Композитные материалы состоят из двух или более различных физических свойств или различных химических веществ, объединённых композицией, образуя многокомпонентные, трёхмерно связанные материалы с явными интерфейсами между фазами и особыми свойствами. Основными компонентами являются армирующие материалы и матрица. Главная особенность — свойства композита превосходят свойства отдельных материалов, из которых он состоит.

Термопластичные композиты с армированием волокнами являются важной ветвью композитных материалов. Они армируются стекловолокном (GF), углеродным волокном (CF), арамидным волокном (AF) и другими волокнами для усиления различных термопластичных смол. За рубежом их называют FRTP (Fiber Reinforced ThermoPlastics). Современные армированные волокнами термопластичные композиты обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и усталостной выносливостью, простотой и коротким циклом формовки, высоким коэффициентом использования материала (без отходов), не требуют хранения при низких температурах, что делает их популярными в исследованиях материалов.

Типичные преимущества FRTP

Термопластичные композиты FRTP применяются уже несколько десятилетий. По сравнению с термореактивными композитами на основе фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных смол и полиуретанов, термопластичные композиты обладают особыми свойствами:

◆ Плотность низкая, прочность высокая: плотность FRTP составляет 1,1–1,6 г/см³ ³ что всего лишь 1/5–1/7 от плотности стали, и на 1/3–1/4 легче термореактивного стеклопластика, что позволяет получить более высокую механическую прочность и уровень применения при меньшей массе.

◆ Большая свобода проектирования свойств: физические, химические и механические свойства FRTP проектируются путём разумного выбора типа сырья, пропорций, методов обработки, содержания волокон и способа укладки. Поскольку видов матричных материалов гораздо больше, чем у термореактивных композитов, включая полиэфиркетон (PEKK), полиэфирэфиркетон (PEEK), полифенилсульфид (PPS), нейлон (PA), полиэфиримид (PEI) и другие, свобода выбора материалов значительно выше.

◆ Тепловые свойства: обычные пластики используются при температурах 50–100℃, армирование стекловолокном повышает этот предел выше 100℃. Температура тепловой деформации PA6 составляет 65℃, при армировании 30% стекловолокна она повышается до 190℃. Термостойкость PEEK достигает 220℃, при армировании 30% стекловолокна рабочая температура повышается до 310℃, чего термореактивные композиты достичь не могут.

◆ Химическая стойкость: определяется свойствами матричного материала. Существует множество видов термопластичных смол, каждая из которых обладает своими антикоррозионными характеристиками. Поэтому можно оптимально подобрать матричную смолу в зависимости от условий эксплуатации и среды, что обычно удовлетворяет требованиям. Водостойкость FRTP также лучше, чем у термореактивных композитов.

◆ Электрические свойства: FRTP обычно обладают хорошими диэлектрическими свойствами, не отражают радиоволны, хорошо пропускают микроволны. Поскольку FRTP имеют меньшую влагопоглощаемость, чем термореактивные стеклопластики, их электрические свойства лучше. Добавление проводящих материалов улучшает электропроводность и предотвращает накопление статического электричества.

◆ Отходы можно перерабатывать: FRTP можно многократно перерабатывать, отходы и обрезки могут быть использованы повторно без значительного ухудшения физических и механических свойств, что не вызывает загрязнения окружающей среды и хорошо соответствует современным экологическим требованиям к материалам.

Классификация FRTP

Существует множество видов FRTP, и в этой отрасли много терминов и английских аббревиатур, которые сложно систематизировать. По размеру сохраняемых волокон (L) изделия делятся на: термопласты с коротким волокном (SFRT, L<1,0 мм), термопласты с длинным волокном (LFT или LFRT, обычно L>10 мм) и термопластичные композиты с непрерывным волокном (CFRT, волокна обычно непрерывны и не прерываются).

По сравнению с SFRT, LFT характеризуются низкой плотностью, высокой удельной прочностью, высоким модулем упругости и высокой ударной вязкостью, что делает их подходящими для жёстких условий эксплуатации. Это одна из причин популярности LFT в прикладных отраслях. Распространённые материалы LFT можно разделить на три основные категории: термопласты, армированные стекловолоконным матом GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics), гранулы термопластов с длинным волокном LFT-G (Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules) и прямое формование термопластов с длинным волокном LFT-D (Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Direct).

CFRT можно использовать повторно, они обладают высокой удельной прочностью и жёсткостью, хорошей коррозионной стойкостью, ударопрочностью, термостойкостью, низкой стоимостью и гибкостью проектирования. Они имеют огромный потенциал в облегчении конструкции автомобилей, заменяя часть металлических и высококачественных полимерных материалов.

Применение FRTP

С появлением жёстких, термостойких и стойких к средам ароматических термопластичных смол (например, PEEK, PPS), а также развитием высокопрочных, высокомодульных, термостойких и коррозионностойких волокон, таких как углеродное волокно, арамидное волокно и карбид кремния, применение передовых FRTP расширяется в различных промышленных областях, таких как железнодорожный транспорт, автомобилестроение, авиация, бытовая техника и энергетика.

◆ Авиация и космос

FRTP обладают высокой жёсткостью, низкой стоимостью обработки и возможностью повторной переработки, хорошими огнестойкими, низкодымными и нетоксичными свойствами, а цикл отверждения измеряется минутами. Эти свойства делают их идеальными материалами для лёгких и недорогих авиационных конструкций.

В конструкциях авиационных корпусов FRTP в основном применяются в полах, передних кромках, управляющих поверхностях и деталях хвостового оперения — это относительно простые второстепенные несущие элементы. Самолёты Airbus A380, Airbus A350, бизнес-джет Gulfstream G650 и вертолёт Agusta Westland AW169 широко используют термопластичные конструкции. В Airbus A380 важнейшим FRTP-элементом является фиксированная передняя кромка крыла из стекловолокна/PPS. В корпусе Airbus A350 FRTP распределены на подвижных лонжеронах, нервюрах и соединениях фюзеляжа. В бизнес-джете Gulfstream G650 применение FRTP стало вехой: рамные нервюры давления выполнены из углеродного волокна/PEI, а руль направления и высоты — из углеродного волокна/PPS (см. рисунок 1).

◆ Автомобили

Разработка низкозатратных, короткосрочных и высококачественных технологий композитных материалов стала одним из ключевых факторов продвижения облегчения автомобилей. Многие отечественные автопроизводители уже сотрудничают с компаниями, обладающими передовыми технологиями композитных материалов для литьевого оборудования. Применение в легковых автомобилях включает: сиденья и их каркасы, направляющие окон, внутренние панели дверей, кронштейны бамперов, капоты двигателей, передние кронштейны, подножки, каркасы приборных панелей, направляющие, полы салона, ниши для запасных колес, кронштейны аккумуляторов, впускные коллекторы автомобилей. В отечественных автомобилях таких моделей, как Passat, POLO, Bora, Audi A6, Golf, Buick Excelle, Buick GL8 бизнес-вэн, уже используется большое количество высокопроизводительных FRTP-деталей, большинство из которых изготовлены с применением GMT или LFT (рисунок 2).

В применении к фургонам основным является PP-сотовая композитная панель, которая заменяет в настоящее время используемые в фургонах стальные каркасные алюминиевые мелковолнистые панели и стальные гофрированные листы.

◆ Железнодорожный транспорт

По несущим характеристикам их можно условно разделить на два типа: основные несущие элементы из композитных материалов и неосновные несущие элементы из композитных материалов. Основные несущие элементы из композитных материалов включают крупные несущие конструкции поезда, такие как кузов поезда, кабина машиниста и рама тележки, которые являются ключевыми для замены традиционных материалов композитами и облегчения конструкции транспортного средства. Неосновные несущие элементы из композитных материалов делятся на неосновные несущие элементы (например, кузов, пол и сиденья) и вспомогательные элементы (санузлы, туалеты и баки).

Распространённые технологии формовки FRTP

Ключевым технологическим этапом преобразования сырья в изделия из FRTP является процесс формовки, который является основой и условием развития отрасли. С расширением областей применения композитных материалов промышленность композитов быстро развивается, некоторые технологии формовки совершенствуются, появляются новые методы формовки. В настоящее время существует более 20 методов формовки FRTP, успешно применяемых в промышленном производстве. Ниже приведено краткое описание нескольких наиболее часто используемых методов.

◆ Литьё под давлением

Литьё под давлением является основным методом производства FRTP, имеет долгую историю и широкое применение. Его преимущества — короткий цикл формовки, минимальное энергопотребление, высокая точность изделий, возможность однократного формования сложных изделий с вкладышами, возможность производства нескольких изделий за один цикл, высокая производительность. Недостатки — высокие требования к производству волокнистых армированных композитов и качеству форм. По текущему уровню технологий максимальный вес изделия при литье под давлением составляет 5 кг, минимальный — 1 г. Этот метод в основном используется для производства различных механических деталей, строительных изделий, корпусов бытовой техники, электротехнических материалов, автомобильных комплектующих и т.д.

Технология формовки FTRP уже применяется в массовом производстве автомобильных конструктивных деталей. В настоящее время несколько поставщиков литьевого оборудования, таких как зарубежные ENGEL, KraussMaffei и отечественная компания Bole Plastic Machinery, находятся в авангарде этой технологии.

Технология прямого литья длинноволоконных армированных композитов (онлайн-смешивание и литьё) LFT-D-IM компании Bole Plastic Machinery объединяет непрерывное производство экструдером и прерывистое производство литьевой машины, при этом материал, смешанный в двухшнековом смесителе, напрямую вводится в форму, что позволяет выполнить несколько операций и использовать различные материалы за один цикл формовки, снижая энергопотребление, повышая эффективность, уменьшая термическое разложение материала и улучшая характеристики продукции. Эта технология широко применяется в автомобилестроении, бытовой технике, новых источниках энергии, железнодорожном транспорте, авиации и потребительской электронике (рисунок 3).

На выставке Chinaplas2022 компания ARBURG представит крупногабаритный гидравлический литьевой пресс ALLROUNDER 820 S, оптимизированный для прямого смешивания волокон (fibre direct compounding, FDC), с усилием смыкания 4000 кН и впрысковым узлом 3200, оснащённый специализированным 70-миллиметровым шнеком для обработки длинного стекловолокна. FDC — это технология облегчения веса, при которой волокна длиной до 50 мм подаются непосредственно в расплав через боковой загрузочный механизм рядом с впрысковым узлом. Особенность — высокая доступность материалов и снижение стоимости до 40% по сравнению с особыми длинноволоконными гранулами. Изделия, произведённые по технологии FDC, представляют собой инновацию в пластмассовой промышленности, особенно в автомобилестроении и аэрокосмической отрасли, где с помощью индивидуальной настройки длины стекловолокна достигаются необходимые физические свойства (рисунок 4).

◆ Экструзионное формование

Экструзионное формование — один из широко применяемых процессов производства изделий из FRTP. Его основные характеристики — непрерывный производственный процесс, высокая производительность, простота оборудования и лёгкость освоения технологии. Экструзионное формование в основном используется для производства труб, стержней, плит и профилей с нестандартным сечением.

◆ Намоточное формование

Процесс намоточного формования FRTP заключается в предварительном нагреве пропитанного смолой непрерывного волокна (препрега) и намотке его на сердечник с одновременным нагревом для расплавления смолы, затем под давлением препрег послойно склеивается в единое целое, после охлаждения получается соответствующая деталь. Этот метод подходит для изготовления цилиндрических и шарообразных изделий, обладает хорошей воспроизводимостью и стабильными характеристиками.

◆ Вытяжное формование

Процесс вытяжного формования (pulling extrusion, pultrusion) заключается в том, что препрег под действием тягового усилия проходит через экструзионную матрицу, формируется и отверждается, что позволяет непрерывно производить полые и профилированные изделия неограниченной длины.

Если необходимо получить длинные и тонкие профили для дверей и окон или арматуру для бетона, то на сцену выходит процесс вытяжного формования. Волокна в вытяжных профилях полностью совпадают с направлением нагрузки, что делает готовые изделия особенно превосходными по материалу и весу. В 2017 году KraussMaffei первой представила комплексную систему вытяжного формования под ключ — iPul (рисунок 5), которая вызвала большой интерес в строительной, ветроэнергетической и автомобильной отраслях. Система iPul интегрирует впрыск смолы и линию тяги профилей, обеспечивая полный контроль процесса вытяжного формования стекловолокна и углеродного волокна, помогая повысить эффективность производства композитных профилей и снизить затраты. Система iPul оснащена формами, дозирующими машинами и различными аксессуарами, обеспечивая высокую производственную скорость до 3 м/мин. Тесное сотрудничество с партнёрами по материалам Covestro, Huntsman и Evonik позволяет обрабатывать высокореактивные матричные материалы.

Эксперт по термопластичным композитам для пултрузии — французская компания CQFD разработала технологию ин-ситу пултрузии, при которой волокна или ткани под внешним натяжением пропитываются мономером капролактама и инициатором, затем формуются и полимеризуются в формовочной матрице с нагревом, в итоге получается готовое изделие. Объемное содержание волокон в изделиях, сформованных этим процессом, может достигать 70%, а модуль упругости вдоль волокон — 60 ГПа (усиленные волокна — стекловолокно), что обеспечивает отличное удельное прочностное и модульное соотношение. Эта технология применяется в FRTP-ударных балках, разработанных CQFD совместно с PEO и Hyundai, где основное формование выполнено методом ин-ситу пултрузии с использованием непрерывного стекловолокна, армированного PA6 (торговая марка C-SHOCK®), а затем методом покрытия и впрыска формируются монтажные точки ударной балки. Вся конструкция по сравнению с металлической балкой легче на 43% (3,7 кг). С учетом возможного снижения стоимости углеродного волокна в ближайшие годы, эта прорывная концепция поможет автомобильной промышленности достичь целей по снижению веса и энергосбережению (рисунок 6).

◆ Формование под давлением

Формование под давлением — это процесс, при котором термопластичные препреги нарезаются и укладываются слоями, затем помещаются в форму и нагреваются до температуры формования. После достижения нужной температуры на слои препрега оказывается давление прессом, происходит отверждение и получают плиты, листы или другие простые формы изделий. Этот метод обычно занимает от нескольких десятков секунд до нескольких минут, отличается низким энергопотреблением и производственными затратами, высокой производительностью и является наиболее распространенным методом формования FRTP, главным образом используемым для производства дверей автомобилей, приборных панелей, передних рам, внутренних панелей и т.д.

Для некоторых сложных элементов, монтажных мест и ребер жесткости формование под давлением трудно реализовать, поэтому на рынке появились технологии комбинированного формования под давлением и впрыска, такие как Organomelt от ENGEL, FiberForm от KraussMaffei и OIHM от Bole.

Технология FiberForm, впервые представленная KraussMaffei на выставке NPE в США в 2018 году, представляет собой идеальное сочетание термоформования и впрыска, обеспечивающее высокий уровень функциональной интеграции. Она применяется для изготовления каркасов сидений и спинок, креплений приборных панелей, модулей дверей, боковых защитных элементов, креплений аккумуляторов и других компонентов. Процесс состоит из шести этапов (рисунок 7): сначала извлекается листовой препрег, который нагревается в печи, затем перемещается в форму, где происходит горячее прессование. После этого выполняется впрыск сзади, и изделие извлекается из формы. Эта технология позволяет сочетать легкие материалы и дизайн, повышая прочность композитов, а также легко автоматизируется, обеспечивая эффективное производство в ограниченном пространстве. Технология FiberForm при снижении расхода материалов значительно уменьшает выбросы углерода при производстве, способствуя достижению целей устойчивого развития «двойного углерода».

◆ Формование с передачей смолы (RTM)

Технология формования с передачей смолы (RTM) заключается в том, что армирующий материал и вставки сначала укладываются и зажимаются в форме, затем через специальные впускные отверстия при определенной температуре и давлении вводится смола, после чего происходит отверждение и формование изделия. Этот метод не требует сложного оборудования и форм, имеет низкие инвестиции и производственные затраты, позволяет изготавливать крупногабаритные изделия, которые невозможно произвести другими методами прессования, подходит для изделий массой 15–25 кг. В последние годы это быстро развивающаяся технология для производства разнообразных, среднесерийных и высококачественных композитных изделий, в основном используемая для изготовления кузовных панелей автомобилей, бамперов, корпусов коробок передач, кузовов малотоннажных грузовиков и т.д.

При эффективном производстве крупногабаритных, прочных и легких конструктивных деталей применяется технология HP-RTM высокого давления от ENGEL, при которой сухие волокнистые полуфабрикаты пропитываются вводимой смолой, а затем отверждаются под нагревом. Это позволяет производить плоские автомобильные детали высокого качества и прочности, такие как высококачественные системы крыши и кузовные элементы (рисунок 8).

Текущее состояние рынка и перспективы

Хотя FRTP многими рассматривается как следующий прорыв в материалах, за годы применения его использование остается ограниченным, а проникновение на внутренний рынок не достигло ожидаемого уровня. Причины этого следует искать в технических характеристиках, производительности и стоимости.

Во-первых, по сравнению с термореактивными композитами, начальная стоимость FRTP часто выше, температура обработки выше, а стоимость оснастки и форм обычно выше. Традиционные производители деталей могут быть не знакомы с современными технологиями обработки FRTP, что приводит к преувеличению ограничений и мнению, что FRTP уступает термореактивным композитам. Преимущества и ценность FRTP не были должным образом признаны и использованы, что напрямую влияет на нормальный рост рыночного спроса и препятствует дальнейшему развитию и применению FRTP с точки зрения предложения и спроса. Во-вторых, технологии производства FRTP требуют высокого уровня, что ограничивает вход на рынок компаний с недостаточным техническим уровнем и производственными возможностями. Кроме того, высокая стоимость сырья — высококачественные термопластичные смолы стоят в десятки раз дороже обычных термореактивных эпоксидных смол, а высокие требования к технологиям производства усугубляют ситуацию, что делает изделия из FRTP, особенно на основе высококлассных термопластичных смол PEEK, PI, очень дорогими, что сдерживает спрос на конечные применения. Наконец, в нашей стране по-прежнему отсутствуют ключевые технологии и оборудование для подготовки материалов и формования конструкций.

Тем не менее, как только качество технологий достигнет требуемого уровня, а стоимость снизится до приемлемого для рынка уровня, и научные достижения будут эффективно преобразованы в производственные мощности, с быстрым развитием авиационной промышленности, автомобилестроения, электроники, ветроэнергетики, высококлассного медицинского оборудования, интеллектуальной техники и других отраслей, индустрия FRTP в нашей стране обязательно вступит в новую фазу развития, получит больше рыночных возможностей и долю рынка в ближайшие годы, и перспективы останутся многообещающими.

Отказ от ответственности Используется исключительно для обмена и распространения профессиональных знаний и рыночной информации о композитных материалах, не предназначено для коммерческих целей. Если возникают вопросы по авторским правам или содержанию, пожалуйста, свяжитесь с нами как можно скорее. Мы оперативно решим эти вопросы.