Materiały

kompozytowe o

osnowie metalowej

Katarzyna Kinnek

Katarzyna Herok

Karolina Wróbel

Patryk Schmatolla

ZiIP, semestr IV

STRUKTURA,

WŁASNOŚCI I

ZASTOSOWANIE

KOMPOZYTÓW O

OSNOWIE METALOWEJ

WPROWADZEN
IE

Kompozyty metaliczne w wielu krajach

stanowią jeszcze obiekt studiów i badań

niż praktycznych zastosowań. Wiąże się

to w dużym stopniu ze znacznymi

kosztami ich wytwarzania, na które

składają się złożone i kosztowne cykle

technologiczne oraz wysoki koszt

komponentów zbrojących, a niekiedy

również i osnowy.

dale
j

zalety

ZALETY KOMPOZYTÓW
METALOWYCH

dalej



mała gęstość,

 duża wytrzymałość i sztywność,

 określone wartości wytrzymałości i
sztywności,

 określona wartość przewodności i
rozszerzalności cieplnej.

RODZAJE
OSNOWY

1. Stopy metali lekkich ( Al, Mg) -

przykład

2. Stopy srebra i miedzi

3. Stopy niklu

4. Stopy ołowiu i cynku

-

przykład

dale
j

Kompozyty z osnową metalową wytwarzane
są w układach metal – metal i metal –
ceramika. Jako osnowę stosuje się:

PRZEMYSŁ SPORTOWY

dale
j

Rys. 1. Rama rowerowa wykonana z
kompozytu aluminium – cząstki Al

2

O

3

PRZEMYSŁ
LOTNICZY

wstecz

Rys.3.Dwuturbino
wy helikopter
transportowy

Rys.2.Trzysilniko
wy helikopter do
transportu
ciężkiego
ładunku

ŁOŻYSKA

Rys.4.Łożyska

Rys.5.Tuleje i wałki
łożyskowe

wstec
z

ZBROJENIE CZĄSTKAMI

dalej

Właściwości użytkowe metalowych kompozytów
zbrojonych cząstkami, takie jak odporność na
ścieranie i współczynnik tarcia, są zależne od:

• udziału objętościowego cząstek,
• materiału zbrojenia,
• wielkości cząstek i ich rozmieszczenia w
osnowie.

przykłady

KOMPOZYTY ZBROJONE
CZĄSTKAMI

Rys.6.Styki
elektryczne

Rys.8.Szczotki
prądnicy

Rys.7.Magne
s

wstec
z

RODZAJE CZĄSTEK ZBROJĄCYCH

Osnowa Faza

zbrojąca

Rozmiar

fazy

m

Zawartość

% mas

Aluminiu

m

Grafit

ziarnisty
Tlenek glinu
Węglik

krzemu
Tlenek

krzemu
Piasek

15-100
3-200
16-120
5-53
75-120

1-8
3-30
3-20
5
do 36% obj

Miedź

Grafit
Tlenek glinu
Tlenek

cyrkonu

5
11
5

13% obj
7% obj
2% obj

Żelazo
(stal)

Tlenek

tytanu
Tlenek ceru
Glinka

ilitowa

8
10
750

nie oznaczono

nie oznaczono

3

dalej

Tabela 1 – Podział ze względu na rodzaj cząstek
zbrojonych

WŁAŚCIWOŚCI KOMPOZYTÓW

ZBROJONYCH CZĄSTKAMI

Uwzględniając właściwości stosowanych stopów
oraz właściwości cząstek zbrojących uzyskać można
kompozyty:

• odporne na ścieranie – zbrojenie cząstkami
tlenków i węglików,

• ślizgowe – zbrojenie cząstkami grafitu lub miki,
• o podwyższonej wytrzymałości,
• o podwyższonej temperaturze pracy.

dale
j

KOMPOZYTY WŁÓKNISTE

• włókna metalowe:

• włókna
ceramiczne

:

wolframow
e,
molibdeno
we,
tytanowe,

węglowe,

korundowe,
z
węglika
krzemu

.

dalej

Do wytwarzania kompozytów włóknistych stosuje
się włókna:

zastosowanie

TECHNIKA
KOSMICZNA

Rys.12. Elementy nośne baterii
słonecznych

Rys.11. Sztuczne
satelity

wstec
z

WŁASNOŚCI KOMPOZYTÓW ZBROJONYCH
WŁÓKNAMI

krzywe
rozciągania

Osnowa

Włókno

V

w

,

%

R

m

,

MPa

R

m



MPa

E,

GPa

201Al

Węglowe

30

646

50

172

201Al

Al

2

O

3

50

1224

-

222

6061Al

SiC

50

1541

-

237

5056Al

C(grafit)

35

816

77

122

AZ31Mg

Węglowe

38

531

-

307

Ti-6Al-4V

SiC

35

1255

535

272

Tabela 2 – Zestawienie własności kompozytów zbrojonych włóknami

V

w

- stosunek masy włókien do masy całego tworzywa

KRZYWE ROZCIĄGANIA KOMPOZYTÓW

METALOWYCH

dalej

0 , 0 3 0 , 6 1 , 0

2 , 0

3 , 0

4 , 0

5 , 0

6 , 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

o s n o w a

w łó k n o

V = 0 , 5 0

w

V = 0 , 2 5

w

V = 0 , 1 0

w

w y d łu ż e n ie w z g lę d n e [% ]

na

pr

ęż

en

ie

r

oz

ci

ąg

aj

ąc

e

— włókna kruche

--- włókna
plastyczne

* 1 0 M P a

1

Tabela 3 – Wykres naprężenia rozciągającego do wydłużenia
względnego

METODY WYTWARZANIA

BEZPOŚREDNIA METODA WYTWARZANIA

POŚREDNIE METODY WYTWARZANIA

- metoda in situ

• osnowa znajduje się w stanie
ciekłym

- zalewanie, nasycanie

,

natryskiwanie

• oba komponenty znajdują się w
stanie stałym

- walcowanie

, wyciskanie

• osnowa znajduje się w stanie
stałym lub ciekłym w
zależności od przyjętego
wariantu technologicznego

- metalurgia proszków

koniec

ZASYSANIE, ZALEWANIE

wstecz

a) zasysanie kapilarne; b) wykorzystanie ciśnienia; c) wykorzystanie

próżni;

1- włókna, 2- ciekła osnowa, 3- element grzewczy, 4- rura, 5-

zamknięcie folią

2

1

2

1

2

3

4

5

P r ó ż n ia

1

C iś n ie n ie

a )

b )

c )

1

2

NATRYSKIWANIE

Schemat plazmowego nanoszenia osnowy na wcześniej
nawinięte włókna

wstecz

1- palnik plazmowy

2- naniesiona

warstwa osnowy

WALCOWANIE

Przykłady przygotowania wsadów warstwowych do
walcowania na gorąco

1- folia osnowy

2- włókno zbrojące

3- włókno z
materiału osnowy

wstec
z

1

2

1

2

3

przykł
ad

KOMPOZYTY IN SITU

Kompozytami in situ powstają w wyniku
zastosowania do specjalnie wybranych stopów
krystalizacji zorientowanej.

Skutkiem tego procesu jest otrzymanie w całej
objętości równoległego, ukierunkowanego
rozmieszczenia faz.
Osnowę stanowi tutaj faza liczniejsza,
natomiast faza mniej liczna stanowi zbrojenie

.

zalet
y

wady

ZALETY

wstecz

Do zalet kompozytów in situ zalicza się:

• otrzymywanie kompozytu

w jednej operacji,

• dobrą stabilność cieplną

otrzymanej struktury,

• dobre wiązanie

komponentów

kompozytu.

WADY

wstecz

Wady kompozytów in situ to:

• ograniczony wybór stopów do

krystalizacji,

• duże koszty produkcji

spowodowane niewielką

szybkością krystalizacji,

• konieczność użycia materiałów

wsadowych o dużej czystości.

Rys.13.Łopatki
turbin

wste
cz

SILNIKI

przykł
ad

METALURGIA PROSZKÓW

Metalurgia proszków wykorzystywana jest do
wytwarzania kompozytów umacnianych
cząstkami lub whiskerami.

Podstawowymi sposobami otrzymywania
kompozytów sa:

• nasycanie przez zanurzenie prasówki
w kąpieli,

• spiekanie bez udziału fazy ciekłej,
• spiekanie z udziałem fazy ciekłej.

Rys.14.Dysze rakiet

wstec
z

TECHNIKA KOSMICZNA