plik

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1440

produktów i ich elementów

Tablica 9.52

Procesy technologiczne wytwarzania materiałów kompozytowych o osnowie węglowej wzmacnianych
włóknami węglowymi

Proces wytwórczy

Materiał osnowy

Materiał wzmocnienia

Metoda zagęszczania

Kształtowanie ostateczne

Obrotowe trzpienie

Przestrzennie
splatane włókna
węglowe (także
oplatane)

żywice fenolowe,
smołowe i furanowe
przekształcalne
przy wygrzewaniu
w atmosferze obojętnej
do zagęszczonego węgla

węgiel (włókna, miseczki,
podłoże smołowe), włókna
węglowe wstępnie grzane
w temp. 1650÷2760°C,
aby wysuszyć włókna
nawijane na obracający
się masywny grafitowy
trzpień z promieniowo
ułożonymi włóknami;
osiowo zwinięte włókna,
opaski z włókien

impregnacja pod ciśnie-
niem w próżni z żywicą
smołową w temp. 1650°C,
zwęglanie w próżni obojętnej;
cykl powtarzany pięciokrot-
nie do uzyskania

gęstości

nie większej niż 1,9 g/cm

;

opcjonalna końcowa grafi-
tyzacja w temp. 2760°C;
cykle zagęszczania mogą
trwać do 1 tygodnia

skrawanie i obróbka
wykończająca
po każdym cyklu
impregnacji
i zwęglania, w celu
otwarcia pustek
przed następnym
cyklem zagęszczania

Płaskie nawijane
włókna pokrywane
w procesie CVD
(także oplatane)

proces CVD węgla
uzyskanego w wyniku
pirolizy, skierowany
na nawijane włókna
półfabrykatu; konieczny
może być więcej niż
jeden cykl zagęszczania

kształtki z nawiniętych
włókien węglowych
lub grafitowych
ze zwojami ułożonymi
śrubowo, biegunowo
lub opasującymi,
z czynnikiem łączącym
lub bez niego i żywicą
wiążącą

proces CVD węgla uzyska-
nego w wyniku pirolizy,
skierowany na nawijane
włókna półfabrykatu;
koniecznych może być do
pięciu cykli, zależnie od
nawijanego półfabrykatu,
żądanej gęstości oraz
nakładanej powierzchni i
penetracji; końcowa grafi-
tyzacja w temp. 2760°C
jest opcjonalna

skrawanie i obróbka
wykończająca po ka-
żdej impregnacji mo-
że być potrzebna w
celu otwarcia pustek

Płaskie tkane taśmy
z włókna węglowego

jak dla przestrzennych

materiał wejściowy –
tkanina węglowo-
fenolowa układana,
prasowana w próżni
i utwardzana do 18
godzin w temperaturze
165°C pod ciśnieniem
1720 kPa; nagrzewanie,
utwardzanie, chłodzenie

zwęglanie kęsa, impregnacja
w próżni z żywicą smołową
i utwardzanie; sześciokrotne
powtarzanie cyklu do uzy-
skania ciężaru właściwego
nie większego niż 1,8 g/cm

;

końcowa grafityzacja
w temp. 2760°C jest
opcjonalna

skrawanie i obróbka
wykończająca
po każdym cyklu
impregnacji
i zwęglania może być
potrzebna w celu
otwarcia pustek do
następnej impregnacji

Nieruchomy trzpień wewnętrzny / zewnętrzny otwarty / zamknięty

Płaski wojłokowy
półfabrykat pokrywa-
ny w procesie CVD
lub impregnowany
żywicą, albo układane
maty z tkaniny

proces CVD węgla
uzyskanego w wyniku
pirolizy, skierowany
na wojłokowy pół-
fabrykat; konieczny
może być więcej niż
jeden cykl zagęszczania

krótkie włókna
węglowe lub grafitowe
są foliowane
w półfabrykat z włókna

podobne
jak w przypadku
płaskich włókien
nawijanych
na obracający się trzpień

podobne
jak w przypadku
płaskich włókien
nawijanych
na obracający się
trzpień

Półfabrykaty
z zagęszczonych
włókien, proszku
lub kryształów
nitkowych

impregnacja w procesie
CVD lub za pomocą
żywicy, albo obie łącznie

grafit luzem
lub półfabrykat
z cząstek grafitu

wielokrotne cykle
zagęszczania żywica /
CVD

skrawanie
i kształtowanie
po każdym cyklu
zagęszczania

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1440

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1441

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.53

Procesy wytwarzania kompozytów ceramicznych wzmacnianych włóknami

Proces

Kompozyt (włókno-osnowa)

Uwagi

Prasowanie
na gorąco

W–szkło, Ni–szkło, Mo–dwutlenek toru,
Mo–tlenek aluminium, W–ceramika,
stal nierdzewna–tlenek aluminium,
C–szkło, C-ceramika szklana, C–MgO,
C–Al

, ZrO

–MgO, ZrO

–ZrO

SiC–szkło, SiC–ceramika szklana,
Al

–szkło, C–Si

, Ta–Si

włókna i proszek osnowy są razem mieszane i prasowane na gorąco
dla utworzenia kompozytów o niskiej porowatości, z niepopękaną
osnową, jeżeli dobrano odpowiednio współczynniki rozszerzalności
cieplnej; kompozyty z ułożonymi liniowo ciągłymi włóknami mogą
mieć bardzo wysoką wytrzymałość

Prasowanie
na zimno
i spiekanie

C–szkło,
włókno metalowe–ceramika

włókna i osnowa są mieszane, prasowane na zimno i spiekane;
uzyskuje się niezadowalające rezultaty ze względu na znaczny skurcz
osnowy w czasie spiekania, co daje w wyniku popękane kompozyty

Odszklenie
(dewitryfikacja)

C-ceramika szklana, SiC-ceramika
szklana

włókna i proszek szklany są prasowane na gorąco w dość niskiej
temperaturze dla uzyskania szkła zbrojonego; dalsza obróbka cieplna
w wysokiej temperaturze stosowana jest do rekrystalizacji szkła do
postaci ceramiki szklanej; kombinacja C–szkło daje niezadowalająco
niską wytrzymałość, być może z powodu zmiany objętości w czasie
odszklania; dostępne dane dla kombinacji SiC-ceramika szklana
mówią o jej dobrych własnościach

Spajanie

zbrojony Si

włókna są wprowadzane do napylanego ogniowo krzemu, który
następnie jest spajany w wyniku reakcji w atmosferze azotu

Odlewanie
gęstwy

włókno szklane–stopiona krzemionka

włókna ceramiczne są wprowadzane do gęstwy bardzo drobnej krzemion-
ki, po czym prowadzone jest wypalanie; podwyższona porowatość
spowodowana obecnością włókien powoduje zazwyczaj pogorszenie własności

Napylanie
plazmowe

Mo-Al

, W-Al

proszek tlenku aluminium jest napylany plazmowo; inne prace,
w których korzystano z napylania plazmowego, prowadzono
we Francji i w Japonii; jak się uważa, proces ten przebiega wolno

Chemiczne
nasączanie opa-
rami i osadzanie

włókna SiC w SiC,
włókna C w SiC

uszkodzeniom włókien można zapobiec przez brak przemieszczeń
mechanicznych i względnie niską temperaturę tego procesu

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1441

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1442

produktów i ich elementów

Ludzie od niepamiętnych czasów starali się zapisać informacje utrwalające wrażenia z otaczającego świata.
W okresie górnego paleolitu, w czasie kultur szatelperońskiej, oryniackiej i graweckiej z lat 35000

18000 p.n.e.,

pojawiły się pierwsze nacięcia oraz wyobrażenia zwierząt i ludzi na kościach i kamieniach, a także pierwsze
figurki. W okresie solutrejskim z lat 18000

15000 p.n.e. oraz magdaleńskim z lat 15000

8000 p.n.e. zaczęły się

pojawiać reliefy, ryty i malarstwo na ścianach jaskiń, np. Lascaux (we Francji) ok. 12000

15000 r. p.n.e. (1),

Altamira (w Hiszpanii) (2), Rouffignac (we Francji) (3) oraz w Niaux (we Francji) (4). W starożytnym Egipcie
w grobowcach także pojawiało się malarstwo naścienne, np. reprezentujące kulturę Naqady z ok. 3300 r. p.n.e.
(6). W epoce neolitu pojawiają się znaki symboliczne, jak w Almaden (w Hiszpanii) (5) , z czasem przekształcające
się w pismo hieroglificzne, np. na tzw. Skale z Palermo z ok. 2470 r. p.n.e. (7) lub w Saqqarze z ok. 2330 r. p.n.e.
(8).  Pismo  jest  systemem  znaków  służących  do  utrwalenia  lub  zastąpienia  języka  mówionego  przez  zapis.
Najwcześniejsze formy, to pismo piktograficzne i pismo ideograficzne. Około 3000 roku p.n.e. w Egipcie zaczęto
używać papirusu do pisania. Zastąpił on ciężkie i nieporęczne tablice gliniane. Postrzępione papirusowe „pióra”
służyły natomiast jako pędzle do pisania. Wśród zabytków pisma na papirusie można wymienić plan grobowca
Ramzesa  IV  z  1150  r.  p.n.e.  (9)  lub  papirus  Hunefera  z  1285  r.  p.n.e.  (10).  Papirus  jest  materiałem  pisarskim
wytwarzanym z włókien rośliny - cibory papirusowej, rosnącej w delcie Nilu. Łodygi krzewu wysokiego na 4 m
są cięte na kawałki o długości ok. 40 cm. Z rozciętych kawałków wyjmuje się rdzeń i układa dwuwarstwowo na
krzyż jeden obok drugiego, następnie zbija się pobijakiem aż sok sklei rdzenie w jednorodną kartkę i następnie
suszy. Około 2630 roku p.n.e. niezależnie od siebie w Chinach i Egipcie zaczęto używać tuszu, który nie rozpuszcza
się  na  papirusie.  W  celu  jego  wyprodukowania  spalało  się  olej  sezamowy,  a  sadzę  mieszało  się  z  wodą  lub
roztworem kleju, do którego Chińczycy dodawali piżmo dla usunięcia nieprzyjemnego zapachu, a do pisania na
kamieniu lub drewnie dodawali moczu żółwia. Chińczyk Tient-tschen z węgla drzew iglastych lub spalonego laku
uzyskał  tusz w postaci laseczek nierozpuszczalnych w wodzie. Około 3000 roku p.n.e. Sumerowie znali pisane
cyfry, a przy liczeniu posługiwali się systemem dziesiętnym. Pismo klinowe było systemem pisma ideograficzno
-sylabicznego,  używanym  w  starożytnej  Mezopotamii  od  ok.  IV  tysiąclecia  p.n.e.  przez  Sumerów,  Akadów,
Hetyców i Elamitów, np. na reliefie z podobizną namiestnika Ituraszduma z Sippa z ok. 1750 roku p.n.e. (11).
Około  1700  roku  p.n.e.  Hammurabi,  król  Babilonii,  pisał  w  kodeksie  praw  o  hutnictwie  „Należy  wziąć  7200
kawałków drewna o objętości od 1/3 do 1 litra i długości od jednego do dwóch metrów i użyć je do wytopu
metali.  Nie  należy  brać  suchego  drewna,  tylko  świeżo  ścięte”.  Tabliczki  z  drewna  lub  kości  słoniowej,
z zapisanymi na nich długimi tekstami, sumeryjscy rzemieślnicy od ok. 2420 roku p.n.e. zaczęli łączyć ze sobą,
wynajdując  zawiasy.  Na  przełomie  XXI/XX  wieku  p.n.e.  w  Czoga-Sanbil,  ok.  25  km  od  miasta  Susa
we współczesnym Iranie, ówcześni budowniczowie sumeryjscy wybudowali zigurat czyli świątynię w kształcie
wieży  z  wynalezionej  wówczas  wypalanej  cegły,  na  której  znaleziono  również  inskrypcje  elamickiego  pisma
klinowego (12).

1442

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1442

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1443

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1443

Około 1850 roku p.n.e. w Asyrii pojawił się alfabet literowy, oparty na dawnym alfabecie sylabicznym sprzed
kilkuset  lat,  wywodzącym  się  od  sumeryjskiego  pisma  klinowego,  powstałego  ok.  4000  roku  p.n.e.  W  tym
samym  czasie  rozwija  się  alfabet  egipski,  którego  korzenie  sięgają  hieroglifów  pochodzących  z  IV  tysiąclecia
p.n.e. Na terenie Syrii - Palestyny w II tysiącleciu p.n.e. powstało semickie pismo spółgłoskowe z 3 gałęziami
pisma  północnosemickiego,  tj.  fenickim,  palestyńskim  i  aramejskim,  oraz  pismem  południowosemickim,
zwłaszcza południowoarabskim. Odmianą pisma aramejskiego jest pismo hebrajskie alfabetyczne spółgłoskowe
z 22 znakami, którym posługują się Żydzi od IV w. p.n.e., a także arabskie pismo alfabetyczne, powstałe także ok.
IV w. p.n.e. z naoatejskiej odmiany pisma aramejskiego. Manuskrypt Koranu pochodzi z północnej Afryki z XII
wieku

(13),

a miniatura z inskrypcją z Nasitu w Iraku z 1280 r. (14). Ze 196 roku p.n.e. z Rosetty pochodzi płyta z epoki
Ptolemeusza z czarnego bazaltu (15), na której umieszczony jest tekst w jezyku egipskim, zapisany hieroglifami
i  demotycznie  oraz  w  języku  greckim,  dzięki  któremu  Francuz  Jean-Francois  Champollion  (1790-1832)  odkrył
tajemnicę  hieroglifów.  Greckie  pismo  spółgłoskowo-samogłoskowe  alfabetyczne  pochodzi  od  fenickiego  i  jest
używane  przez  Greków  od  IX  w.  p.n.e.  Od  niego  z  kolei  pochodzi  pismo  łacińskie  i  cyrylica.  Wcześniej,  m.in.
w Fajstos, używano pisma piktograficznego, jak na dysku z Fajstos z 1650

1600 r. p.n.e. wykonanym z gliny

(16),  którego  nigdy  dotychczas  nie  odczytano.  Pismo  piktograficzne  (obrazkowe)  jest  najbardziej  pierwotną
formą  pisma,  która  była  rozpowszechniona  także  wśród  Indian,  Eskimosów  i  niektórych  ludów  syberyjskich.
Pismo łacińskie alfabetyczne pochodzenia greckiego używane było przez Latynów od ok. VII wieku p.n.e., składało
się z 21 liter z czasem uzupełnionych o kilka następnych. Współcześnie jest używane w Europie, obu Amerykach,
Australii oraz niektórych krajach Afryki i Azji. Natomiast cyrylica, to alfabetyczne pismo słowiańskie utworzone
w  IX-X  wieku  przez  jednego  z  uczniów  św.  Cyryla  i  św.  Metodego  oparte  na  majuskule  greckiej  z  IX  wieku.
Posługują się nim Bułgarzy i inni Słowianie południowi, a także Rosjanie, a w okresie XVI-XIX w. używali go także
Rumuni.  Chińskie  pismo  jest  ideograficzno-fonetycznym,  a  jego  początek  datuje  się  od  III  tysiąclecia  p.n.e.  Na
obrazie Ni Tsana z 1372 roku znajduje się również opis słowny (17). Z pisma chińskiego wywodzi się japońskie
pismo ideograficzno-sylabiczne, obecnie 3 systemy hiragana, katana oraz kanji, co umożliwiło ograniczenie liczby
znaków do 2-7 tysięcy. Alfabetyczne pismo koreańskie opublikowane w 1446 roku początkowo zawierało 28
znaków,  a  obecnie  ma  ich  40.  Chińczyka  Cai  Luna  -  ministra  cesarza  z  dynastii  Han,  który  ok.  105  r.  n.e.
uformował  papier  z  wodnej  zawiesiny  włókien  roślinnych,  zaczerpniętej  na  osadzone  w  ramce  sito  z  tkaniny,
uważa  się  za  wynalazcę  papieru.  Papier  jest  wytwarzany  z  masy  papierniczej  w  wyniku  wykorzystania
naturalnej zdolności włókien roślinnych do wiązania się ze sobą. Manuskrypty i zapisane zwoje gromadzono dla
pozyskiwania informacji. W III wieku p.n.e. w Aleksandrii w Egipcie założono bibliotekę greckich manuskryptów.
Z czasem zaczęto ręcznie tworzyć księgi. Uważa się, że najpiękniejszą księgą świata jest wspaniale iluminowany
Ewangeliarz  z  Kells  (18)  (19),  nazwany  tak  od  klasztoru,  w  którym  powstał,  znajdujący  się  w  bibliotece
najstarszego Uniwersytetu w Irlandii, w Trinity College w Dublinie. Do najwspanialszych ksiąg w Polsce należą
„Kroniki” Galla Anonima z 1113 roku, „Kronika polska” Wincentego Kadłubka (zm. 1223), „Kronika wielkopolska”
Gocława  Baszko  (zm.  1298),  „Annales”  (1455-1480)  Jana  Długosza.  Johannes  Gutenberg  (1399-1468),
właściwie Gensfleisch zum Gutenberg, niemiecki złotnik lub mincerz, jest uznawany za wynalazcę drukowania za
pomocą ruchomych czcionek, prasy drukarskiej i aparatu do odlewania czcionek. Wraz z J. Fustem i uczniami
w  roku  1455  (lub  1456)  wydał  Biblię  zwaną  42-wierszową.  Począwszy  od  tego  czasu  tworzenie  ksiąg  nie
wymagało już iście benedyktyńskiej pracy i mogły być wydawane w wielu egzemplarzach. Sprzyjało to również
twórczości  naukowej,  a  nie  tylko  działalności  literackiej,  a  taka  właśnie  forma  zapisu  informacji  stała  się
najpowszechniejszą,  nie  tracąc  na  znaczeniu  do  dziś,  pomimo  znacznego  rozwoju  technik  poligraficznych

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1443

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1444

produktów i ich elementów

Z  czasem  kolejne  wynalazki  techniczne  i  nowe  materiały  umożliwiły  zapis  informacji  przy  użyciu  płyt
gramofonowych,  magnetofonów,  magnetowidów,  a  nade  wszystko  elektronicznych  nośników  informacji
dyskietek, dysków twardych, oraz dysków CD i DVD. W roku 1928 niemiecki fizyk Fritz Pfleumer opatentował
taśmę  magnetofonową,  chociaż  pomysł,  aby  zjawiska  magnetyczne  wykorzystać  do  zapisu  dźwięku,  lecz
z użyciem przesuwającego się drutu, miał już wcześniej Duńczyk Valdemar Poulsen. W roku 1950 pojawiły się
pierwsze pamięci na rdzeniach ferrytowych dla elektronicznego przetwarzania danych, a także pamięć na taśmie
magnetycznej, jako pamięć peryferyjna dla elektronicznych maszyn cyfrowych. W roku 1951 Charles Ginsburg
skonstruował  odtwarzacz  video,  chociaż  na  rynku  urządzenia  takie  ukazały  się  dopiero  5  lat  później.  Płyty
stereofoniczne po raz pierwszy pojawiły się na rynku w roku 1958. W roku 1970 w Wielkiej Brytanii i Niemczech
zostały skonstruowane pierwsze płyty video wraz z odpowiednim systemem ich odtwarzania. Około 1981 roku
na rynku pojawiły się pierwsze odtwarzacze płyt cyfrowych CD podobnie jak i same płyty CD. Około 1983 roku
upowszechniły się w dużym stopniu dyskietki jako pamięci dyskowe komputerów osobistych o średnicy 3,5; 5,25
lub 8 cali. Kolejne lata przyniosły dynamiczny rozwój pamięci dyskowych, a wykorzystanie techniki laserowej
umożliwiło rozpowszechnienie dysków CD, a z czasem DVD.
Należy  podkreślić,  że  obecnie  zapis  informacji  z  jednej  strony  ma  umożliwiać  zabezpieczenie  ogromnej  liczby
informacji,  czemu  przede  wszystkim  służy  technika  komputerowa  oraz  Internet,  co  sprawia  wraz  z  telewizją
i  poniekąd  ciągle  z  radiem  i  rozwiniętymi  technikami  telekomunikacji,  zwłaszcza  telefonii  komórkowej
i satelitarnej, że świat stał się „globalną wioską”. Z drugiej strony należy jednak mieć na uwadze odbiorcę tych
informacji,  np.  studenta,  który  musi  bronić  się  przed  informacjami  zbędnymi  lub  nadmiarowymi,  a  przy  tym
najefektywniej przyswajać sobie założone treści dydaktyczne. Półkule mózgowe człowieka są ukształtowane tak,
że  lewa  odpowiada  za  sferę  myślenia  abstrakcyjnego  i  gromadzi  m.in.  informacje  odebrane  w  formie
przeczytanego  tekstu,  natomiast  prawa  półkula,  odpowiedzialna  za  myślenie  kreatywne  i  emocje,  chętniej
rejestruje obrazy. Proces przypominania sobie wiadomości oraz samodzielnego działania w przyszłości, wymaga
zatem, aby bezwzględnie przy rejestrowaniu informacji przez człowieka angażować obydwie półkule mózgowe,
a zatem konieczne jest zarówno zapoznawanie się z tekstem jak i wizualizacja wiedzy. Tym założeniom między
innymi ma sprostać niniejsza książka.

1444

c.d.

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1444