Kompozyty
prof. dr hab. Barbara Surowska
Kompozyt  definicja
Materiał utworzony z co najmniej dwóch
składników (komponentów) o różnych
właściwościach posiadający nowe, lepsze
właściwości niż komponenty pojedynczo.
Te dwa składniki tworzą:
osnowę
zbrojenie
Osnowa
Metal  np. żelazo i jego stopy, stopy niklu, metale
i stopy nieżelazne (głównie aluminium, magnez, miedz
,
srebro, cyna, ołów, tytan), intermetale (Ni3Al, NiAl, Ti3Al,
TiAl, MoSi2) oraz nadstopy.
Tworzywa polimerowe:
żywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty,
żywice chemoutwardzalne: poliestrowe, epoksydowe,
silikonowe,
tworzywa termoplastyczne: poliamidy, polipropylen,
poliestry termoplastyczne, poliwęglan oraz w
mniejszych ilościach polimery styrenowe
Ceramika  np. Al2O3 i azotek krzemu Si3N4, szkła i
tworzywa szklano-ceramiczne (np. układ LiO2-Al2O3-
SiO2) oraz węgiel
Rola osnowy
Połączenie fizyczne zbrojenia
Przenoszenie naprężenia na włókna lub
cząstki
Determinowanie właściwości chemicznych
i cieplnych
Nadawanie kształtu wyrobu
Zbrojenie
Cząstki rozproszone  np. metalowe,
ceramiczne
Włókna cięte lub ciągłe  metalowe, ceramiczne,
polimerowe
Kompozyty włókniste
Kompozyt
z włóknem
z włóknem ciętym włóknem ciętym
proszkowy
ciągłym
zorientowanym niezorientowanym
Rola zbrojenia
Podwyższanie lub zmiana właściwości
mechanicznych
Zmiana właściwości użytkowych
Anizotropia właściwości (włókna
zorientowane)
Zbrojenie proszkowe ceramiczne
tlenki (SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2),
węgliki (SiC, TiC),
grafit,
mika
fly ash(popiół lotny)
Wielkość cząsteczek od kilku do kilkuset
mikrometrów.
Udział objętościowy cząsteczek 25% do
60%.
Zbrojenie - włókna
metalowe: stalowe ze stali chromowo-
niklowej, wolframowe, molibdenowe,
berylowe, tytanowe
ceramiczne - szklane, węglowe, borowe,
z węglika krzemu, z tlenku glinu
z tworzyw polimerowych:
poliaramidowe-kevlar, polietylenowe,
whiskery  włókna monokrystaliczne
Włókna - właściwości
Włókna zbrojące kompozyty posiadają
średnicę poniżej 100 źmi znaczną
długość.
Przyjmują formę rovingu, tkanin lub mat.
Stanowią do 60% udziału objętościowego
Wybrane właściwości
wysokowytrzymałych włókien zbrojących
Włókna węglowe Ceramika
PE
Włókno wysokowytrzy Aramid Szkło E
wysoko wysoko
Al2O3 SiC Bor
Właściwość mały
wytrzymałe modułowe
Wytrzymałość
Rm 3,0 3,0 3,4 2,3 2,1 1,5 2,5 3,5
[103 MPa]
Moduł Younga,
E 130 124 240 400 75 400 200 450
[103 MPa]
Wytrz. na ścisk.
- 0,25 2,5 1,5 0,5 1,9 1,8 -
[103 MPa]
Gęstość [g/cm3] 0,95 1,44 1,74 1,83 2,6 3,9 2,6 2,6
Temp. pracy
60 200 500 600 350 1000 1000 2000
[�C]
450 700
Temp. top. [�C] 140 3600 3600 2000 2700 2400
(rozpad) (mięknięcie)
Wytrzymałość włókien
Porównanie właściwości włókien
Metody wytwarzania kompozytów o
osnowie metalowej
Metody bezpośrednie  metoda kierunkowej
krystalizacji stopów eutektycznych. Włóknistą strukturę
kompozytu uzyskuje się w wyniku procesu krzepnięcia
stopu z jednokierunkowym odprowadzeniem ciepła. W
technologii tej wykorzystuje się fakt, że w procesie
krzepnięcia stopu eutektycznego poszczególne fazy
struktury kompozytowej powstają równocześnie ze stanu
ciekłego.
Metody pośrednie  cykl technologiczny wytwarzania
obejmuje etapy przygotowania zbrojenia, przygotowania
osnowy i ich łączenia z wykorzystaniem technologii
odlewniczych lub obróbki plastycznej.
Metody pośrednie
Metody metalurgii proszków - polegają na
mieszaniu proszku osnowy ze zbrojeniem,
prasowaniu na zimno, spiekaniu i doprasowaniu.
Technologią metalurgii proszków wytwarza się
kompozyty umacniane dyspersyjnie oraz
kompozyty zbrojone cząsteczkami.
Przykładem kompozytu umacnianego
dyspersyjnie jest SAP (aluminium zbrojone
cząsteczkami Al2O3 o wielkości 1źm w ilości do
20%).
Metody pośrednie  c.d.
Techniki odlewnicze - obejmują
odlewanie grawitacyjne, infiltrację
ciśnieniową, prasowanie w stanie ciekłym,
nasycanie swobodne oraz wymuszone.
Technologiami odlewniczymi wytwarza się
zarówno kompozyty zbrojone
cząsteczkami jaki i zbrojone włóknami.
Metody pośrednie  c.d.
Najczęściej stosowaną techniką kształtowania
kompozytów z cząsteczkami jest metoda
mieszania z równoczesnym wprowadzeniem
cząsteczek do ciekłego metalu.
Schemat wytwarzania kompozytów zbrojonych
cząsteczkami metodą mieszania mechanicznego
Metody pośrednie  c.d.
Do wytwarzania kompozytów zbrojonych
preformą stosuje się metodę prasowania w
stanie ciekłym (squeezecasting).
Preformy  odpowiednio ukształtowane z
włókien krótkich lub cząsteczek, porowate
wkładki o kształcie wyrobu, w szczególności
służące do lokalnego zbrojenia
preforma
Metody pośrednie  c.d.
Technologia obróbki plastycznej 
obejmuje głównie metody: walcowania,
wyciskania i ciągnienia umożliwiające
otrzymywanie drutów kompozytowych (np.
nadprzewodzące druty Cu-Nb2Sn)
Mikrostruktura kompozytów o
osnowie Al
stop AK9/20%obj. cząsteczek SiC(a),
AK12/9%wag cząsteczek fly ash u(b),
Mikrostruktura kompozytów o
osnowie Al
stop AK7/5,7%wag. cząsteczek grafitu (c)
Al/włókna boru (d)
Mikrostruktura kompozytu WC-Co
Materiał kompozytowy o osnowie kobaltu (6%)
zawierający węglik wolframu. Technologia
wykonania: metalurgia proszków (spiekanie pod
wysokim ciśnieniem).
Właściwości kompozytów o
osnowie metalowej
izotropowe  zbrojenie cząsteczkami równomiernie
rozmieszczonymi w osnowie
anizotropowe - zbrojenie włóknami rozmieszczonymi w
sposób ukierunkowany
zależność od odległości międzycząsteczkowych lub
międzywłóknowych. Zmiany tych odległości mogą
powodować występowanie wysokich naprężeń lokalnych
i stref naprężeń ściskających.
powierzchnia rozdziału zbrojenie-osnowa  wpływ na
jakość połączenia fazy zbrojącej z osnową, tłumienie
drgań, mechanizm pękania kompozytu jako całości oraz
pęknięć międzykrystalicznych samej osnowy.
skład chemiczny i fazowy powstałego połączenia -
wpływ na właściwości mechaniczne, odporność na
korozję, podatność na pękanie
Właściwości kompozytów metalowych
umacnianych dyspersyjnie
korzystne właściwości w podwyższonej temperaturze.
Przykłady:
kompozyt SAP niezależnie od ilości cząsteczek
zbrojących (powyżej 7%) w temperaturze 327�C ma
odkształcenie na poziomie 2-4%, a poziom naprężeń
niszczących osiąga wartość 80-100 MPa, co czyni je
materiałami żarowytrzymałymi do temperatury 550�C.
spiekane aluminium - stabilność struktury w
podwyższonych temperaturach, co zawdzięcza
obecności drobnodyspersyjnej fazy tlenkowej.
aluminium zbrojone cząsteczkami Al4C3 charakteryzuje
się wysoką odpornością na rekrystalizację, wysoką
żarowytrzymałością w zakresie 300-500 �C oraz
stabilnością cieplną.
Właściwości kompozytów
metalowych zbrojonych włóknami
Włókno Osnowa Vw % ł g/cm3 RmII, MPa E, GPa Rm , MPa
Węglowe T50 201Al 30 2,38 646 172 50
Węglowe P100 6061Al 41 2,44 646 337 -
B4C/B/W Ti-6Al-4V 38 3,74 1541 237 358
ą-Al2O3 201Al 50 3,6 1224 222 -
SiC(W) 6061Al 50 2,93 1541 237 -
SiC(W) Ti-6Al-4V 35 3,93 1255 272 535
Właściwości kompozytów
metalowych zbrojonych włóknami
o osnowie stopów tytanu zbrojone włóknem
borowym, berylowym, SiC- doskonałe wskaz
niki
właściwe (wytrzymałość i sztywność).
z osnową stopu tytanu VT-6 (TiAl6V4) -
wytrzymałość wzdłuż włókien osiąga wartość
rzędu 1000-1400 MPa.
o osnowie nadstopów niklu zbrojone włóknami
wolframowymi, korundowymi i grafitowymi mogą
pracować aż do temperatury 1650�C.
Kompozyty o osnowie ceramicznej
Ceramika porowata infiltrowana metalem
przestrzenna struktura przenikających się
szkieletów fazy ceramicznej i fazy metalowej
Porowata osnowa ceramiczna
Kompozyt po infiltracji stopem AlCu5
Al2O3
Kompozyty o osnowie polimerowej
Osnowa  żywice epoksydowe,
poliestrowe
Zbrojenie - włókna:
szklane  od 1931 r
węglowe  od 1961 r
aramidowe  od 1972 r
Włókna  roving, tkaniny, maty
Wytwarzanie włókien szklanych
Tkaniny - właściwości
Technologie wytwarzania włóknistych
kompozytów polimerowych
na mokro
na sucho - autoklawowo(prepregi)
Technologia prepregowa
Prepreg  półprodukt  cienkie warstwy
wstępnie zaimpregnowanego włóknistego
zbrojenia z częściowo utwardzoną żywicą
bazową.
Prepregi przechowywane są w
zamrażarkach, przy temp. ok.  180C, w
celu zahamowania procesu samoistnej
polimeryzacji żywic bazowych
Etapy wykonania wyrobu
kontrola jakości
Etapy wykonania wyrobu  c.d.
Powolne rozmrażanie hermetycznie
zapakowanych rolek do temperatury otoczenia
w czasie od 24 do 48 godzin
Cięcie na formatki/warstwy  automatycznie z
zastosowaniem plotera
Przygotowanie foremnika i ustawienie na
stanowisku roboczym w  Clean room w pozycji
skorelowanej z laserowym systemem
pozycjonowania układanych warstw
Etapy wykonania wyrobu  c.d.
Formowanie zespołu - układanie na
foremniku (w ściśle określonej sekwencji)
kolejnych warstw prepregu, wypełniacza
komórkowego, kleju, blaszanych
wzmocnień itp.
Założenie na foremnik hermetycznej
przepony oraz sprawdzenie metodą
podciśnienia szczelności układu.
Etapy wykonania wyrobu  c.d.
Umieszczenie foremnika w autoklawie 
hermetycznie zamykanej komorze
ciśnieniowej umożliwiającej prowadzenie
procesu polimeryzacji w warunkach
podwyższonego ciśnienia i temperatury.
Podłączenie foremnika do układu
podciśnieniowego i usunięcie powietrze
spod przepony
Etapy wykonania wyrobu  c.d.
Polimeryzacja w autoklawie
Typowe parametry:
temperatura polimeryzacji 120  180 �C,
ciśnienie ok. 0,3 MPa
Zalety kompozytów
Zmniejszenie masy
Podwyższenie sztywności i/lub wytrzymałości
Podwyższenie odporności na pękanie
Podwyższenie stabilności wymiarów
A
atwość zmian konstrukcyjnych
Duża swoboda projektowania
Stosunkowo niski koszt produkcji krótkoseryjnej
Zastosowania - przykłady
Sport
Zastosowania - przykłady
Motoryzacja
Lotnictwo
Laminaty metalowo-włókniste
ARALL�� - ARamid ALuminiumLaminate-
laminat blacha ze stopu aluminium-
kompozyt epoksydowy z włóknem
aramidowym(kevlar)
Opracowany na uniwersytecie w Delft (NL)
pod koniec lat 70-tych XX w.
Zastosowany na drzwi ładunkowe w
wojskowym C17
GLARE��
(Glass Laminates REinforced)- laminat
blacha ze stopu aluminium-kompozyt
epoksydowy z włóknem szklanym
Opatentowany w 1987 r. przez AKZO
NOBEL, zastosowany w A-380
J. Sinke, J Mater Sci (2006) 41:6777 6788
Właściwości komponentów
Właściwości Włókno Laminat z Stop Al
mechaniczne szklane włóknem 2024-T3
szklanym
E1[GPa]88,054,071,7
E2 [GPa]88,09,4171,7
G12 [GPa]33,15,5527,2
ą1[K-1] 5,2 x 10-6 6,1 x 10-6 22 x 10-6
ą2 [K-1] 5,2 x 10-6 26,2 x 10-6 22 x 10-6
Porównanie właściwości FML
do metalu: uzyskuje się bardzo dużą
tolerancję na uszkodzenia z
uwzględnieniem zmęczenia, korozji,
udarności, naprężeń szczątkowych;
do materiału kompozytowego: uzyskuje
się wyższą wytrzymałość, udarność,
odporność na kruche pękanie.
Zastosowanie
Poszycia kadłubów
J. Sinke, J Mater Sci (2006) 41:6777 6788
Kadłub A-380
A-310
H. J. M. Woerden, J. Sinke and P. A. Hooijmeijer
Applied Composite Materials 10: 307 329, 2003.
Zalety laminatów FML
przy wytwarzaniu paneli poszycia, krawędzi
natarcia i małych elementów struktur można
używać konwencjonalnych procesów
wytwarzania: technik przygotowania wstępnego,
niektórych procesów formowania, cięcia;
koszt inwestycji przy zmianie technologii z
metalu na FML jest relatywnie niski;
ognioodporność, odporność na wyładowania
atmosferyczne