Армированный волокном пластик

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Ведущий раздел этой статьи может быть слишком коротким, чтобы адекватно резюмировать ключевые моменты . Пожалуйста, рассмотрите возможность расширения лид, чтобы предоставить доступный обзор всех важных аспектов статьи. ( Декабрь 2020 г. ) В этой статье может быть слишком много заголовков разделов, разделяющих ее содержимое . Пожалуйста, помогите улучшить статью, объединив похожие разделы и удалив ненужные подзаголовки. ( Декабрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья написана как личное размышление, личное эссе или аргументированное эссе , в котором излагаются личные чувства редактора Википедии или представлены оригинальные аргументы по теме. Пожалуйста, помогите улучшить его , переписав в энциклопедическом стиле . ( Декабрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Армированный волокном пластик ( FRP ) (также называемый армированным волокном полимером или армированный волокном пластик ) представляет собой композитный материал, состоящий из полимерной матрицы, армированной волокнами . Волокна обычно сделаны из стекла (из стекловолокна ), углерода ( из полимера, армированного углеродным волокном ), арамида или базальта . Изредка использовались другие волокна, такие как бумага, дерево или асбест . Полимер обычно представляет собой эпоксидную смолу , сложный виниловый эфир или полиэфир. термореактивный пластик , хотя до сих пор используются фенолформальдегидные смолы .

FRP обычно используются в аэрокосмической, автомобильной, морской и строительной отраслях. Они обычно используются в баллистической броне и баллонах для автономных дыхательных аппаратов .

Определение процесса [ править ]

Полимер , как правило , изготавливается путем ступенчатой полимеризации или полиприсоединения . В сочетании с различными агентами, улучшающими или каким-либо образом изменяющими свойства материала полимеров, получается пластик . Композитные пластики относятся к тем типам пластмасс, которые образуются в результате соединения двух или более однородных материалов с разными свойствами материала для получения конечного продукта с определенным желаемым материалом и механическими свойствами. Пластмассы, армированные волокном, представляют собой категорию композитных пластиков, в которых волокнистые материалы специально используются для механического повышения прочности и эластичности пластмасс.

Исходный пластиковый материал без армирования волокном известен как матрица или связующий агент . Матрица представляет собой прочный, но относительно слабый пластик, армированный более прочными и жесткими армирующими нитями или волокнами. Степень повышения прочности и эластичности армированного волокном пластика зависит от механических свойств как волокна, так и матрицы, их объема относительно друг друга, а также длины и ориентации волокон в матрице. ^[1] Армирование матрицы происходит по определению, когда материал FRP демонстрирует повышенную прочность или эластичность по сравнению с прочностью и эластичностью только матрицы. ^[2]

История [ править ]

Бакелит был первым пластиком, армированным волокном. Лео Бэкеланд изначально намеревался найти замену шеллаку (полученному из выделения лаковых насекомых ). Химики начали понимать, что многие природные смолы и волокна являются полимерами, и Бэкеланд исследовал реакции фенола и формальдегида. Сначала он произвел растворимый фенолформальдегидный шеллак под названием «Новолак», который так и не стал успешным на рынке, а затем обратился к разработке связующего для асбеста, которое в то время формовалось из резины. Контролируя давление и температуру, применяемые к фенолу и формальдегиду.В 1905 году он обнаружил, что может производить твердый формовочный материал, о котором мечтали (первый в мире синтетический пластик ): бакелит. ^{[3] [4]} Он объявил о своем изобретении на заседании Американского химического общества 5 февраля 1909 года. ^[5]

Разработка армированного волокном пластика для коммерческого использования широко изучалась в 1930-х годах. В Великобритании серьезные исследования были предприняты такими первопроходцами, как Норман де Брюйн . Это было особенно интересно для авиационной промышленности. ^[6]

Массовое производство стеклянных нитей было обнаружено в 1932 году, когда Games Slayter , исследователь из Оуэнса, штат Иллинойс, случайно направил струю сжатого воздуха на поток расплавленного стекла и произвел волокна. Патент на этот метод производства стекловаты был впервые подан в 1933 году. ^[7] Оуэнс присоединился к компании Corning в 1935 году, и этот метод был адаптирован Owens Corning для производства запатентованного «фибрегласа» (one «s») в 1936 году. Первоначально фибреглас представлял собой стекловолокно, волокна которого улавливали большое количество газа, что делало его полезным в качестве изолятора, особенно при высоких температурах.

Подходящая смола для объединения «фибрегласа» с пластиком для получения композитного материала была разработана в 1936 году компанией Du Pont . Первым предком современных полиэфирных смол является смола Cyanamid 1942 года. К тому времени использовались системы отверждения перекисью водорода . ^[8] Благодаря сочетанию стекловолокна и смолы газосодержащий материал был заменен пластиком. Это снизило изоляционные свойства до значений, типичных для пластика, но теперь впервые композит показал большую прочность и перспективность в качестве конструкционного и строительного материала. Как ни странно, многие композиты из стекловолокна продолжали называть « стекловолокном»."(как общее название), и это название также использовалось для продукта из стекловаты низкой плотности, содержащего газ вместо пластика.

Рэю Грину из Owens Corning приписывают создание первой композитной лодки в 1937 году, но в то время он не продвигался дальше из-за хрупкой природы используемого пластика. Сообщалось, что в 1939 году Россия построила пассажирский катер из пластмассовых материалов, а Соединенные Штаты - фюзеляж и крылья самолета. ^[9] Первым автомобилем с кузовом из стекловолокна был Stout Scarab 1946 года выпуска . Только одна такая модель была построена. ^[10] Форд прототип 1941 мог бы быть первым пластиковым автомобилем, но есть некоторая неопределенность вокруг используемых материалов , как это было уничтожено вскоре после этого. ^{[11] [12]}

Первым самолетом из армированного волокном пластика был либо Fairchild F-46 , совершивший первый полет 12 мая 1937 года, либо построенный в Калифорнии пластиковый самолет Bennett. ^[13] Фюзеляж из стекловолокна был использован на модифицированном Vultee BT-13A, обозначенном как XBT-16, базирующемся в Райт-Филд в конце 1942 года. ^[14] В 1943 году были предприняты дальнейшие эксперименты по созданию конструктивных деталей самолета из композитных материалов, в результате чего был создан первый самолет. , Vultee BT-15 , с фюзеляжем из стеклопластика, обозначенный как XBT-19, летал в 1944 году. ^{[15] [16] [17]} Значительное развитие инструментов для компонентов из стеклопластика было сделано Republic Aviation Corporation.в 1943 году. ^[18]

Производство углеродного волокна началось в конце 1950-х годов и, хотя и не широко, использовалось в британской промышленности с начала 1960-х годов. Примерно в это же время производились арамидные волокна, впервые появившиеся под торговой маркой Nomex компанией DuPont . Сегодня каждое из этих волокон широко используется в промышленности для любых применений, где требуются пластмассы с определенной прочностью или эластичностью. Стекловолокно является наиболее распространенным во всех отраслях промышленности, хотя композиты из углеродного волокна и углеродного волокна с арамидом широко используются в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности. ^[2] Эти три волокна ( стекло , углерод и арамид ) продолжают оставаться важными категориями волокон, используемых в FRP.

Глобальное производство полимеров в нынешних масштабах началось в середине 20 века, когда низкие затраты на материалы и производство, новые производственные технологии и новые категории продуктов объединились, чтобы сделать производство полимеров экономичным. Индустрия окончательно созрела в конце 1970-х, когда мировое производство полимеров превысило производство стали , в результате чего полимеры стали повсеместным материалом, которым они являются сегодня. Армированные волокном пластмассы с самого начала были важным аспектом этой отрасли.

Описание процесса [ править ]

FRP включает два различных процесса: первый - это процесс изготовления и формования волокнистого материала, второй - процесс, посредством которого волокнистые материалы связываются с матрицей во время формования. ^[2]

Волокно [ править ]

Производство волокнистой ткани [ править ]

Армирующее волокно производится как в двумерной, так и в трехмерной ориентации:

1. Двумерный полимер, армированный стекловолокном, характеризуется ламинированной структурой, в которой волокна выровнены только вдоль плоскости в направлении x и направлении y материала. Это означает, что никакие волокна не выровнены по сквозной толщине или в z-направлении , это отсутствие выравнивания по сквозной толщине может создать недостаток в стоимости и обработке. Стоимость и рабочая сила возрастают, потому что традиционные методы обработки, используемые для изготовления композитов, такие как укладка влажной рукой, автоклав и литье с переносом смолы, требуют большого количества квалифицированного труда для резки, укладки и консолидации в предварительно сформованный компонент.
2. Трехмерные полимерные композиты, армированные стекловолокном, представляют собой материалы с трехмерной структурой волокон, которые включают волокна в направлении x, y и z . Разработка трехмерных ориентаций возникла из-за потребности промышленности в снижении затрат на изготовление, повышении механических свойств по всей толщине и повышении устойчивости к ударным повреждениям; все это были проблемы, связанные с двумерными полимерами, армированными волокном.

Производство волокнистых преформ [ править ]

Волоконные преформы - это то, как волокна производятся перед их приклеиванием к матрице. Волокнистые преформы часто производятся в виде листов, непрерывных матов или непрерывных волокон для распыления. Четыре основных способа производства волокнистой преформы - это технологии обработки текстиля: ткачество , вязание , плетение и сшивание .

1. Плетение может выполняться обычным способом для получения двумерных волокон, а также в многослойном плетении, позволяющем создавать трехмерные волокна. Однако многослойное ткачество требует нескольких слоев пряжи основы для создания волокон в z-направлении, что создает некоторые недостатки при производстве, а именно время, необходимое для установки всех пряжи основы на ткацком станке . Таким образом, в настоящее время в большинстве случаев многослойное плетение используется для производства изделий относительно узкой ширины или изделий с высокой стоимостью, когда стоимость изготовления преформ является приемлемой. Другой одной из основных проблем, с которыми сталкивается использование многослойных тканых материалов, является сложность производства ткани, которая содержит волокна, ориентированные не под прямым углом друг к другу.
2. Второй основной способ изготовления волокнистых преформ - плетение. Плетение подходит для изготовления плоских или трубчатых тканей узкой ширины и не так эффективно, как ткачество, при производстве больших объемов широких тканей. Плетение выполняется поверх оправок, которые различаются по форме поперечного сечения или размерам по длине. Плетение ограничивается предметами размером с кирпич. В отличие от стандартного плетения, плетение позволяет производить ткань, содержащую волокна под углом 45 градусов друг к другу. Плетение трехмерных волокон может быть выполнено с использованием четырехэтапного, двухэтапного или многослойного переплетения. Четырехступенчатая плетение или плетение рядов и столбцов использует плоское основание, содержащее ряды и столбцы носителей пряжи, которые формируют форму желаемой преформы. Дополнительные носители добавляются за пределы массива,точное расположение и количество которых зависит от точной формы и требуемой конструкции преформы. Существует четыре отдельных последовательности движения рядов и столбцов, которые блокируют пряжу и создают плетеную преформу. Нити механически вдавливаются в структуру между каждым шагом, чтобы укрепить структуру, так как тростник используется в ткачестве. Двухэтапное плетение отличается от четырехэтапного процесса, потому что двухэтапный процесс включает в себя большое количество пряжи, закрепленных в осевом направлении, и меньшее количество пряжи для плетения. Процесс состоит из двух этапов, в которых держатели оплетки полностью проходят через структуру между осевыми держателями. Эта относительно простая последовательность движений позволяет формировать заготовки практически любой формы, включая круглые и полые. В отличие от четырехэтапного процесса,двухэтапный процесс не требует механического уплотнения: движения, участвующие в процессе, позволяют натянуть тесьму только за счет натяжения пряжи. Последний тип плетения - это многослойная переплетенная плетение, которая состоит из ряда стандартных круговых плетеных оплеток, соединенных вместе, чтобы сформировать цилиндрическую оплетку. Эта рама имеет несколько параллельных плетеных дорожек по окружности цилиндра, но механизм позволяет переносить носители пряжи между соседними дорожками, образуя многослойную плетеную ткань с нитями, сцепляющимися с соседними слоями. Многослойная переплетенная плетенка отличается как от четырехступенчатой, так и от двухступенчатой ​​оплетки тем, что переплетенные нити находятся в основном в плоскости структуры и, таким образом, существенно не ухудшают плоские свойства преформы.Четырехэтапный и двухэтапный процессы обеспечивают большую степень переплетения, когда пряжа для оплетки проходит через толщину преформы, но, следовательно, меньше вносят вклад в характеристики преформы в плоскости. Недостатком оборудования для многослойной блокировки является то, что из-за обычного синусоидального движения носителей пряжи для формирования преформы оборудование не может иметь плотность носителей пряжи, которая возможна с двухступенчатыми и четырехступенчатыми машинами.оборудование не может иметь плотность носителей пряжи, которая возможна с двухступенчатыми и четырехступенчатыми машинами.оборудование не может иметь плотность носителей пряжи, которая возможна с двухступенчатыми и четырехступенчатыми машинами.
3. Вязание волокнистых преформ может быть выполнено традиционными методами вязания основы и [утка], и производимая ткань часто рассматривается многими как двухмерная ткань, но машины с двумя или более игольницами способны производить многослойные ткани с пряжей, которая траверс между слоями. Разработки в области электронного управления для выбора иглы и переноса петли, а также сложных механизмов, которые позволяют удерживать определенные области ткани и контролировать их движение, позволили придать ткани требуемую трехмерную форму преформы с минимальными затратами. материальных потерь.
4. Сшивание, пожалуй, самый простой из четырех основных методов производства текстиля, который может быть выполнен с минимальными вложениями в специализированное оборудование. В основном строчка состоит из введения иглы, проводящей швейную нить, через стопку слоев ткани, чтобы сформировать трехмерную структуру. Преимущества сшивания заключаются в том, что можно сшивать как сухую ткань, так и ткань из препрега, хотя липкость препрега затрудняет процесс и, как правило, вызывает больше повреждений в материале препрега, чем в сухой ткани. При сшивании также используются стандартные двухмерные ткани, которые обычно используются в композитной промышленности, поэтому есть ощущение знакомства с системами материалов.Использование стандартной ткани также обеспечивает большую степень гибкости при укладке ткани компонента, чем это возможно с другими текстильными процессами, которые имеют ограничения на ориентацию волокон, которые могут быть произведены.^[19]

Формирование процессов [ править ]

Жесткая конструкция обычно используется для определения формы компонентов FRP. Детали можно укладывать на плоскую поверхность, называемую «герметизирующей пластиной», или на цилиндрическую конструкцию, называемую «оправкой». Однако большинство деталей из армированного волокном пластика создается с помощью пресс-формы или «инструмента». Формы могут быть вогнутыми охватывающими формами, охватываемыми формами или форма может полностью охватывать деталь с верхней и нижней формами.

The moulding processes of FRP plastics begins by placing the fibre preform on or in the mold. The fibre preform can be dry fibre, or fibre that already contains a measured amount of resin called "prepreg". Dry fibres are "wetted" with resin either by hand or the resin is injected into a closed mold. The part is then cured, leaving the matrix and fibres in the shape created by the mold. Heat and/or pressure are sometimes used to cure the resin and improve the quality of the final part. The different methods of forming are listed below.

Bladder moulding[edit]

Individual sheets of prepreg material are laid up and placed in a female-style mould along with a balloon-like bladder. The mould is closed and placed in a heated press. Finally, the bladder is pressurized forcing the layers of material against the mould walls.

Compression moulding[edit]

When the raw material (plastic block, rubber block, plastic sheet, or granules) contains reinforcing fibres, a compression molded part qualifies as a fibre-reinforced plastic. More typically the plastic preform used in compression molding does not contain reinforcing fibres. In compression molding, a "preform" or "charge", of SMC, BMC is placed into mould cavity. The mould is closed and the material is formed & cured inside by pressure and heat. Compression moulding offers excellent detailing for geometric shapes ranging from pattern and relief detailing to complex curves and creative forms, to precision engineering all within a maximum curing time of 20 minutes.^[20]

Autoclave and vacuum bag[edit]

Individual sheets of prepreg material are laid-up and placed in an open mold. The material is covered with release film, bleeder/breather material and a vacuum bag. A vacuum is pulled on part and the entire mould is placed into an autoclave (heated pressure vessel). The part is cured with a continuous vacuum to extract entrapped gasses from laminate. This is a very common process in the aerospace industry because it affords precise control over moulding due to a long, slow cure cycle that is anywhere from one to several hours.^[21] This precise control creates the exact laminate geometric forms needed to ensure strength and safety in the aerospace industry, but it is also slow and labour-intensive, meaning costs often confine it to the aerospace industry.^[20]

Mandrel wrapping[edit]

Sheets of prepreg material are wrapped around a steel or aluminium mandrel. The prepreg material is compacted by nylon or polypropylene cello tape. Parts are typically batch cured by vacuum bagging and hanging in an oven. After cure, the cello and mandrel are removed leaving a hollow carbon tube. This process creates strong and robust hollow carbon tubes.

Wet layup[edit]

Wet layup forming combines fibre reinforcement and the matrix as they are placed on the forming tool.^[2] Reinforcing fibre layers are placed in an open mould and then saturated with a wet resin by pouring it over the fabric and working it into the fabric. The mould is then left so that the resin will cure, usually at room temperature, though heat is sometimes used to ensure a proper cure. Sometimes a vacuum bag is used to compress a wet layup. Glass fibres are most commonly used for this process, the results are widely known as fibreglass, and is used to make common products like skis, canoes, kayaks and surf boards.^[20]

Chopper gun[edit]

Continuous strands of fibreglass are pushed through a hand-held gun that both chops the strands and combines them with a catalysed resin such as polyester. The impregnated chopped glass is shot onto the mould surface in whatever thickness and design the human operator thinks is appropriate. This process is good for large production runs at economical cost, but produces geometric shapes with less strength than other moulding processes and has poor dimensional tolerance.^[20]

Filament winding[edit]

Machines pull fibre bundles through a wet bath of resin and wound over a rotating steel mandrel in specific orientations Parts are cured either room temperature or elevated temperatures. Mandrel is extracted, leaving a final geometric shape but can be left in some cases.^[20]

Pultrusion[edit]

Fibre bundles and slit fabrics are pulled through a wet bath of resin and formed into the rough part shape. Saturated material is extruded from a heated closed die curing while being continuously pulled through die. Some of the end products of pultrusion are structural shapes, i.e. I beam, angle, channel and flat sheet. These materials can be used to create all sorts of fibreglass structures such as ladders, platforms, handrail systems tank, pipe and pump supports.^[20]

Resin transfer molding[edit]

Also called resin infusion. Fabrics are placed into a mould into which wet resin is then injected. Resin is typically pressurized and forced into a cavity which is under vacuum in resin transfer molding. Resin is entirely pulled into cavity under vacuum in vacuum-assisted resin transfer molding. This moulding process allows precise tolerances and detailed shaping, but can sometimes fail to fully saturate the fabric leading to weak spots in the final shape.^[20]

Advantages and limitations[edit]

FRP allows the alignment of the glass fibres of thermoplastics to suit specific design programs. Specifying the orientation of reinforcing fibres can increase the strength and resistance to deformation of the polymer. Glass reinforced polymers are strongest and most resistive to deforming forces when the polymers fibres are parallel to the force being exerted, and are weakest when the fibres are perpendicular. Thus, this ability is at once both an advantage or a limitation depending on the context of use. Weak spots of perpendicular fibres can be used for natural hinges and connections, but can also lead to material failure when production processes fail to properly orient the fibres parallel to expected forces. When forces are exerted perpendicular to the orientation of fibres, the strength and elasticity of the polymer is less than the matrix alone. In cast resin components made of glass reinforced polymers such as UP and EP, the orientation of fibres can be oriented in two-dimensional and three-dimensional weaves. This means that when forces are possibly perpendicular to one orientation, they are parallel to another orientation; this eliminates the potential for weak spots in the polymer.

Failure modes[edit]

Structural failure can occur in FRP materials when:

• Tensile forces stretch the matrix more than the fibres, causing the material to shear at the interface between matrix and fibres.
• Tensile forces near the end of the fibres exceed the tolerances of the matrix, separating the fibres from the matrix.
• Tensile forces can also exceed the tolerances of the fibres causing the fibres themselves to fracture leading to material failure.^[2]

Material requirements[edit]

A thermoset polymer matrix material, or engineering grade thermoplastic polymer matrix material, must meet certain requirements in order to first be suitable for FRPs and ensure a successful reinforcement of itself. The matrix must be able to properly saturate, and preferably bond chemically with the fibre reinforcement for maximum adhesion within a suitable curing period. The matrix must also completely envelop the fibres to protect them from cuts and notches that would reduce their strength, and to transfer forces to the fibres. The fibres must also be kept separate from each other so that if failure occurs it is localized as much as possible, and if failure occurs the matrix must also debond from the fibre for similar reasons. Finally, the matrix should be of a plastic that remains chemically and physically stable during and after the reinforcement and moulding processes. To be suitable as reinforcement material, fibre additives must increase the tensile strength and modulus of elasticity of the matrix and meet the following conditions; fibres must exceed critical fibre content; the strength and rigidity of fibres itself must exceed the strength and rigidity of the matrix alone; and there must be optimum bonding between fibres and matrix

Glass fibre[edit]

"Fibreglass reinforced plastics" or FRPs (commonly referred to simply as fibreglass) use textile grade glass fibres. These textile fibres are different from other forms of glass fibres used to deliberately trap air, for insulating applications (see glass wool). Textile glass fibres begin as varying combinations of SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, CaO, or MgO in powder form. These mixtures are then heated through direct melting to temperatures around 1300 degrees Celsius, after which dies are used to extrude filaments of glass fibre in diameter ranging from 9 to 17 µm. These filaments are then wound into larger threads and spun onto bobbins for transportation and further processing. Glass fibre is by far the most popular means to reinforce plastic and thus enjoys a wealth of production processes, some of which are applicable to aramid and carbon fibres as well owing to their shared fibrous qualities.

Roving is a process where filaments are spun into larger diameter threads. These threads are then commonly used for woven reinforcing glass fabrics and mats, and in spray applications.

Fibre fabrics are web-form fabric reinforcing material that has both warp and weft directions. Fibre mats are web-form non-woven mats of glass fibres. Mats are manufactured in cut dimensions with chopped fibres, or in continuous mats using continuous fibres. Chopped fibre glass is used in processes where lengths of glass threads are cut between 3 and 26 mm, threads are then used in plastics most commonly intended for moulding processes. Glass fibre short strands are short 0.2–0.3 mm strands of glass fibres that are used to reinforce thermoplastics most commonly for injection moulding.

Carbon fibre[edit]

Carbon fibres are created when polyacrylonitrile fibres (PAN), Pitch resins, or Rayon are carbonized (through oxidation and thermal pyrolysis) at high temperatures. Through further processes of graphitizing or stretching, the fibres strength or elasticity can be enhanced respectively. Carbon fibres are manufactured in diameters analogous to glass fibres with diameters ranging from 4 to 17 µm. These fibres wound into larger threads for transportation and further production processes.^[2] Further production processes include weaving or braiding into carbon fabrics, cloths and mats analogous to those described for glass that can then be used in actual reinforcements.^[1]

Aramid fibre[edit]

Aramid fibres are most commonly known as Kevlar, Nomex and Technora. Aramids are generally prepared by the reaction between an amine group and a carboxylic acid halide group (aramid);.^[1] Commonly, this occurs when an aromatic polyamide is spun from a liquid concentration of sulphuric acid into a crystallized fibre.^[2] Fibres are then spun into larger threads in order to weave into large ropes or woven fabrics (Aramid).^[1] Aramid fibres are manufactured with varying grades based on strength and rigidity, so that the material can be adapted to meet specific design requirements, such as cutting the tough material during manufacture.^[2]

Example polymer and reinforcement combinations[edit]

Applications[edit]

Fibre-reinforced plastics are best suited for any design program that demands weight savings, precision engineering, definite tolerances, and the simplification of parts in both production and operation. A moulded polymer product is cheaper, faster, and easier to manufacture than a cast aluminium or steel product, and maintains similar and sometimes better tolerances and material strengths.

Carbon-fibre-reinforced polymers[edit]

Rudder of Airbus A310

• Advantages over a traditional rudder made from sheet aluminium are:
  • 25% reduction in weight
  • 95% reduction in components by combining parts and forms into simpler moulded parts.
  • Overall reduction in production and operational costs, economy of parts results in lower production costs and the weight savings create fuel savings that lower the operational costs of flying the aeroplane.

Glass-fibre-reinforced polymers[edit]

Engine intake manifolds are made from glass-fibre-reinforced PA 66.

• Advantages this has over cast aluminium manifolds are:
  • Up to a 60% reduction in weight
  • Improved surface quality and aerodynamics
  • Reduction in components by combining parts and forms into simpler moulded shapes.

Automotive gas and clutch pedals made from glass-fibre-reinforced PA 66 (DWP 12–13)

• Advantages over stamped aluminium are:
  • Pedals can be moulded as single units combining both pedals and mechanical linkages simplifying the production and operation of the design.
  • Fibres can be oriented to reinforce against specific stresses, increasing the durability and safety.

Aluminium windows, doors and facades are thermally insulated by using thermal insulation plastics made of glass fibre reinforced polyamide. In 1977 Ensinger GmbH produced first insulation profile for window systems.

Structural applications[edit]

FRP can be applied to strengthen the beams, columns, and slabs of buildings and bridges. It is possible to increase the strength of structural members even after they have been severely damaged due to loading conditions. In the case of damaged reinforced concrete members, this would first require the repair of the member by removing loose debris and filling in cavities and cracks with mortar or epoxy resin. Once the member is repaired, strengthening can be achieved through wet, hand lay-up of fibre sheets impregnated with epoxy resin, applied to the cleaned and prepared surfaces of the member.

Two techniques are typically adopted for the strengthening of beams, depending on the strength enhancement desired: flexural strengthening or shear strengthening. In many cases it may be necessary to provide both strength enhancements. For the flexural strengthening of a beam, FRP sheets or plates are applied to the tension face of the member (the bottom face for a simply supported member with applied top loading or gravity loading). Principal tensile fibres are oriented parallel to the beam's longitudinal axis, similar to its internal flexural steel reinforcement. This increases the beam strength and its stiffness (load required to cause unit deflection), but decreases the deflection capacity and ductility.

For the shear strengthening of a beam, the FRP is applied on the web (sides) of a member with fibres oriented transverse to the beam's longitudinal axis. Resisting of shear forces is achieved in a similar manner as internal steel stirrups, by bridging shear cracks that form under applied loading. FRP can be applied in several configurations, depending on the exposed faces of the member and the degree of strengthening desired, this includes: side bonding, U-wraps (U-jackets), and closed wraps (complete wraps). Side bonding involves applying FRP to the sides of the beam only. It provides the least amount of shear strengthening due to failures caused by de-bonding from the concrete surface at the FRP free edges. For U-wraps, the FRP is applied continuously in a 'U' shape around the sides and bottom (tension) face of the beam. If all faces of a beam are accessible, the use of closed wraps is desirable as they provide the most strength enhancement. Closed wrapping involves applying FRP around the entire perimeter of the member, such that there are no free ends and the typical failure mode is rupture of the fibres. For all wrap configurations, the FRP can be applied along the length of the member as a continuous sheet or as discrete strips, having a predefined minimum width and spacing.

Slabs may be strengthened by applying FRP strips at their bottom (tension) face. This will result in better flexural performance, since the tensile resistance of the slabs is supplemented by the tensile strength of FRP. In the case of beams and slabs, the effectiveness of FRP strengthening depends on the performance of the resin chosen for bonding. This is particularly an issue for shear strengthening using side bonding or U-wraps. Columns are typically wrapped with FRP around their perimeter, as with closed or complete wrapping. This not only results in higher shear resistance, but more crucial for column design, it results in increased compressive strength under axial loading. The FRP wrap works by restraining the lateral expansion of the column, which can enhance confinement in a similar manner as spiral reinforcement does for the column core.

Elevator cable[edit]

In June 2013, KONE elevator company announced Ultrarope for use as a replacement for steel cables in elevators. It seals the carbon fibres in high-friction polymer. Unlike steel cable, Ultrarope was designed for buildings that require up to 1,000 meters of lift. Steel elevators top out at 500 meters. The company estimated that in a 500-meter-high building, an elevator would use 15 per cent less electrical power than a steel-cabled version. As of June 2013, the product had passed all European Union and US certification tests.^[22]

Design considerations[edit]

FRP is used in designs that require a measure of strength or modulus of elasticity for which non-reinforced plastics and other material choices are ill-suited, either mechanically or economically. The primary design consideration for using FRP is to ensure that the material is used economically and in a manner that takes advantage of its specific structural characteristics, but this is not always the case. The orientation of fibres creates a material weakness perpendicular to the fibres. Thus the use of fibre reinforcement and their orientation affects the strength, rigidity, elasticity and hence the functionality of the final product itself. Orienting the fibres either unidirectionally, 2-dimensionally, or 3-dimensionally during production affects the strength, flexibility, and elasticity of the final product. Fibres oriented in the direction of applied forces display greater resistance to distortion from these forces, thus areas of a product that must withstand forces will be reinforced with fibres oriented parallel to the forces, and areas that require flexibility, such as natural hinges, will have fibres oriented perpendicular to the forces.

Orienting the fibres in more dimensions avoids this either-or scenario and creates objects that seek to avoid any specific weakness due to the unidirectional orientation of fibres. The properties of strength, flexibility and elasticity can also be magnified or diminished through the geometric shape and design of the final product. For example, ensuring proper wall thickness and creating multifunctional geometric shapes that can be moulded as a single piece enhances the material and structural integrity of the product by reducing the requirements for joints, connections, and hardware.^[2]

Disposal and recycling concerns[edit]

As a subset of plastic, FR plastics are liable to a number of the issues and concerns in plastic waste disposal and recycling. Plastics pose a particular challenge in recycling because they are derived from polymers and monomers that often cannot be separated and returned to their virgin states. For this reason not all plastics can be recycled for re-use, in fact some estimates claim only 20% to 30% of plastics can be recycled at all. Fibre-reinforced plastics and their matrices share these disposal and environmental concerns. Investigation of safe disposal methods has led to two main variations involving the application of intense heat: in one binding agents are burned off - in the process recapturing some of the sunk material cost in the form of heat - and incombustible elements captured by filtration; in the other the incombustible material is burned in a cement kiln, the fibres becoming an integral part of the resulting cast material.^[23] In addition to concerns regarding safe disposal, the fact that the fibres themselves are difficult to remove from the matrix and preserve for re-use means FRP's amplify these challenges. FRP's are inherently difficult to separate into base materials, that is into fibre and matrix, and the matrix is difficult to separate into usable plastics, polymers, and monomers. These are all concerns for environmentally-informed design today. Plastics do often offer savings in energy and economic savings in comparison to other materials. In addition, with the advent of new more environmentally friendly matrices such as bioplastics and UV-degradable plastics, FRP will gain environmental sensitivity.^[1]

See also[edit]

• Long-fiber-reinforced thermoplastic

References[edit]

External links[edit]