Porównanie struktur i własno

ś

ci wybranych materiałów

kompozytowych

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch składników (faz) o ró

ż

nych

własno

ś

ciach maj

ą

cy własno

ś

ci lepsze i/lub własno

ś

ci nowe (dodatkowe) w

porównaniu ze składnikami u

ż

ytymi osobno lub wynikaj

ą

cymi z prostego sumowania

tych własno

ś

ci

Składniki kompozytu

faza ci

ą

gła - matryca (osnow

ą

)

faza rozproszona - zbrojenie

Własno

ś

ci, które chcemy uzyska

ć

projektuj

ą

c materiał kompozytowy:

podwy

ż

szona wytrzymało

ść

wła

ś

ciwa,

podwy

ż

szona sztywno

ść

wła

ś

ciwa,

odporno

ść

na p

ę

kanie

RÓ

Ż

NE POSTACIE WZMOCNIE

Ń

KOMPOZYTOWYCH:

1) przypadkowe uło

ż

enia wzmocnie

ń

a) proszki (granulki)
b) włókna krótkie

2) jednokierunkowe uło

ż

enie włókien

a) włókna ci

ą

głe

b) włókna krótkie

1) dwukierunkowe wzmocnienia :

a) tkaniny
b) warstwy z ró

ż

nych włókien

2) Przestrzenne wzmocnienia :

ortogonalne

Typy materiałów kompozytowych:

kompozyt umacniane (wzmocnione) dyspersyjnie,

kompozyty umacniane cz

ą

stkami,

kompozyty umacniane włóknami.

Kompozyty

zbrojone dyspersyjnie

•

metalowa osnowa wzmocniona cz

ą

stkami ceramicznymi lub metalicznymi o

ś

rednicy

∼

10÷100 nm w ilo

ś

ci do ok. 15% obj

ę

to

ś

ci kompozytu

•

obci

ąż

enie przenoszone jest głównie przez osnow

ę

- zbrojenie dyspersyjne

nie poprawia znacz

ą

co cech mechanicznych i wytrzymało

ś

ciowych kompozytu

w umiarkowanych temperaturach

•

mechanizm wzmocnienia: utrudnianie przez rozproszone cz

ą

stki ruchu

dyslokacji w osnowie

•

wzmocnienie jest efektywne w wysokich temperaturach (do ok. 80% temp.
topnienia)

•

niewielki udział cz

ą

stek znacznie poprawia np. odporno

ść

na pełzanie

kompozytu w porównaniu z odporno

ś

ci

ą

materiału osnowy

Kompozyty zbrojone cząstkami

•

obci

ąż

enie przenoszone przez obie fazy

•

mechanizm wzmocnienia: ograniczanie przez cz

ą

stki odkształce

ń

matrycy w

obszarze s

ą

siaduj

ą

cym z powierzchni

ą

ka

ż

dej cz

ą

stki

•

wzmocnienie jest efektywne, je

ś

li:

- udział cz

ą

stek przekracza 20% obj

ę

to

ś

ci kompozytu (niekiedy

nawet

90%)
- cz

ą

stki s

ą

równomiernie rozło

ż

one w kompozycie

- cz

ą

stki powinny mie

ć

mniej wi

ę

cej te same wymiary we

wszystkich

kierunkach i by

ć

małe

Kompozyty zbrojone włóknami

•

element no

ś

ny - włókna w obj

ę

to

ś

ci 45-70% obj

ę

to

ś

ci kompozytu

•

matryca (metalowa lub polimerowa) - spoiwo ł

ą

cz

ą

ce włókna, zapewniaj

ą

ce

rozdział obci

ąż

enia zewn

ę

trznego pomi

ę

dzy włókna, a tak

ż

e chroni

ą

ce je

przed czynnikami zewn

ę

trznymi

•

najwi

ę

ksza efektywno

ść

spo

ś

ród materiałów kompozytowych - najlepsze

własno

ś

ci mechaniczne i wytrzymało

ś

ciowe przy najmniejszym ci

ęż

arze

wła

ś

ciwym

•

podstawowe znaczenie praktyczne: kompozyty włókniste o osnowach
polimerowych zbrojonych włóknami w

ę

glowymi, grafitowymi, szklanymi,

boronowymi i aramidowymi

Podział kompozytów ze wzgl

ę

du na osnow

ę

:

kompozyty o osnowach organicznych,

kompozyty o osnowach metalicznych,

kompozyty o osnowach ceramicznych.

Wytwarzanie kompozytów

metoda kontaktowa



"

chałupnicza", r

ę

czna metoda wytwarzania kompozytów włóknistych.



produkcja elementów powierzchniowych w krótkich seriach lub
pojedynczych egzemplarzach, od których nie jest wymagana du

ż

a

wytrzymało

ść

i trwało

ść

, ani te

ż

jednorodno

ść

kolejnych wytworzonych

elementów.



zbrojenie: maty i tkaniny „przyci

ę

te” tak, aby odwzorowywały kształt

produkowanego elementu.



kolejne warstwy tkaniny nas

ą

cza si

ę

ż

ywic

ą

poliestrow

ą

lub

epoksydow

ą

i układa na sobie w odpowiedniej formie umo

ż

liwiaj

ą

cej

uzyskanie po

żą

danego kształtu.



o jako

ś

ci produktu finalnego decyduj

ą

przede wszystkim jako

ść

formy

oraz kwalifikacje producenta

metoda natryskowa



udoskonalona i zmechanizowana odmiana metody kontaktowej -
formowanie r

ę

czne zast

ą

piono formowaniem przy u

ż

yciu pistoletu,

umo

ż

liwiaj

ą

cego jednoczesne nanoszenie na form

ę

zarówno

ż

ywicy,

jak i włókien w odpowiednich proporcjach



włókna maj

ą

posta

ć

ta

ś

m składaj

ą

cych si

ę

z wielu pojedynczych

włókien,

poł

ą

czonych

specjalnym

lepiszczem

i poci

ę

tych na krótkie pasemka (tzw. ci

ę

ty roving)



metoda efektywniejsza i prostsza w stosowaniu od metody r

ę

cznej, ale

wykazuje te same wady



elementy nie s

ą

jednorodne, maj

ą

stosunkowo mał

ą

wytrzymało

ść

, a

ich jako

ść

jest trudna do przewidzenia

metoda ci

ą

gła wytwarzania pr

ę

tów, rur, kształtowników



automatyczna produkcja elementów o stałym przekroju



zbrojenie - ta

ś

m

ą

składaj

ą

c

ą

si

ę

z wi

ą

zki równoległych włókien

poł

ą

czonych lepiszczem (tzw. ci

ą

gły roving)



ta

ś

my

z

rovingiem

przechodz

ą

przez

wann

ę

z

ż

ywic

ą

termoutwardzaln

ą

, impregnuj

ą

c

ą

włókna i pełni

ą

c

ą

rol

ę

matrycy i

przeci

ą

gane s

ą

przez stalowy tłocznik, nadaj

ą

cy elementowi wst

ę

pny

kształt oraz kontroluj

ą

cy wła

ś

ciwy skład kompozytu



"półprodukt" przeci

ą

gany jest przez kolejny, bardzo precyzyjny tłocznik

nadaj

ą

cy ostateczny kształt przekroju poprzecznego. Układ grzewczy

tłocznika inicjuje proces utwardzania

ż

ywicy



pr

ę

dko

ś

ci

ą

produkcji steruj

ą

przeci

ą

garki, ci

ą

gn

ą

ce pr

ę

t (pr

ę

dko

ść

si

ę

ga kilkudziesi

ę

ciu m/godz. )

metoda nawijania włókien



idea metody: ci

ą

głe nawijanie włókien na obracaj

ą

cy si

ę

rdze

ń

o

kształcie bryły obrotowej, aby uzyska

ć

po

żą

dany układ geometryczny

włókien



w zale

ż

no

ś

ci od kierunku obrotu rdzenia i sposobu przesuwu tzw.

sanek z b

ę

bnem z nawini

ę

tym włóknem mo

ż

na wykona

ć

nawijanie

obwodowe,

ś

rubowe i planetarne



regulowana pr

ę

dko

ść

przesuwu sanek i pr

ę

dko

ść

obrotowa rdzenia

umo

ż

liwia zmian

ę

k

ą

ta nawijania w zakresie 5-85°



ta

ś

my rovingu wst

ę

pnie nasyconego

ż

ywic

ą

musz

ą

by

ć

ogrzane przed

nawini

ę

ciem na rdze

ń

, aby

ż

ywica przeszła w stan płynny



rdze

ń

jest ogrzewany w celu zapewnienia dokładnego powi

ą

zania ze

sob

ą

kolejnych nawijanych warstw

Zastosowania kompozytów:



Mc Laren / Mercedes



MOSTY



Ci

ę

gna z włókien w

ę

glowych w mo

ś

cie podwieszonym



Spr

ęż

enie d

ź

wigaru mostowego



podpory pod linie wysokiego napi

ę

cia (CH)



Słup spr

ęż

ony ci

ę

gnami w

ę

glowymi



Podpory elektrowni wiatrowych (DK

)

Opisane materiały ceramiczne i kompozytowe ze wzgl

ę

du na swe własno

ś

ci s

ą

materiałami których

rozwój nie jest ograniczony i stanowi

ą

perspektyw

ę

przyszło

ś

ciow

ą

dla wielu gał

ę

zi przemysłowych.