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

ś

ciwo

ś

ci elektroizolacyjne,

odporno

ść

na chemikalia

silikonowy

dobre wła

ś

ciwo

ś

ci elektroizolacyjne, odporno

ść

termiczna i

chemiczna, niepalno

ść

, niska cena

fenolowo-
formaldehydowy

bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowe, izolacyjne, du

ż

y skurcz

podczas utwardzania, niska cena, proste przetwórstwo

poliestrowy

bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci elektroizolacyjne, dobre wła

ś

ciwo

ś

ci

cieplne i odporno

ść

cieplna

melaminowo-
formaldehydowy

dobre wła

ś

ciwo

ś

ci elektroizolacyjne, odporno

ść

chemiczna, du

ż

a

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

ś

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).

Ś

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

Al

2

O

3

, SiC,

Al

2

O

3

*

SiO

2

włókna

Al

2

O

3

, 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)