ЧВК бывают двух видов: термореактивные и термопластичные. Термореактивные материалы затвердевают в результате необратимых химических реакций, в ходе которых молекулы полимера «сшиваются», или образуют соединенные цепочки. Наиболее распространенными термореактивными матричными материалами для высокоэффективных композитов, используемых в аэрокосмической промышленности, являются эпоксидные смолы. Термопласты, с другой стороны, расплавляются, а затем затвердевают — процесс, который можно повторять много раз для повторной обработки. Хотя технологии производства термопластов обычно не так хорошо развиты, как технологии производства термореактивных материалов, термопласты обладают рядом преимуществ. Во-первых, у них нет проблемы со сроком хранения, связанной с термопластами, которые требуют хранения в морозильной камере, чтобы остановить необратимый процесс отверждения, начинающийся при комнатной температуре. Во-вторых, они более предпочтительны с экологической точки зрения, так как могут быть переработаны. Кроме того, они обладают более высокой вязкостью на излом и лучшей устойчивостью к воздействию растворителей. К сожалению, термопласты дороже, и они, как правило, не так хорошо сопротивляются нагреванию, как термореактивные материалы; однако в настоящее время ведутся разработки термопластов с более высокой температурой плавления. В целом, термопласты предлагают больший выбор подходов к обработке, так что процесс может определяться масштабом и скоростью производства, а также размером детали.
В термореактивных и термопластичных ПМК могут использоваться различные армирующие материалы, включая частицы, вискеры (очень мелкие монокристаллы), прерывистые (короткие) волокна, непрерывные волокна и текстильные преформы (изготовленные путем оплетки, плетения или вязания волокон по заданной схеме). Непрерывные волокна более эффективны при сопротивлении нагрузкам, чем короткие, но из материалов, содержащих непрерывные волокна, сложнее изготовить сложные формы, чем из коротковолокнистых или армированных частицами материалов. Для облегчения обработки большинство высокоэффективных композитов армируются нитями, которые связываются в пряжу. Каждая нить, или жгут, содержит тысячи нитей, каждая из которых имеет диаметр около 10 микрометров (0,01 миллиметра, или 0,0004 дюйма).
В зависимости от области применения и типа нагрузки, прикладываемой к композитной детали, армирование может быть случайным, однонаправленным (выровненным в одном направлении) или многонаправленным (ориентированным в двух или трех измерениях). Если нагрузка одноосная, то все волокна выравниваются в направлении нагрузки, чтобы получить максимальную отдачу от их жесткости и прочности. Однако при многонаправленной нагрузке (например, в обшивке самолетов) волокна должны быть ориентированы в разных направлениях. Это часто достигается путем укладки слоев (или ламинов) систем из непрерывных волокон.
Наиболее распространенной формой материала, используемого для изготовления композитных конструкций, является предварительно пропитанная лента, или «препрег». Существует две категории препрегов: ленты, обычно шириной 75 миллиметров (3 дюйма) или меньше, предназначенные для изготовления на автоматизированных лентоукладочных машинах с компьютерным управлением; и «широкие изделия», обычно размером в несколько метров, предназначенные для ручной укладки и изготовления больших листов. Для изготовления препрегов волокна подвергаются поверхностной обработке, чтобы смола прилипла к ним. Затем их помещают в ванну со смолой и сворачивают в ленты или листы.
Чтобы изготовить композит, производитель «укладывает» препрег в соответствии с требованиями к армированию. Традиционно это делается вручную, когда последовательные слои ламината широкого профиля укладываются на инструмент по форме требуемой детали таким образом, чтобы выдержать предполагаемые нагрузки. Однако в настоящее время усилия направлены на автоматизированные методы укладки волокон с целью снижения затрат и обеспечения качества и повторяемости. Автоматизированные процессы укладки волокон делятся на две категории: укладка ленты и намотка нити. Процесс укладки ленты включает в себя использование устройств, которые контролируют укладку узких лент препрега на оснастку с учетом контуров требуемой детали и по траекториям, предписанным требованиями к конструкции. Ширина ленты определяет «остроту» поворотов, необходимых для размещения волокон в заданном направлении — т.е. широкие ленты используются для плавных поворотов, в то время как узкие ленты требуются для резких поворотов, связанных с более сложными формами.
Для намотки нитей используется самый узкий из имеющихся препрегов — нить или жгут из пропитанных нитей. В этом процессе нити наматываются в заданных направлениях на вращающуюся оправку по форме детали. Последовательные слои добавляются до тех пор, пока не будет достигнута требуемая толщина. Хотя первоначально намотка нитей ограничивалась геодезическими траекториями (т.е. наматывание волокон по наиболее прямому маршруту между двумя точками), теперь этот процесс позволяет изготавливать детали сложной формы с помощью роботов.
Для термореактивных полимеров структура, созданная в результате укладки ленты или намотки нитей, должна подвергнуться второй манипуляции, чтобы полимер затвердел в результате реакции полимеризации. Обычно это достигается путем нагрева готовой структуры в автоклаве или печи. Термопластичные системы обладают преимуществом консолидации в режиме реального времени, что позволяет отказаться от высоких энергетических и капитальных затрат, связанных с этапом отверждения. В этих системах препрег может быть локально расплавлен, консолидирован и охлажден в точке контакта, так что получается готовая конструкция. Для концентрации тепла в точке контакта используются различные источники энергии, включая газовые горелки, инфракрасное излучение и лазерные лучи.
Пултрузия, единственный по-настоящему непрерывный процесс изготовления деталей из ПМК, экономичен, но ограничен производством балочных форм. На пултрузионной линии волокна и смола проталкиваются через нагретую фильеру, или формовочный инструмент, с одного конца, затем охлаждаются и вытягиваются с другого конца. Этот процесс может применяться как к термопластичным, так и к термореактивным полимерам.
Трансферное формование смолы, или RTM, — это метод обработки композитов, который предлагает высокий потенциал для адаптации, но в настоящее время ограничен низковязкими (легко текучими) термореактивными полимерами. При RTM текстильная заготовка, изготовленная путем оплетки, плетения или вязания волокон в определенном дизайне, помещается в форму, которая затем закрывается и в нее впрыскивается смола. После затвердевания форму открывают и извлекают деталь. Преформы могут иметь самую разнообразную архитектуру, а несколько из них могут быть соединены вместе в процессе RTM, образуя многоэлементную преформу, обеспечивающую усиление в определенных областях и направлениях нагрузки.
Сходство расплавляемых термопластичных полимеров с металлами привело к расширению технологий, используемых в металлообработке. Листовая штамповка, используемая металлургами с XIX века, теперь применяется для обработки термопластичных композитов. В типичном процессе термоформования листовой материал, или преформа, нагревается в печи. При температуре формования лист передается в формовочную систему, где его заставляют прилегать к инструменту, придавая форму, соответствующую готовой детали. После формовки лист охлаждается под давлением и затем удаляется. Стрейч-формование — разновидность формования термопластичных листов — специально разработано для использования растяжимости, или способности к растяжению, термопластов, армированных длинными, прерывистыми волокнами. В этом процессе прямая предварительно затвердевшая балка нагревается, а затем растягивается над формообразующим инструментом для придания кривизны. Особое преимущество формования растяжением заключается в том, что оно обеспечивает автоматизированный способ достижения очень высокой степени контроля ориентации волокон в широком диапазоне размеров деталей.
