dr inż. Grzegorz Bogusławski

w oparciu o:

dr hab.inż. JANUSZ GERMAN „MATERIAŁY KOMPOZYTOWE -

własności, zastosowania, perspektywy”.

Kompozyty

Kompozyty

Katedra Podstaw Techniki i Ekologii Przemysłowej

Katedra Podstaw Techniki i Ekologii Przemysłowej

Politechnika Łódzka

Politechnika Łódzka

Wydział Organizacji i Zarządzania

Wydział Organizacji i Zarządzania

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe

 materiał kompozytowy

 (łac. compositus = złożony) - materiał zbudowany z

co najmniej dwóch różnych składników
połączonych na poziomie makroskopowym w celu
uzyskania nowego „lepszego” materiału

 własności „wypadkowe” kompozytu zależą od:

 własności faz składowych
 udziału objętościowego faz
 sposobu rozmieszczenia fazy rozproszonej w

osnowie

 cech geometrycznych fazy rozproszonej

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe

nie można ich zdefiniować w sposób prosty, a jednocześnie całkowicie
jednoznaczny,

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów
(faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze
od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno oraz lepsze
niż wynik prostego ich sumowania.

•

materiały wielofazowe

(zwykle dwufazowe),

najczęściej wyróżniamy:

• osnowa kompozytu (faza ciągła i otaczająca cząstki innej fazy

nazywanej umacniającą),

• faza umacniająca o różnej geometrii i względnej ilości, otoczona

osnową,

istotne znaczenie ma wytrzymałość granic międzyfazowych (przyczepność,
kohezja),

KOMPOZYTY –

typy

 kompozyty zbrojone włóknami

 element nośny - włókna

w objętości 45-70%

objętości kompozytu

 matryca (metalowa lub polimerowa) - spoiwo

łączące włókna

, zapewniające rozdział obciążenia

zewnętrznego pomiędzy włókna, a także chroniące

je przed czynnikami zewnętrznymi

 największa efektywność spośród materiałów

kompozytowych

- najlepsze własności mechaniczne

i wytrzymałościowe przy najmniejszym ciężarze

właściwym

 podstawowe znaczenie praktyczne:

kompozyty

włókniste o osnowach polimerowych zbrojonych

włóknami węglowymi, grafitowymi, szklanymi,

boronowymi i aramidowymi

KOMPOZYTY –

typy

 typy włókien

 włókna szklane

 włókna grafitowe

 włókna węglowe

 włókna organiczne

 typy matryc

 matryce metalowe

 matryce

polimerowe

• matryce

termoutwardzalne

• matryce

termoplastyczne

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe

• kompozyty naturalne

„stworzyła przyroda” (na drodze
ewolucji),

wszędzie tam gdzie warunkiem
istnienia było przenoszenie dużych
obciążeń,

• łodygi roślin, gałęzie i pnie

drzew,

• kości zwierząt, ptaków oraz

człowieka,

• mięśnie,

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe



kompozyty sztuczne

są wytwarzane od

tysięcy lat, np:



suszona na słońcu gliniana cegła wzmacniana
słomą i końskim włosiem,



asfalt naturalny wzmacniany słomą, końskim
włosiem, tkaninami itp.,



polska kopia husarska (ok. 5 m długości, sklejane
wydrążone połówki z drewna osiki owijane
następnie pasmami włókien i rzemieni nasączanych
klejem),

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe



historia



Egipcjanie (od ok. 3600 lat p.n.e.) - sklejka drewniana



Izraelici (od XIII w. p.n.e.) – domy z bloków z mieszanki błotnej
wzmocnionej słomą i końską sierścią



średniowiecze - miecze i tarcze zbudowane z warstw różnych
materiałów



nowoczesne materiały kompozytowe



okres II wojny światowej - włókna szklane



lata 50-te XX wieku - niskomodułowe włókna węglowe



lata 60-te XX wieku - wysokomodułowe włókna węglowe



lata 70-te XX wieku włókna aramidowe (KEVLAR)

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe

dlaczego kompozyty ?



doskonałe parametry wytrzymałościowe
i sztywnościowe



doskonałe własności mechaniczne



mały ciężar właściwy

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe



najczęściej celem tworzenia kompozytu jest podwyższenie
własności mechanicznych:



sztywności,



wytrzymałości,



odporności na pękanie,



odporności na ścieranie,



różnorodność celów tworzenia kompozytów jest bardzo
duża, np:



obniżenie ciężaru,



obniżenie kosztów,



obniżenie modułu sprężystości, np. pianki (polimer +
powietrze),



zmiana przewodności cieplnej i elektrycznej,



zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej,

KOMPOZYTY –

właściwości

RODZAJ WŁÓKNA

Parametr

szkło

E

szkło

S

grafit

Kevlar 49 boron

stal

Średnica [m]

16

16

7-8

12

100-200

-

Ciężar właściwy

 [kN/m

3

]

25-25.5

24.5

13.8-18.6

14.1

25.5

78

Wytrz. na rozciąg.

R [GPa]

1.7-3.5

2.5-4.8

1.7-2.8

2.3-3.6

3.5

0.5

Wytrz. właściwa

R/ [km]

68-136

102-196

123-163

163-255

137

6.4

Moduł Younga
E [GPa]

72

86

230-250

120-125

400-410

210

Moduł właściwy

E/ [km10

3

]

2.8

3.5

12.4-18.1

8.5

16

2.7

KOMPOZYTY –

właściwości

RODZAJ WŁÓKNA

CECHA

szklane

grafitowe

aramidowe

(Kevlar)

Najniższa cena

+++

++

+

Wytrzymałość właściwa

++

++

+++

Moduł właściwy

+

+++

++

Odporność na pełzanie

+

+++

++

Odporność na
rozszerzalność cieplną

+

++

+++

Odporność zmęczeniowa

+

++

+++

Odporność udarowa

+++

+

++

Odporność chemiczna

+

+

+

KOMPOZYTY –

właściwości

ŻYWICA

CHARAKTERYSTYKA

TYP

RODZAJ

 [kN/m

3

]

E [GPa]

R [MPa]

TU

epoksydowa
(Narmco, Vicotex)

10.8-13.7

2.1-5.5

40-85

TU

poliestrowa
(Polimal)

10.8-13.7

1.3-4.1

40-85

TU

fenolowa

11.8-13.7

2.7-4.1

35-60

TP

nylonowa

10.8

1.3-3.5

55-90

TP

poliwęglanowa

11.8

2.1-3.5

55-70

TP

polietylenowa

8.8-9.8

0.7-1.4

20-35

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe



składniki kompozytu



faza ciągła - matryca (osnową)



faza rozproszona – zbrojenie



typy kompozytów w zależności od rodzaju
fazy rozproszonej



kompozyty zbrojone cząstkami



kompozyty zbrojone dyspersyjnie



kompozyty zbrojone włóknami

KOMPOZYTY –

wiadomości podstawowe

KOMPOZYTY –

przykłady elementów

wzmacniających materiały kompozytowe

włókna ciągłe (jednokierunkowe, tkaniny, maty)
(szklane, węglowe, aramidowe itd.)

KOMPOZYTY –

przykłady elementów

wzmacniających materiały kompozytowe



cząstki wzmacniające stosowane w kompozytach
polimerowych,

(w nomenklaturze tworzyw sztucznych używany jest

termin „napełniacze”)



napełniacze mineralne – najczęściej ziarna lub kulki >1µm,



zmielona kreda, kamień wapienny, marmur, strącany węglan wapnia
(< 0,7 µm),



mączka kwarcowa, kaolin, skaleń, wodorotlenek glinu, krzemionka,



napełniacze kuliste (poprawiają płynięcie tłoczyw, zmniejszają skurcz,
zwiększają trwałość kształtu),



pełne kulki szklane (< 50 µm) – poprawiają też E, R

m

, R

c

, twardość ,



puste kulki popiołów lotnych (5-250 µm) – duża odporność na
ściskanie, zmniejszenie masy wyrobu,

KOMPOZYTY –

przykłady elementów

wzmacniających materiały kompozytowe



włókna wzmacniające nieciągłe stosowane w
kompozytach polimerowych,



rozdrobnione włókna drzewne (<150 µm średnicy),



krajanka włókien na bazie celulozy, sizalu, juty,



włókna szklane, coraz częściej węglowe,



włókna polimerowe: PAN, PET, PVC, PA6 itp.

· wybrane rodzaje włókien szklanych:

E - włókna ze szkła niskoalkalicznego, odporne na korozję, niska

przewodność elektryczna,

S – włókna o wysokiej wytrzymałości,
M – włókna o wysokim module sprężystości,
C – włókna o wysokiej trwałości chemicznej

 włókna szklane

 najstarsze spośród włókien „nowoczesnych”, najtańsze i

najczęściej stosowane

 typ „E” – gorsze własności mechaniczne (sprężyste,

wytrzymałościowe, zmęczeniowe, udarnościowe,
termiczne, reologiczne). niska cena, najczęściej
stosowany

 typ „S” – lepsze parametry, ale wysoka cena, włókna

stworzone dla zastosowań militarnych

 zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo,

elektrotechnika, szkutnictwo, budownictwo
przemysłowe itp..

 włókna grafitowe

 większością parametrów przewyższają włókna szklane,

ale znacznie droższe

 włókna „HS” – wysokowytrzymałe

 włókna „HM” – wysokomodułowe

 włókna „UHM” – ultrawysokomodułowe

 nazwy handlowe: Toray, AS

 zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo,

artykuły sportowe

 należą do włókien grafitowych, ale o mniej

uporządkowanej strukturze właściwej dla krystalicznego
grafitu

 w włóknach węglowych występują obszary o zaburzonej

sieci krystalicznej, a nawet całkowicie jej pozbawione

 w porównaniu z włóknami grafitowymi mają one gorsze

własności mechaniczne, ale są od nich tańsze

 włókna węglowe

 włókna organiczne

 najstarsze włókna kompozytowe: bawełna, juta, sizal, włókna

bananów (słabe parametry mechaniczne)

 nowoczesne włókna aramidowe (Nomex, Kevlar, Kevlar 29 i

Kevlar 49)

 zastosowania: przemysł samochodowy, lotnictwo, sprzęt

sportowy (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy)

 włókna aramidowe wykazują najlepsze własności me-

chaniczne, ale są najdroższe. Często używane łącznie z
włóknami grafitowymi lub szklanymi typu E (rozsądny
kompromis parametrów mechanicznych i ceny)

KOMPOZYTY –

metody wytwarzania

 wytwarzanie kompozytów włóknistych

 metoda kontaktowa

 metoda natryskowa

 metoda ciągła wytwarzania prętów, rur i

kształtowników

 metoda nawijania ciągłego włókien

 z taśm prepreg (PRE – imPREGnated)

KOMPOZYTY –

metody wytwarzania

 metoda kontaktowa

 "chałupnicza", ręczna metoda wytwarzania kompozytów

włóknistych.

 produkcja elementów powierzchniowych w krótkich seriach lub

pojedynczych egzemplarzach, od których nie jest wymagana
duża wytrzymałość i trwałość, ani też jednorodność kolejnych
wytworzonych elementów.

 zbrojenie: maty i tkaniny „przycięte” tak, aby odwzorowywały

kształt produkowanego elementu.

 kolejne warstwy tkaniny nasącza się żywicą poliestrową lub

epoksydową i układa na sobie w odpowiedniej formie
umożliwiającej uzyskanie pożądanego kształtu.

 o jakości produktu finalnego decydują przede wszystkim jakość

formy oraz kwalifikacje producenta

KOMPOZYTY –

metody wytwarzania

 metoda natryskowa

 udoskonalona i zmechanizowana odmiana metody kontaktowej

- formowanie ręczne zastąpiono formowaniem przy użyciu
pistoletu, umożliwiającego jednoczesne nanoszenie na formę
zarówno żywicy, jak i włókien w odpowiednich proporcjach

 włókna mają postać taśm składających się z wielu

pojedynczych włókien, połączonych specjalnym lepiszczem
i pociętych na krótkie pasemka (tzw. cięty roving)

 metoda efektywniejsza i prostsza w stosowaniu od metody

ręcznej, ale wykazuje te same wady

 elementy nie są jednorodne, mają stosunkowo małą

wytrzymałość, a ich jakość jest trudna do przewidzenia

KOMPOZYTY –

metody wytwarzania

 metoda ciągła wytwarzania prętów, rur i

kształtowników

 automatyczna produkcja elementów o stałym przekroju

 zbrojenie - taśmą składającą się z wiązki równoległych włókien

połączonych lepiszczem (tzw. ciągły roving)

 taśmy z rovingiem przechodzą przez wannę z żywicą

termoutwardzalną, impregnującą włókna i pełniącą rolę

matrycy i przeciągane są przez stalowy tłocznik, nadający

elementowi wstępny kształt oraz kontrolujący właściwy skład

kompozytu

 "półprodukt" przeciągany jest przez kolejny, bardzo precyzyjny

tłocznik nadający ostateczny kształt przekroju poprzecznego.

Układ grzewczy tłocznika inicjuje proces utwardzania żywicy

 prędkością produkcji sterują przeciągarki, ciągnące pręt

(prędkość sięga kilkudziesięciu m/godz. )

KOMPOZYTY –

metody wytwarzania

 metoda nawijania włókien

 idea metody: ciągłe nawijanie włókien na obracający się

rdzeń o kształcie bryły obrotowej, aby uzyskać pożądany

układ geometryczny włókien

 w zależności od kierunku obrotu rdzenia i sposobu przesuwu

tzw. sanek z bębnem z nawiniętym włóknem można wykonać

nawijanie obwodowe, śrubowe i planetarne

 regulowana prędkość przesuwu sanek i prędkość obrotowa

rdzenia umożliwia zmianę kąta nawijania w zakresie 5-85°

 taśmy rovingu wstępnie nasyconego żywicą muszą być

ogrzane przed nawinięciem na rdzeń, aby żywica przeszła w

stan płynny

 rdzeń jest ogrzewany w celu zapewnienia dokładnego

powiązania ze sobą kolejnych nawijanych warstw

Wybrane zagadnienia z zakresu
technologii kompozytów:



· tradycyjne kompozyty o osnowie termoplastycznej,



termoplasty formowane metodą wtrysku,



wzmocnienie krótkim włóknem szklanym,



wzmocnienie cząstkami napełniaczy mineralnych (np. kulki szklane),



wzmocnienie mieszane,



· tradycyjne kompozyty o osnowie duroplastycznej,



duroplasty formowane metodą BMC,



wzmocnienie ciętym włóknem szklanym i/lub napełniaczami mineralnymi,



duroplasty formowane metodą SMC,



wzmocnienie ciętym włóknem szklanym,



zaawansowane („advanced”) kompozyty o osnowie duroplastycznej,



A-SMC o osnowie duroplastycznej,



wzmocnienie ciętym lub ciągłym włóknem węglowym,



wzmocnienie mieszane (cięte włókno szklane oraz ciągłe włókno węglowe),



· zaawansowane technologie kompozytów o osnowie

termoplastycznej,



CFRTP, LFT o osnowie termoplastycznej (łatwy i przyjazny recykling),



wzmocnienie ciętym włóknem węglowym, szklanym lub mieszane,



wzmocnienie wielowarstwowe ciągłym włóknem węglowym, szklanym lub mieszane,



technologia „tailored blanks” (wielowarstwowa o zmiennej grubości i strukturze)

KOMPOZYTY –

wytwarzanie metodą

BMC i SMC

schematy wytwarzania kompozytów
metodą BMC oraz SMC,

tłoczywo duroplastyczne wzmacniane
najczęściej krótkim, ciętym włóknem
szklanym,

• BMC (bulk molding compounds) –

wł. szklane + cząstki mineralne,

• SMC (sheet molding compounds) –

wł. szklane,

(duroplast w obu przypadkach jest w
stanie stałym ale jeszcze
termoplastycznym  podgrzanie





przejście w stan lepko-ciekły



ostateczne sieciowanie i utwardzenie
polimeru)

KOMPOZYTY –

wytwarzanie metodą

SMC

schemat technologii SMC formowania tłoczywa
arkuszowego (półprodukt SMC)

KOMPOZYTY –

wytwarzanie metodą

SMC



opłacalność elementów z kompozytów SMC w odniesieniu do elementów ze

stali,



materiał kompozytowy jest droższy niż stal,



wykorzystuje się różnice w kosztach narzędzi (opłacalne przy krótszych seriach),



- narzędzia do tłoczenia stali ok. 2 mln EUR,



- narzędzia do tłoczenia SMC ok. 200 tyś. EUR (ok. 10x tańsze),

KOMPOZYTY –

schemat wytwarzania

włókna szklanego

KOMPOZYTY –

schemat

wytwarzania włókna węglowego



prekursory (produkty wyjściowe) do
produkcji włókien węglowych:



najczęściej włókna PAN (poliakrylonitryl),



smoła,



sztuczny jedwab, lignina, różne pochodne
celulozy,



fenol, imidy, amidy, polimery winylu,

(w wyniku pirolizy następuje
zwęglenie prekursorów)

Schemat wstęgi włókien węglowych
wytwarzanych z PAN

KOMPOZYTY –

włókna szklane

KOMPOZYTY –

zastosowania

 elementy nowoczesnych lekkich konstrukcji

• samoloty wojskowe i eksperymentalne

• elementy dla lotnictwa pasażerskiego

• karoserie samochodowe

• materiały i elementy dla medycyny

 sprzęt sportowo-rekreacyjny

• lekkie samoloty sportowe (ILot Warszawa – I23)

• kadłuby lekkich łodzi

• baseny i brodziki

• narty, deski, rakiety tenisowe, sprzęt golfowy

 budownictwo

• maszty, słupy

• wzmocnienia konstrukcji

• zbiorniki, rurociągi (celowość stosowania GFRP, przykłady)

• konstrukcje mostowe

KOMPOZYTY –

perspektywy

 budownictwo i konstrukcje

 rurociągi (USA – ok. 30% rynku), zbiorniki (USA-ok.

40% rynku z perspektywą 80%)

 turbiny elektrowni wiatrowych (80% rynku – wzrost

produkcji GFRP w 2000 o 50% !!! (DK))

 konstrukcje sprężone (cięgna GFRP, CFRP)
 wzmocnienia konstrukcji mostowych (USA – mosty

autostradowe>50 lat, mosty kolejowe>85 lat)

 wyposażenie budynków (okna, drzwi, łazienki itp.)
 lekkie, sztywne i wytrzymałe kształtowniki

Perspektywiczne gałęzie zastosowań PMC

 przemysł lotniczy

 motywacja:

zmniejszenie ciężaru o 1 funt daje zysk

100-300$ w okresie eksploatacji maszyny

 roczny wzrost szacowany na 8-20%

 włókna węglowe, grafitowe, szkło HS, Kevlar49

Perspektywiczne gałęzie zastosowań PMC

KOMPOZYTY

– perspektywy

 przemysł środków transportu,

przemysł maszynowy

 motywacja:

zmniejszenie ciężaru, obniżenie kosztów

wprowadzania nowych modeli pojazdów

 kompozytowe karoserie na lekkich metalowych

ramach przestrzennych

 lekkie i wytrzymałe wały napędowe i resory
 bariery:

„nietechnologiczność” produkcji, mniejsze

możliwości produkcji masowej w porównaniu z
obecnymi metodami produkcyjnymi

Perspektywiczne gałęzie zastosowań PMC

KOMPOZYTY

– perspektywy

 inżynieria procesowa, technologie produkcyjne

 doskonalenie dotychczasowych materiałów, nowe

materiały (nanokompozyty)

 odporność udarowa

 delaminacja, procesy międzyfazowe

 modele wytrzymałościowe

 kumulacja uszkodzeń, pękanie, zmęczenie

 wpływ na środowisko

 lepkosprężystość, pełzanie, zniszczenie przy

pełzaniu

Prognozowane główne kierunki badawcze

KOMPOZYTY

– perspektywy