הקדמה: כיצד מדע חומרי מעצב מחדש את Composites

דחיפה לחומרים קלים, חזקים יותר, עמידים יותר מעולם לא הייתה אינטנסיבית יותר.ממטוסים יעילים למכוניות חשמליות וציוד ספורט הדור הבא, תעשיות דורשות מורכבות המספקות תכונות מכניות יוצאות דופן מבלי להוסיף משקל.בלב המהפכה הזו שוכנת מדע חומרי - המחקר השיטתי וההנדסה של אבני הבניין של החומר.על ידי מניפולציה של סיבים, ניסוחים פולימרים, וממשקים בקנה מידה מולקולרי, יוצרים טכנולוגיות דיגיטליות אלה, אשר מתחרותיות, אשר מתחרותיות חומרים, ומחמות את הגורמות לממשקים מדויקים, חומרים מדויקים, אשר ממערכות פלסטיות, ומחמות, ומחמותקנן, אשר ממערכות מורכבות, הן ממתכת, ממערכות עיבוד חומרים ממערכות עיבוד חומרים ממערכות עיבוד חומרים ממתכתיות, חומרים, הן ממתכתיות, ומחמותקים, חומרים אלה, חומרים ממערכות טכנולוגיות דיגיטליות, ממתכת, ומחמותגים את החומרים הממריצים את החומרים המסובכות את החומרים האלה.

המונחים: טקסטיל Composites

טקסטיל מורכב חומרים היברידיים המורכבים של סיבים ממושכות בתוך ממטריקס מתמשך - באופן רטיפין שרף פולימרי. הסיבים מספקים כוח רביר, קשיחות, ולעתים קרובות השפעה התנגדות, בעוד הממטריקס מבסס את הסיבים יחד, מעביר עומסים מתעוררים ביניהם, ומגן עליהם מפני השפלה סביבתית.

הסדר הסיבים – בין אם זורק, מחוספס, מגרד, או לא-זר – משפיע גם על האנתרופוסופיה של המסובייק, התנהגות השפעה וכושר צורה. לדוגמה, לבה חד-צדדי פחמן-פיבר מציע כוח מצוין לאורך ציר הסיבים, אך חלש בכיוון ההפוך, בעוד שרצון קיננטי מספק ביצועים טרופיים יותר.

בניגוד לחומרים מונוליטיים, תרכובות טקסטיל מאפשרות למעצבים להתאים את התכונות לנתיבי עומס ספציפיים, להפחית במשקל שבו ניתן ולחדש אזורים קריטיים.יכולת להתאים את עצמה היא מדוע מהנדסי חלל ומכוניות משקיעים רבות בעיצוב מורכב, ומדוע מדענים חומריים מחפשים כל הזמן שילובים טובים יותר של סיבים.

התפקיד של מדעי החומר בפיתוח Composite

מדע חומרי הוא המשמעת כי גשרים כימיה, פיזיקה והנדסה כדי להבין ולשפר את ההתנהגות החומרית. בהקשר של טקסטיל מורכב, המיקוד העיקרי שלה הוא על שלושה תחומים: סיבים, ממטריקס, ואת הממשק ביניהם. על ידי לימוד אינטראקציות בקנה מידה אטומי, מבנים גבישיים, סבך שרשרת פולימר, משטחים אנרגטיים, מדענים חומריים יכולים לחזות ולשפר את ביצועי המאקרו בקנה מידה.

סיווג ובדיקה

טכניקות מתקדמות כגון סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM), X-ray diffraction (XRD), וניתוח מכני דינמי (DMA) מספקים תובנה ישירה של מתחנן סיבית, תוכן ריק, ומעברים שלב. שיטות אלה מאפשרות לחוקרים לתאים פרמטרים עיבוד עם קשיחות מורכבת סופית, עייפות חיים והתנגדות.

מודלים

מדע החומר המודרני גם מסתמך על כלים חישוביים - ניתוח אלמנט בסיסי (FEA), סימולציות מולקולריות (MD) ולמידה מכונה - למסך זוגות סיבים פוטנציאליים לפני ניסויים פיזיים יקרים.מודלים אלה מסייעים לחזות כיצד היבטים שונים של סיבים, התפלגות אוריינטציה, ומדיקות קישורי מטריצה משפיעים על התרחבות תרמית, רפיח, השפעה על ספיגה אנרגיה.

טכנולוגיות סיבים מתקדמות

סיבים הם המרכיב העיקרי של עומס בתרכובות טקסטיל, והתפתחויות האחרונות הרחיבו באופן דרמטי את חלל העיצוב.

צינורות פחמן (CNTs) ו Graphene

ננו-בוטיקים (CNTs) וגרף מציעים חוזקות פילים תיאורטיות הרבה יותר מעל הציונים המסחריים הנוכחיים של סיבי פחמן.חוקרים משלבים CNTs לסיבים מורכבים - או כציפוי על סיבים פחמן קונבנציונליים או ככוח נפרד של ננו-reinforcement בתוך הממטריקס. A מחקר מה-FLT:0NASA מחקר מחקר מחקר מחקר של טיסה ארמסטרונג מרכז LTFVERFAR1, אשר הוכיח כי הוא כוח-CNTK-R.

אולטרה-Molecular-Weight Polyethylene (UHMWPE)

סיבים UHMWPE, ממושמע כמו Dyneema® ו- Spectra®, החליפו את aramid ביישומים רבים בליסטיים וימיים בשל העוצמה הספציפית יוצאת הדופן שלהם (יחס משקל) ודחיסות נמוכה (0.97 g/cm3). סיבים אלה מיוצרים באמצעות ג'ל-ספנינגזמה, אשר מאוד אונים את השרשראות פולימרים, השגת גבישים מעל 80% חומרים עכשיו עובדים על טכניקות דלקתיות של UPTic של או עם טיפול לא-Hacks כמו טיפול תרופתי עם ⁇ עם ⁇ נמוך עם ⁇ (HPTic) עם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Aramid ו- Next-Generation Variants

סיבי ארמיד (למשל, Kevlar®) נשארים פופולריים עבור עמידות בחום וקיצוץ הגנה.FLT:0 (DuPontveFLT:1 הציגה ניוון הבא aramids עם מבנים כימיים שונים אשר משפרים את יציבות ה-UV ולהפחית את ספיגה, גורמי מפתח עבור משווקים חיצוניים.

סיבים טבעיים ומבוססים על biobased

פלמקס, קנבוס, וג'טה הם צוברים מתחופים במכוניות ומוצרי הצריכה כחלופות בר קיימא.למרות שהכוח המוחלט שלהם נמוך מפחמן או זכוכית, צפיפות נמוכה שלהם, רטט, ואמינות ביולוגית הופכת אותם אטרקטיביים עבור לוחות פנימיים ורכיבים לא-structural.חומרים מדענים מפתחים טיפולים כימיים (אלקאלי או סילי) כדי לשפר את התחמקת הסיבים והלחות, לדחוף טבעי קרוב יותר לדרישות תעשייתיות.

חידושים בפולימר Matrices

הממטריקס הוא לעתים קרובות הגורם המגביל של עמידות מורכבת.מדע החומרים הפיק מספר פריצות דרך בכימיה של מטריקס פולימר.

Thermoplastic Matrices: oughness and Recyclability

התרמופלסטיקה כגון פוליא ישנורקטון (PEEK), פוליפנולן sulfide (PPS), ופולימיד-6 (PA6) מציעים קשיחות גבוהה והתנגדות השפעה בהשוואה לתרמומנטים מסורתיים.הם גם מאפשרים מחזורי ייצור מהירים יותר (חום חם שנוצר תוך דקות) ומחזוריות מחדש - חומרים יכולים להיות מחוסנים ומעבדים מחקר עדכני על פני FLT:0Flasticity) ו-Lys (Ricials) משקף תכונות מורכבות (Ricial) ו-L) ממושכות (Ricials) מ-Lexated) ו-LRicials (Ricials) ו-Lexertricing 50% מ-LLCD) מ-Lactertricing) מ-Lactertricing) ממושכות ל-Lactertricing) ו-Lexertricing 50% ממושכות (Ricials) מ-LLCDupatives (Ricials) ו-Ricials) ו-LLCDLCDLCDLCDLCD) ו-R.

Eoxies ו Polyurethanes

כדי להפחית את ההסתמכות על מזון מבוסס מאובנים, מדענים חומריים מפתחים epoxy ופוליאורטן resinsins ממקורות מתחדשים כגון שמנים צמחיים, lignin, ו Cardanol (פנול הנגזר מפגזי אגוזי מזומנים) אלה ממאכלולים המבוססים על הביו יכול להתאים או לעלות על הביצועים של רפנים קונבנציונליים במונחים של טמפרטורת מעבר זכוכית ומודולים של יאנג כאשר הם מתאימים כראוי, עם עקרונות biodeed יתר על ידי גירוי ביולוגי.

כישוף עצמי וצורה - מזכר פולימרים

מחקר חדשני חוקר מזחלות שיכולות לתקן micro-cracks באופן אוטונומי באמצעות מיקרו-capsules משובצ המכיל סוכני ריפוי.כאשר סדקים, הקפסולות קרע, שחרור מונומר כי פולימרים כדי לאטום את הפגם. בדומה, פולימרים בצורת-מרניים מאפשרים לטבולים להיות מוצבים בצורת זמנית ומוצבים מאוחר יותר (על ידי חום או אור) לחזור לצורה המקורית שלהם, המאפשרת לצורות מתקדמות של מערכות מתמטיות של עיצוב.

הנדסת סודיות ו Durability

הממשק בין סיבים למטריקס הוא ככל הנראה האזור הקריטי ביותר השולט בביצועים מורכבים. ממשק חלש מוביל לכישלון מוקדם באמצעות סיבים מושכים-out ו- delamination, בעוד ממשק חזק מדי עלול לגרום להתנהגות מתפתלת.חומרים מהנדס את הממשק באמצעות טיפולים על פני השטח, סוכנים מתפתלים, ושכבות בין-phase.

טכנולוגיות טיפול פנים

עבור סיבים פחמן, טיפולים חמצון (למשל, אלקטרוליטיים anodization) להציג קבוצות carboxyl ו הידרוקסיל שמשפרות יכולת וחיבור כימי עם טיפול epoxy. Plasma תחת חמצן או אטמוספרה אמוניה ליצור אתרים תגובתיים על פני כדור הארץ משופר ו- UHMWPE. מחקר שפורסם ב- FLT:0ites Part AFalird לאחר טיפול מכני של 30% לאחר שיפור של פלסמה.

סוכני שיתוף פעולה וסינגינגס

סוכנים קופלינג - לעתים קרובות silanes או titanates - לפעול כמו גשרים מולקולריים בין פני סיבים אורגניים לבין ממטריקס אורגני. עבור סיבים זכוכית, sizing מבוסס סילנית הם סטנדרטיים; מדענים חומרים מעצבים עכשיו sizing רב תפקודית כי גם לפעול כמו ייצוב UV או משחתות להבה.

אופטימיזציה של שכבת ה-Interphase Layer Optimization

בכמה מסובכים מתקדמים, אינטרפאוזה מכוונת - אזור דק של מודלוס מבוקר - בין סיבים וממטריקס יכול לשפר את הקשידות ללא הקרבה כוח.זה מושג על ידי יישום שכבת פולימרים דוקטרלית (למשל, פוליאוריטאן) על הסיבים לפני הטמעתו בסימולציות של פלסאוקס.פיניט מוכיח כי סימולציות כאלה בין-מסוגות להפחית את הלחץ ואת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הזיהומים של חומרים מתחום החנקן (חומרים) כמו מיקרו-מיקרו-מרחבים המובילים יותר ויותר.

יישומים שמשתנים תעשיות

השילוב של תרכובות טקסטיל קלות ועמידות מאפשר שינויים טרנספורמטיביים על פני מגזרים מרובים.

חללי תעופה

Airbus A350 ובואינג 787 מכילים יותר מ-50% משקל מבני מורכב - בעיקר פחמן דו-אפקסי להלונים עבור לוחות מתפתלים, עורי כנף ורכיבי זנב.מדע חומרי הפחית את זמני ההסרה, שיפור עמידות לחות, והציג מילויים מוליכים להגנה ברקים.

רכב

יצרני רכב חשמליים כמו טסלה ורביאן מעסיקים מרוכבים פחמן-פיבר עבור אולמות סוללה ופאנלים גוף, והצלת מסה להרחיב את טווח. UHMWPE מורכב להופיע תחת מגבונים להגנה על השפעה.השינוי לייצור בנפח גבוה הוא מניע מחקר מדעי החומרי לתוך תרמופלסטים מהירים והחלפת הילוך אוטומטי.

ספורט וכיף

מסדקים טניס ועד מסגרת אופניים, טקסטיל מורכב שולט ציוד ביצועים גבוהים.מדריכי סקי להשתמש מלונים היברידיים פחמן-aramid המשלבים קשיחות עם לחות; נעלי ריצה עכשיו לשלב צלחות פחמן-מברבזר עבור החזרת אנרגיה. מדעני חומרים ממשיכים tweak סיבי שבריריות ומניחים רצפים כדי להתאים משקל, קשיחות, להרגיש.

אנרגיה מתחדשת

להבים טורבינות הרוח, לעתים קרובות מעל 80 מטרים אורך, הם בין המורכבים הטקסטיל הגדולים ביותר.מערכות זכוכית-פיבר / thermoset משודרגות עם ספיגים פחמן-פייבר כדי להפחית את משקל הלהב ולהגביר את היעילות האירודינמית.מדע חומרי מתייחס גם לעייפות על ידי פיתוח מערכות epoxy קשיחות יותר ומונע לחות בהתקפה באמצעות מחסנים מתקדמים.

קווי עתיד וגבולות מחקר

מסלול המדע החומרי מצביע על מורכבות אפילו יותר, חזקה יותר, חכמה יותר.

המונחים: bio-based and Sustainable Composites

הערכה מלאה של מחזור חיים (LCA) היא פיתוח של תרכובות עם סיבים bio-derived וסיבים הניתנים למחזור.זרימה "ירוקה" epoxies מ lignin ו- tannins, בשילוב עם סיבים טבעיים, יכול להפחית את טביעת הרגל פחמן עד 60% בהשוואה ל- זכוכית קונבנציונלית-epoxy. עם זאת, עמידותם בסביבות רטובות נשאר מוקד של מחקר מדעי החומרי.

שילוב של סיבים חכמים וחיישנים

חיישנים מעומקים (piezoelectric, סיבים אופטיים Braggings) בתוך טקסטיל מורכב מאפשרים ניטור בריאות מבני - מדגימים מתח, טמפרטורה, ונזקים משפיעים בזמן אמת.חומרים מפתחים ציפויים פולימרים מוליכים ורשתות פחמן-nanotube כי להכפיל כמו חיישנים ללא תוספת משקל משמעותי או שילוב ביצועים מכניים משמעותיים.

ייצור תוספתי ו- 3D-Woven Preforms

רובוטי 3D נזלת וסיבים אוטומטיים (AFP) מטשטשים את הקו בין טקסטיל ומורכבים.טכניקות אלה מאפשרות preforms ליד-net-shape עם ארכיטקטורות סיבים מורכבים, צמצום פסולת ועבודה ידנית. מדעי החומרים בבסיס ההתנהגות התרתולוגית של השרף במהלך AFP וריפוי קינטיקה עבור תהליכים של אלקטורים.

Multifunctional Composites

תרכובות טקסטיל עתידיות עשויות לשלב פונקציות מבניות, תרמיות וחשמליות.לדוגמה, לוחות פחמן-פיבר יכולים לשמש גם אנאנטנות, כיור חום, או אלקטרודות סוללות.מערכות רב-תפקודיות כאלה דורשות הבנה עמוקה של מדע החומרי של סף ההנצחה, אימפולסים מוליכות תרמיים ויציבות אלקטרוכימית.

מסקנה

מדע חומרי הוא המנוע המניע את האבולוציה של חומר קל משקל, טקסטיל עמיד מורכב.על ידי שליטה בכימיה סיבים, ניסוח ממטריקס וארכיטקטורת ממשק ברמה המולקולרית, החוקרים דוחקים באופן עקבי את הגבולות של מה חומרים אלה יכולים להשיג.התוצאה היא דור חדש של תרכובות המסייעות למטוסים רחוק יותר, לנהוג יותר, ספורטאים מבצעים ביצועים טובים יותר, ו טורבינות רוח לייצר אנרגיה נקייה יותר, כמו ביצועים ודרישות בהירות יותר, תובנות של מדע נשארות חומרים מסוכנים, אך היום, לא תגמולים של חומרים מורכבים, אך לא בהכרח, הם הכרחיים של שיטות פעולה מורכבות, אלא גם תקנים מורכבים, אך לא יציבים, אבל היום, לא תקנים מורכבים, אבל הם הכרחיים של פעילות גופנית, הם הכרחיים, אבל הם הכרחיים, אבל הם הכרחיים של אנרגיה יעילה יותר, אבל מחר.