POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAA
CHEMICZNY
ZAKA
AD TECHNOLOGII NIEORGANICZNEJ I CERAMIKI
 Kompozyty ceramika  polimer
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Prowadzące:
Mgr inż. Paulina Bednarek
Mgr inż. Anna Danelska
I. Czym są kompozyty?
W literaturze przedmiotu trudno znalez
ć spójną i jednoznaczną definicję kompozytu
(materiału kompozytowego). Definicja z 1967 roku (Krock i Broutman) mówi, że kompozyt
charakteryzuje się następującymi cechami:
" Jest materiałem wytworzonym przez człowieka,
" Musi się składać, z co najmniej dwóch różnych, (pod względem chemicznym),
materiałów z wyraz
nie zaznaczonymi granicami rozdziału między komponentami,
" Komponenty kompozytu tworzą go przez udział w całej objętości,
" Kompozyt powinien mieć właściwości różne od jego komponentów.
Ta, czteroczłonowa definicja, choć merytorycznie poprawna i cytowana w większości
opracowań, wyklucza jednak ze swego zakresu kompozyty naturalne, takie jak np. drewno a
także materiały platerowane i warstwowe. Stąd potrzeba jej zmodyfikowania i rozszerzenia na
potrzeby nowoczesnej nauki o materiałach. Najczęściej kompozyt definiowany jest jako
materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w
taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do
komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych własności 
kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami
między komponentami. Jeśli dana właściwość kompozytu jest bardziej korzystna niż suma
właściwości jego poszczególnych komponentów, mówi się o tzw. efekcie synergii.
Występowanie tego efektu przemawia za stosowalnością kompozytów jako nowoczesnych
materiałów o licznych zastosowaniach we współczesnej technice.
II. Podział kompozytów
Brak ogólnie akceptowanej definicji kompozytów utrudnia dokonanie ich pełnej
klasyfikacji w sposób niebudzący zastrzeżeń. Poniżej przedstawiono kilka różnych
możliwości klasyfikacji kompozytów.
2
Podział w zależności od pochodzenia:
" Kompozyty naturalne
" Kompozyty zaprojektowane i wytworzone przez człowieka
Podział ze względu na przeznaczenie:
" Kompozyty konstrukcyjne
" Kompozyty o szczególnych właściwościach chemicznych czy fizycznych
Podział według rodzaju osnowy:
" Kompozyty o osnowie niemetalicznej:
- polimerowej
- ceramicznej
- półprzewodnikowej
" Kompozyty o osnowie metalicznej
Podział uwzględniający kształt i wymiary komponentów zbrojących w kompozycie
konstrukcyjnym:
" Kompozyty zbrojone włóknem:
- ciągłym
- krótkim
- wyrobami z włókien, tkaniny, maty itp.
" Kompozyty umocnione cząstkami
" Kompozyty umocnione dyspersyjnie
Możliwy jest także podział uwzględniający sposób rozmieszczenia komponentów w
kompozycie lub technikę łączenia ich w całość. Najprostszy podział kompozytów ze względu
na materiał komponentów przedstawiono na schemacie.
3
III. Kompozyty ceramika  polimer
III.1. Podstawowe informacje
Kompozyty polimerowe wzmacniane włóknami lub cząstkami proszków  PMC
(Polimer Matrix Composites) są efektem poszukiwań nowych materiałów konstrukcyjnych,
doskonalszych od stosowanych dotychczas  głównie ze względów wytrzymałościowych.
Zastosowanie polimerów jako osnowy nadaje takim kompozytom wiele korzystnych cech,
takich jak lekkość, odporność na korozję, zdolność tłumienia drgań, dobra izolacyjność
elektryczna i cieplna oraz łatwość kształtowania. Atrakcyjne cechy kompozytów tego typu
przesądzają o zasięgu ich zastosowania  od konstrukcji narażonych na silne obciążenia, a
jednocześnie lekkich (szybowce, zespoły konstrukcyjne samolotów czy rakiet), przez
elementy niepracujące w warunkach znacznych obciążeń mechanicznych (np. osłony lub
obudowy maszyn, płyty i szkielety urządzeń elektrycznych i elektronicznych), do
oprzyrządowania produkcyjnego (np. modele i foremniki do przeróbki plastycznej).
Składnikami strukturalnymi kompozytów polimerowych są:
" Polimery  zarówno duroplasty jak i termoplasty, rzadziej stosowane są elastomery.
Wymienione polimery stanowią osnowę kompozytu.
" Włókna wzmacniające  najczęściej składnikami kompozytów polimerowych są
włókna szklane ciągłe lub cięte, a także tkaniny lub maty, ponadto używa się również
włókien węglowych oraz organicznych, a niekiedy także naturalnych.
" Napełniacze proszkowe  różnego typu proszki ceramiczne.
4
Kompozyty polimerowe zawsze zawierają pierwszy wymieniony składnik  polimer,
oraz składnik drugi lub trzeci. W niektórych kompozytach polimerowych występują trzy
wymienione składniki strukturalne jednocześnie.
Oprócz składników strukturalnych, w skład kompozytów polimerowych wchodzą
także różne inne substancje, nazywane środkami pomocniczymi i modyfikującymi. Do
środków pomocniczych należą m.in. utwardzacze, środki antyadhezyjne, zagęszczacze
chemiczne, środki upłynniające i smarujące. Do środków pomocniczych można zaliczyć
pigmenty i barwniki, środki antyelektrostatyczne, antypireny, spieniacze, stabilizatory,
antyutleniacze i in. Dobór środków modyfikujących i pomocniczych zależy od rodzaju
polimeru, metody wytwarzania kompozytów, kształtu i właściwości wyrobu itp.
Polimery stosowane jako osnowa w kompozytach ceramika - polimer
Polimery stosowane jako osnowa w kompozytach spełniają następujące istotne funkcje:
" Umożliwiają przenoszenie obciążeń na włókna,
" Nadają wyrobom pożądany kształt,
" Decydują o właściwościach cieplnych i chemicznych oraz o palności kompozytów,
" Wywierają istotny wpływ na metody wytwarzania kompozytów.
Jak wcześniej wspomniano, w kompozytach polimerowych stosuje się trzy rodzaje
polimerów wykorzystywanych jako osnowa kompozytu. Są to duroplasty, czyli polimery
termo- lub chemoutwardzalne, termoplasty i rzadziej elastomery. Duroplasty są zwykle gęsto
usieciowane i prawie zawsze amorficzne, sieciowanie przeciwdziała płynięciu polimeru,
dlatego duroplasty są nietopliwe, w wyniku działania wysokiej temperatury ulegają
rozkładowi. Duroplasty są materiałem sprężysto  kruchym aż do temperatury rozkładu.
Ponadto sieciowanie duroplastów podnosi ich odporność na działanie rozpuszczalników i
długotrwałe obciążenia.
Przykładowe duroplasty stosowane jako osnowa kompozytów polimerowych:
" Epoksydy
" Żywice melaminowo  formaldehydowe
" Poliestry
5
" Żywice fenolowo  formaldehydowe
" Silikony
Produkowane w skali masowej termoplasty, takie jak np. polietylen czy polipropylen, są
tańsze niż duroplasty, a wzmocnienie ich odpowiednich komponentem w ramach
wytwarzania kompozytu, może nadać im oczekiwane właściwości materiałów
konstrukcyjnych. Termoplasty wykazują większe efekty płynięcia pod obciążeniem czy pod
wpływem działania wysokiej temperatury niż duroplasty, co jednak ułatwia ich przetwarzanie
czy recykling materiałowy.
Przykładowe termoplasty stosowane jako osnowa kompozytów polimerowych:
" Poliamidy
" Polistyren
" Poli(chlorek winylu)
" Polipropylen
" Poliwęglan
III.2. Włókna i proszki stosowane jako napełniacze w kompozytach
ceramika - polimer
Włókna i proszki stosowane jako napełniacze w kompozytach polimerowych powinny
spełniać następujące warunki:
" Obojętność chemiczna w stosunku od żywic osnowy, nie powinny one wpływać na
przebieg procesów utwardzania w polimerze,
" Wysoki stopień dyspersji w mieszaninie,
" Dobra zwilżalność przez stosowane żywice,
" Nie powinny zawierać wody krystalicznej i powierzchniowej.
Przedstawione powyżej wymagania spełniają proszki pochodzenia mineralnego: krawcowe,
krzemionkowe, dolomitowe, kaolinowe itp. Stosuje się także sproszkowane metale czy ich
tlenki: np. żelaza, glinu. Można stosować też materiały syntetyczne, np. cząstki szkła.
6
Kompozyty z osnową polimerową mogą być również wzmacniane grubymi i mocnymi
włóknami wkomponowanymi w miękką i ciągliwą osnowę. Najbardziej rozpowszechnionymi
rodzajami wzmocnienia stosowanymi w kompozytach PMC są włókna szklane  G (Glass),
węglowe  C (Carbon) i aramidowe  A (Aramid). Stąd też kompozyty PMC wzmacniane
włóknami szklanymi są określone akronimem GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics) i
analogicznie wzmacniane włóknami węglowymi jako CFRP czy aramidowymi jako AFRP.
Dobór rodzaju napełniacza proszkowego zależy wyraz
nie od oczekiwanych
właściwości tworzywa. Jeśli np. kompozyt po utwardzeniu ma się charakteryzować znaczną
twardością i odpornością na ścieranie to jako napełniacz przydatne będę proszki kwarcowe
czy dolomitowe. Cechy dielektryczne kompozytu można modyfikować proszkiem
grafitowym  zwiększa on przewodność elektryczną, a przewodność cieplną kompozytu
poprawia dodatek proszków metali. Jeśli kompozyt ma zostać zastosowany w elementach
niepracujących, wygodnym napełniaczem będzie np. talk.
Wpływ zawartości napełniacza ceramicznego na właściwości mieszaniny objawia się w
dwojaki sposób:
" W stanie nieutwardzonym zwiększa on lepkość układu,
" W stanie utwardzonym polepsza jego właściwości w pożądanym kierunku, np. pod
względem wytrzymałości mechanicznej.
W stanie nieutwardzonym istotną cechą jest lepkość mieszaniny napełniacza i żywicy
 powszechnie bowiem stosowaną metodą formowania wyrobów z kompozytów
proszkowych jest technika odlewania. Im bardziej skomplikowany geometrycznie kształt
wyrobu, tym większa trudność całkowitego wypełnienia formy przez mieszaninę o wysokiej
lepkości.
Lepkość mieszaniny żywicy z napełniaczem zależy od rodzaju napełniacza, jego
stopnia dyspersji, wielkości cząstek proszku, ich kształtu i przede wszystkim  udziału
procentowego w mieszaninie. Im drobniejsze są ziarna proszku i im bardziej rozwinięta ich
powierzchnia, tym większa będzie lepkość mieszaniny przy tej samej zawartości napełniacza.
W kompozytach proszkowych nie istnieje optymalna zawartość napełniacza, tak jak
teoretyczne 65% dla kompozytów włóknistych. Ilość tę ustala się każdorazowo
doświadczalnie, zgodnie z zasadą: należy dodać taką ilość proszku, aby jego mieszanina z
wybraną żywicą zdołała całkowicie wypełnić wszystkie elementy formy. Podgrzanie
mieszaniny przed procesem odlewania pozwala na odpowiednie zwiększenie udziału fazy
7
stałej w masie, w wyniku obniżenia lepkości polimeru, co jest korzystne dla właściwości
kompozytu. Należy jednak pamiętać, że podwyższona temperatura przyspiesza proces
utwardzania żywicy.
Zawartość napełniacza, jego rodzaj, kształt i wielkość ziarna silnie wpływają na
parametry kompozytu. O ile zawartość napełniacza nie wpływa znacząco na doraz
ną
wytrzymałość kompozytu na rozciąganie, to już moduł sprężystości liniowej i moduły
wyznaczane w próbach ściskania i zginania wyraz
nie wzrastają w funkcji stopnia napełnienia.
Aby zwiększyć twardość kompozytu proszkowego należy użyć proszków twardych
materiałów, np. korundu. Od rodzaju proszku zależy także silnie odporność tworzywa na
ścieranie. Wielkość ziaren proszku powiązana jest znacząco z kruchością kompozytu  Im
grubsze ziarna, tym większa kruchość materiału. Za pomocą dodatku różnych proszków
można także modyfikować przewodność czy rozszerzalność cieplną kompozytów.
Szczególnie przydatne do tego typu zastosowań są proszki metali.
*****
Ciekawym przykładem powszechnie stosowanego polimerowego kompozytu
proszkowego jest tzw. polimerobeton.
Polimerobeton zwany betonem żywicznym to kompozyt budowlany, odmiana betonu,
w którym tradycyjne spoiwo - cement, zastąpione zostało w całości poprzez żywice
syntetyczne z układem utwardzającym wraz z wypełniaczem, mieszanką piaskowo - żwirową
i mączką kwarcową. Spoiwo polimerobetonu decyduje w pierwszym rzędzie o poprawie
wytrzymałości względem zwykłego betonu, w szczególności o chemoodporności. W
polimerobetonie wyeliminowano najsłabszą część standardowego betonu - hydrauliczne
spoiwo mineralne.
8
Zastosowanie żywic zamiast tradycyjnego spoiwa pozwala uzyskać szereg
interesujących właściwości takich jak wysoka odporność chemiczna na wiele agresywnych
substancji chemicznych czy wysoka wytrzymałość mechaniczna polimerobetonu.
IV. Cel i wykonanie ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest sporządzenie kompozytów ceramika-polimer o osnowie
polimerowej z napełniaczami ceramicznymi oraz określenie wpływu ilości i wielkości ziaren
proszku napełniacza na właściwości otrzymanych mas kompozytowych przed utwardzeniem
oraz wytrzymałość na rozrywanie odlanych z kompozytu elementów.
1. Przygotowanie kompozytów:
a. Osnowa polimerowa: żywica epoksydowa Epidian 6� o gęstości 1,17 g/cm3 (w 20�C)
w ilości 20 ml dla każdego rodzaju przygotowywanych kompozytów
b. Napełniacze:
piasek szklarski o wielkości ziarna > 0,10 mm
piasek szklarski o wielkości ziarna < 0,08 mm
(w obliczeniach należy przyjąć gęstość piasku równą 2,65 g/cm3)
c. Utwardzacz: Z-1, (13 %wag w stosunku do ilości żywicy)
d. Rozcieńczalnik: eter fenylowo  glicydylowy, jedna ampułka na 20 ml żywicy.
Udział objętościowy każdego proszku w żywicy wynosi 10 i 15% obj.
2. Mieszanie składników kompozytów  dodawanie komponentów w kolejności: żywica,
rozcieńczalnik, proszek, utwardzacz. Po dodaniu każdego składnika należy starannie
rozmieszać mieszaninę plastikową łyżeczką.
3. Oszacowanie lepkości każdej masy za pomocą pomiaru czasu wypływu z kubka Forda.
Poza masami, należy wykonać także pomiar dla wody.
4. Odlanie po 5 kształtek z każdego kompozytu do silikonowej formy.
5. Wyjęcie kształtek z form po utwardzeniu żywicy, zwymiarowanie, zważenie i obliczenie
gęstości kompozytów.
6. Oznaczenie wytrzymałości na rozrywanie ( test brazylijski ) otrzymanych kształtek
kompozytowych oraz określenie w jaki sposób wielkość ziaren napełniacza i jego ilość
wpływa na wytrzymałość kompozytu na rozrywanie.
9
Wytrzymałość mechaniczna na rozrywanie Wroz [MPa] dla elementów w kształcie dysków:
Wroz = 2P/ĄĆh
gdzie:
P  siła niszcząca [N]
Ć  szerokość kształtki [mm]
h  wysokość kształtki [mm]
Literatura
[1] Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S.,  Kompozyty ,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
[2] Leda H.,  Kompozyty polimerowe z włóknami ciągłymi : wytwarzanie, właściwości,
stosowanie , Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2006
[3] http://www.mechanik.media.pl/_pdf/2892_artykul-1.pdf
[4] http://www.sytec.pl/polimerobeton.php
Sprawozdanie powinno zawierać:
1) Imiona i nazwiska studentów, daty laboratoriów, tytuł ćwiczenia
2) Krótki wstęp: cel ćwiczenia, metodyka pracy
3) Przykładowe obliczenia ilości dodatków potrzebnych do przygotowania kompozytów na
podstawie podanych udziałów procentowych
4) Opis przeprowadzonych badań oraz zestawienie otrzymanych wartości lepkości, (czas
wypływu z kubka Forda) i wytrzymałości mechanicznej na rozrywanie, (również
wartości średnie), w postaci tabel wraz z komentarzami
5) Wnioski, (a nie tylko obserwacje), z przeprowadzonych badań
Sprawozdanie powinno być dostarczone nie póz
niej niż tydzień od dnia zakończenia
ćwiczenia.
Zaliczenie ćwiczenia odbywa się na podstawie: kolokwium, obecności i aktywnego
uczestnictwa w ćwiczeniu, wykonaniu i pozytywnej ocenie sprawozdania.
10