KOMPOZYT

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

przemysł elektroniczny,

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