Mat pom 3

Mat pom 3, BIOMATERIAŁY, magisterka

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
MATERIAŁY POMOCNICZE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
Materiałoznawstwo III
Materiały kompozytowe
(opracowanie: dr hab. inż. Krystyna Imielińska)
1. Definicja i klasyfikacja materiałów kompozytowych
Kompozytem nazywa się materiał składający się z dwóch lub większej ilości różnych materiałów: a/
celowo zmieszanych i możliwych do wyodrębnienia metodami mechanicznymi, b/ rozłożonych w
kontrolowany sposób w celu nadania optymalnych własności, c/ posiadających własności wyjątkowe i
lepsze niż indywidualne składniki.
Składnik ciągły kompozytu, który często występuje w większej ilości nazywany jest osnową lub matrycą
(matrix). W osnowie osadzone są włókna lub ziarna (cząstki) nazywane ogólnie napełniaczem (filler)
wzmocnieniem lub zbrojeniem (reinforcement).
Wyróżnia się podstawowe osnowy:
Metaliczne, ceramiczne, polimerowe, co daje podstawę do klasyfikacji kompozytów o osnowie:
•
metalicznej(głównie stopy aluminium, magnezu, tytanu, niklu)
•
ceramicznej(węglik krzemu, tlenek aluminium, azotek aluminium)
•
polimerowej (poliestry, epoksydy - termoutwardzalne, poliamidy, polipropylen- termoplastyczne)
Osnowa w materiale kompozytowym spełnia następującą rolę:
•
spajawłókna w elemencie konstrukcji,
•
jest odpowiedzialna za przenoszenie obciążeń na włókna,
•
chroniwłókna przed zniszczeniem na skutek oddziaływania czynników zewnętrznych
Najczęściej stosowane wzmocnienia to włókna szklane, węglowe (grafitowe), aramidowe (Kevlar), boru,
cząstki węglika krzemu SiC, tlenku aluminium Al
2
O
3
, tlenku cyrkonu ZrO
2
.
Faza wzmacniająca może mieć postać (rys. 1) :
•
nanocząstek,
•
ziaren (wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów np. spiekany proszek Al wzmocniony 14%
Al
2
O
3
- części obudowy aparatu fotograficznego),
•
ciętych włókien krótkich o długości rzędu milimetra (np. poliamid wzmocniony włóknem szklanym-
koła zębate w robocie kuchennym),
•
ciętych włókien długich (od kilku do kilkunastu cm)- maty z włókien szklanych w osnowie
poliestrowej do laminowania łodzi,
•
włókien ciągłych (jednokierunkowych lub tkanych w dwóch kierunkach, np. zbiornik cysterny z
włókien szklanych w osnowie poliestrowej nawijanych na rdzeniu.
Rys. 1 Rodzaje i geometria fazy wzmacniającej: a/ nanocząstki (nanowłókna), b/ ziarna (cząstki) o
rozmiarach mikrometrycznych, c/ włókna cięte (krótkie lub długie), włókna ciągłe (jednokierunkowe
lub tkane w dwóch kierunkach np.
1
2
Cechy geometryczne elementów wzmacniających dają podstawę do podziału kompozytów na włókniste
i ziarniste (wzmacniane cząstkami).
Kompozyty z rdzeniem (komórkowym, piankowym lub innym) oraz kompozyty warstwowe (laminaty)
nazywamy kompozytami strukturalnymi.
(a)
(b)
(c)
Rys. 2 Przykłady kompozytów strukturalnych: a/ płyta i rura z laminatu, b,c/ konstrukcje przekładkowe z
rdzeniem z pianki (b), plastra miodu (c).
2. Czynniki wpływające na własności materiałów kompozytowych
Własności kompozytu uzależnione są od następujących czynników:
•
Własności osnowy, własności fazy wzmacniającej,
•
Ilości włókien
•
Geometrii fazy wzmacniającej (wielkość cząstek, długość i orientacja włókien).
•
Doskonałości powiązania osnowy i fazy wzmacniającej
Własności osnowy i włókien
. Własności osnowy determinują odporność cieplną kompozytu, dlatego
kompozyty z osnową polimerową można stosować jedynie w temperaturach do ok. 150
0
C, (np. z
osnową epoksydową utwardzane w temperaturze 130-180
0
C), kompozyty z osnową metalową - z metali
lekkich Al, Mg do temperatur rzędu 300
0
C a z Ti rzędu 550
0
C Jedynie osnowy ze stopów Ni i Co
umożliwiają pracę w temperaturach rzędu max. 700-1000
0
C. Kompozyty z osnową ceramiczną (SiC,
Al
2
O
3
) wytrzymują temperatury do 1650
0
C a kompozyty węgiel amorficzny/włókno grafitowe (z ochronną
powłoką SiC) - 2700
0
C (np. dziób wahadłowca kosmicznego).
Własności i ilość
f
azy wzmacniającej
wpływają na gęstość, rozszerzalność cieplną, moduł
sprężystości według zależności określanej mianem reguły mieszanin. Dla przykładu gęstość kompozytu
ρ
c
można obliczyć znając gęstości włókien
ρ
f
i osnowy
ρ
m
:
ρ
c
=
ρ
f
V
f
+
ρ
m
V
m
(1)
przy czym do obliczeń najczęściej stosuje się udziały objętościowe V
m
, V
f
, V
p
odpowiednio: osnowy,
włókien, cząstek. Stosuje się indeksy pochodzące z j. angielskiego: c- composite (kompozyt), m - od
słowa matrix (ang. osnowa), f- fibres (włókna), p particles (cząstki), Udział objętościowy włókien V
f
wyraża się stosunkiem objętości zajmowanej przez włókna do objętości całego kompozytu.
Wstawiając w równaniu (1) w miejsce gęstości inne wielkości, np. K – przewodnictwo cieplne,
rozszerzalność cieplną można przewidywać jakie będą wybrane własności kompozytu. Moduł Younga E,
jedną z najważniejszych właściwości mechanicznych potrzebnych konstruktorom (od E i grubości
elementu zależy sztywność konstrukcji) można również przewidywać na podstawie reguły mieszanin dla
pojedynczej warstwy kompozytu wzmocnionego jednokierunkowymi włóknami ciągłymi przy obciążaniu
rozciągającym w kierunku długości włókien (1 na rys. 3).
E
c
=E
m
V
m
+E
f
V
f
( górna granica na rys. 3b) (2)
W kierunku poprzecznym (2) moduł oblicza się z zależności (3)
(3)
(dolna granica na rys. 3b)
E
=
E
E
+
f
c
V
E
V
E
m
f
f
m
Obliczenia wskazują na dużą anizotropię własności kompozytów jednokierunkowych, (moduł sprężystości
w kierunku prostopadłym do długości włókien jest zbliżony do modułu czystej osnowy, czyli wielokrotnie
mniejszy niż włókien, stąd konieczność budowy konstrukcji warstwowych (laminatów) w których włókna
2
m
3
są rozłożone pod różnymi kątami (rys. 2a) dając pozorną (quasi) izotropię materiału w płaszczyźnie
płyty.
(a)
(b)
Rys. 3 (a) Układ osi współrzędnych dla pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi, (b) wykres
modułu sprężystości w funkcji ilości włókien kompozytu: epoksydowego o wzmocnieniu z ciągłych,
jednokierunkowych włókien szklanych. E
o
oznacza moduł sprężystości osnowy, E
w
, V
w
(tutaj wyjątkowo
zamiast oznaczenia włókien f jest w ) odpowiednio moduł sprężystości i udział objętościowy włókien.
Również w przypadku kompozytów wzmocnionych cząstkami (izotropowych) np. osnowa: miedź
wzmocnienie cząstki wolframu, zależności (2, 3) przedstawiają odpowiednio dolną i górną granicę
wartości modułu sprężystości (rys. 4).
E,GPa
E +
c
=
E
V
m
E
p
V
p
E
=
E
m
E
p
c
V
E
+
V
E
m
p
p
m
Rys. 4 Zależność modułu sprężystości kompozytu
Cu/W
p
w funkcji ilości cząstek wolframu.
ll
Rys. 5 Wpływ sposobu rozłożenia włókien na
wytrzymałość na rozciąganie kompozytu.
Jednak w większości przypadków własności kompozytu są skomplikowanymi funkcjami licznych
parametrów, szczególnie
geometrii ułożenia wzmocnienia
, więc do przewidywania własności
sprężystych stosuje się programy komputerowe pozwalające na wyznaczenie poszukiwanych własności
w oparciu o metody numeryczne.
Wytrzymałość kompozytu jest własnością szczególnie trudną do przewidywania, gdyż uzależniona jest
silnie od siły wiązania pomiędzy osnową i fazą wzmacniającą (ma związek z techniką wytwarzania
kompozytu) i dla takiego samego składu można otrzymać całkowicie różne własności kompozytu. W
przypadku wysokowytrzymałych włókien ciągłych wytrzymałość jest zdominowana przez własności
włókien. Przy założeniu idealnego połączenia włókien i osnowy można określić maksymalną
wytrzymałość na rozciąganie
σ
c
*
pojedynczej warstwy kompozytu z włóknami ciągłymi
jednokierunkowymi w kierunku długości włókien
jako iloczyn wytrzymałości na rozerwanie
σ
f
*
i ilości i
włókien.
1
dla najczęstszego przypadku, czyli włókien znacznie wytrzymalszych niż osnowa
3
m
 4
σ
c
* =
σ
f
*V
f
(4)
Wpływ
orientacji wzmocnienia
włóknistego w odniesieniu wytrzymałości na rozciąganie kompozytu
zilustrowano na rys. 5 . Przy ułożeniu chaotycznym, typowym dla mat z włókien ciętych, wzrost
wytrzymałości jest bardzo mały w porównaniu do wzmocnienia w postaci tkanin ortogonalnych. Należy
zwrócić jednak uwagę, że jest to głównie wynikiem tego iż w przypadku mat maksymalna ilość włókien
jakie udaje się przesycić wynosi ok.V
f
= 30%. Uzyskuje się duże obszary czystej żywicy pomiędzy
włóknami co osłabia materiał. Najbardziej efektywne jest wzmocnienie w postaci włókien ciągłych
jednokierunkowych. Nie tylko ilość wzmocnienia jest optymalna (może dochodzić do V
f
=80% w
przypadku jednokierunkowych preimpegnatów wytwarzanych przez wyspecjalizowany przemysł) ale i
ułożenie wszystkich włókien w kierunku działania obciążenia rozciągającego wpływa na ogromny wzrost
wytrzymałości i sztywności.
Warunkiem uzyskania optymalnych właściwości kompozytu jest
doskonałe powiązanie osnowy i fazy
wzmacniającej
(dobra adhezja włókien i osnowy). Wiąże się to z dobrą zwilżalnością powierzchni
włókien oraz brakiem pęcherzy i pustek (miejsc gdzie nie dociera materiał osnowy- (patrz rys. 6) na
granicy włókno/osnowa. Cechy te są związane z metodą wytwarzania kompozytu. Czasami trzeba
wykonywać specjalne operacje aby poprawić zwilżalność włókien ( np. osnowa aluminiowa słabo zwilża
włókna węglowe trzeba więc na ich powierzchni wytwarzać odpowiednie powłoki). Przy dużych
wymaganiach odnośnie ilości pustek (poniżej 1% w przypadku kompozytów konstrukcyjnych dla
lotnictwa) konieczne jest stosowanie metody próżniowego utwardzania w autoklawie).
(a) (b)
aramidowe
szklane
żywica
Rys. 6 Mikrostruktury kompozytów włóknistych (a) poliestrowo/ szklanego z widocznymi pęcherzami (b)
kompozytu epoksydowego o wzmocnieniu z włókien aramidowych i szklanych: widoczny duży obszar
czystej żywicy [Imielińska K.,
Degradation and damage of advanced laminate polymer composites due to
environmental effects and low velocity impact
, wyd. PG 2005].
3. Przykłady materiałów kompozytowych i ich zastosowania
Największe zastosowanie w przemyśle znajdują obecnie kompozyty polimerowe (ok. 90%). Typowe
zbrojenie polimerów to włókna szklane, węglowe i aramidowe. Wiele spośród znanych polimerów
termoplastycznych zawiera celowo wprowadzoną fazę zdyspergowaną, co zalicza je do grupy
materiałów kompozytowych. Przykładem mogą być elementy maszyn wzmocnione ciętymi włóknami
szklanymi: np. małe kola zębate z poliamidu (nylonu), panewki łożysk ślizgowych z teflonu, nadproża,
zderzaki karoserii (Porsche, Peugeot)
z polipropylenu wzmocnionego włóknami szklanymi ciągłymi
(40%).
Typowe kompozyty konstrukcyjne z polimerów termoutwardzalnych to laminaty (kompozyty warstwowe)
poliestrowe wzmocnione ciągłym lub ciętym włóknem szklanym stosowane do budowy kadłubów łodzi i
małych jednostek pływających jak również małych samolotów, samochodów, cystern wiatraków itd. We
wszystkich tych zastosowaniach w przypadku elementów dużych i silnie obciążonych m.in ster pionowy,
wysokości, oprofilowanie skrzydeł, łopaty wirnika helikoptera, duże (50-80m) kadłuby okrętów,
wzmocnienie szklane zastępowane jest częściowo lub całkowicie przez włókna węglowe oraz
aramidowe w osnowie żywicy epoksydowej. Często jest to kombinacja tych trzech rodzajów włókien
(kompozyt hybrydowy). Przykładem kompozytu o osnowie elastomeru jest poliizopren wzmocniony nano-
cząstkami (20-30nm) sadzy stosowany do budowy opon samochodowych.
Kompozyty o osnowie metalowej są w większości drogie dlatego ich zakres zastosowań jest wciąż
ograniczony. Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z kompozytów o osnowie stopów Al
wzmacniane cząstkami węglika krzemu (SiC) lub Al
2
O
3
, takie jak tarcze hamulcowe, tłoki silników
4
5
spalinowych, bloki silnikowe, ramy rowerów raz końcówki kijów golfowych i ostrza łyżew hokejowych z
Ti/TiC.
Zaawansowane kompozyty np. o osnowie stopu Ti lub Al i wzmocnieniu z włókien węglowych lub boru
stosuje się głównie w lotnictwie i kosmonautyce. Z włókien węglowych w osnowie Al wytwarza się
podłużnice kadłuba samolotu, ze stopu Ti wzmocnionego włóknami boru formuje się łopatki kompresora
silnika lotniczego a korbowody silnika spalinowego można otrzymać z kompozytu Ti/ciągłe włókna SiC.
Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i przy wysokich obciążeniach łopatki turbiny silnik
odrzutowego np. ze stopu niklu mogą być wzmocnione fazą TiC.
Zastosowania kompozytów o osnowie ceramicznej obejmuj
prędkościami np. z Al
2
O
3
wzmocnionego wiskerami SiC, elementy silników spalinowych: zawory wlotowe
(Nissan), pierścienie tłokowe (Isuzu), komora spalania, wirniki, łopatki turbin spalinowych (Toyota) – z
kompozytu SiC/SiC.
Kompozyt węgiel/węgiel (z pow
a
ą narzędzia skrawające z dużymi
0
więc wykorzystywany w takich elementach jak dziób wahadłowca kosmicznego, wykładzina komory
spalania i dysza wylotowa gazów silnika odrzutowego, tarcze hamulcowe samochodu Porsche.
(a
łoką ochronną SiC) wytrzymuje ekstremalne temperatury do 2600 C, jest
)
(b)
(c )
(d)
(e)
(f)
R
szklanego, (b) elementy karoserii samochodu z tłoczywa arkuszowego poliestrowo szklanego, (c) opony
z poliizoprenu wzmocnionego 10% sadzy i 3% ciętych włókien aramidowych, (d), rama roweru górskiego
z kompozytu: stop Ti wzmocniony 10% cząstek Al
2
O
,
(e) tłoki silnika spalinowego ( Chevrolet) ze stopu Al
wzmocnionego 25% cząstek SiC (f) budowa włókna aramidowego
Kompozyty polimerowe warstwowe
ńszym zbrojeniem w kompozytach polime
wytwarzane ze stopionego szkła (mieszanina tlenków SiO
2
, Al
2
O
3
, CaO) przepuszczanego przez filiery i
nawijanego na bębny (rys. 8a). Włókno szklane ma średnicę ok. 10
µ
m, jest bardzo wytrzymałe
(R
m
=1500-2500 MPa) ale niezbyt sztywne (E=70 GPa) i relatywnie ciężkie (
ρ
= 2,5 MG/m
3
). Dlatego do
budowy lekkich, odpowiedzialnych konstrukcji stosuje się sztywniejsze, lżejsze i wytrzymalsze ale
znacznie droższe włókna węglowe (R
m
=2000-4000 MPa. E= 200-600GPa) i aramidowe (R
m
=2800-3600
MPa E=125GPa). Na rys. 8b przedstawiono mikrofotografię włókna węglowego (średnica ok. 5
µ
m)
otrzymanego z polimeru PAN.
Włókna aramidowe (odmiana n
rowych są włókna szklane,
3
MG/m
3
dla włókien węglowych
)
i trudne do przerwania ze względu na strukturę złożoną z nano-fibryl na
które rozdziela się włókno (rys 8c), stąd wyjątkowa odporność udarowa i ścierna laminatów
zawierających te włókna. Włókna aramidowe wprowadza się często w konstrukcjach z włókien
węglowych (kruchych), aby zmniejszyć ryzyko pękania.
ylonu) są lżejsze niż węglowe (1,44 MG/m w porównaniu do 1,7-2,2
5
ys. 7. Przykłady zastosowań materiałów kompozytowych: (a) łódź patrolowa z laminatu poliestrowo
Najczęściej stosowanym i najta
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

mement.xlx.pl