Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy
wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się
rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki kompozytów
zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast działają wspólnie. Zwykle składniki te mogą być identyfikowane fizycznie i wykazują powierzchnie rozdziału między sobą.
W dzisiejszych czasach większość materiałów można nazwać kompozytami, ponieważ rzadko
występują w czystej postaci. Określony materiał można uznać za kompozyt, jeśli spełnia następujące warunki:
powinien być wytworzony przez człowieka,
powinien być mieszaniną co najmniej dwóch różnych pod względem chemicznym
materiałów z wyraźną granicą rozdziału między nimi,
poszczególne składniki tworzą razem jeden materiał (kompozyt); istotny jest ich udział objętościowy,
kompozyt wykazuje inne własności niż jego składniki.
Kompozyty stanowią znaczną grupę tworzyw, które można porządkować, przyjmując różne kryteria podziału na grupy, klasy, poziomy itp. Materiały kompozytowe można sklasyfikować na dwóch odrębnych szczeblach, mianowicie na podstawie materiału osnowy (rysunek nr 1) i na podstawie cech geometrycznych elementów wzmacniających (rysunek nr 2)
Dodatkowo kompozyty możemy podzielić ze względu na sposób wytwarzania, na
rodzaj zastosowanej przy tym technologii (rysunek nr 3), z której jasno wynika, że wszystkie (praktycznie rzecz biorąc) technologie materiałów takie jak technologie obróbki czy kształtowania mogą być w tym celu zastosowane.
Dodatkowo materiały kompozytowe można podzielić na dwie grupy, przyjmując za kryterium tego podziału ich zastosowanie. Rozróżniamy materiały kompozytowe
konstrukcyjne (rysunek nr 4) oraz materiały kompozytowe o specjalnym
przeznaczeniu (rysunek nr 5), do których zaliczane są m. in. kompozyty o specjalnych
własnościach elektrycznych, zwłaszcza nadprzewodzących.
OSNOWA I FAZA WZMACNIAJĄCA
Materiały kompozytowe są utworzone z dwóch głównych składników:
Osnowy (zwanej niekiedy matrycą) osnowę stanowi materiał – najczęściej jednorodny
– wypełniający przestrzeń bryły elementu z wyjątkiem miejsca zajętego przez
elementy wzmacniające. Osnowa jest, zatem spoiwem zapewniającym ciągłość
materii elementu kompozytowego. Osnowa utrzymuje wzmocnienie w określonym
porządku. Ponieważ wzmocnienie stanowi zwykle materiał nieciągły, osnowa
umożliwia równomierne rozłożenie obciążenia na poszczególne elementy
wzmocnienia.
Fazy wzmacniającej, inaczej nazywane wzmocnieniem stanowią w zależności od
potrzeb bardzo zróżnicowane materiały, mające za zadanie zwiększenie sztywności i
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
wytrzymałości kompozytu. Wzmocnienie zasadniczo występuje w trzech postaciach: cząstek, nieciągłych włókien, i ciągłych włókien.
KOMPOZYTY METALOWE
We współczesnych czasach materiały inżynierskie są coraz częściej obarczane
nowymi i specyficznymi wymaganiami, jakie muszą spełniać w danej dziedzinie
przemysłu. Nowe wymagania stawiane tym materiałom determinują w ogromnej
części perspektywę ich rozwój, jak i sam rozwój. Dlatego jednym z głównych
kierunków badań w materiałoznawstwie są obecnie materiały kompozytowe.
Materiały te stanowią odpowiedz na zapotrzebowanie przemysłu na nowe tworzywa o
znacznie lepszych własnościach użytkowych. W postępie tym szczególne znaczenie
ma grupa materiałów kompozytowych z metaliczną osnową wzmacnianych włóknami
i/lub cząstkami.
WYTWARZANIE KOMPOZYTÓW METALOWYCH
Kompozyty metalowe mogą być wytwarzane w układzie metal–metal jak również
metal–ceramika. Strukturę kompozytów metalowych można uzyskać przez
zastosowanie odpowiedniego procesu technologicznego np. krzepnięcia, obróbki
plastycznej i cieplnej. Kompozyty metalowe wytwarza się obecnie technologiami
ciekłofazowymi i stałofazowymi. Wśród metod ciekłofazowych wyróżnia się metody
bezpośrednie in situ i metody pośrednie in vitro (rysunek nr 6).
Techniki wytwarzania kompozytów
metalowych in vitro
Wytwarzania kompozytów metalowych wzmacnianych cząsteczkami
Wytwarzanie kompozytów cząstkowych i włóknistych
Wytwarzanie kompozytów metalowych umacnianych dyspersyjnie (SAP)
Techniki wytwarzania kompozytów
metalowych in situ
Krystalizacja kierunkowa
Kompozyty in situ wytwarzane metodami odlewniczymi:
• metoda przedmuchiwania gazem reaktywnym RGI,
• reakcje w mieszaninach solnych,
• bezpośrednie reakcje utleniania/azotowania,
• reaktywne formowanie natryskowe,
• reakcje w układzie ciecz-ciecz,
Kompozyty in situ wytwarzane metodami metalurgii proszków:
• metoda egzotermicznej dyspersji XD,
• metoda samorzutnej syntezy wysokotemperaturowej SHS.
ZASTOSOWANIE
Obecnie materiały kompozytowe o osnowie metalowej cieszą się największą
popularnością w takich branżach przemysłu jak:
przemysł lotniczy i kosmiczny,
przemysł motoryzacyjny,
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
sport oraz rekreacja,
inne.
Wytwarzania kompozytów metalowych wzmacnianych cząsteczkami
Kompozyty wzmacniane cząstkami są to materiały, w których do osnowy
wprowadza się w sposób wymuszony cząstki stałe. Osnowę kompozytów metalowych mogą
stanowić stopy metali, do których w stanie ciekłym lub ciekło-stałym wprowadza się cząstki niemetalowe tworzące z cieczą suspensję i po zakrzepnięciu przekształcające się w kompozyt.
Proces technologiczny wytwarzania kompozytów metalowych składa się
zasadniczo z trzech etapów:
obróbka powierzchni cząstek wzmacniających,
obróbka ciekłego metalu osnowy,
wytwarzanie zawiesiny.
Wytwarzanie zawiesiny
Wytwarzanie zawiesiny jest bardzo istotnym elementem procesu np. w trakcie
odlewania suspensyjnego można się pokusić o stwierdzenie, iż jest to najważniejsza operacja tego procesu. Wprowadzenie fazy zbrojącej do ciekłego metalu (osnowy) może się odbywać
w sposób:
wtryskiwania gazowego (iniekcję),
infiltracji wstępnej zagęszczonego złoża zbrojenia z otrzymaniem granul lub zapraw,
które są następnie rozprowadzane w ciekłym metalu osnowy,
wprowadzenia zbrojenia do mieszanego metalu w sposób mechaniczny lub
elektromagnetyczny – są to najczęściej praktykowane sposoby,
rozpraszanie ultra dźwiękowe,
rozpraszanie odśrodkowe (wariant odlewania odśrodkowego).
Wytwarzanie kompozytów cząstkowych i włóknistych
Kompozyty
wzmacniane
włóknami
i
cząstkami
można
otrzymać
następującymi metodami:
nasycania (infiltracji) oraz odlewania ciśnieniowo-próżniowego,
odlewania ciągłego.
W praktyce stosuje się różne sposoby procesu infiltracji (nasycania) szkieletu wzmocnienia ciekłym stopem osnowy. Wśród nich wyróżnić można nasycenie:
swobodne:
• Schemat metody Baldwina bezciśnieniowego odlewanego kompozytu z
preformą
ciśnieniowe lub ciśnieniowo-próżniowe:
• Schemat infiltracji gazowej,
• Schemat infiltracji ciśnieniowej,
• Schemat prasowania ciekłego metalu stosowany do nasycania włóknistych
preform,
• Schemat odlewania ciśnieniowo-próżniowego,
• Schemat metody nasycania wymuszonego w autoklawie,
ciągłe odlewanie:
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7
• Schemat odlewania ciągłego w układzie pionowym
ultradźwiękowe w polu magnetycznym
KRYSTALIZACJA KIERUNKOWA
Otrzymywanie kompozytów w sposób jednoetapowym związane jest z
procesem krystalizacji kierunkowej ciekłego stopu najczęściej o składzie eutektoidalnym.
Krystalizacja zorientowana jest skutkiem wywołania jednokierunkowego odprowadzania ciepła w czasie krzepnięcia. W technologii tej wykorzystywane jest to, że w procesie krystalizacji stopu eutektycznego poszczególne fazy wchodzące w skład kompozytu powstają równocześnie ze stanu ciekłego. Pozwala to uzyskać wymaganą strukturę materiału kompozytowego, bez konieczności wprowadzenia ciekłego stopu osnowy do obcej fazy wzmacniającej. Parametry procesu technologicznego takie jak: gradient temperatury, prędkość przemiany oraz kierunek odprowadzanego ciepła wpływają na wielkość, kształt i regularność fazy wzmacniającej.
Do metod za pomocą, których możliwa jest realizacja procesów krystalizacji
kierunkowej możemy zaliczyć (SCHEMAT):
metodę z przesuwaną strefą topnienia,
metodę z wewnętrzną strefą topnienia,
metodę krystalizacji w tyglu,
metodę Bridgmana,
zmodyfikowaną metodę Czochrajskiego.
Kompozyty in situ wytwarzane metodami metalurgii proszków
W wyniku spiekania w temperaturze TS mieszaniny, złożonej w początkowej
fazie procesu z proszków elementarnych A i B, występują następujące etapy tworzenia się związku międzymetalicznego:
stan początkowy - mieszanie proszków elementarnych A i B,
dyfuzja w fazie stałej prowadząca do powstania roztworu stałego AB,
utworzenie fazy ciekłej – eutektyki A – B, krystalizacja z fazy ciekłej – fazy międzymetalicznej,
utworzenie fazy międzymetalicznej o końcowym składzie chemicznym AB.
w w w . c h o m i k u j . p l / M a r W a g 9 8 7