Materiały wzmacniające

Włókno tekstylne to ogólne określenie cienkich włókien o niemal okrągłym przekroju poprzecznym, wytwarzanych ze stopionego szkła. Szkło tekstylne produkuje się z wysokiej jakości szkła typu E, a do zastosowań specjalnych również ze szkła typu R i C. Stosunkowo wysoka wytrzymałość i moduł sprężystości wynikają z silnych wiązań między krzemem a tlenem w przestrzennej sieci. Ze względu na strukturę amorficzną włókna szklane, w przeciwieństwie do włókien węglowych lub aramidowych, są izotropowe.

Po wyprodukowaniu na świeżo uformowane włókno szklane nakłada się powłokę. Powłoka ta skleja włókna, chroni powierzchnię i pełni rolę środka zwiększającego przyczepność do matrycy.

Włókna węglowe, zwane również włóknami C, składają się w ponad 90% z czystego węgla i mają średnicę 5–10 mikrometrów.
Jako surowiec wykorzystuje się zazwyczaj PAN (włókna poliakrylonitrylowe), smołę lub celulozę.

Szczególne właściwości

• wysoka wytrzymałość do ok. 2 500°C
• bardzo anizotropowe
• ujemna rozszerzalność cieplna w kierunku włókna
• przewodzące ciepło i prąd elektryczny
• dobra tolerancja organizmu
• wrażliwy na zginanie i ściskanie
• bardzo odporny na korozję
• bardzo drogie

Po wyprodukowaniu włókna C poddaje się obróbce powierzchniowej. Polega ona na utlenianiu powierzchni w celu wytworzenia jak największej liczby tlenków powierzchniowych, które mogą wchodzić w wiązania chemiczne z układem matrycowym. Natychmiast po obróbce wstępnej powierzchnia włókien jest pokrywana środkiem wykończeniowym. Jest to substancja, która ma przede wszystkim zapobiegać osadzaniu się wody na aktywnej powierzchni oraz zawiera grupy funkcyjne umożliwiające wiązanie z układem matrycowym.

Włókna aramidowe (Kevlar) to liniowe polimery organiczne o dużej wytrzymałości i sztywności. Podobnie jak włókno C, włókno aramidowe wykazuje ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej ze względu na wysoką orientację molekularną (efekt entropii).

Szczególne właściwości

• najlżejsze włókno wzmacniające
• bardzo wrażliwe na nacisk
• silnie anizotropowe
• silne wchłanianie wilgoci
• wrażliwość na promieniowanie UV
• słaba przyczepność do matrycy
• trudna obróbka skrawaniem
• bardzo kosztowny

Powierzchnia włókna aramidowego jest chemicznie obojętna i bardzo gładka. W związku z tym przyczepność chemiczna lub mechaniczna do matrycy jest w znacznym stopniu wykluczona. Nałożona zaprawa pełni tutaj jedynie funkcję ochronną.

Włókna bazaltowe wytwarza się ze stopionej skały bazaltowej i rozciąga w postaci ciągłych włókien. Są to materiały mineralne i niemetalowe. Jako materiał wzmacniający występują między innymi w postaci rovingów, mat, siatek i tkanin.

Szczególne właściwości

• wysoka odporność na wysokie temperatury i działanie substancji chemicznych
• dobra wytrzymałość mechaniczna i sztywność
• izolacja elektryczna
• dobra odporność na wilgoć
• w zależności od struktury włókien – dobre tłumienie dźwięku i drgań
• surowiec mineralny

W przypadku pultruzji istotne znaczenie mają przede wszystkim odpowiednie rowingi bazaltowe. Możliwość obróbki oraz późniejsze właściwości elementu zależą między innymi od powłoki, systemu żywicowego, zawartości włókien oraz geometrii elementu.

Włókno celulozowe

Włókno celulozowe należy do grupy organicznych włókien wzmacniających. Zazwyczaj składa się z celulozy siarczanowej pochodzącej z drewna bukowego lub z czystej celulozy bawełnianej.

W początkach rozwoju technologii kompozytów włóknistych włókno to wykorzystywano do wzmacniania żywic fenolowych. Do dziś można je znaleźć w wyrobach z papieru impregnowanego żywicą fenolową.

Włókno PAN

Włókno poliakrylonitrylowe należy do grupy syntetycznych włókien wzmacniających pochodzenia organicznego.
Włókno PAN jest włóknem o wysokiej wytrzymałości i przekroju w kształcie nerki. Stosuje się je przede wszystkim jako materiał zastępczy w wyrobach z cementu azbestowego oraz w okładzinach hamulcowych.

Włókno polietylenowe

Włókno polietylenowe należy do grupy syntetycznych organicznych włókien wzmacniających.

Włókno PE składa się z silnie rozciągniętego polietylenu UHMW. Jej temperatura topnienia wynosi ok. 150°C i wykazuje tendencję do pełzania. Charakteryzuje się jednak wysoką zdolnością do pochłaniania energii uderzenia i jest stosowana przede wszystkim jako materiał hybrydowy (w połączeniu z innymi włóknami wzmacniającymi).

Włókno ceramiczne

Włókno ceramiczne należy do grupy syntetycznych włókien wzmacniających o charakterze nieorganicznym.
Włókno ceramiczne stosuje się do wzmacniania materiałów metalowych

Włókno drzewne

Włókno drzewne należy do grupy naturalnych włókien wzmacniających pochodzenia organicznego.

Mączki drzewne stosowane do wzmacniania mas formierskich na bazie fenolu i formaldehydu oraz melaminy i formaldehydu to zazwyczaj drobno zmielone włókna drzewne pochodzące z drewna świerkowego lub bukowego.

Włókna poliestrowe (PET)

Włókna poliestrowe należą do grupy organicznych włókien wzmacniających pochodzenia syntetycznego.
Stosuje się je głównie w przemyśle tekstylnym. Ich wytrzymałość na rozciąganie jest zbliżona do wytrzymałości włókien poliamidowych, ale przewyższają one odporność na uderzenia większości włókien syntetycznych. W połączeniu z włóknami szklanymi w materiałach kompozytowych przyczyniają się do poprawy odporności na uderzenia.

Włókno azbestowe

Włókno azbestowe należy do grupy nieorganicznych naturalnych włókien wzmacniających.

Azbest jest najstarszym nieorganicznym materiałem włóknistym, pozyskiwanym z naturalnych złóż mineralnych (hydratyzowanych krzemianów magnezu i sodu). Obecnie, z dobrze znanych powodów, nie są one już stosowane i zostały zastąpione innymi materiałami.

Włókno metalowe

Włókna metalowe należą do grupy syntetycznych włókien wzmacniających pochodzenia nieorganicznego.
Włókna metalowe mogą być wytwarzane ze stali, mosiądzu, brązu, miedzi, aluminium, srebra, złota i platyny.
Włókna metalowe są stosowane do wzmacniania materiałów metalowych.

Włókno sizalowe

Włókno sizalowe należy do grupy naturalnych włókien wzmacniających pochodzenia organicznego.

Jednak pomimo niższej ceny w porównaniu z włóknem szklanym nie zdołała się ona przebić na rynku.

Dopiero gdy zaczęto poszukiwać materiału zastępczego dla azbestu w produkcji okładzin hamulcowych, sisal ponownie stał się przedmiotem zainteresowania.

Włókno poliamidowe

Włókno poliamidowe należy do grupy syntetycznych organicznych włókien wzmacniających.

Najważniejsze z technicznego punktu widzenia włókna poliamidowe oparte są na PA 66 i PA 6. W kompozytach poprawiają one przede wszystkim elastyczność i odporność na pełzanie prądu.

Włókno borowe

Włókno borowe należy do grupy syntetycznych włókien wzmacniających o charakterze nieorganicznym.

Włókno borowe wytwarza się metodą powlekania. Jako podłoże służy wolfram. Cienki drut wolframowy jest podgrzewany elektrycznie, a bor osadza się z fazy gazowej.

Włókna borowe stosuje się do wzmacniania materiałów metalowych.

Włoski

Whisker należy do grupy syntetycznych materiałów wzmacniających o charakterze nieorganicznym.
Whisker to wytwarzane syntetycznie monokrystaliczne włókna nieorganiczne. Jeśli uda się zorientować te włókna w stopie, otrzymuje się materiał kompozytowy o ogromnej wytrzymałości.