Porównanie struktur i własności wybranych materiałów
kompozytowych
Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch składników (faz) o różnych własnościach mający własności lepsze i/lub własności nowe (dodatkowe) w
porównaniu ze składnikami użytymi osobno lub wynikającymi z prostego sumowania tych własności
Składniki kompozytu
faza ciągła - matryca (osnową)
faza rozproszona - zbrojenie
Własności, które chcemy uzyskać projektując materiał kompozytowy:
podwyższona wytrzymałość właściwa,
podwyższona sztywność właściwa,
odporność na pękanie
RÓŻNE POSTACIE WZMOCNIEŃ KOMPOZYTOWYCH:
1) przypadkowe ułożenia wzmocnień
a) proszki (granulki)
b) włókna krótkie
2) jednokierunkowe ułożenie włókien
a) włókna ciągłe
b) włókna krótkie
1) dwukierunkowe wzmocnienia :
a) tkaniny
b) warstwy z różnych włókien
2) Przestrzenne wzmocnienia :
ortogonalne
Typy materiałów kompozytowych:
kompozyt umacniane (wzmocnione) dyspersyjnie,
kompozyty umacniane cząstkami,
kompozyty umacniane włóknami.
Kompozyty zbrojone dyspersyjnie
• metalowa osnowa wzmocniona cząstkami ceramicznymi lub metalicznymi o średnicy ∼10÷100 nm w ilości do ok. 15% objętości kompozytu
• obciążenie przenoszone jest głównie przez osnowę - zbrojenie dyspersyjne nie poprawia znacząco cech mechanicznych i wytrzymałościowych kompozytu
w umiarkowanych temperaturach
• mechanizm wzmocnienia: utrudnianie przez rozproszone cząstki ruchu dyslokacji w osnowie
• wzmocnienie jest efektywne w wysokich temperaturach (do ok. 80% temp.
topnienia)
• niewielki udział cząstek znacznie poprawia np. odporność na pełzanie kompozytu w porównaniu z odpornością materiału osnowy
• obciążenie przenoszone przez obie fazy
• mechanizm wzmocnienia: ograniczanie przez cząstki odkształceń matrycy w obszarze sąsiadującym z powierzchnią każdej cząstki
• wzmocnienie jest efektywne, jeśli:
- udział cząstek przekracza 20% objętości kompozytu (niekiedy
nawet
90%)
- cząstki są równomiernie rozłożone w kompozycie
- cząstki powinny mieć mniej więcej te same wymiary we
wszystkich
kierunkach i być małe
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
Podział kompozytów ze względu na osnowę:
kompozyty o osnowach organicznych,
kompozyty o osnowach metalicznych,
kompozyty o osnowach ceramicznych.
Wytwarzanie kompozytów
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
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
metoda ciągła wytwarzania prętów, rur, 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. )
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
Zastosowania kompozytów:
Mc Laren / Mercedes
MOSTY
Cięgna z włókien węglowych w moście podwieszonym
Sprężenie dźwigaru mostowego
podpory pod linie wysokiego napięcia (CH)
Słup sprężony cięgnami węglowymi
Podpory elektrowni wiatrowych (DK)
Opisane materiały ceramiczne i kompozytowe ze względu na swe własności są materiałami których rozwój nie jest ograniczony i stanowią perspektywę przyszłościową dla wielu gałęzi przemysłowych.