Kompozyty

Kompozyty

We współczesnej literaturze technicznej można spotkać wiele różnych definicji kopozytów, które sformułowano wykorzystując dowolnie przyjęte kryteria. Jednak najczęściej stosowana jest definicja mówiąca, że materiały kompzytowe, tzw. kompozyty, to takie materiały makroskopowo monolityczne, dla otrzymania których połączono składniki o różnych właściwościach, w wyniku czego otrzymano właściwości albo wyższe, albo dodatkowe w stosunku do składników wziętych osobno lub zmieszanych tylko razem. Charakterystyczną cechą kompozytów jest fakt, iż można projektować ich strukturę tak, aby uzyskać żądane właściwości. Z tej też racji kompozyty stały się punktem wyjścia i bazą dla podstawowej dyscypliny naukowej, jaką jest obecnie inżynieria materiałowa. Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w różnych działach techniki, a perpektywy ich dalszego rozwoju są niezwykle korzystne. Wynika to z faktu, iż uzyskiwane przez nie właściwości często przewyższają znacznie właściwości materiałów klasycznych i powszechnie uważa się, że kompozyty są pespektywiczną rezerwą materiałową dla rozwijającej się techniki, wymagającej materiałów o coraz wyższych właściwościach mechanicznych, fizycznych czy chemicznych.



LONG-E2 - samolot wykonany z materiałów kompozytowych.


Klasyfikacja kompozytów
Najczęściej stosowaną klasyfikacją kopozytów jest ich podział według rodzaju osnowy. Wyróżnia się więc:
kompozyty o osnowie polimerowej;
kompozyty o osnowie ceramicznej;
kompozyty o osnowie metalowej.

Własciwości kompozytów zależą jednak w zasadniczy sposób nie tylko od osnowy, lecz również od sposobu jej wzmocnienia i rodzaju materiału wzmacniającego. Do wzmocnienia kompozytów konstrukcyjnych stosowane są obecnie następujące rodzaje włókien:
węglowe ewentualnie grafitowe;
szklane;
borowe;
korundowe;
węglika krzemu;
organiczne typu Kevlar.

Skromniejsze perspektywy są przed monokrystalicznymi włóknami typu wisker, z racji skomplikowanej i mało ekonomicznej technologii. Cechą charakterystyczną wszystkich szeroko stosowanych włókien jest ich niska gęstość.




Włókna do zbrojenia kompozytów
Włókna węglowe
Włokna węglowe są obecnie najczęściej stosowanymi włóknami do zbrojenia kompozytów. Podstawowym prekursorem do produkcji włokien węglowych jest techniczne włokno poliakrylonitrylowe, tzw. włokno PAN, które przekształca się we włokno węglowe drogą utleniania w temperaturze 473-573 K (tj. 200-300°C) lub zwęglania w obojętnej atmosferze w temperaturze około 1273 K (1000°C) przy naprężeniach rozciągających. Włokna takie można również poddawać procesom grafityzacji, tzn. wygrzewania w atmosferze obojętnej w temperaturach około 2273 K (2000°C). Efektem tego procesu są włokna grafitowe, które w pewnych przypadkach mają korzystniejsze właściwości niż weglowe. Proces utleniania powoduje utworzenie się w strukturze PAN wiązań nienasyconych, grup wodorotlenowych i karbonylowych. Razem z grupami nitrylowymi struktury PAN odgrywają istotną rolę we wtórnych procesach polimeryzacji i cyklizacji, prowadzących do wykształcenia silnie zorientowanej struktury, nie zmieniającej się także podczas procesu wydzielania wodoru, cyjanu i azotu w czasie zweglania w podwyższonej temperaturze. Włokna węglowe poddaje się jeszcze procesowi obróbki powierzchniowej, która ma na celu zapewnienie odpowiedniej adhezji w stosunku do osnowy polimerowej. W tym celu stosuje się utlenienie powierzchni za pomocą kwasu azotowego lub tlenu "in statu nascendi" wyzwalającego się podczas elektrolizy oraz trawienie w mieszaninie chloru i tlenu w temperaturze 1523-1723K (1250-1450°C). Włokna węglowe służące do zbrojenia osnowy metalowej należy pokrywać warstwami zwiększającymi zwilżalność metali i stanowiącymi barierę dyfuzyjną. Warstwy takie najczęściej tworzy się z węglika krzemu lub boru.
Włokna węglowe produkowane są obecnie głownie w Japonii. Trzy firmy japońskie: Toray, Nippon Carbon i Toco dają około 60% światowej produkcji. Eksportują one włokna do USA i prawie wszystkich krajów UE. Firmy amerykańskie produkujące włokna węglowe pracują również według technologii objetych licencją japońską.

Włókna szklane
Włókna szklane są produkowane w wielu odmianach. Najpopularniejszymi jednak są włokna produkowane ze szkieł ubogich w alkalia, lecz bogatych w wapień (tzw. szkło E) lub szkieł konwencjonalnych z układu SiO2-CaO-Na2O (tzw. szkło C). Do grupy włokien szklanych zalicza się również włokna szkła kwarcowego (100% SiO2), które charakteryzują się bardzo dobrymi własciwościami. Jednak technologia ich wytwarzania z racji przede wszystkim dużo wyższych temperatur - jest znacznie trudniejsza i kosztowniejsza. Najpopularniejszą technologią produkcji włokien szklanych jest topienie zestawu szklarskiego w temperaturze ok. 1923 K (1650°C), a następnie bezpośrednie wyciągnięcie włokien przez dysze. Inną technologią jest wytwarzanie z zestwu szklarskiego początkowo kulek szklanych, które następnie ponownie są stapiane i wyciagane we włokna drogą przedmuchu powietrza. Właściwości włokien bardzo zależą od ich składu chemicznego, średnicy, a także parametrów procesu technologicznego, np. szybkości wyciągania i chłodzenia po procesie.



Rower Kangaroo. Jego rama jest wykonana z żywicy poliestrowej zbrojonej włóknem szklanym.


Włókna borowe
Włókna borowe produkowane są według technologii opartej na chemicznym rozkładzie próżniowym gazowych związków boru BCl3 lub BBr3 w obecności wodoru w temperaturach około 1323 K (1050°C). W wyniku dysocjacji bor osiada na podłożu drutów wolframowych lub włókien węglowych. W efekcie włókno takie składa się z rdzenia wolframowego lub węglowego (stanowiącego 5-10% objetości) i otoczki borowej. W przypadku rdzenia węglowego powstaje podczas osiadania boru węglik B4C, który ma gorsze właściwości mechaniczne od boru, lecz lepszą odporność termiczną.

Włókna Kevlar

Włókna Kevkar są to włókna organiczne aramidowe, produkowane przez firmę Du Pont według technologii nieopublikowanej w literaturze. Obecnie wytwarzane są trzy gatunki włokien: Kevlar, Kevlar 29 i Kevlar 49. Włokna Kevlar i Kevlar 29 stosowane są do wzmacniania opon samochodowych lub zbrojenia kabli, lin i przedmiotów gumowych pracujących na ścieranie. Natomiast włokna Kevlar 49 są szeroko stosowane do zbrojenia kompozytów o osnowie polimerowej wykorzystywanych w lotnictwie, a także do budowy łodzi i wszelkiego rodzaju sprzętu sportowego. Praktycznie wszystkie znane zachodnie firmy lotnicze stosują włokna Kevlar 49 w swojej produkcji. Szczególnie dużo zużywa ich firma Lockheed w samolocie L1011 Tristar, a także firma Boeing w samolotach B767 i B757.

Włókna korundowe

Włókna korundowe stosowane są przede wszystkim do produkcji kompozytów o osnowie ceramicznej lub metalowej. Produkuje je kilka firm światowych, głownie firma japońska Toco i amerykańska Du Pont. Włokna Toco są monokrystalicznymi włoknami ciągłymi, o strukturze alfa-Al2O3. Firma Du Pont produkuje włokna alfa-Al2O3 polikrystliczne, tzw. włókna FP. Technologie tych włokien są chronione patentami. W ostatnich latach firma Sumitomo Chemical Co. produkuje nowy typ włokien Al2O3, przy czym technologia ta jest oparta na polimeryzacji związków organoaluminiowych. Zgodnie z tą technologią polialumioxane jest rozpuszczony w organicznym rozpuszczalniku wraz ze związkami zawierającymi krzem (alkil silikatu). Otrzymany produkt wykorzystywany jest do produkcji prekursora, które po kalcynacji dają włokno końcowe, zawierające w swym składzie od 70 do 100% Al2O3 i od 30 do 0% SiO2. Włokna te mają strukturę bardzo drobnokrystalicznego spinelu. Tlenek SiO2 w tym składzie służy do stabilizacji struktury spinelu i zabezpiecza przed przemianą jej w alfa-Al2O3. Włóka Al2O3 stosowane są do zbrojenia kompozytów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach. W japońskich samochodach Toyota pewne elementy silnika wysokoprężnego wykonane są z kompozytów o osnowie metalowej. Włókna te stosowane są również do kompozytów wykorzystywanych w konstrukcjach lotniczych "przeźroczystych" dla radarów.

Włókna węglika krzemu

Włókna SiC stosowane są do zbrojenia kompozytów o osnowie metalowej. Otrzymuje się je dwiema drogami, i tak:
Włókna o średnicy wiekszej niż 100-140 µm są uzyskiwane przez próżniową dysocjację gazowych związków krzemu o wysokich temperaturach i osadzanie krzemu na podłożu włókna węglowego.
Włókna SiC bezrdzeniowe, o średnicy kilkunastu µm otrzymuje się przez wygrzewanie w wysokich temperaturach włókien prekursorowych polikarbosilanu. Proces ten jest bardzo perspektywiczny i polega na syntezie SiC z organosilikonowych złożonych związków, zwanych polikarbosilanami. Polikarbosilany są w temperaturze otoczenia ciałami stałymi, o bardzo dużej masie cząsteczkowej wynoszącej ok.1500.

Włókna prekursora mają początkowo bardzo niską wytrzymałość (Rm ok. 5 MPa). Własciwości te ulegaja podwyższeniu przez ogrzanie w powietrzu do temperatury 200°C lub przez utlenianie ozonem w temperaturze otoczenia. Włókna prekursora ogrzewa się następnie w temperaturze 1400-1500°C w próżni lub atmosferze obojętnej, aż do otrzymania włókien węglika krzemu o strukturze beta i wytrzymałości Rm ok. 3000 MPa oraz module sprężystości podłużnej ok. 250 GPa. Włókna te, poza wysokimi właściwościami mechanicznymi, cechuje wysoka ognioodporność i dobra zwilżalność przez metale.

Porównanie właściwości włókien kompozytowych

Właściwości włókien różnią się w zasadniczy sposób, w zależności od technologii ich otrzymywania, stosowanych przekursorów, ich składów i właściwości parametrów procesów technologicznych, czystości materiałów, wielkosci średnic itp. W efekcie, włókna tego samego materiału mogą różnić się wytrzymałością czy modułem sprężystości o kilkaset procent. Dane podane w poniżej tablicy należy traktować wybitnie orientacyjnie.





Można jednak stwierdzić, iż bardzo korzystnie przedstawiają się właściwości włókien węglowych, które rzeczywiście są obecnie najczęściej stosowane. Wysoki moduł sprężystości, duża gietkość, duża odporność chemiczna na działanie zwłaszcza alkalii, dobra obrabialność kompozytów zbrojonych tymi włoknami i niska cena preferują włókna węglowe spośród podanych w powyższej tablicy. Włokna węglowe są przy tym trudno palne, w atmosferze utleniającej ulegają bezpłomieniowemu utlenieniu w temperaturach powyżej 400°C, przy czym częściowo utlenione zachowują w dużym stopniu swą wytrzymałość. Szeroko są również stosowane włókna szklane. Ich prosta technologia, niska cena, a także niepalność, wysoka oporność elektryczna oraz wysoka wytrzymałość na rozciąganie - mimo niskiej wartości modułu sprężystości podłużnej - umożliwiają szerokie zastosowania. Należy jednak zdać sobie sprawę, iż kompozyty zbrojone włóknami szklanymi mają niższe właściwości wytrzymałościowe, ze względu na słabą adhezję tych włókien na granicy włókno-osnowa. Są one stosowane przede wszystkim do zbrojenia mas plastycznych.
Włokna borowe mają bardzo wysokie właściwości wytrzymałościowe. Jednak ze względu na ich wyższą cenę stosowane są jedynie tam, gdzie od kompozytów wymaga się specjalnie wysokich właściowści wytrzymałościowych oraz dużej sztywności, a więc w kompozytach na osnowie metalowej. Duże perspektywy stoją przed włóknami z węglika krzemu.

Prezentacja graficzna

LONG-E2 - samolot wykonany z materiałów kompozytowych.
Rower Kangaroo zaprojektowany przez studentów z Sao Paulo w Brazylii. Jego rama jest wykonana z żywicy poliestrowej zbrojonej włóknem szklanym.
Materiał kompozytowy.



Pobierz niezbędne programy:
Cosmo Player 9
Quick Time 3.01