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).