PORÓWNANIE WŁASNOŚCI TYPOWYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

PORÓWNANIE WŁASNOŚCI TYPOWYCH MATERIAŁÓW

KOMPOZYTOWYCH

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów mający
właściwości nowe (lepsze) w stosunku do komponentów.

Kompozyt składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika (zbrojenia) o
znacznie lepszych właściwościach mechanicznych.

Podział kompozytów:

Ze względu na wielką różnorodność materiałów kompozytowych dzieli
się je ze względu na rodzaj:

osnowy,

zbrojenia,

włókna.

Zadania osnowy:

zabezpieczać zbrojenie przed mechanicznym uszkodzeniem,

przenosić naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,

zatrzymywać rozprzestrzenianie się pęknięć,

nadawać wyrobom żądany kształt.

najczęściej polimer

- duroplasty
- termoplasty

może być to metal

(Ti, Ni, Fe, Al, Cu)

bądź ceramika

(np..AlO3,SiO2,SiC,TiO2)

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Przykładowe termoplasty wykorzystywane jako osnowy kompozytów:

poliamid 6,6 (PA6,6), poliamid 6 (PA6),

polistyren (PS), poli (chlorek winylu) (PVC), polipropylen (PP), poliimid (PI),

poliwęglan (PC), poliformadehyd (POD).

Dodanie do polimerów termoplastycznych zbrojenia
w postaci włókien powoduje wzrost ich wytrzymałości, natomiast wzmocnienie w postaci
kulistej zwiększa odporność na kruche pękanie oraz nadaje polimerom szczególnych
własności, np. smarne lub elektroprzewodzące.

Przykładowe duroplasty stosowane jako osnowa i ich charakterystyka

Polimery jako osnowa spełniają w kompozytach następujące funkcje:

umożliwiają przenoszenie obciążeń na włókna,

nadają wyrobom żądany kształt,

decydują o właściwościach cieplnych

i chemicznych oraz o palności kompozytów,

wywierają wpływ na metody wytwarzania kompozytów.

Zalety kompozytów metalowych

mała gęstość,

duża wytrzymałość i sztywność,

określone wartości wytrzymałości

i sztywności,

określona wartość przewodności

i rozszerzalności cieplnej.

wysoka odporno

ść

termiczna, dobre wła

ciwo

ci elektroizolacyjne,

odporno

ść

na chemikalia

silikonowy

dobre wła

ciwo

ci elektroizolacyjne, odporno

ść

termiczna i

chemiczna, niepalno

ść

, niska cena

fenolowo-
formaldehydowy

bardzo dobre wła

ciwo

ci wytrzymało

ciowe, izolacyjne, du

y skurcz

podczas utwardzania, niska cena, proste przetwórstwo

poliestrowy

bardzo dobre wła

ciwo

ci elektroizolacyjne, dobre wła

ciwo

cieplne i odporno

ść

cieplna

melaminowo-
formaldehydowy

dobre wła

ciwo

ci elektroizolacyjne, odporno

ść

chemiczna, du

wytrzymało

ść

mechaniczna, bardzo mały skurcz podczas utwardzania

Charakterystyka ogólna

epoksydowy

Polimer

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Kompozyty z osnową metalową wytwarzane są w układach:

metal – metal,
metal – ceramika.

Jako osnowę stosuje się:

1. Stopy metali lekkich ( Al, Mg)
2. Stopy srebra i miedzi
3. Stopy niklu
4. Stopy ołowiu i cynku

Materiały ceramiczne stosowane na osnowę dzieli się na:

materiały budowlane, np.:

gips

szkło

cement

materiały hutnicze, np.:

materiały krzemionkowe

materiały szamotowe

wysokoglinowe

dolomitowe

materiały stosowane w elektronice

Gips to uwodniony siarczan wapnia, biały lub żółtawy minerał o szklistym połysku
występujący głównie w postaci włóknistej, ziarnistej lub drobnokrystalicznej i zbitej.

Ma tę szczególną właściwość, iż sproszkowany i wymieszany z wodą tworzy po zaschnięciu
substancję twardą
i nieprzeźroczystą.

Szkło jest substancją , zwykle nieorganiczną , która w procesie ochładzania przechodzi w
sposób ciągły ze stanu ciekłego do stanu, w którym uzyskuje ona bardzo dużą lepkość i wiele
właściwości mechanicznych ciała stałego o strukturze nieuporządkowanej.

Cement jest rodzajem spoiwa, twardniejącego po zarobieniu z wodą i po stwardnieniu nie
ulegającego działaniu wody.
Otrzymywany jest przez wypalanie odpowiednich surowców w wysokiej temperaturze i
zmielenie produktu tego procesu na bardzo drobny proszek.

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Właściwości osnowy ceramicznej

Właściwości ceramiki różnią się wyraźnie w stosunku do metali czy polimerów m.in. dużą
twardością i sztywnością
ale jednocześnie dużą kruchością.
Zasadniczym powodem wytwarzania kompozytów ceramicznych jest zwiększenie m.in.
odporności na pękanie.
Ceramika wykazuje wytrzymałość na ściskanie prawie
15-krotnie większą niż na rozciąganie.

Zastosowanie

technika lotnicza i kosmiczna – dysze rakiet, osłony termiczne, hamulce,

przemysł samochodowy – hamulce,

techniki wytwarzania – narzędzia skrawające, ciągadła do drutu, izolacje cieplne,

medycyna – implanty, płytki ustalające kości, endoprotezy.

Zadaniem zbrojenia jest:

wzmacnianie materiału,

poprawianie jego właściwości mechanicznych.

Rodzaje kompozytów ze względu na zbrojenie:

kompozyty zbrojone cząstkami,

kompozyty zbrojone włóknami,

kompozyty zbrojone włóknami ciągłymi.

Kompozyty wzmacniane cząstkami:

wzmacniane dużymi cząstkami innej fazy (np.polimer z wypełniaczem lub beton),

materiały utwardzane dyspersyjnie (cząstki zbrojenia mają mniej więcej średnice 0.01-

0.1µm (np. stopy metali, gdzie osnową jest metal a zbrojeniem jakaś twardsza faza: tor w Ni,
Al/Al2O3).

Właściwości kompozytów wzmacnianych cząstkami zależą od:

osnowy,

zbrojenia.

Zbrojenie wpływa na kompozyt poprzez cały szereg parametrów.

Aby zbrojenie miało optymalnie możliwe właściwości to:

cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary,

powinny być równomiernie rozłożone,

procent objętości zajętej przez zbrojenia zależy od konkretnych potrzeb.

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Kompozyty wzmacniane włóknami

jest to najważniejszy rodzaj kompozytów,

włókno jest obiektem anizotropowym, o symetrii cylindrycznej.

--Kompozyty wzmacniane włóknami

włókno ma zazwyczaj długość znacznie większą od

rednicy, są to obiekty podłużne,

--przeważnie stosuje się włókna szklane, węglowe lub aramidowe (np.Kevlar).

Wymagania stawiane włóknom:

musi być znacznie silniejsze niż materiał osnowy,

musi mieć dużą wytrzymałość na rozciąganie.

Rodzaje włókien stosowanych do produkcji kompozytów

Właściwości mechaniczne kompozytu zależą od:

mechanicznych właściwości włókna,

wielkości naprężenia, które jest przekazywane przez osnowę (zależy od siły wiązania

między włóknem a osnową),

istnieje pewna krytyczna długość włókna, poniżej której włókno nieefektywnie wzmacnia

kompozyt (zależy od średnicy włókna, wytrzymałości na rozciąganie i siły wiązania z
osnową).

rednica włókna

--przyczyną dużej wytrzymałości włókien jest również
ich mała średnica,

we włóknach o średnicach powyżej 15 µm istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo

pojawienia się wad powierzchniowych, co sprzyja pękaniu.

kevlar, polietylen, poliamid

borsic, bor osadzony na
włóknie wolframowym lub
węglowym, węgliki

, SiC,

SiO

włókna

, SiC, wiskery

metali

włókna szklane, kwarcowe,
borowe

Przykład włókien

polimer

ceramiczny, węgiel
metaliczny

ceramiczny,
metaliczny

szkło, bor,
krzemionka

Materiał

Wielkocząsteczkowa

Wielofazowa

Polikrystaliczna

Monokrystaliczna

Amorficzna

Struktura

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Włókna dnia dzisiejszego: KEVLAR

Kevlar to nazwa polimeru, a nie kompozytu jako całości (co nie zmienia faktu, że tak właśnie
się zazwyczaj nazywa kompozyt)

Kevlar to jedno z włókien aramidowych

POLIAMIDY AROMATYCZNE (aramidy) to polimery zawierające w łańcuchu grupę –

CONH-, połączoną z obydwu stron z fragmentami aromatycznymi: fenylowymi,
naftalowymi, heterocyklicznymi,

odznaczają się dużą udarnością i odpornością na ścieranie

oraz dużą zdolnością do tłumienia drgań,

bardzo dobra jest także ich odporność na czynniki

atmosferyczne i chemiczne.

Kalety Kevlaru

wytrzymałość właściwa pięciokrotnie większa niż stali,

moduł sprężystości E=126 GPa,

duża odporność na efekty zmęczeniowe,

odporność na czynniki chemiczne,

materiał samogasnący,

gęstość d=1750 kg/m3,

odporność na temperatury do 700 K,

trudny do przecięcia.

Nomex

włókna z kwasu izoftalowego i m-fenylenodiaminy nie jest to tak wytrzymałe

mechanicznie włókno jak Kevlar jest jednakże odporne na wysokie temperatury i można je
stosować w temperaturach powyżej 200 °C,

znalazło zastosowanie w niektórych ubiorach strażackich i kierowców samochodów

wyścigowych (tkaniny termo-i ogniotrwałe),

powyżej temperatury rozkładu przekształca się w grafit, zachowując pierwotne właściwości

ochronne.

Kompozyty węglowe

włókna karbonizowane, włókna otrzymywane

w wyniku pirolizy włókien organicznych; rozróżnia
się 2 rodzaje włókien karbonizowanych

włókna węglowe, zawierające 90–96% węgla pierwiastkowego, o nie w pełni

zorientowanej strukturze kryształów

włókna grafitowe o zawartości powyżej 96% (często bliskiej 99%) węgla o krystalicznej,

zorientowanej strukturze;

w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7

Kompozyty konstrukcyjne

    Pojęcie kompozyty konstrukcyjne stosuje się w odniesieniu do kompozycji polimerowych
o wysokich parametrach mechanicznych, stosowanych w przemyśle (głównie lotniczym)

             Typy:

laminaty,

kompozyty warstwowe.

Laminaty

Wiele dwuwymiarowych warstw, różnie zorientowanych względem siebie.

Kompozyty warstwowe

dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego materiału

(rdzeń). Używa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów.

rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do

powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma strukturę plastra miodu

Włókna naturalne

Włókna naturalne służą głównie do zbrojenia polimerów.

Są to m.in.:

juta, sizal, len, bawełna, konopie i kokos

Zaletami tego zbrojenia są:

dostępność,

odnawialność zasobów,

biodegradowalność,

niska cena,

niewielka gęstość,

łatwiejszy recykling.

Włókna naturalne stosowane

są do zbrojenia m.in.:
rur, elementów budowlanych, mebli, pojemników, elementów nadwozi samochodowych
np.: nadkoli, zderzaków.

Porównanie typowych własności kompozytów

z innymi materiałami na podstawie mapek Ashby’ego

wykres wpływu PRZEWODNOŚCI CIEPLNEJ (W/(m·K)) na WSPÓŁCZYNNIK

LINIOWEJ ROZSZERZALNOŚCI CIEPLNEJ (10-6·K-1)

wykres wpływu WYTRZYMAŁOŚCI (MPa) na GĘSTOŚĆ (g/cm-3)

wykres wpływu WYTRZYMAŁOŚCI W PODWYŻSZONEJ TEMPERATURZE (MPa)

na TEMPERATURE (°C)