Композиционные материалы представляют собой материалы, состоящие из двух или более компонентов с различными физическими или химическими свойствами, объединенных в многофазную трехмерную структуру с четкими границами раздела между фазами и обладающие особыми свойствами. Они состоят в основном из армирующего материала и матричного материала. Их основная особенность заключается в том, что свойства композитного материала превосходят свойства отдельных составляющих его материалов.

Волокнисто-армированные термопластичные композиты являются важным направлением в области композиционных материалов. Они представляют собой различные термопластичные смолы, армированные стекловолокном (GF), углеродным волокном (CF), арамидным волокном (AF) и другими волокнистыми материалами. За рубежом они известны как FRTP (Fiber Reinforced ThermoPlastics). Передовые волокнисто-армированные термопластичные композиты обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и усталостной прочностью, простой и быстрой технологией формования, высокой эффективностью использования материала (без отходов), отсутствием необходимости в низкотемпературном хранении и другими превосходными свойствами, что делает их предметом интенсивных исследований в материаловедении.

Типичные преимущества FRTP

Термопластичные композиционные материалы FRTP успешно применяются уже несколько десятилетий. По сравнению с термореактивными композиционными материалами на основе фенолформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и полиуретановых смол, термопластичные композиты обладают рядом особых свойств:

◆ Низкая плотность, высокая прочность: Плотность FRTP составляет 1,1–1,6 г/см ³ ³, что составляет всего 1/5–1/7 от плотности стали и на 1/3–1/4 меньше, чем у термореактивных стеклопластиков. Это позволяет получать более высокую механическую прочность при меньшей массе.

◆ Высокая степень свободы в проектировании свойств: Физические, химические и механические свойства FRTP проектируются путем рационального выбора типов и соотношения исходных материалов, методов обработки, содержания волокон и способа укладки. Поскольку количество типов матричных материалов значительно больше, чем у термореактивных композитов (включая полиэфирэфиркетон (PEKK), полиэфирэфиркетон (PEEK), полифенилсульфид (PPS), нейлон (PA), полиэфиримид (PEI) и др.), степень свободы при выборе материалов значительно выше.

◆ Тепловые свойства: Обычно температура применения пластмасс составляет 50–100 °C. Армирование стекловолокном позволяет повысить ее до 100 °C и выше. Температура теплового прогиба PA6 составляет 65 °C, а при армировании 30% стекловолокном — 190 °C. Теплостойкость PEEK достигает 220 °C, а при армировании 30% стекловолокном рабочая температура повышается до 310 °C. Термореактивные композиты не достигают такой высокой теплостойкости.

◆ Химическая стойкость: В основном определяется свойствами матричного материала. Существует множество типов термопластичных смол, каждая из которых обладает своими антикоррозионными свойствами. Поэтому в зависимости от условий эксплуатации и среды можно выбрать оптимальный тип матричной смолы, которая обычно удовлетворяет требованиям эксплуатации. Водостойкость FRTP также превосходит водостойкость термореактивных композитов.

◆ Электрические свойства: FRTP обычно обладает хорошими диэлектрическими свойствами, не отражает радиоволны и хорошо пропускает микроволны. Поскольку водопоглощение FRTP ниже, чем у термореактивных стеклопластиков, его электрические свойства лучше. Добавление электропроводящих материалов в FRTP может улучшить его электропроводность и предотвратить накопление статического электричества.

◆ Возможность переработки отходов: FRTP можно многократно перерабатывать, а отходы и обрезки могут быть повторно использованы без существенного изменения физико-механических свойств. Это предотвращает загрязнение окружающей среды и отвечает современным экологическим требованиям к материаловедению.

Классификация FRTP

Существует множество типов FRTP, и в этой отрасли используется слишком много английских сокращений, что создает путаницу. В зависимости от размера сохраняемых волокон (L) их можно разделить на: коротко-волокнистые армированные термопласты (SFRT, L < 1,0 мм), длинноволокнистые армированные термопласты (LFT или LFRT, обычно L > 10 мм) и непрерывноволокнистые армированные термопластичные композиты (CFRT, волокна обычно непрерывные, неразрезанные).

По сравнению с SFRT, LFT обладает низкой плотностью, высокой удельной прочностью, высоким удельным модулем и высокой ударной вязкостью, что делает его пригодным для использования в жестких условиях. Это одна из основных причин популярности LFT в различных отраслях. Наиболее распространенные материалы LFT можно разделить на три основные категории: термопластичные материалы, армированные стеклянным матом (GMT — Glass Mat Reinforced Thermoplastics), гранулы длинноволокнистых армированных термопластов (LFT-G — Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Granules) и длинноволокнистые армированные термопласты, формованные непосредственно на линии (LFT-D — Long-Fiber Reinforced Thermoplastic Direct).

CFRT можно использовать повторно, они обладают высокой удельной прочностью и жесткостью, хорошей коррозионной стойкостью, ударной вязкостью, теплостойкостью, низкой стоимостью и гибкостью в проектировании, что делает их очень перспективными для использования в автомобилестроении для снижения веса, заменяя некоторые металлические и высококачественные полимерные материалы.

Применение FRTP

Появление ароматических термопластичных матричных материалов с высокой жесткостью, теплостойкостью и химической стойкостью (таких как PEEK, PPS) и высокопрочных волокон с высоким модулем упругости, термостойкостью и коррозионной стойкостью (таких как углеродное волокно, арамидное волокно, карбид кремния) привело к широкому применению передовых FRTP в различных отраслях промышленности, таких как железнодорожный транспорт, автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, бытовая техника и энергетика.

◆ Аэрокосмическая промышленность

FRTP обладает высокой жесткостью, низкой стоимостью обработки и возможностью повторной переработки, а также хорошими огнезащитными, малодымными и нетоксичными свойствами, а время отверждения составляет всего несколько минут. Эти свойства делают его идеальным материалом для легких и недорогих авиационных конструкций.

В конструкциях летательных аппаратов FRTP в основном используется в элементах пола, передних кромках, рулевых поверхностях и хвостовом оперении — это относительно простые по форме несущие элементы. Крупными потребителями термопластичных конструкций являются Airbus A380, Airbus A350, бизнес-джет Gulfstream G650 и вертолет AgustaWestland AW169. Наиболее важным элементом конструкции FRTP в Airbus A380 является передняя кромка крыла из стекловолокна/PPS. В Airbus A350 FRTP в основном используется в подвижных лонжеронах и нервюрах крыла, а также в соединениях фюзеляжа. Бизнес-джет Gulfstream G650 является эталоном применения FRTP: в нем используются каркасные ребра из углеродного волокна/PEI, а рули высоты и направления — из углеродного волокна/PPS (рис. 1).

◆ Автомобилестроение

Разработка недорогих, быстро создаваемых и высококачественных композитных материалов стала одним из ключевых факторов, способствующих легковесному автомобилестроению. Многие китайские автопроизводители уже сотрудничают с предприятиями, производящими литьевые машины с передовыми композитными материалами. В легковых автомобилях они используются в таких элементах, как сиденья и их каркасы, направляющие оконных стекол, внутренние панели дверей, кронштейны бамперов, капоты, передние кронштейны, педали, каркасы приборных панелей, направляющие пластины, днище кузова, отсеки для запасных колес, кронштейны аккумуляторных батарей, впускные коллекторы двигателей. В китайских автомобилях, таких как Passat, Polo, Bora, Audi A6, Golf, Buick Excelle, Buick GL8 и других, уже используется большое количество высокоэффективных деталей из FRTP, большинство из которых изготовлены с использованием технологии GMT или LFT (рис. 2).

В фургонах они используются в основном в виде сотовых панелей из полипропилена, заменяя стальные каркасы, алюминиевые гофрированные панели и стальные гофрированные листы, используемые в настоящее время в фургонах.

◆ Железнодорожный транспорт

По несущей способности их можно условно разделить на две категории: основные несущие элементы из композитных материалов и вспомогательные несущие элементы из композитных материалов. К основным несущим элементам из композитных материалов относятся крупные несущие конструкции поездов, такие как кузова вагонов, кабины машинистов и рамы тележек. Они являются ключом к замене традиционных материалов композитными материалами для снижения веса транспортных средств. Вспомогательные несущие элементы из композитных материалов можно разделить на несущие элементы (например, кузова, полы и сиденья) и вспомогательные элементы (например, уборные, туалеты и резервуары для воды).

Распространенные технологии формования FRTP

Ключевым этапом в процессе преобразования сырья в конструкционные элементы из FRTP является технология формования, которая является основой и условием развития данной отрасли. С расширением областей применения композитных материалов композитная промышленность быстро развивается, некоторые технологии формования совершенствуются, постоянно появляются новые методы формования. В настоящее время существует более 20 методов формования FRTP, успешно применяемых в промышленном производстве. Ниже приводится краткое описание нескольких наиболее распространенных методов.

◆ Литье под давлением

Литье под давлением является основным методом производства FRTP, имеющим долгую историю и самое широкое применение. Его преимуществами являются короткий цикл формования, минимальное потребление энергии, высокая точность продукции, возможность одновременного формования сложных изделий с вставками, возможность производства нескольких изделий с одной формы, высокая производительность. Недостатки: высокие требования к производству армированных волокном композитных материалов и к качеству пресс-форм. В соответствии с современным уровнем развития техники, максимальный размер изделия, производимого методом литья под давлением, составляет 5 кг, а 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 формования FTRP уже используется в серийном производстве конструктивных элементов автомобилей. В настоящее время несколько поставщиков литьевых машин, в том числе зарубежные компании ENGEL и KraussMaffei, а также китайская компания Bole Plastics Machinery, находятся на переднем крае этой технологии.

Технология прямого литья под давлением армированных длинноволокнистых композитных материалов (онлайн-смешивание и литье под давлением) LFT-D-IM от Bole Plastics Machinery сочетает в себе непрерывное производство экструдера и периодическое производство литьевой машины. Материал, предварительно смешанный с помощью двухшнекового смесителя, непосредственно впрыскивается в пресс-форму, что позволяет производить несколько операций и использовать несколько материалов одновременно, снижая энергопотребление, повышая эффективность, уменьшая тепловое разложение материала и улучшая характеристики продукции. Эта технология широко применяется в автомобилестроении, бытовой технике, энергетике, железнодорожном транспорте, аэрокосмической промышленности и потребительской электронике (рис. 3).

На выставке Chinaplas 2022 компания ARBURG представила крупный гидравлический литьевой пресс ALLROUNDER 820 S, оптимизированный для прямого смешивания волокон (fibre direct compounding, FDC) с усилием смыкания 4000 кН и литьевым агрегатом 3200, оснащенный специальным шнеком диаметром 70 мм для обработки длинноволокнистого стекловолокна. FDC — это технология легковесного производства, при которой длинноволокнистые волокна длиной до 50 мм подаются непосредственно в расплав через боковое загрузочное устройство рядом с литьевым агрегатом. Ее особенностью является высокая доступность материалов и снижение затрат до 40% по сравнению со специальными гранулами длинноволокнистого материала. Изделия, производимые по технологии FDC, представляют собой инновационную технологию в области переработки пластмасс, особенно в автомобилестроении и аэрокосмической промышленности, позволяющую за счет индивидуальной регулировки длины стекловолокна достигать необходимых физических свойств (рис. 4).

◆ Экструзионное формование

Экструзионное формование является одним из наиболее распространенных методов производства изделий из FRTP. Его основные преимущества: непрерывный производственный процесс, высокая производительность, простота оборудования и легкость освоения технологии. Экструзионное формование в основном используется для производства труб, стержней, плит и профилей сложного сечения.

◆ Намотка

Технология намотки FRTP заключается в предварительном нагреве непрерывных волокон, пропитанных смолой (препрег), и их намотке на оправку, одновременном нагревании для расплавления смолы и последующем прессовании для склеивания препрега в многослойную конструкцию. После склеивания и охлаждения получается готовое изделие. Этот метод подходит для изготовления цилиндрических и сферических изделий, отличается хорошей воспроизводимостью и стабильными характеристиками.

◆ Пультрузия

Пультрузия (pulling extrusion, pultrusion) — это метод формования и отверждения препрега под действием тягового усилия в экструзионной форме, позволяющий непрерывно производить полые и профильные изделия неограниченной длины.

Если вам нужны длинные и тонкие профили для окон и дверей или арматура для бетона, то пультрузия — это именно то, что вам нужно. Волокна в пультрузионных профилях полностью совпадают с направлением нагрузки, что обеспечивает превосходные характеристики готового изделия по прочности и весу. В 2017 году компания KraussMaffei первой представила комплексную систему пультрузии iPul (рис. 5), которая вызвала большой интерес в строительной, ветроэнергетической и автомобильной промышленности. Система iPul объединяет в себе впрыск смолы и тянущую линию, обеспечивая полный контроль над процессом пультрузии стекловолокна и углеродного волокна, что способствует повышению эффективности и снижению затрат на производство композитных профилей. Система iPul включает в себя пресс-формы, дозирующие устройства и различные принадлежности и может достигать скорости производства до 3 м/мин. Тесное сотрудничество с поставщиками материалов Covestro, Huntsman и Evonik позволяет обрабатывать высокореактивные матричные материалы.

Эксперт по экструзии термопластичных композитов — французская компания CQFD разработала технологию in-situ экструзии, при которой волокнистая пряжа или ткань под действием внешней силы, после смачивания мономером капролактама и инициатором, формируется и нагревается в формовочном инструменте, в результате чего получается готовое изделие. В изделиях, изготовленных по этой технологии, объемная доля волокон может достигать 70%, а модуль упругости в направлении волокон — 60 GPa (армирующее волокно — стекловолокно), что обеспечивает превосходные удельные прочность и модуль упругости. Эта технология используется в противоподкатном брусе FRTP, разработанном CQFD совместно с компаниями Pio и Hyundai Motor. Его основная часть изготовлена методом in-situ экструзии из непрерывно армированного стекловолокном PA6 (торговое название C-SHOCK®), а затем, с помощью литьевого формования, добавлены точки крепления противоподкатного бруса. В целом, это решение на 43% (3,7 кг) легче, чем металлический аналог. Поскольку в ближайшие годы стоимость углеродного волокна может снизиться, эта революционная концепция будет способствовать достижению целей автомобильной отрасли по снижению веса для экономии топлива (рис. 6).

◆ Прессование

Прессование — это процесс, при котором вырезанные и уложенные термопластичные препреги помещаются в пресс-форму, нагреваются до температуры формования, а затем прессуются под давлением для получения листов, пластин или других изделий простой формы. Цикл формования обычно занимает от нескольких десятков секунд до нескольких минут, энергопотребление и производственные затраты низки, производительность высока. Это наиболее распространенный метод формования FRTP, используемый для производства автомобильных дверей, приборных панелей, передних рам, внутренних панелей и т. д.

Для некоторых сложных элементов, точек крепления и ребер жесткости прессование трудно осуществимо, поэтому на рынке появились технологии формования, сочетающие прессование и литье под давлением, такие как технология Organomelt от ENGEL, технология FiberForm от KraussMaffei и технология OIHM от компании 伯乐.

Технология FiberForm от KraussMaffei, впервые представленная на выставке NPE в США в 2018 году, представляет собой идеальное сочетание термоформования и литья под давлением, обеспечивающее высокую функциональную интеграцию. Она может применяться для таких деталей, как кронштейны и спинки сидений, кронштейны приборных панелей, дверные модули, боковые противоударные устройства, кронштейны аккумуляторных батарей и т. д. Процесс состоит из шести этапов (рис. 7): сначала извлекается заготовка из листового материала, затем она нагревается в печи, после чего перемещается в пресс-форму, где происходит формование под давлением и нагревом. Затем выполняется литье под давлением с обратной стороны, и, наконец, изделие извлекается из формы. Эта технология не только позволяет использовать облегченные материалы и конструкции, повышая прочность композитных материалов, но и легко поддается автоматизации, обеспечивая эффективное производство в ограниченном пространстве. Технология fiberForm позволяет значительно сократить потребление материалов и, следовательно, выбросы углерода при производстве материалов, способствуя достижению целей устойчивого развития в рамках концепции «двойного углеродного контроля».

◆ Формование методом передачи смолы (RTM)

Формование методом передачи смолы (RTM) — это процесс, при котором армирующий материал и вставки устанавливаются и зажимаются в пресс-форме, а затем через входное отверстие вводится смола при определенной температуре и давлении, после чего происходит отверждение. Этот метод не предъявляет высоких требований к оборудованию и пресс-формам, требует небольших инвестиций и низких производственных затрат. Он позволяет производить крупные изделия, которые невозможно изготовить другими методами прессования. Подходит для производства изделий массой 15–25 кг. Это быстро развивающаяся технология формования современных композитных материалов, подходящая для производства небольших партий высококачественных изделий, и используется для производства автомобильных кузовов, бамперов, корпусов редукторов, кузовов небольших грузовиков и т. д.

Для эффективного производства крупных и прочных облегченных деталей используется технология высоконапорного формования методом передачи смолы (HP-RTM) от ENGEL. Сухие полуфабрикаты из волокна пропитываются вводимой смолой, а затем отверждаются при нагревании. Это позволяет производить высококачественные плоские автомобильные детали с улучшенными формовочными свойствами, такие как высококачественные и прочные системы крыши и кузовные детали (рис. 8).

Текущее состояние рынка и перспективы

Хотя многие считают FRTP следующим прорывом в области материалов, его применение остается ограниченным, а проникновение на внутренний рынок не соответствует ожиданиям. Причины этого следует искать в технологических, эксплуатационных и экономических аспектах.

Во-первых, по сравнению с термореактивными композитами, первоначальная стоимость FRTP часто выше, температура обработки выше, а стоимость оснастки и пресс-форм обычно также выше. Традиционные производители деталей могут быть не знакомы с современными технологиями обработки FRTP, и их ограничения часто преувеличиваются, что приводит к мнению, что FRTP уступает термореактивным композитам. Преимущества и ценность FRTP не были полностью оценены и реализованы, что напрямую повлияло на нормальный рост спроса и препятствовало дальнейшему развитию и применению FRTP на этапе предложения и спроса. Во-вторых, высокие требования к технологии производства FRTP ограничивают доступ к рынку для некоторых предприятий с недостаточным технологическим уровнем и производственными мощностями. В-третьих, высокая стоимость сырья, цена высококачественных термопластичных смол в десятки раз превышает цену обычных термореактивных эпоксидных смол, а также высокие требования к технологии производства приводят к тому, что цена изделий из FRTP, особенно тех, которые используют в качестве основы высококачественные термопластичные смолы PEEK и PI, становится непомерно высокой, что сдерживает спрос. Наконец, в Китае по-прежнему отсутствуют ключевые технологии и оборудование для производства материалов и конструктивного формования.

Несмотря на это, как только технологическое качество достигнет требуемого уровня, а цена снизится до приемлемого уровня, а научные достижения будут эффективно внедрены в производство, в связи с быстрым развитием аэрокосмической промышленности, автомобилестроения, электроники, ветроэнергетики, высокотехнологичного медицинского оборудования, интеллектуальной техники и других отраслей, китайская промышленность FRTP обязательно войдет в новый этап развития, получит больше рыночных возможностей и доли рынка в ближайшие несколько лет, и перспективы остаются многообещающими.

Оговорка об ответственности : используется только для обмена и распространения информации о композитных материалах и рынке, не используется в коммерческих целях. Если у вас есть вопросы об авторских правах на статью или о содержании, пожалуйста, свяжитесь с нами в первую очередь. Мы своевременно обработаем ваш запрос.