Kompozyt  materiał utworzony z co najmniej 2 komponentów (faz) o różnych właściwościach, w taki sposób, że ma
właściwości lepsze od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno i lepsze od wynikających z prostego
sumowania tych własności. Komponenty kompozytów mogą należeć do tej samej rodziny materiałów lub nie.
Kompozyt składa się z 2 elementów: osnowy (matrycy) będącej fazą ciągłą, otaczającą cząsteczki wzmocnienia
(zbrojenia).
Najczęściej występującymi kompozytami są te posiadające wzmocnienie w postaci włókien lub wiskerów. Wiskery są
bardzo cienkimi monokryształami o bardzo małej gęstości defektów krystalicznych, co wpływa na ich dużą
wytrzymałość (np. grafit, tlenek aluminium), ze względu na bardzo wysoką cenę rzadko się je stosuje w kompozytach.
Zdecydowanie częściej stosuje się jako zbrojenie włókna, mogą być one wykonane z różnych materiałów, mieć różną
długość, a także w być różny sposób zorientowane w kompozycie. Ważne jest to aby włókna były sztywne, lekkie i
mocne.
Wpływ włókien na kompozyt:
 Im więcej włókien tym wytrzymałość i sztywność kompozytu jest większa, ale ułamek objętości zajmowanej
przez włókna nie może przekraczać 80%, bo wówczas bardzo trudno jest uzyskać pełne zatopienie włókien w
osnowie
 Wymiar włókna charakteryzuje się stosunkiem jego długości do średnicy (l/d). Im większy jest wymiar włókna
tym większą wytrzymałość ma dany kompozyt.
 Stosowanie włókien o możliwie jak najmniejszej średnicy, powoduje ograniczenie wad powierzchniowych
występujących na końcach włókien, a co za tym idzie zapobiega pękaniu włókien.
 Wraz ze wzrostem długości włókna umocnienie kompozytu staje się bardziej efektywne, bo rośnie odcinek
włókna przenoszący maksymalne obciążenie.
Funkcje osnowy:
1. Jest miękka i plastyczna. Spaja razem włókna i działa jako ośrodek przekazujący obciążenia zewnętrzne
włóknom, osnowa przenosi jedynie mały ułamek przyłożonego obciążenia.
2. Chroni włókna przed uszkodzeniami na skutek tarcia powierzchniowego lub reakcji chemicznych z
otoczeniem.
3. Służy jako bariera zapobiegająca rozprzestrzenianiu się pęknięć w kompozycie.
Właściwości kompozytów zależą od:
 właściwości faz składowych (osnowa i włókna powinny mieć zbliżone współczynniki rozszerzalności cieplnej
 wtedy nie dochodzi do pęknięcia włókien oraz zerwania więzi między osnową i włóknami)
 ich względnej ilości i geometrii komponentów
 wytrzymałości granic międzyfazowych (granica musi być wystarczająco mocna do przekazywania obciążeń z
1 fazy do 2, jeżeli jest słabo to wtedy ślizganie włókien względem osnowy)
Właściwości mechaniczne kompozytów:
a) kompozyty wzmacniane równoległymi włóknami ciągłymi obciążone równolegle do osi włókien
b) kompozyty obciążony prostopadle do osi włókien
a) kompozyty są najbardziej wytrzymałe, ponieważ odkształcenie kompozytu będzie takie same jak odkształcenie
osnowy i włókien. Oprócz tego przenoszone przez kompozyt obciążenie będzie sumą obciążeń przenoszonych przez
włókna i osnowę.
b) obciążenie siłą prostopadłą powoduje w przybliżeniu takie same naprężenie osnowy i włókien. Kompozyt będzie
wykazywał małą sztywność.
Podział kompozytów:
 naturalne (np. drewno  włókna celulozowe w osnowie z ligniny i hemicelulozy)
 wytwarzane przez człowieka:
a) wzmacniane włóknami
b) agregatowe (np. beton  kruszywo w osnowie z cementu)
Podział kompozytów wzmacnianych włóknami:
 podział ze względu na długość włókien:
a) z włóknami ciągłymi
b) z włóknami nieciągłymi (ciętymi)
 podział ze względu na materiał z jakiego jest wykonane włókno:
a) kompozyty z włóknami szklanymi
b) z włóknami węglowymi
c) z włóknami aramidowymi (np. Kevlar  poliamidy, mają ugrup. aromatyczne w łańcuchu głównym)
d) z włóknami metalowymi
e) z włóknami roślinnymi (np. z lnu, konopi, juty)
Podział kompozytów ze względu na rodzaj osłony:
 kompozyty z osnową polimerową (PMC  Polymer Matrix Composites)
 ceramiczną
 metaliczną
Tematem prezentacji są kompozyty z osnową polimerową, zawierające włókna węglowe, szklane, roślinne lub
aramidowe.
KOMPOZYTY NA OSNOWIE POLIMEROWEJ:
wykazują bardzo wiele korzystnych właściwości fizycznych i chemicznych, dlatego znajdują szerokie zastosowanie
jako materiały konstrukcyjne w budowie środków transportu powietrznego i lądowego. Duże zapotrzebowanie na tego
typu materiały wynika z coraz bardziej restrykcyjnych wymagań stawianych przez UE. Zgodnie z dyrektywą
wprowadzoną w 2000 r. [dyrektywa 2000/53/WE Parlamentu Europejskiego i Radu UE z 18.09.2000] oczekuje się, że
wszystkie materiały stosowane w budowie pojazdów powinny być nieszkodliwe dla środowiska i łatwe w recyklingu.
Do pozostałych zalet kompozytów należą:
 mały ciężar właściwy
 odporność na korozję
 łatwość formowania
 duża zdolność tłumienia drgań
 bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne i cieplne
 wykazują zbliżoną lub lepszą wytrzymałość w porównaniu z materiałami konwencjonalnymi stosowanymi
motoryzacji
Jako osnowy kompozytów polimerowych są stosowane:
 termoplasty (polimery charakteryzujące się najczęściej liniową strukturą, pomiędzy ich cząsteczkami nie
występują wiązania sieciujące tylko słabe wiązania wtórne, podczas ogrzewania polimery miękną i płyną
podobnie jak lepka ciecz, można je łatwo formować, natomiast po ochłodzeniu ponownie twardnieją).
Do najczęściej stosowanych w osnowach termoplastów należą:
a) poliamid (PA)
b) polipropylen (PP)
c) poliwęglan (PC)
d) poliacetale (POM)
e) poliimidy (PI)
W ostatnich latach duże zastosowanie zyskują termoplasty wysokotemperaturowe np. polieteroimidy (PEI),
polieteroketony (PEK), ponieważ mogą być one eksploatowane w podwyższonych temperaturach (ok. 300
stopni)
 duroplasty (polimery zawierające wiązania sieciujące, po ogrzaniu nie przechodzą w stan ciekły, przy
nadmiernym ogrzaniu następuje ich rozpad)
Do najczęściej stosowanych w osnowach duroplastów należą:
a) żywice epoksydowe
b) żywice fenolowe
c) żywice silikonowe
d) nienasycone żywice poliestrowe
Zalety kompozytów w osnowie termoplastycznej:
 łatwość przetwórstwa
 skrócenie czasu i obniżenie kosztów produkcji
 relatywnie dobra udarność i odporność na obciążenia dynamiczne
Ograniczenia osnowy z duroplastów:
 czasochłonne procesy utwardzania
 ograniczony czas przechowywania preimpregnatów
 trudności związane z recyklingiem
CHARAKTERYSTYKA WA
ÓKIEN W KOMPOZYTACH POLIMEROWYCH:
1. Włókna węglowe:
 otrzymywane są w wyniku obróbki włókna wyjściowego (tzw. prekursora), jakim najczęściej jest
poliakrylonitryl (PAN). Pozostałymi surowcami do wytwarzania wł. węglowych mogą być: celuloza, żywice
fenolowe, asfalty, paki mezofazowe
 w zależność od zawartości C i struktury krystalicznej włókna można podzielić na:
a) węglowe: zaw. 80  98% C, struktura krystaliczna mniej zorganizowana i nie jest w pełni rozwinięta
b) grafitowe: zaw. 99% C o strukturze wyraz
nie krystalicznej i silnie zorientowanej, otrzymywane są z włókien
węglowych w procesie dodatkowego ogrzewania w temperaturze powyżej 2500 stopni
 Zalety:
a) wysoka odporność cieplna i chemiczna, wyższa temperatura topnienia w porównaniu do włókien szklanych
b) bardzo dobre właściwości mechaniczne (duża wytrzymałość na rozciąganie), lepsze od włókien szklanych
c) bardzo dobra przewodność cieplna i elektryczna
d) posiadają zdolność tłumienia drgań
 Wady:
a) słaba zwilżalność włókien węglowych wpływa na złe powiązanie włókien z osnową (wynika to z charakteru
niepolarnego włókien)
b) aby włókna lepiej oddziaływały z osnową polimerową muszą być poddawane obróbce cieplnej lub
chemicznej  wysokie koszty przetwórstwa
c) brak możliwości wielokrotnego przetwarzania, co wynika z ich kruchości i sztywności
2. Włókna szklane:
 do produkcji włókien szklanych są wykorzystywane szkła boro  glinowo  krzemowe oznaczane symbolem E
oraz szkła specjalne np. S i R
 włókna E: są tańsze w produkcji, ale nie nadają kompozytowi odpowiednio dużej sztywności
włókna ze szkła typu R: cechują się większą wartością modułu sprężystości i większą wytrzymałością na
rozciąganie przy cenie niższej od ceny włókien ze szkła typu S
włókna S: pozbawione szkodliwych tlenków Na i K, co wpływa na ich wyższą cenę, ale poprawia ich
odporność na wilgoć, zwiększa wytrzymałość na rozciąganie i wpływa na wzrost modułu sztywności
 Wady:
a) niska odporność na działanie wysokich temperatur, niższa Ttop w porów. do włókien węglowych
b) są podatne na działanie wilgoci, przez co należy je pokrywać warstwami zabezpieczającymi np. z ksylanów
 Zalety:
a) niższa cena w porównaniu z włóknami węglowymi
b) większa zdolność pochłaniania energii w porównaniu z włóknami węglowymi
c) mają charakter polarny  mogą być stosowane w kompozytach polimerowych bez specjalnej preparacji
ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Z WA
ÓKNAMI W
GLOWYMI:
 największym atutem tych kompozytów, w porównaniu ze stalą i aluminium, są ich doskonałe właściwości
mechaniczne (duża wytrzymałość na rozciąganie)
 mały ciężar właściwy przyczynia się do redukcji masy samochodów, a więc i zmniejszenia zużycia paliwa,
włókna węglowe pozwalają na zmniejszenie masy produkowanych elementów o połowę w stosunku do stali
 część elementów karoserii pojazdów wykonanych z tych kompozytów cechuje duża wytrzymałość i odporność
w różnych warunkach atmosferycznych, szczególnie są odporne na działanie wysokiej temperatury
ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Z WA
ÓKNAMI SZKLANYMI:
 budowa nadwozi pojazdów
 łatwość formowania, co pozwala na zastąpienie wielu elementów kompozytami
 kompozyty z osłoną z termoplastów (np. poliacetali POM) zbrojone długimi włóknami szklanymi cechują się
doskonałą adhezją włókien z polimerem, co wpływa na dużą odporność na uderzenia, dlatego używa się ich do
produkcji dachów samochodowych
 duża odporność chemiczna kompozytów powoduje, że są one stosowane również do produkcji korków wlewu
paliwa
KOMPOZYTY POLIMEROWE ZAWIERAJ
CE WA
ÓKNA NATURALNE:
a) najprostszy przykład - drewno
Ścianki komórek drewna są kompozytami polimerowymi o złożonej strukturze:
 mikrowłókna kompozytu charakteryzujące się dużą wytrzymałością są zbudowane z celulozy, która jest
polimerem (C H O ) o stopniu polimeryzacji 104
6 10 5 n
 mikrowłókna celulozy występują w osnowie z ligniny i hemicelulozy lignina jest polimerem
niekrystalicznym, a hemiceluloza jest polimerem o takim samym składzie jak celuloza, ale o mniejszym
stopniu polimeryzacji i tylko częściowej krystalizacji
b) klasyfikacja włókien naturalnych pod względem budowy i właściwości:
Włókna naturalne
włókna roślinne włókna zwierzęce włókna mineralne
c) klasyfikacja pod względem dostępności, odnawialności i biodegradowalności:
 włókna roślinne pozyskiwane z drewna
Znajdują największe zastosowanie
 włókna czystej (regenerowanej) celulozy
w biokompozytach polimerowych
 mączka drzewna
pozostałe włókna roślinne: len, konopia, juta, sizal
d) Stosowane osnowy polimerowe:
 z polipropylenu (PP)
 z polietylenu (PE)
 poli(chlorku winylu) (PCV)
 poliamidy (PA)
 polilaktydy (PLA)
KOMPOZYTY NA OSNOWACH Z: KOMPOZYTY NA OSNOWACH Z:
 PP - PA
 PE - PLA
 PCV
maleją zastosowanie tych kompozytów,
gorsza biodegradowalność, przetwarzanie duże zastosowanie mają te wzmacniane
tylko w temp. poniżej 200 stopni C, bo od tej temp. włóknami z regenerowanej celulozy
Następuje szybka destrukcja, pogorszenie właściwości
mechanicznych i emisja gazów o przykrym zapachu
Zalety kompozytów z włóknami naturalnymi:
 mniejsza gęstość włókien naturalnych w porównaniu do włókien szklanych (naturalne: 1,5 g/cm3, szklane: 2,5
g/cm3), mniejsza masa, większa wytrzymałość właściwa (jest to stosunek wytrzymałości do ciężaru
właściwego)
 podczas pękania materiału zawierającego włókna naturalne nie powstają ostre krawędzie lub odłamki
 kompozyty z włóknami naturalnymi pochłaniają większą ilość energii przy uderzeniach
 wyroby z włóknami naturalnymi można poddawać energetycznej utylizacji (małe nakłady energii na utylizację
w porównaniu np. z kompozytami zawierającymi włókna szklane)
 oszczędność energii przy produkcji włókien naturalnych
 szybko ulegają biodegradacji
 niska cena włókien naturalnych w porównaniu z włóknami szklanymi i węglowymi
 niewielka przewodność cieplna włókien naturalnych kompozyty mogą stanowić dobrą barierę termiczną
  biopotencjał kompozytu może być powiększony w wyniku odpowiedniej modyfikacji osnowy polimerowej
za pomocą odpowiednio dobranego biokomponentu zmodyfikowany w ten sposób polimer zyskuje miano
biopolimeru np. żywica epoksydowa zmodyfikowana epoksydowanym olejem lnianym lub poliamidy
otrzymywane drogą ekstrakcji z oleju rycynowego
 kompozyty z włóknami z regenerowanej celulozy odznaczają się większą wartością wydłużenia przy
rozerwaniu w porównaniu do włókien szklanych oraz zbliżoną do włókien szklanych wytrzymałością na
rozciąganie
BIOKOMPOZYTY NA OSNOWACH Z PLA:
 utrzymywane w 2  etapowym procesie formowanie wtryskowego, kompozyty uzyskuje się w postaci
granulatu, każdy etap wytwarzania biokompozytu jest zakończony osuszaniem w temp. 110 stopni
 wadami są niewysoka temperatura zeszklenia i nieduża udarność
 wzmocnienie włóknami z regenerowanej celulozy poprawia właściwości termomechaniczne i zwiększa
odporność na kruche pękanie kompozytu
 im większa jest zawartość włókien naturalnych w biokompozycie PLA tym odznacza się on lepszą
wytrzymałością na rozciąganie
 duża podatność na biodegradację
 biopolimery można degradować i przechowywać prawie przez rok
BIOKOMPOZYTY NA OSNOWACH Z PA:
 wytwarza się je w postaci granulatów, w 2  etapowym procesie technologicznym
 wzmocnione włóknami z regenerowanej celulozy wyróżniają się wysoką odpornością na uderzenia
 im większa jest zawartość włókien naturalnych w biokompozycie PLA tym odznacza się on lepszą
wytrzymałością na rozciąganie
ZASTOSOWANIA KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH Z WA
ÓKNAMI NATURALNYMI:
1. Kompozyty te były używane od lat 30 ubiegłego wieku w przemyśle motoryzacyjnym. Wykonywano z nich
karoserie samochodowe (żywice fenolowo  formaldehydowe wzmacniane włóknami celulozowymi,
kompozyty na bazie oleju sojowego wzmacnianego włóknami celulozowymi) powodem ich
wykorzystywania były wysokie ceny stali.
2. Póz
niej biokompozyty były używane rzadziej, głównie przez większe zainteresowanie włóknami szklanymi i
węglowymi, wykazującymi lepsze właściwości.
3. Od połowy lat 90 kompozyty te znowu są coraz częściej używane głównie ze względu na rozporządzenia
wymuszające wprowadzenie do produkcji materiałów jak najmniej szkodliwych dla środowiska i ulegających
łatwo biodegradacji. Dużym ich atutem jest niska cena.