Właściwości kompozytów
• Istotną cechą wspłczesnych komputerów jest
to, że można z dość znaczną dokładnością
przewidzieć uzyskanie żądanych
właściwości.
• Jakakolwiek właściwość fizyczna materiału
jest efektem oddziaływania fizycznego X
wywołującego skutek Y (efekt X-Y)
• X -> [ ] -> Y
• Efekt X – Y w materiale jednorodnym
• W kompozytach komponenty
Łaściwości kompozytów
• Kompozyty, które są rezultatem efektu X-Y w
komponencie alfa i efektu X-Y w komponencie beta (z
różnymi współczynnikami proporcjonalności).
• Łącznie rejestruje się pewien efekt X-Y w komponencie.
• Przykładem może być moduł Younga w kierunku
włókien w kompozytach zbrojnych włóknem ciągłym:
• Właściwości sumaryczne można przewidzieć i
stwierdzić w większości kompozytów. Rodzaj tych
właściwości zależy od rodzaju oddziaływania
zewnętrznego.
Właściwości kompozytów
• Kompozyty, które wynikają z efektu X-Y w
komponencie alfa i efektu X-Z w komponencie beta.
• Jeżeli istnieje mechanizm przeniesienia skutku Y z
komponentu alfa do komponentu beta, to wówczas
efekty te ulegają sprzężeniu i w kompozycie rejestruje
się efekt X-Z )właściwości wynikowe, synergiczne).
• X -> [ X-Y alfa ] -> [ beta Y-Z ] -> Z.
• Efekt X-Z w kompozycie o właściwościach wynikowych
• Efekty mogą być zrealizowane za pomocą
mechanizmów różnego rodzaju: sprzężenie
mechaniczne, elektryczne, optycznym, magnetyczne,
cieplne i chemiczne.
Klasy materiałów
kompozytowych
• Kompozyty konstrukcyjne różnią się rodzajem użytych komponentów,
kształtem i wymiarami komponentu umacniającego, technologią
wytwarzania itp.
• Mają zasadniczą wspólną cechę – wysokie wskaźniki
wytrzymałościowe.
• Najważniejsze parametry decydujące o przydatności materiałów
konstrukcyjnych to:
• Wytrzymałość ^
• Sztywność ^
• Ciągliwość ^
• Kruchość V
• Szybkość rozszerzania się pęknięć zmęczeniowych V
• Temperatura pracy ^
• Gęstość V (ciężar, masa)
• Koszt V
Zastosowanie - samoloty
• Nowy samolot BOEING 787 (pierwszy próbny samolot
wyprodukowano w 2007r.) Materiały konstrukcyjne
samolotu:
– 50% samolotu kompozyty (głównie włókna węglowe),
– 20% samolotu aluminium i jego stopy,
– Reszta – stale i stopy tytanu.
• <zdjęcie>
• Samolot BOEING 787 (Dreamliner) w hali produkcyjnej
• Konstrukcja:
– Kadłub – kompozyty (włókna węglowe i inne) – pierwszy duży
samolot pasażerski o kadłubie z kompozytów,
– Skrzydła – poszycie – powłoka górna i dolna (kompozyty),
– Dźwigary – stale i inne metale, żeberka – aluminium.
Zastosowanie materiałów w
samolocie boeing 787
• Zalety:
– Kompozyty to przyszłość lotnictwa, gdyż
np. nie rdzewieją, są lekkie, co
zmniejsza częstość przeglądów, a więc
zmniejsza koszty eksploatacji.
– ?
– ?
– ?
Struktura materiału
• Struktura jest to sposób ułożenia atomów, faz, ziarn w
przestrzeni lub na powierzchni płaskiego zgładu (szlif) z
uwzględnieniem ich relacji, wielkości, kształtu, orientacji.
• Struktura amorficzna (bezpostaciowa) – bezładne,
przypadkowe rozmieszczenie atomów lub cząsteczek w
przestrzeni. Charakteryzują się mniejszą gęstością wypełnienia
przestrzeni w porównaniu z materiałami krystalicznymi
(mniejsza gęstość, lżejsze). Do ciał amorficznych należą
szkła i wielkocząsteczkowe polimery.
• Struktura krystaliczna – uporządkowane rozmieszczenie
atomów, cząsteczek w przestrzeni. Metale i ich stopy,
ceramika mają struktury krystaliczne.
• Strukturę rozpatruje się z punktu widzenia wiązań
między elementami materii (atomów, cząsteczek).
Budowa wewnętrzna
materiałów
• Atom składa się z:
– Dodatnio naładowanego jądra
– Zewnętrznej warstwy elektronowej.
• Jądro składa się z:
– Protonów o dodatnim ładunku elektrycznym
– Neutronów – obojętnych.
• Elektron ma ujemny ładunek elektryczny o
wartości bezwzględnej równej ładunkowi protonu.
• W atomach poszczególnych pierwiastków liczba
protonów jest równa liczbie elektronów, dlatego
atomy są elektrycznie obojętne.
Budowa wewnętrzna
materiałów
• Model planetarny atomu węgla zawierającego sześć
neutronów
• Jądro zawiera 6 protonów i 6 neutronów
• Powłoka wewnętrzna zawiera 2 elektrony
• Powłoka zewnętrzna zawiera 4 elektrony
• Pierwiastek chemiczny to zbiór atomów o tej samej
liczbie atomowej.
• Liczba atomowa to liczba protonów w atomie.
• Liczba masowa to suma protonów i neutronów w
jądrze.
• Izotopy danego pierwiastka to atomy o takiej samej
liczbie atomowej, ale różnej liczbie masowej.
Wiązania między atomami
• Występują dwa główne rodzaje wiązań między atomami:
– Mocne wiązania pierwotne
– Słabe wiązania wtórne
• Wiązania pierwotne występują jako:
– Wiązania jonowe
– Wiązania atomowe (kowalencyjne)
– Wiązania metaliczne
• Wiązania wtórne (van der Waalsa) mogą się tworzyć
między atomami lub cząsteczkami charakteryzują się
trwałymi lub chwilowymi dipolami elektrycznymi. Tzn. że,
mają zaznaczone bieguny elektryczne co umożliwia
łączenie się cząsteczek i tworzenie kryształu.
Typy wiązań
międzyatomowych
• Jonowe, charakterystyczne dla kryształów jonowych (np.
NaCl), ceramika,
• Atomowe (kowalencyjne), typowe dla dwuatomowych
cząsteczek gazów (H2, N2, O2), a także materiałów
półprzewodnikowych (Si, Ge),
• Metaliczne, występują w metalach i związkach
międzymetalicznych,
• Międzycząsteczkowe, wtórne (van der Waalsa)(chwilowe),
łączy atomy i cząsteczki powstające za pomocą wiązania
atomowego w skondensowane stany skupienia, np.:
– Przy skraplaniu gazów (H2, N2, O2),
– W kryształach jodu, siarki, selenu oraz telluru,
– Między łańcuchami organicznych polimerów.
Wiązania między atomami
• Od sktruktury atomu zależą wiązania
między atomami, które są podstawą
podziału materiałów inżynierskich na:
– Metale
– Materiały ceramiczne
– Polimery
Wiązania w materiałach
• Dominujące typy wiązań:
–
W metalach i ich stopach – metaliczne,
–
W materiałach ceramicznych i szkłach –
kowalencyjne (atomowe) i jonowe,
–
W polimerach – kowalencyjne i wtórne.
• Wiązania jonowe mogą się tworzyć jedynie
między atomami różnych pierwiastków,
pozostałe typy wiązań mogą natomiast
powstawać również miedzy atomami tego
samego pierwiastka.
Wiązania między atomami
• Wszystkie materiału są zbudowane z
atomów.
• Atomy wszystkich pierwiastków
chemicznych składają się z trzech
cząsteczek elementarnych:
– Protonów
– Neutronów
– Elektronów
Wiązania metaliczne – występują w
metalach
• Wiązanie metaliczne spowodowane
jest oderwaniem się elektronów
walencyjnych – wartościowości
znajdujących się na ostatniej orbicie
atomu i utworzenia tzw. Gazu
elektronowego.
Wiązania metaliczne – występują w
metalach
• Wiązania metaliczne prowadzi do:
– Dobrego przewodnictwa elektrycznego i
cieplnego,
– Dobrej plastyczności,
– Metalicznego połysku,
– Nieprzezroczystości
– Budowa krystaliczna
Wiązania jonowe
• Wiązanie jonowe jest wynikiem elektrostatycznego
przyciągania między jonami przeciwnych znaków.
• Przykład – cząsteczka NaCL
• Wiązanie jonowe między atomami sodu i chloru w
cząsteczce NaCl.
• Atom sodu, mający na zewnętrznej orbicie 1 elektron,
oddaje go atomowi chloru stając się jonem dodatnim.
• Atom chloru, mający na zewnętrznej orbicie 7 elektronów,
przyłączając 1 elektron staje się jonem ujemnym.
• Powstała cząsteczka NaCl jest elektrycznie obojętna, ale
stanowi dipol, co oznacza, że ma zaznaczone bieguny
elektryczne. Umożliwia to łączenie się cząsteczek i
tworzenie kryształu.
Wiązania jonowe
• Wiązania jonowe występują w związkach
składających się z pierwiastka
metalicznego i niemetalicznego np. w
kryształach halogenków pierwiastków
alkalicznych – NaCl, w ceramice.
• Właściwości:
• Kryształy zwane jonowymi cechują się
duża wytrzymałością i twardością oraz
wysoką temperaturą topnienia.
Wiązania atomowe
(kowalencyjne)
• Wiązania atomowe powstają w wyniku tworzenia się wspólnych par
elektronów należących jednocześnie do dwóch sąsiadujących
atomów.
• Wiązania atomowe są bardzo silne, elektrony przechodząc kolejno
od jednego atomu do drugiego zmieniają je w jony dodatnie, które
są przyciągane poprzez elektrony znajdujące się między nimi.
• Najczęściej spotykane są w:
– 2-atomowych cząsteczkach gazów (wodór, chlorowce, tlen, azot),
– Substancjach stałych (Si, Ge, C-diament).
• Wiązania atomowe w kryształach prowadzi:
– Do dużej wytrzymałości mechanicznej,
– do wysokiej temperatury topnienia,
– W kryształach krzemu i germanu umożliwia zachodzenie zjawiska
półprzewodnictwa.
• Węgiel, german, krzem
Przykłady wiązań
atomowych
• Przykład 1 – schemat wiązań między dwoma atomami:
• A) pojedynczych – Cl2
• B) podwójnych – O2,
• C) potrójnych – N2
• Wiązaniem pojedynczym nazywamy wiązanie utworzone
przez wspólną jedną parę elektronów; oznaczamy przez
dwie 2 kropki Cl : Cl lub przez kreskę poziomą Cl – Cl,
• Wiązaniem podwójnym nazywamy wiązanie, w którym
między dwoma atomami uczestniczą dwie pary elektronów,
• Wiązaniem potrójnym nazywamy wiązanie, w którym
między dwoma atomami uczestniczą trzy pary elektronów
Przykłady wiązań
atomowych
• Przykład 2 – w cząsteczce etylenu (C2H4) między
atomami węgla występuje wiązanie podwójne.
• A) schemat cząsteczki etylenu
• Przetworzenie wiązania podwójnego na dwie nowe
wiązania pojedyncze umożliwia połączenie się
sąsiednich cząsteczek etylenu wiązaniami
kowalencyjnymi i utworzenie długiej cząsteczki
polietylenu.
• B) schemat cząsteczki polietylenu (C2H4)n –
utworzeonej dzięki przetworzeniu pojedynczego
wiązania podwójnego (C = C) na dwa wiązania
pojedyncze (C – C - ).
Wiązania w polimerach
• W polimerach występują:
– Mocne wiązania kowalencyjne (atomowe)
między atomami w cząsteczkach,
– Między sąsiednimi cząsteczkami występują
słabe wiązania wtórne.
• Wiązania wtórne są przyczyną:
– Małej wytrzymałości mechanicznej,
– Niskiej temperatury topnienia,
– Malej sztywności (małe moduły
sprężystości).