderzenia i ma większe wydłużenie przy zerwaniu (to znaczy rozciąga się w większym stopniu przed zerwaniem). Można uzyskać szeroki zakres charakterystyk i poziomów wydajności w zależności od rodzaju szkła, średnicy włókna, składu chemicznego powłoki (zwanej „kabinacją”) i postaci włókna.
Włókna szklane dostarczane są w postaci wiązek zwanych pasmami, które stanowią zbiory ciągłych włókien szklanych.
Roving to zwykle wiązka nieskręconych pasm owiniętych jak nić wokół dużej szpuli. Roving jednostronny składa się z ciągłego pasma wielu włókien szklanych biegnących wzdłuż pasma. Niedoprzęd wielokońcowy zawiera długie, ale nie całkowicie ciągłe pasma, które są dodawane lub upuszczane w układzie schodkowym podczas nawijania. Przędza to zbiór pasm skręconych ze sobą.
Włókno o wysokiej wydajności
Włókno węglowe – zdecydowanie najpowszechniej stosowane w zastosowaniach o wysokiej wydajności – składa się z różnych systemów prekursorów, w tym poliakrylonitrylu (PAN), sztucznego jedwabiu i asfaltu. Włókna prekursorowe są poddawane obróbce chemicznej, podgrzewane i rozciągane, a następnie karbonizowane w celu wytworzenia włókien o wysokiej wytrzymałości. Pierwsze na rynku wysokowydajne włókno węglowe zostało wykonane z prekursorów sztucznego jedwabiu.
Obecnie w większości zastosowań włókna poliakrylonitrylowe i na bazie asfaltu zastąpiły włókna sztuczne. Najbardziej wszechstronne jest włókno węglowe na bazie patelni. Oferują niesamowity zakres właściwości, w tym doskonałą wytrzymałość i wysoką sztywność. Włókna asfaltowe są wytwarzane z bitumu naftowego lub smoły węglowej i mają wysoką lub bardzo wysoką sztywność oraz niski lub ujemny osiowy współczynnik rozszerzalności cieplnej (WRC). Ich charakterystyki CTE są szczególnie przydatne w zastosowaniach statków kosmicznych wymagających zarządzania ciepłem, takich jak obudowy instrumentów elektronicznych.
Chociaż są mocniejsze niż włókna szklane czy aramidowe, włókna węglowe są nie tylko mniej odporne na uderzenia, ale także ulegają korozji galwanicznej w kontakcie z metalem. Producenci przezwyciężają ten ostatni problem, stosując podczas procesu laminowania materiały barierowe lub warstwy welonu (zwykle włókno szklane/epoksyd).
Podstawową formą włókna węglowego o wysokiej wydajności jest ciągła wiązka włókien zwana wiązką włókien. Wiązka włókien węglowych składa się z tysięcy ciągłych, nieskręconych włókien ciągłych, których liczba jest reprezentowana przez liczbę, po której następuje litera „K”, co oznacza pomnożenie przez 1,000 (na przykład 12K oznacza liczbę włókien 12,000). Pęczki można stosować bezpośrednio w procesach takich jak nawijanie włókien lub formowanie pultruzyjne lub można je przekształcić w jednokierunkowe taśmy, tkaniny i inne wzmocnione formy.
