1

Fizyczne podstawy technologii materiałowych –

laboratorium

WIMiC, AGH

Ć

wiczenie nr 4

Wytwarzanie kompozytów włóknistych

Zagadnienia do przygotowania:

1. Poj

ę

cia ogólne: kompozyt, model równoległy, reguła mieszanin

2. Minimalny i krytyczny udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien

3. Rodzaje stosowanych włókien i metody ich wytwarzania
4. Materiały stosowane na osnowy polimerowe
5. Metody formowania kompozytów włóknistych

Literatura:
1. M. F. Ashby, D.R.H. Jones: Materiały in

ż

ynierskie. Cz. 2. WNT Warszawa 1996

2. K. Konsztowicz: Kompozyty wzmacniane włóknami. Podstawy technologii. Wyd.

AGH Kraków 1986

3. D.

ś

uchowska: Polimery konstrukcyjne. WNT Warszawa 2000

4. I. Gruin: Materiały polimerowe. PWN Warszawa 2003

Cel

ć

wiczenia

Zastosowanie metody kontaktowej do formowania kompozytów wzmacnianych
włóknami ci

ą

głymi oraz wyznaczenie modułu spr

ęż

ysto

ś

ci otrzymanych kompozytów

2

Wprowadzenie

a) Poj

ę

cia podstawowe

Kompozyt to materiał składaj

ą

cy si

ę

z co najmniej dwóch ró

ż

nych faz, którego

wła

ś

ciwo

ś

ci nie s

ą

wypadkow

ą

wła

ś

ciwo

ś

ci poszczególnych faz. Kompozyt składa

si

ę

z osnowy (polimerowej, ceramicznej lub metalicznej) oraz fazy wzmacniaj

ą

cej

(zdyspergowanej), która mo

ż

e mie

ć

posta

ć

włókien, warstw lub cz

ą

steczek. Mówimy

wtedy odpowiednio o kompozytach włóknistych, warstwowych (laminatach) lub
kompozytach cz

ą

steczkowych. Celem wytarzania kompozytów jest otrzymanie

materiałów o polepszonych wła

ś

ciwo

ś

ciach np. mechanicznych, termicznych czy

elektrycznych.

Ostatnio coraz wi

ę

ksze znaczenie zyskuj

ą

tzw. nanokompozyty, czyli materiały,

w których faza wzmacniaj

ą

ca (zdyspergowana) ma rozmiary rz

ę

du kilkunastu –

kilkudziesi

ę

ciu nanometrów (nm = 10

-9

m). Mog

ą

one wykazywa

ć

wła

ś

ciwo

ś

ci

niespotykane w przypadku klasycznych kompozytów i przy znacznie mniejszych
udziałach obj

ę

to

ś

ciowych fazy zdyspergowanej.

Obecnie najbardziej rozpowszechnionym rodzajem kompozytów s

ą

kompozyty

włókniste, składaj

ą

ce si

ę

z osnowy oraz włókien, które oprócz tego,

ż

e mog

ą

by

ć

wykonane z ró

ż

nych materiałów to mog

ą

mie

ć

ró

ż

na posta

ć

: włókien długich, włókien

krótkich, mat, tkanin itp. Zadaniem osnowy jest nadanie kompozytowi zewn

ę

trznego

kształtu, oraz przej

ę

cie obci

ąż

enia i przekazanie go włóknom. Z kolei zadaniem

włókien jest przenoszenie obci

ąż

e

ń

, oraz zwi

ę

kszenie sztywno

ś

ci osnowy i jej

odporno

ś

ci na kruche p

ę

kanie.

Typowymi przykładami takich materiałów s

ą

kompozyty o osnowach polimerowych

wzmacniane głównie włóknami szklanymi, w

ę

glowymi i grafitowymi oraz

aramidowymi (Kevlar). Do wytwarzania tych kompozytów stosowane s

ą

polimery

chemo- i termoutwardzalne takie jak

ż

ywice epoksydowe, nienasycone

ż

ywice

poliestrowe,

ż

ywice fenolowe i

ż

ywice silikonowe oraz polimery termoplastyczne takie

jak polistyren, polipropylen, poliamid czy poliw

ę

glan.

Wzmocnienie polimerów włóknami jest bardzo efektywne, poniewa

ż

ju

ż

przy ich

10% udziale obj

ę

to

ś

ciowym obserwuje si

ę

znaczn

ą

popraw

ę

wła

ś

ciwo

ś

ci

mechanicznych i cieplnych materiału.

b) Wła

ś

ciwo

ś

ci mechaniczne kompozytów wzmacnianych włóknami

- Moduł spr

ęż

ysto

ść

(Younga)

Podstawowa zasada wzmacniania włóknami wykorzystuje wła

ś

ciwo

ś

ci modelu

równoległego tworzywa dwufazowego przy nast

ę

puj

ą

cych zało

ż

eniach:

•

włókna s

ą

jednorodne i ci

ą

głe,

•

s

ą

rozmieszczone równolegle i równomiernie w całej obj

ę

to

ś

ci jednorodnej

osnowy,

•

włókna s

ą

bardzo dobrze zwi

ą

zane z osnow

ą

.

Na podstawie tego modelu mo

ż

na powiedzie

ć

,

ż

e moduł kompozytu włóknistego

rozci

ą

ganego wzdłu

ż

kierunku uło

ż

enia włókien (E

kII

) jest sum

ą

modułu włókna (E

w

)

i modułu osnowy (E

o

) zgodnie z równaniem (prawo mieszanin):

3

E

kII

= V

w

E

W

+ (1 - V

w

)E

o

(1)

gdzie: V

w

– udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien

Z kolei moduł tego materiału rozci

ą

ganego w kierunku poprzecznym (E

K

⊥

) uło

ż

enia

włókien jest opisywany przy pomocy modelu szeregowego:

o

W

W

W

K

E

V

1

E

V

E

1

−

+

=

⊥

(2)

Warto

ś

ci modułu poprzecznego s

ą

du

ż

o ni

ż

sze ni

ż

modułu równoległego, co

oznacza,

ż

e taki jednoosiowy kompozyt wykazuje siln

ą

anizotropi

ę

wła

ś

ciwo

ś

ci

(Rys.1 a,b). Uło

ż

enie włókien na krzy

ż

(Rys.1c) powoduje,

ż

e moduły w kierunkach

0 i 90

o

s

ą

równe (i du

ż

e), ale moduły w kierunku 45

o

wci

ąż

s

ą

bardzo małe.

Rys.1 Rozci

ą

ganie kompozytu włóknistego:

a) wzdłu

ż

kierunku uło

ż

enia włókien,

b) w poprzek kierunku uło

ż

enia włókien,

c) laminat 0 - 90

o

C ma kierunek o małym

module i kierunek o du

ż

ym o du

ż

ym module [1]

- Wytrzymało

ść

na rozci

ą

ganie

Wła

ś

ciwo

ś

ci wzmacniaj

ą

ce włókien przejawiaj

ą

si

ę

tym,

ż

e ze wzrostem ich udziału

obj

ę

to

ś

ciowego i modułu spr

ęż

ysto

ś

ci wzrasta – zgodnie z „prawem mieszanin” –

skuteczno

ść

kompozytu w przenoszeniu obci

ąż

e

ń

.

Udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien kompozytach mo

ż

e wynosi

ć

nawet 80%. Korzystnie jest

tak

ż

e, gdy warto

ść

modułu spr

ęż

ysto

ś

ci włókien przewy

ż

sza wielokrotnie warto

ść

modułu osnowy. W przypadku

ż

ywic wzmacnianych włóknami szklanymi, gdzie

stosunek E

w

/E

o

≈

20, 10%-owy udział włókien przenosi 70% cało

ś

ci obci

ąż

enia.

Ponadto, z uwagi na znaczn

ą

powierzchni

ę

kontaktu włókno-osnowa jest równie

ż

wi

ę

ksza efektywno

ść

przenoszenia obci

ąż

e

ń

mi

ę

dzy fazami (Rys. 2a).

4

Wytrzymało

ść

idealnego kompozytu (

σ

k), w którym odkształcenie zniszczenia jest

takie samo jak odkształcenie zniszczenia (zerwania) włókien jak i osnowy (

ε

k

=

ε

w

=

ε

o

)

mo

ż

na zgodnie z prawem mieszanin zapisa

ć

jako (Rys.2a):

σ

k

=

σ

w

V

w

+

σ

o

(1-V

w

)

(3)

a)

b)

Rys.2 Krzywa napr

ęż

enie-odkształcenie dla kompozytu o włóknach ci

ą

głych: a) gdy

ε

k

=

ε

w

=

ε

o

, b)

ε

w

>

ε

o

w porównaniu do krzywych dla włókien i osnowy. Maksimum na

krzywej oznacza p

ę

kanie włókien [1]

Jednak w praktyce cz

ę

sto mamy do czynienia z kompozytami o ci

ą

gliwej osnowie

(np.

ż

ywica) wzmacnianej kruchymi włóknami (np. szklanymi), dla których

εεεε

w

>

εεεε

o

(Rys.2b). W takim przypadku zale

ż

no

ść

napr

ęż

enie-odkształcenie jest liniowa o

nachyleniu E

kII

a

ż

do chwili kiedy osnowa zaczyna p

ę

ka

ć

przy napr

ęż

eniu

σσσσ

’

o

ni

ż

szym od jej wytrzymało

ś

ci

σσσσ

o

. Od tego momentu wi

ę

kszo

ść

dodatkowego

obci

ąż

enia przenosz

ą

włókna, które w dalszym ci

ą

gu rozci

ą

gaj

ą

si

ę

spr

ęż

y

ś

cie a

ż

do

ich p

ę

kni

ę

cia (przy

ε

w

), po czym napr

ęż

enie maleje do granicy plastyczno

ś

ci osnowy.

Kompozyt ulega całkowitemu zniszczeniu, gdy p

ę

ka osnowa (przy

σ

o

).

W zastosowaniu konstrukcyjnym znaczenie ma maksymalna warto

ść

napr

ęż

enia. W

powy

ż

szym przypadku jest to napr

ęż

enie przy którym p

ę

kaj

ą

włókna, a osnowa

zaczyna płyn

ąć

. W tym momencie w osnowie wyst

ę

puje napr

ęż

enie (

σ

’

o

) które jest

ni

ż

sze od jej wytrzymało

ś

ci (

σ

m

).

Oznaczaj

ą

c przez

σ

’

o

napr

ęż

enie w osnowie, przy którym zachodzi zniszczenie

włókien, mo

ż

na prawo mieszanin przedstawi

ć

w postaci:

σ

k

=

σ

w

V

w

+

σ

'

o

(1-V

w

)

(4)

Stosuje si

ę

ono jedynie w przypadku, gdy w osnowie znajduje si

ę

na tyle du

ż

a ilo

ść

włókien, by mogły one decydowa

ć

o wytrzymało

ś

ci kompozytu. Je

ż

eli ilo

ść

włókien

5

jest niewystarczaj

ą

ca, to przy zało

ż

eniu,

ż

e

ε

o

>

ε

w

włókna mog

ą

nie powstrzyma

ć

odkształcenia osnowy, ulegn

ą

zerwaniu a osnowa nadal b

ę

dzie przenosi

ć

obci

ąż

enie

a

ż

do jej zniszczenia. Z tego powodu kompozyty z osnow

ą

plastyczn

ą

musz

ą

zawiera

ć

pewn

ą

minimaln

ą

obj

ę

to

ść

włókien pocz

ą

wszy od której stosuje si

ę

prawo

mieszanin. W celu wyznaczenia tej minimalnej obj

ę

to

ś

ci włókien zakłada si

ę

,

ż

e gdy

włókien jest bardzo mało, to w pewnych granicach obci

ąż

e

ń

działaj

ą

one jak

wtr

ą

cenia fazy obcej, które osłabiaj

ą

kompozyt, a jego wytrzymało

ść

zale

ż

y od

udziału obj

ę

to

ś

ciowego i wytrzymało

ś

ci osnowy:

σ

k

=

σ

o

(1-V

w

)

(5)

Mimo,

ż

e włókna p

ę

kaj

ą

wcze

ś

niej od osnowy, to ze zwi

ę

kszeniem ich udziału

obj

ę

to

ś

ciowego, gdy jest ich wystarczaj

ą

co du

ż

o by zacz

ę

ły wzmacnia

ć

osnow

ę

mo

ż

e, zgodnie z równaniem (4) dochodzi

ć

do podnoszenia wytrzymało

ś

ci

kompozytu. Na Rys. 3 przedstawiono proste opisane równaniami 4 i 5, punkt ich
przeci

ę

cia oznacza minimalny udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien (V

min

) powy

ż

ej którego

zaczyna wzrasta

ć

wytrzymało

ść

kompozytu. Realne wzmocnienie kompozytu

zachodzi jednak dopiero, gdy udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien przekroczy warto

ść

krytyczn

ą

(V

kryt

) powy

ż

ej której wytrzymało

ść

kompozytu (

σ

k

) przekroczy

wytrzymało

ść

osnowy (

σ

ο

). (Rys.3).

Rys.3. Obj

ę

to

ść

minimalna i krytyczna włókien w osnowie plastycznej

- Odporno

ść

na p

ę

kanie

6

Kompozyty wzmacniane włóknami długimi mog

ą

cechowa

ć

si

ę

podwy

ż

szon

ą

odporno

ś

ci

ą

na p

ę

kanie. Jest to zwi

ą

zane z mechanizmami podwy

ż

szania energii

p

ę

kania wyst

ę

puj

ą

cych w tych materiałach a zwi

ą

zanych m.in. z wytrzymało

ś

ci

ą

granicy rozdziału włókno-osnowa oraz z wła

ś

ciwo

ś

ciami mechanicznymi włókien

takimi jak wytrzymało

ść

czy moduł Younga. Typowym mechanizmem jest wyci

ą

ganie

zerwanych włókien (ang. „pull out”) z matrycy, który wymaga wykonania dodatkowej
pracy a tym samym pochłania energi

ę

p

ę

kni

ę

cia.

c) Włókna wzmacniaj

ą

ce

Włókna wzmacniaj

ą

ce mog

ą

by

ć

wykonane z ró

ż

nych materiałów np. z celulozy,

szkła, polimerów syntetycznych, grafitu, metali. Wła

ś

ciwo

ś

ci przykładowych włókien

zebrano w Tabeli1.

Tabela 1. Wła

ś

ciwo

ś

ci niektórych włókien i osnowy

Materiał

Moduł

spr

ęż

ysto

ś

ci,

E [GPa]

Wytrzymało

ść

na

rozci

ą

ganie

[MPa]

G

ę

sto

ść

ρ

[g/cm

3

]

Włókno

W

ę

glowe typu 1

390

2200

1,95

W

ę

glowe typu 2

250

2700

1,75

Celulozowe

60

1200

1.61

Szklane typu E

76

1400-2500

2,56

Kevlar (wł.aramidowe)

125

2760

1,45

PAN

10

500

1.15

Osnowa

ś

ywica epoksydowa

4

60

1,3

ś

ywica poliestrowa

3

60

1,2

Pojedyncze włókna maj

ą

ś

rednice rz

ę

du kilku – kilkunastu mikrometrów i w zwi

ą

zku z

tym ich bezpo

ś

rednie u

ż

ycie przy wytwarzaniu kompozytów jest utrudnione dlatego

te

ż

kompozyty otrzymuje si

ę

stosuj

ą

c ró

ż

nego rodzaju materiały włókniste. Poni

ż

ej

przedstawiono formy włókien szklanych stosowanych do wzmacniania tworzyw:

- roving – to płaskie pasmo zło

ż

one z kilkuset pojedynczych włókien poł

ą

czonych

bez skr

ę

tu i powleczonych substancjami chemicznymi zapewniaj

ą

cymi ich zlepienie

oraz lepsz

ą

przyczepno

ść

do osnowy w kompozycie.

- mata nietkana - to warstwy nieplecionych włókien ł

ą

czone chemicznie (lepione) lub

mechanicznie o wła

ś

ciwo

ś

ciach anizotropowych. Najcz

ęś

ciej u

ż

ywane s

ą

rovingowe

7

maty lepione. Maty charakteryzuj

ą

si

ę

nierównomiernym rozkładem grubo

ś

ci i

g

ę

sto

ś

ci na całej powierzchni

- tkaniny – wyrabiane s

ą

na normalnych krosnach bawełnianych lub jedwabniczych,

Przy otrzymywaniu laminatów (tworzyw warstwowych) istotne znaczenie posiada typ
ich splotu. Wpływa on równie

ż

na ich wła

ś

ciwo

ś

ci wytrzymało

ś

ciowe.

d) Osnowy polimerowe

Polimery wzmacniane włóknami s

ą

najstarszymi i najpowszechniej stosowanymi

materiałami kompozytowymi. Materiały stosowane na osnowy kompozytów
organicznych stanowi

ą

zarówno polimery termoplastyczne, jak i polimery

utwardzalne.

W warunkach podwy

ż

szonej temperatury polimery termoplastyczne mi

ę

kn

ą

do

stanu plastycznego a nawet płynnego a przy chłodzeniu twardniej

ą

. Dzi

ę

ki tym

własno

ś

ci

ą

wyroby z tych polimerów formuje si

ę

metodami wytłaczania, wtryskiwania

i prasowania. Do najbardziej znanych tworzyw w tej grupie zaliczy

ć

mo

ż

na polietylen,

polipropylen, polichlorek winylu, poliamidy, polimetakrylan metylu, polistyren i
poliw

ę

glany. Z uwagi na wła

ś

ciwo

ś

ci i wynikaj

ą

c st

ą

d metody formowania, do

wzmacniania termoplastów u

ż

ywa si

ę

tylko włókien krótkich.

Kompozyty

organiczne

otrzymuje

si

ę

głównie

z

ż

ywic

utwardzanych

charakteryzuj

ą

cych si

ę

budow

ą

w postaci sieci przestrzennej, zło

ż

onych z

makrocz

ą

steczek poprzeplatanych z sob

ą

i poł

ą

czonych wi

ą

zaniami atomowymi.

Dzi

ę

ki takiej budowie

ż

ywice utwardzalne (duroplasty)

s

ą

nietopliwe i

nierozpuszczalne. Polimery, w których sieciowanie przestrzenne zachodzi tylko pod
wpływem temperatury, nazywaj

ą

si

ę

termoutwardzalnymi i do najwa

ż

niejszych

zaliczy

ć

tu trzeba fenoplasty (

ż

ywice fenolowe i nowolakowe) i aminoplasty (

ż

ywice

mocznikowe i melaminowe). Polimery, w których wytwarzanie trójwymiarowej sieci
przestrzennej zachodzi pod wpływem czynnika sieciuj

ą

cego w postaci zwi

ą

zku

chemicznego, nazywaj

ą

si

ę

chemoutwardzalnymi i do tej grupy zaliczaj

ą

si

ę

ż

ywice

poliestrowe i epoksydowe. Wła

ś

ciwo

ś

ci tych polimerów zebrano w Tabeli 1.

e) Wybrane metody formowania kompozytów polimerowych

Techniki formowania kompozytów polimerowych cz

ę

sto bazuj

ą

na półproduktach

polimer-napełniacz takich jak:

-preimpreganty (inaczej prepregi), to tkaniny b

ą

d

ź

pasma rovingu impregnowane

lub pokrywane roztworem

ż

ywicy, która nast

ę

pnie jest poddawana wst

ę

pnemu –

niecałkowitemu sieciowaniu.

-tłoczywa, czyli mieszaniny polimeru chemoutwardzalnego (

ż

ywicy) z utwardzaczem

(czynnikiem sieciuj

ą

cym), napełniaczem włóknistym i/lub proszkowym oraz ró

ż

nymi

dodatkami. Tłoczywa mog

ą

by

ć

sypkie, lub o konsystencji kitu.

-granulaty,

s

ą

otrzymywane

w

wyniku

mieszania

stopionego

polimeru

termoplastycznego z włóknistymi napełniaczami oraz wytłaczania przez odpowiednie
dysze i ci

ę

cie na krótkie kawałki.

8

Istnieje wiele metod formowania/kształtowania wyrobów kompozytowych. Poni

ż

ej

wymieniono tylko kilka wybranych.

Metoda kontaktowa – czyli formowanie r

ę

czne, polega na uło

ż

eniu warstwy

odpowiednio przyci

ę

tej maty lub tkaniny w formie, nasyceniu ka

ż

dej warstwy

ż

ywic

ą

za pomoc

ą

p

ę

dzla lub szczotki i odci

ś

ni

ę

ciu nadmiaru

ż

ywicy wałkiem. Metod

ę

t

ą

stosuje si

ę

do niewielkiej produkcji prototypów lub wyrobów o bardzo du

ż

ych

wymiarach. Zalety metody kontaktowej polegaj

ą

na łatwo

ś

ci wykonania form i niskiej

cenie oprzyrz

ą

dowania, a zasadniczymi wadami s

ą

małe wytrzymało

ś

ci tak

produkowanych laminatów oraz niewielki udział obj

ę

to

ś

ciowy wzmocnienia.

Metoda natryskowa – jest stosowana do formowania du

ż

ych powierzchni o niezbyt

skomplikowanym kształcie. Włókna w formie ci

ę

tego rovingu i osnowa (

ż

ywica) s

ą

jednocze

ś

nie natryskiwane przy pomocy specjalnie skonstruowanych pistoletów.

Metoda ta jest wydajniejsza i mniej pracochłonna od m.kontaktowej. Wad

ą

jest mała

efektywno

ść

zbrojenia (przypadkowo uło

ż

one nieci

ą

głe włókna) i mała dokładno

ść

.

Formowanie ci

ś

nieniowe z workiem – polega na uło

ż

eniu w formie kilku warstw

mat lub tkanin i zalaniu cało

ś

ci

ż

ywic

ą

a nast

ę

pnie umieszczeniu na powierzchni folii

rozdzielaj

ą

cej np. z celofanu. Nast

ę

pnie opuszcza si

ę

pokryw

ę

, dokr

ę

ca i wprowadza

do worka spr

ęż

one powietrze (Rys. 4). Metoda ta jest wydajniejsza od wy

ż

ej

wymienionych ze wzgl

ę

du na dokładniejsze przesycenie tkaniny

ż

ywic

ą

i wi

ę

kszym

wytrzymało

ś

ci

ą

formy umo

ż

liwiaj

ą

c

ą

otrzymanie tworzyw o wi

ę

kszym udziale

wzmocnienia i bardziej równomiernych wła

ś

ciwo

ś

ciach. Stosuje si

ę

ci

ś

nienia rz

ę

du

0,2-0,4 MPa.

a) b)

Rys.4 Schemat formowania metod

ą

ci

ś

nieniow

ą

z workiem. Forma: a) przed

zamkni

ę

ciem, b) po zamkni

ę

ciu; 1 – pokrywa, 2 – worek, 3 – wyrób, 4 – forma, 5 –

doprowadzenie spr

ęż

onego powietrza [2]

Formowanie tłoczne tworzyw chemoutwardzalnych na zimno- Jest to
najprostsza i stosunkowo tania metoda prasowania

ż

ywic polegaj

ą

ca na

zastosowaniu sztywnej formy dwucz

ęś

ciowej. W matrycy układa si

ę

zbrojenie

9

szklane w postaci warstw mat lub tkanin i wlewa odpowiedni

ą

ilo

ść

ż

ywicy. Form

ę

zamyka si

ę

i utrzymuje pod ci

ś

nieniem 0,3-1,2 MPa. Nadmiar

ż

ywicy usuwany jest

kanałami i po podniesieniu stempla otrzymuje si

ę

wyroby obustronnie gładkie

(Rys.5).

Rys.5 Prasowanie laminatu na zimno z u

ż

yciem sztywnej formy: 1) fundamenty

ż

elbetowe matrycy i stempla, 2) warstwa utwardzonej kompozycji poliestrowej z

wypełniaczem, 3) zewn

ę

trzna warstwa formy z laminatu, 4) ciekła

ż

ywica z

utwardzaczem, 5) zbrojenie z włókien, 6) kołki prowadz

ą

ce, 7) odpływ nadmiaru

ż

ywicy, 8) uszczelka

Wykonanie

ć

wiczenia

Ć

wiczenie składa si

ę

z trzech cz

ęś

ci

UWAGA:

Wszelkie czynno

ś

ci zwi

ą

zane z

ż

ywic

ą

, utwardzaczem oraz włóknami

nale

ż

y wykonywa

ć

w fartuchu ochronnym i gumowych r

ę

kawicach, gdy

ż

substancje te łatwo przenikaj

ą

przez skór

ę

i mog

ą

powodowa

ć

objawy

alergiczne.

Za uszkodzenie urz

ą

dze

ń

wykorzystywanych podczas

ć

wiczenia Student ponosi

odpowiedzialno

ść

finansow

ą

Osnow

ę

kompozytu stanowi

ż

ywica epoksydowa (Epidian 5 + utwardzacz Z-1),

natomiast faz

ę

wzmacniaj

ą

c

ą

włókna PAN (poliakrylonitryl) w formie rovingu.

Włókna PAN s

ą

prekursorem do syntezy włókien w

ę

glowych.

a) Wytwarzanie kompozytu wzmacnianego włóknami ci

ą

głymi

Celem tej cz

ęś

ci

ć

wiczenia jest zapoznanie si

ę

z metod

ą

formowania kompozytów

włóknistych metod

ą

kontaktow

ą

10

Sposób post

ę

powania:

1. Obliczenia ilo

ś

ci włókien oraz

ż

ywicy koniecznej do sporz

ą

dzenia kompozytu o

podanym udziale obj

ę

to

ś

ciowym włókien

-W celu wyznaczenia masy 1 mb włókien nale

ż

y zmierzy

ć

i zwa

ż

y

ć

z dokładno

ś

ci

ą

do 0,001g odcinek rovingu (np. 30 cm)

-Obliczy

ć

długo

ść

oraz mas

ę

włókna potrzebnego do wykonania 15 zwoi na zwijarce.

Ś

rednica b

ę

bna zwijarki wynosi 110 mm

-Obliczy

ć

mas

ę

ż

ywicy potrzebn

ą

do sporz

ą

dzenia kompozytu o udziale

obj

ę

to

ś

ciowym włókien wskazanym przez prowadz

ą

cego. Do oblicze

ń

przyj

ąć

g

ę

sto

ść

rzeczywist

ą

ż

ywicy epoksydowej równ

ą

1,20 g/cm

3

oraz g

ę

sto

ść

rzeczywist

ą

włókien PAN równ

ą

1,15 g/cm

3

.

-Obliczy

ć

ilo

ść

potrzebnej

ż

ywicy (Epidian 5) oraz utwardzacza (Z-1) potrzebn

ą

do

sporz

ą

dzenia mieszaniny o stosunku wagowym

ż

ywica : utwardzacz równym

100:10. Wynik przedstawi

ć

prowadz

ą

cemu do sprawdzenia.

2. Wykonywanie kompozytów

-Na b

ę

ben zwijarki nawin

ąć

foli

ę

celofanow

ą

i przytwierdzi

ć

j

ą

przy pomocy ta

ś

my

klej

ą

cej.

-Odmierzy

ć

ilo

ść

włókna potrzebn

ą

do wykonania kompozytu i po odci

ę

ciu ze go

szpuli przytwierdzi

ć

jego koniec do celofanu za pomoc

ą

ta

ś

my klej

ą

cej.

-Nawin

ąć

włókno staraj

ą

c si

ę

uzyska

ć

równoległe ciasno le

żą

ce zwoje. Po nawini

ę

ciu

całego odcinka jego koniec przytwierdzi

ć

do celofanu ta

ś

m

ą

klej

ą

c

ą

.

-Sporz

ą

dzi

ć

mieszanin

ę

ż

ywicy z utwardzaczem w plastikowym pojemniku.

W pierwszej kolejno

ś

ci nale

ż

y nawa

ż

y

ć

utwardzacz przy pomocy strzykawki 10 ml.

Nast

ę

pnie do tego samego naczynia odwa

ż

y

ć

odpowiedni

ą

ilo

ść

ż

ywicy i cało

ść

energicznie wymiesza

ć

.

-Cało

ść

ż

ywicy rozprowadzi

ć

na powierzchni włókien przy pomocy p

ę

dzelka, tak aby

pokryła wszystkie włókna na całej długo

ś

ci.

-Pozostawi

ć

włókna nasycone

ż

ywic

ą

na nawijarce przez 1 godzin

ę

, a nast

ę

pnie

delikatnie je rozci

ąć

razem z celofanem, rozprostowa

ć

i przymocowa

ć

za pomoc

ą

11

ta

ś

my klej

ą

cej do przygotowanej podkładki i umie

ś

ci

ć

w suszarce nastawionej na

50

o

C. Na podkładce nale

ż

y napisa

ć

jaki udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien ma

wykonany kompozyt.

b) Wytwarzanie kompozytu wzmacnianego tkanin

ą

Celem tej cz

ęś

ci

ć

wiczenia jest zapoznanie si

ę

z metod

ą

formowania kompozytów

włóknistych metod

ą

kontaktow

ą

Sposób post

ę

powania:

1. Wykonanie tkaniny

- Szklan

ą

płytk

ę

nale

ż

y owin

ąć

foli

ą

spo

ż

ywcz

ą

i jej brzegi zamocowa

ć

przy pomocy

ta

ś

my klej

ą

cej. Nast

ę

pnie nale

ż

y ople

ść

j

ą

w poprzek rovingiem ok. 15 – 20 razy.

Pasma rovingu powinny by

ć

nawijane „lu

ź

no” – tak aby był pomi

ę

dzy nimi pewien

odst

ę

p. Pocz

ą

tek jak i koniec pasma nale

ż

y przymocowa

ć

ta

ś

ma klej

ą

c

ą

do płytki.

- Z pasma rovingu uci

ąć

10-15 odcinków o długo

ś

ci ok. 10 cm a nast

ę

pnie kolejno

przeple

ść

je przez nawini

ę

te pasmo rovingu. Odcinki powinny by

ć

przeplatane na

przemian pod i nad nawini

ę

tym pasmem rovingu. Kolejny odcinek powinien

zaczyna

ć

si

ę

przeciwnie od poprzedniego – tak aby w efekcie powstała tkanina. Po

przepleceniu wszystkich odcinków rovingu nale

ż

y dosun

ąć

do siebie wszystkie

pasma, tak aby uzyska

ć

w miar

ę

„zbit

ą

” tkanin

ę

.

2. Wykonanie kompozytu

-Oszacowa

ć

mas

ę

tkaniny. W tym celu nale

ż

y wyznaczy

ć

długo

ść

odcinków rovingu,

które wchodz

ą

w jej skład.

-Obliczy

ć

mas

ę

ż

ywicy potrzebn

ą

do wykonania kompozytu o udziale obj

ę

to

ś

ciowym

włókien równym 50%.

-Sporz

ą

dzi

ć

ok. 1-2 gramy mieszaniny

ż

ywicy przy zało

ż

eniu,

ż

e stosunek wagowy

ż

ywicy do utwardzacza wynosi 100:10. Przed rozprowadzeniem po tkaninie

ż

ywic

ę

nale

ż

y energicznie wymiesza

ć

.

-Płytk

ę

z kompozytem umie

ś

ci

ć

na wadz

ę

a nast

ę

pnie ostro

ż

nie nawa

ż

y

ć

na tkanin

ę

odpowiedni

ą

ilo

ść

ż

ywicy i delikatnie rozprowadzi

ć

j

ą

po całej tkaninie. Nast

ę

pnie

kompozyt wraz płytk

ą

umie

ś

ci

ć

w suszarce nastawionej na 50

o

C. Na płytce nale

ż

y

napisa

ć

jaki udział obj

ę

to

ś

ciowy włókien ma wykonany kompozyt.

12

c) Wyznaczanie modułu Younga kompozytów włóknistych

Celem tej cz

ęś

ci

ć

wiczenia jest zmierzenie modułu Younga kompozytów włóknistych

metod

ą

statyczn

ą

przy u

ż

yciu uniwersalnej maszyny wytrzymało

ś

ciowej oraz

porównanie tej warto

ś

ci z warto

ś

ci

ą

teoretyczn

ą

.

Sposób post

ę

powania:

1. Przygotowanie próbek do bada

ń

-Ze sporz

ą

dzonych uprzednio kompozytów wzmacnianego włóknami ci

ą

głymi oraz

wzmacnianego tkanin

ą

nale

ż

y wyci

ąć

no

ż

yczkami 5 próbek o długo

ś

ci ok. 5 cm oraz

szeroko

ś

ci ok. 5 mm. Nale

ż

y zwróci

ć

uwag

ę

,

ż

eby próbki były jednolite, to znaczy

pozbawione p

ę

kni

ęć

, rozwarstwie

ń

itp., oraz

ż

eby miały zbli

ż

on

ą

szeroko

ść

na całej

swej długo

ś

ci. Przed przyst

ą

pieniem do wycinania próbek nale

ż

y odklei

ć

kompozyt

od folii celofanowej.

-Ko

ń

ce próbek nale

ż

y oklei

ć

ta

ś

m

ą

klej

ą

c

ą

na długo

ś

ci ok. 1 cm, aby zapobiec ich

wy

ś

lizgiwaniu si

ę

z uchwytów maszyny wytrzymało

ś

ciowej

2. Rozci

ą

ganie próbek

-Maszyn

ę

wytrzymało

ś

ciow

ą

oraz program uruchamia i obsługuje prowadz

ą

cy

-

Zmierzy

ć

szeroko

ść

oraz grubo

ść

próbek przy pomocy suwmiarki

-Próbki nale

ż

y zamontowa

ć

w uchwytach maszyny wytrzymało

ś

ciowej tak aby były

maksymalnie naci

ą

gni

ę

te (wyprostowane) i pionowe

-Nale

ż

y zerwa

ć

przynajmniej po 3 próbki z danego kompozytu i odczyta

ć

i zanotowa

ć

podawan

ą

przez program warto

ść

modułu Younga oraz wytrzymało

ś

ci

Opracowanie wyników cz

ęś

ci „a”, „b” i „c”

ć

wiczenia

Opisa

ć

zastosowan

ą

metod

ą

otrzymywania kompozytów włóknistych zwracaj

ą

c

uwag

ę

na jej zalety i wady.

Obliczy

ć

warto

ś

ci

ś

rednie oraz odchylenia standardowe modułu Younga

i wytrzymało

ś

ci na zrywanie badanych kompozytów. Porówna

ć

warto

ś

ci modułu

Younga dla kompozytów wzmacnianych włóknami ci

ą

głymi i tkaninami –

uwzgl

ę

dniaj

ą

c udziały obj

ę

to

ś

ciowe włókien.

Na podstawie znajomo

ś

ci udziału obj

ę

to

ś

ciowego włókien wyliczy

ć

teoretyczn

ą

warto

ść

modułu Younga dla kompozytu wzmacnianego włóknami ci

ą

głymi

i porówna

ć

j

ą

z warto

ś

ci

ą

zmierzon

ą

.