nr 1-2 (31-32) 2003

Akademickie Aktualno ci Morskie

7

ncyklopedyczna definicja

kompozytu brzmi: ... two-

rzywo zło one z co naj-

mniej dwóch składników (zwa-

nych komponentami, fazami) o

ró nych wła ciwo ciach w taki

sposób, e ma wła ciwo ci lepsze

i (lub) nowe (dodatkowe) w po-

równaniu z wła ciwo ciami po-

szczególnych składników lub w

porównaniu z sum wła ciwo ci

tych składników; kompozyt jest

materiałem zewn trznie monoli-

tycznym, jednak e z makrosko-

powo widocznymi granicami

mi dzy składnikami. Oznacza to,

e kompozyt mo e powsta przez

poł czenie ka dych dwóch lub

wi cej materiałów. Dotyczy to

wszystkich stosowanych w bu-

dowie maszyn materiałów wyst -

puj cych w stanie stałym: metali,

materiałów organicznych oraz

materiałów ceramicznych.

Klasyfikacja materiałów

uwzgl dniaj ca kompozyty

Najcz ciej słowo „kompozyt”

jest kojarzone z popularnymi,

stosowanymi od kilkudziesi ciu

lat kompozytami typu polimer

wzmacniany włóknem szklanym.

Istotne zalety tych materiałów

takie jak: sztywno , wytrzyma-

ło na rozci ganie, lekko , ła-

two kształtowania, a tak e od-

porno na korozj spowodowały

szerokie ich zastosowanie rów-

nie w okr townictwie (kadłuby

okr tów o długo ci do 60 mb,

kadłuby i wyposa enie jednostek

sportowych, osłony radarów itp.).

Mniej znanymi, ale obecnie

ju szeroko stosowanymi w kra-

jach o wysokim poziomie tech-

niki s

kompozyty metalowe.

Kompozyty te, podobnie jak

kompozyty polimerowe, zawie-

raj dwie fazy: osnow , w tym

przypadku jest to metal (stopy

aluminium, magnezu, a tak e ty-

tan, mied , stopy elaza) oraz

zbrojenie. Zbrojenie to najcz -

ciej ceramika, ale tak e spotyka

si w giel i ostatnio coraz rza-

dziej metale. Niezwykle wa n

spraw jest posta geometryczna

zbrojenia, determinuj ca cz sto

sposób wytworzenia kompozytu.

Podział kompozytów w zale no ci

od kształtów fazy zbroj cej

Buduj c ró ne urz dzenia i

wyroby wiemy dokładnie, jakie

s okre lone i w pewnym sensie

ograniczone wła ciwo ci trady-

cyjnych materiałów. Metale b d

wytrzymałe, dosy ci kie, od-

porne na temperatur , ceramika

za b dzie bardzo twarda, lecz

krucha, przy jednoczesnej dobrej

odporno ci na wysok tempera-

tur i działanie agresywnych

czynników, natomiast polimery

b d łatwo przetwarzalne, tanie,

lecz do stosowania w zakresie

stosunkowo niskich temperatur
(do 200

°C) itd. Kapitaln zalet

materiałów kompozytowych jest

mo liwo projektowania i ze-

stawiania ich wła ciwo ci nie-

jako na zamówienie. Mo na

utworzy dany zestaw ró nych

cech materiałowych, takich jak:

wytrzymało na rozci ganie,

sztywno , przewodno cieplna,

rozszerzalno cieplna, przewod-

no elektryczna, wła ciwo ci

magnetyczne itp.

dane wła ci-

wo ci mo na osi gn poprzez

dobór odpowiednich materiałów

zarówno osnowy jak i zbrojenia

oraz udział i posta fazy zbroj -

cej a tak e jej uło enie w prze-

strzeni. Wymagania stawiane fa-

zie zbroj cej to: odpowiednie

warto ci parametrów opisuj cych

podstawowe jego wła ciwo ci –

g sto , wytrzymało , sztyw-

no , rozszerzalno cieplna a

tak e zdolno tworzenia wła-

ciwego poł czenia z osnow ,

odporno na destrukcyjne od-

działywanie metalu osnowy, sta-

bilno wła ciwo ci wytrzymało-

ciowych w temperaturze pracy,

brak przemian fazowych w tem-

peraturze pracy. Posta geome-

tryczna zbrojenia to włókna dłu-

gie uporz dkowane, włókna krót-

kie

nieuporz dkowane

oraz

cz stki. Najcz ciej spotykane

rodzaje zbrojenia to włókna boru,

E

Nowe materiały

Akademickie Aktualno ci Morskie

nr 1-2 (31-32) 2003

8

w glowe, metalowe, ceramiczne

(SiC, Al

2

O

3

), tak e whiskery,

oraz cz stki – regularne, niere-

gularne oraz płatki (SiC, Al

2

O

3

oraz B

4

C, Si

3

N

4

, AlN, TiC, TiB

2

).

Z kolei osnow musz charakte-

ryzowa istotne z punktu widze-

nia pracy kompozytu cechy, tj.:

g sto , wytrzymało , plastycz-

no , przewodno cieplna, prze-

wodno elektryczna, tempera-

tura pracy, a tak e odporno ko-

rozyjna i odpowiednie wła ciwo-

ci magnetyczne. Stosuje si

stopy Al, Mg, a tak e Cu, Ti, Ni,

Zn, Pb, Fe. Wytwarzanie kompo-

zytów metodami odlewniczymi

polega na sporz dzaniu miesza-

niny, a nast pnie zalewaniu form

odlewniczych grawitacyjnie, ci-

nieniowo, od rodkowo lub po-

przez prasowanie w stanie cie-

kłym, lub ciekłostałym.

Struktura kompozytu

Inne

cz ciej

spotykane

odlewnicze metody wytwarzania

kompozytów to krystalizacja

ukierunkowana niektórych sto-

pów (kompozyty „in situ”) oraz

nasycanie ci nieniowe ciekłym

metalem struktur zbroj cych

utworzonych z włókien nieupo-

rz dkowanych tzw. preform.

Osobn

grup

stanowi

kompozyty wytwarzane poprzez

spiekanie pod wysokim ci nie-

niem mieszanin odpowiednich

proszków metali oraz ceramiki, a

tak e kompozyty wytwarzane

metod przeróbki plastycznej.

Kompozyty metalowe znajduj

szerokie zastosowanie w budowie

maszyn. Mo na je podzieli na

kompozyty konstrukcyjne, gdzie

najwa niejszymi cechami s :

wytrzymało , sztywno , ci gli-

wo , odporno na pełzanie, od-

porno zm czeniowa oraz kom-

pozyty o szczególnych wła ciwo-

ciach, tj. odporno na cieranie,

dobre

przewodnictwo

elek-

tryczne, odporno na wysok

temperatur pracy, dobre wła ci-

wo ci lizgowe, dobre przewod-

nictwo cieplne. Szerokie zastoso-

wanie znajduj kompozyty w bu-

dowie cz ci silników spalino-

wych, tj. tłoki, korbowody, ele-

menty rozrz du, wkładki do ko-

mory spalania, gniazda zawo-

rowe, tuleje cylindrowe, korpusy

silników. Stosuj c materiały

kompozytowe mo na osi gn

zmniejszenie masy elementów

ruchomych,

rozszerzalno ci

cieplnej, przewodno ci cieplnej,

całkowitej masy silnika, nato-

miast zwi kszenie odporno ci na

szoki termiczne i odporno ci na

cieranie.

Tłok silnika spalinowego

Wyroby z kompozytów o

zwi kszonej

odporno ci

na

cieranie to tarcze sprz głowe,

tarcze hamulcowe, tuleje cylin-

drowe, z kompozytów o dobrej

przewodno ci elektrycznej to

szczotki i ł czniki, a kompozyty

o dobrych wła ciwo ciach li-

zgowych znajduj zastosowanie

na panewki i prowadnice. Kom-

pozyty metalowe s szeroko sto-

sowane w urz dzeniach i wyro-

bach równie w elektronice, spor-

cie, rekreacji i medycynie. U y-

waj c potocznie słowa kompozyt

metalowy mamy do czynienia z

wielko ci elementów zbroj cych

rz du kilku do kilkuset mikro-

metrów (jeden z wymiarów). Je-

eli jeden z wymiarów elemen-

tów zbrojenia b dzie mniejszy

ni sto nanometrów, b dziemy

mogli mówi o

nanokompozy-

tach. Wej cie w obszar „nano” w

in ynierii materiałowej mo e za-

owocowa powstaniem materia-

łów, tak e kompozytów, o nie-

spotykanych do tej pory wła ci-

wo ciach. Mo na uzyska na

przykład kilkukrotny wzrost wy-

trzymało ci niektórych metali,

pojawienie si zjawiska superpla-

styczno ci w materiałach cera-

micznych i metalach, zwi ksze-

nie o rz d wielko ci odporno ci

na pełzanie, mo liwo wytwa-

rzania bezsmarowych materiałów

lizgowych itd. Jednym z o rod-

ków zajmuj cych si w Polsce

technologi odlewanych kompo-

zytów metalowych jest Zakład

In ynierii Materiałów Okr to-

wych na Wydziale Mechanicz-

nym WSM. We współpracy z Za-

kładem Odlewnictwa Politechniki

Pozna skiej prowadzi prace ma-

j ce na celu rozwój i wdra anie

tej technologii.

Janusz Grabian