Kompozyty

otrzymywanie, właściwości i
zastosowanie

Kompozyty

otrzymywanie, właściwości i
zastosowanie

Seminarium dyplomowe

Aleksandra Miczek

Grupa IM 42

Seminarium dyplomowe

Aleksandra Miczek

Grupa IM 42

Politechnika Śląska
Wydz. Inżynierii Materiałowej
I Metalurgii

Plan prezentacji

1. Kompozyty- co to takiego?
2. Zbrojenie
3. Osnowa
4. Technologie wytwarzania kompozytów
5. Wybrane metody wytwarzania
6. Właściwości
7. Zastosowanie

Kompozyty- co to takiego?

Zbrojenie

Osnowa

Technologie wytwarzania kompozytów

Wybrane metody wytwarzania

Właściwości

Zastosowanie

[19]

Kompozyt

materiał uzyskiwany poprzez połączenie ze sobą co najmniej
dwóch różnych fizycznie i chemicznie materiałów, w wyniku
którego powstaje materiał o właściwościach odmiennych niż
właściwości komponentów. Jednym ze składników jest osnowa,
która spaja zbrojenie i przekazuje obciążenia zewnętrzne na
włókna, a drugim zbrojenie, które przenosi obciążenia.

Materiał by być kompozytem musi:

 Składać się z co najmniej dwóch różnych

chemicznie i fizycznie materiałów,

 Być wytworzony sztucznie,
 Posiadać wyraźną granicę podziału pomiędzy komponentami.

Kompozyt

Materiał by być kompozytem musi:



Składać się z co najmniej dwóch różnych
chemicznie i fizycznie materiałów,



Być wytworzony sztucznie,



Posiadać wyraźną granicę podziału pomiędzy komponentami.

[1]

Zbrojenie

Jego zadaniem jest wzmocnienie materiału, poprawienie jego
właściwości mechanicznych.
Materiał zbrojący występuje w postaci cząstek lub włókien.
Postać stosowanego zbrojenia decyduje o właściwościach
kompozytów, wpływa na ich własności wytrzymałościowe i
technologiczne.

Wyróżnia się kompozyty zbrojone:

 dyspersyjnie,
 cząstkami,
 włóknami.

Wyróżnia się kompozyty zbrojone:



dyspersyjnie,



cząstkami,



włóknami.

[2]

Kompozyty zbrojone
cząstkami

Na materiał zbrojenia stosowane są proszki metalowe i

ceramiczne, np: Al, Ni, Ti, Fe, SiO2, SiC, TiC itp.

Aby wzmocnienie było efektywne ważne jest by:

 Udział cząstek przekraczał 20%

objętości kompozytu,

 Cząstki były małe i regularne oraz
równomiernie rozłożone

w kompozycie

Na materiał zbrojenia stosowane są proszki metalowe i

ceramiczne, np: Al, Ni, Ti, Fe, SiO2, SiC, TiC itp.

Aby wzmocnienie było efektywne ważne jest by:



Udział cząstek przekraczał 20%
objętości kompozytu,



Cząstki były małe i regularne oraz

równomiernie rozłożone

w kompozycie

[3]

Kompozyty zbrojone
włóknami

Włókna należą do najważniejszej grupy
materiałów zbrojących. Charakteryzuje je
duża sztywność i wytrzymałość.
W przemyśle zastosowanie znalazły
włókna metalowe, ceramiczne i z
tworzyw sztucznych, np. włókna szklane,
węglowe, aramidowe, itp.

[4]

[5]

Osnowa

Jej główne zadania to:
 przenoszenie naprężenia zewnętrznego na zbrojenie,
 spajanie zbrojenia,
 zapewnienie wytrzymałości na ściskanie,
 nadanie kształtu wyrobom.

Od rodzaju osnowy zależy odporność chemiczna
kompozytu i odporność na działanie podwyższonej temperatury.
Wyróżnia się osnowy:
 metalowe (stopy metali lekkich, srebra, miedzi niklu, itp.)
 polimerowe (tworzywa termoplastyczne, żywice chemoutwardzalne i

termoutwardzalne)

 ceramiczne (Al

, SiC, SiO

, itp.)

Jej główne zadania to:



przenoszenie naprężenia zewnętrznego na zbrojenie,



spajanie zbrojenia,



zapewnienie wytrzymałości na ściskanie,



nadanie kształtu wyrobom.

Od rodzaju osnowy zależy odporność chemiczna
kompozytu i odporność na działanie podwyższonej temperatury.
Wyróżnia się osnowy:



metalowe (stopy metali lekkich, srebra, miedzi niklu, itp.)



polimerowe (tworzywa termoplastyczne, żywice chemoutwardzalne i
termoutwardzalne)



ceramiczne (Al

, SiC, SiO

, itp.)

[6]

Technologie wytwarzania
kompozytów

Sposoby wytwarzania kompozytów zależą od wielu czynników. W
zależności od stosowanej osnowy możemy podzielić je na:
 technologie wytwarzania kompozytów na osnowie polimerowej

Sposoby wytwarzania kompozytów zależą od wielu czynników. W
zależności od stosowanej osnowy możemy podzielić je na:



technologie wytwarzania kompozytów na osnowie polimerowej

Termoplasty

• Zbrojone cząstkami

ceramicznymi lub

włóknem krótkim

(wytwarzane w

postaci granulatu

technologiami

wtrysku i

wytłaczania),

Termoutwardzalne

• Prasowanie tłoczne

• Prasowanie

przetłoczne

• Prasowanie płytowe

• W przypadku

tworzyw fenolowych

metoda sucha lub

mokra

Chemoutwardzalne

(żywice poliestrowe,

epoksydowe)

• Metoda kontaktowa

• Metoda natryskowa

• Metoda ciśnieniowa

• Tłoczenie na zimno

• Prasowanie na

gorąco

• Nawijanie

• Nasycanie w sycidle

• Preimpregnaty

Technologie wytwarzania
kompozytów

 Technologie wytwarzania kompozytów na osnowie metalowej



Technologie wytwarzania kompozytów na osnowie metalowej

Metody

bezpośrednie

• Kierunkowa

krystalizacja

stopów

eutektycznych

• Stale

kompozytowe

Metody z ciekłą

osnową

• Nasycanie

swobodne

• Nasycanie

wymuszone

• Mieszanie

• Rozpuszczanie

Metody

przeróbki

plastycznej

• Wyciskanie

• Ciągnienie

• Walcowanie

pakietów

• Prasowanie i

zgrzewanie

dyfuzyjne

Metody pośrednie

Technologie wytwarzania
kompozytów

 Technologie wytwarzania kompozytów z osnową ceramiczną:

 prasownie i spiekanie - kompozyty zbrojone cząsteczkami i

whiskerami

 techniki wykorzystujące gęstwę - kompozyty o osnowie szklanej i

szklanoceramicznej

 formowanie przetłoczeniowe - kompozyty o osnowie szklanej,

szklanoceramicznej

 osadzanie próżniowe metodami chemicznymi lub fizycznymi

(najczęściej proces CVD)

 samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa



Technologie wytwarzania kompozytów z osnową ceramiczną:



prasownie i spiekanie - kompozyty zbrojone cząsteczkami i
whiskerami



techniki wykorzystujące gęstwę - kompozyty o osnowie szklanej i
szklanoceramicznej



formowanie przetłoczeniowe - kompozyty o osnowie szklanej,
szklanoceramicznej



osadzanie próżniowe metodami chemicznymi lub fizycznymi
(najczęściej proces CVD)



samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa

Źródło [18]

Metody wytwarzania
kompozytów

1. Kontaktowa
Metoda ręcznego wytwarzania
kompozytów włóknistych.
Stosowane zbrojenie jest w
postaci mat, tkanin, które
przesyca się za pomocą ręcznych
narzędzi żywicą poliestrową lub
epoksydową i nakłada kolejne
warstwy.

Kontaktowa

Metoda ręcznego wytwarzania
kompozytów włóknistych.
Stosowane zbrojenie jest w
postaci mat, tkanin, które
przesyca się za pomocą ręcznych
narzędzi żywicą poliestrową lub
epoksydową i nakłada kolejne
warstwy.

[7]

Metodę tą stosuje się do produkcji pojedynczych elementów
często o dużych rozmiarach, gdzie nie jest wymagana
powtarzalność produkcji np. do produkcji łopat elektrowni
wiatrowych, łodzi, szybowców.

Metody wytwarzania
kompozytów

2. Natryskowa
Metoda polegająca na
równomiernym natryskiwaniu
ciętego włókna rowingowego i
żywicy z utwardzaczem przy
użyciu specjalnego pistoletu na
formę.

Zastosowanie: brodziki i kabiny
prysznicowe

Natryskowa

Metoda polegająca na
równomiernym natryskiwaniu
ciętego włókna rowingowego i
żywicy z utwardzaczem przy
użyciu specjalnego pistoletu na
formę.

Zastosowanie: brodziki i kabiny
prysznicowe

Metody wytwarzania
kompozytów

3. Metoda RTM
Nienasycone włókna są
układane, wstępnie
prasowane i dociskane do
powierzchni formy. Następnie
do formy wtryskuje się
żywicę. Po przesyceniu całego
zbrojenia wloty formy są
zamykane, a żywica się
utwardza.
Zastosowanie: siedzenia np.
w tramwajach, elementy
samolotów, samochodów

Metoda RTM

Nienasycone włókna są
układane, wstępnie
prasowane i dociskane do
powierzchni formy. Następnie
do formy wtryskuje się
żywicę. Po przesyceniu całego
zbrojenia wloty formy są
zamykane, a żywica się
utwardza.
Zastosowanie: siedzenia np.
w tramwajach, elementy
samolotów, samochodów

Metody wytwarzania
kompozytów

4. Metoda ciągłego nawijania

włókien

Włókna w postaci rowingu, mat,
tkanin są nasycane żywicą, a
następnie nawijane na
odpowiednie rdzenie które
nadają wyrobom pożądany
kształt.
Zastosowanie: produkcja rur,
zbiorników itp.

Metoda ciągłego nawijania

włókien

Włókna w postaci rowingu, mat,
tkanin są nasycane żywicą, a
następnie nawijane na
odpowiednie rdzenie które
nadają wyrobom pożądany
kształt.
Zastosowanie: produkcja rur,
zbiorników itp.

[7]

Metody wytwarzania
kompozytów

5. Metoda metalurgii proszków
Jest to metoda wytwarzania
kompozytów z proszków
(zazwyczaj metali). Proces
produkcji obejmuje: wytworzenie
proszków osnowy lub proszków
kompozytowych, wykonanie z nich
mieszanek, a następnie procesy
zagęszczania, formowania,
spiekania wraz w ewentualnymi
operacjami dogęszczania i
obróbką końcową.

Metoda metalurgii proszków

Jest to metoda wytwarzania
kompozytów z proszków
(zazwyczaj metali). Proces
produkcji obejmuje: wytworzenie
proszków osnowy lub proszków
kompozytowych, wykonanie z nich
mieszanek, a następnie procesy
zagęszczania, formowania,
spiekania wraz w ewentualnymi
operacjami dogęszczania i
obróbką końcową.

[8]

Właściwości i struktura

Właściwości i struktura materiałów kompozytowych zależą od
wielu czynników jak np.

 Technologia wytwarzania
 Materiał osnowy i jego właściwości
 Właściwości, rodzaj i udział fazy zbrojącej
 Połączenie osnowa-zbrojenie
 Rozkład fazy zbrojącej

Właściwości i struktura materiałów kompozytowych zależą od
wielu czynników jak np.



Technologia wytwarzania



Materiał osnowy i jego właściwości



Właściwości, rodzaj i udział fazy zbrojącej



Połączenie osnowa-zbrojenie



Rozkład fazy zbrojącej

Właściwości kompozytów

Właściwości kompozytów można kształtować w zależności od
potrzeb. Materiały kompozytowe charakteryzuje:
 Izotropia (kompozyty zbrojone dyspersyjnie lub cząstkami)

anizotropia (kompozyty zbrojone włóknami),

 Dobre parametry wytrzymałościowe,
 Duża sztywność,
 Mały ciężar właściwy,
 Wysoka wartość modułu Younga,
 Odporność na zużycie, odporność zmęczeniowa,
 Wysoka odporność na korozję.

Właściwości kompozytów można kształtować w zależności od
potrzeb. Materiały kompozytowe charakteryzuje:



Izotropia (kompozyty zbrojone dyspersyjnie lub cząstkami)
anizotropia (kompozyty zbrojone włóknami),



Dobre parametry wytrzymałościowe,



Duża sztywność,



Mały ciężar właściwy,



Wysoka wartość modułu Younga,



Odporność na zużycie, odporność zmęczeniowa,



Wysoka odporność na korozję.

Porównanie właściwości

Materiał

Gęstość

Mg*m

-3

Moduł Younga

GPa

MPa

MPa*m

1/2

KOMPOZYTY

Żywica poliestrowa

wzmacniana włóknami

szklanymi (50% obj.)

2,0

1240

42-60

Żywica epoksydowa

wzmacniana włóknami

węglowymi (58% obj.)

1,5

189

1050

32-45

Żywica epoksydowa

wzmacniana włóknami

Kevlar (60% obj.)

1,4

1240

METALE

Wysokowytrzymała stal

7,8

207

1500

Stop tytanu

5,0

120

1400

Stop aluminium

2,8

500

źródło [16]

Zastosowanie

Materiały kompozytowe znalazły
szerokie zastosowanie. Najczęściej
można je spotkać w:
 Astronautyce (kratownice, łączniki,

anteny),

 Lotnictwie (elementy samolotów

zarówno wojskowych jak i cywilnych,

Materiały kompozytowe znalazły
szerokie zastosowanie. Najczęściej
można je spotkać w:



Astronautyce (kratownice, łączniki,
anteny),



Lotnictwie (elementy samolotów
zarówno wojskowych jak i cywilnych,

[9]

[10
]

Zastosowanie

 Transporcie (karoserie,

elementy silnika, tuleje,
tłoki, łożyska ślizgowe,
elementy układu
hamulcowego

 Sporcie (narty, deski,

rakiety tenisowe, sprzęt
golfowy, wędki itp.)



Transporcie (karoserie,
elementy silnika, tuleje,
tłoki, łożyska ślizgowe,
elementy układu
hamulcowego



Sporcie (narty, deski,
rakiety tenisowe, sprzęt
golfowy, wędki itp.)

[11]

[12]

[13]

Zastosowanie

 Medycynie

(implanty,
wypełnienia zębów
itp.)

 Budownictwie

(maszty, słupy,
zbiorniki, rurociągi,
itp.)



Medycynie
(implanty,
wypełnienia zębów
itp.)



Budownictwie
(maszty, słupy,
zbiorniki, rurociągi,
itp.)

[14]

[15]

[7]

Literatura

1. http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Composite_3d.png (09.11.2014r)

2. http://www.engineeringcivil.com/impingement-of-environmental-factors-that-defines-a-system-on-composites-

performance.html (09.11.2014r)

3. http://slideplayer.pl/slide/811518/ (09.11.2014r)

4. http://www.dmvplus.pl/index.php/pl/wlokna-szklane (09.11.2014r)

5. http://www.dexcraft.pl/blog/technologia-kompozytow/carbon-czyli-wlokno-weglowe-9-tajemnic-tego-materialu/ (09.11.2014r)

6. http://www.pslc.ws/macrog/kidsmac/composit.htm (09.11.2014r)

7. http://slideplayer.pl/slide/59718/ (09.11.2014r)

8. http://www.themetalcasting.com/powder-metallurgy.html (09.11.2014r)

9. http://www.wykop.pl/link/1921614/teleskopu-hubble-swietuje-urodziny-nowym-zdjeciem-wylegarni-gwiazd/ (09.11.2014r)

10. http://www.aviation.net.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=224&Itemid=2 (09.11.2014r)

11. http://www.plastwag.pl/oferta,kompozyty.html (09.11.2014r)

12. http://strefatenisa.com.pl/rakieta-tenisowa-head-mx-ice-elite-2.html (09.11.2014r)

13. http://www.ski-portal.pl/News,93,Dynastar-Outland-80-PRO (09.11.2014r)

14. http://www.primadent.pl/specjalizacje/wypelnienia-kompozytowe.html (09.11.2014r)

15. http://blog.comfibertec.eu/o-wloknie-bazaltowym/ (09.11.2014r)

16. M. Blicharski „Wstęp do inżynierii materiałowej” Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2001

17 J. Śleziona, „ Podstawy technologii kompozytów” Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998

18. http://www.kim.pollub.pl/student/Teoria25.pdf (09.11.2014r)

19. http://blog.comfibertec.eu/pierwszy-polski-kompozytowy-odrzutowiec-pasazerski-flaris-lar-1/ (09.11.2014r)