Opis do prezentowanych na zajęciach slajdów
Definicja kompozytu jaką podaje Encyklopedia Powszechna PWN.
Pokazany na rysunku profil składa się z równolegle ułożonych włókien (nazywanych zbrojeniem), pozlepianych ze sobą za pomocą innego materiału (nazywanego osnową).
Kompozyty składają się z osnowy i zbrojenia
Na pokazanym zdjęciu wykonanym za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego zbrojenie widoczne jest w postaci jasnych włókien ułożonych bądź równolegle, bądź prostopadle do powierzchni przełomu. Osnowa widoczna jest na zdjęciu w postaci ciemnych obszarów.
Rolę osnowy pełnią w kompozytach takie materiały jak polimery, metale lub ceramika. Wymienione tu materiały różnią się znacznie właściwościami takimi jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, odporność na kruche pękanie, temperatura użytkowania, a przede wszystkim różnią się ciężarem właściwym. Niezależnie jednak jaki to jest materiał osnowa spełnia w kompozycie wymienione funkcje.
Najczęściej osnową są polimery, ze względu na ich mały ciężar właściwy i łatwość kształtowania.
Kompozyty konstrukcyjne najczęściej zbrojone są włóknami. Zbrojenie dodawane jest do kompozytu w dużej ilości. Przeciętnie udział objętościowy zbrojenia wynosi od 20 do 80 %. Oddziałuje ono jedynie fizycznie z osnową. Dobre połączenie włókien z osnową ma istotne znaczenie dla pełnego przenoszenia naprężeń pomiędzy włóknami.
W zależności od tego jaka jest postać zbrojenia otrzymujemy albo kompozyty proszkowe, albo kompozyty włókniste. Włókna mogą być ciągłe, ułożone jednokierunkowo, bądź cięte zorientowane w jednym kierunku lub rozmieszczone w sposób chaotyczny. Od rodzaju zbrojenia, jego kształtu i sposobu rozmieszczenia będą zależały właściwości kompozytu.
Kompozyty zbrojone proszkami, bądź statystycznie rozmieszczonymi włóknami ciętymi mają właściwości jednakowe w każdym kierunku (izotropia).
Kompozyty zbrojone włóknem ciągłym bądź zorientowanym włóknem ciętym mają wyższe właściwości wytrzymałościowe w kierunku wzdłuż włókien niż w kierunku poprzecznym do włókien (anizotropia).
Do zbrojenia kompozytów konstrukcyjnych najczęściej używa się włókien szklanych, węglowych oraz aramidowych. Włókna aramidowe to włókna polimerowe, poliamidowe. Najbardziej znanym włóknem aramidowym jest Kevlar, wynaleziony dla firmy Du Pont przez Dr Stephanie L. Kwolek.
Włókna charakteryzują się dużo większą wytrzymałością na rozciąganie i większą sztywnością niż materiał osnowy. W tym przypadku zamieszczono tutaj dane dla osnowy polimerowej (polimeru epoksydowego). Wytrzymałość na rozciąganie osnowy polimerowej wynosi około 50 MPa czyli około 80-krotnie mniej niż wytrzymałość włókien. Sztywność osnowy wynosi około 3000 MPa i jest około 20-krotnie mniejsza od najmniej sztywnych włókien szklanych i aż blisko 80-krotnie mniejsza od włókien węglowych.
Wysoka wytrzymałość i sztywność włókien jest spowodowana orientacją ich struktury. I tak np. włókna aramidowe składają się z równolegle ułożonych makrocząsteczek poliamidu. Atomy w takich cząsteczkach powiązane są między sobą silnymi wiązaniami chemicznymi - wiązaniami kowalencyjnymi. Długie cząsteczki połączone są między sobą znacznie słabszymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Trudniej jest zniszczyć włókno wzdłuż kierunku ułożenia cząsteczek, bo trzeba rozerwać silne wiązania kowalencyjne, niż w kierunku poprzecznym gdzie rozrywamy słabsze wiązania międzycząsteczkowe.
Analogiczną sytuację mamy we włóknach węglowych, w których atomy węgla ułożone w płaszczyznach heksagonalnych wzdłuż osi włókna połączone są znacznie silniejszymi wiązaniami niż płaszczyzny heksagonalne pomiędzy sobą.
Koleją przyczyną dużej wytrzymałości włókien jest ich mała średnica np. dla włókien szklanych jak na rys. wytrzymałość włókien o średnicach mniejszych od 15mikrometrów gwałtownie wzrasta.
Jak wytwarza się włókna szklane?
Składniki szkła w postaci sypkiej miesza się ze sobą, następnie topi się je w wysokiej temperaturze. Poprzez platynowe sitka o małych oczkach wyciągane są włókna elementarne, które łączy się we włókno podstawowe złożone z pasma włókien elementarnych. Włókno takie nawijane jest na bęben. Przedtem włókno jest pokrywane specjalną substancją nazywaną apreturą, która spełnia dwojakie funkcje: po pierwsze zabezpiecza powierzchnię włókien przed uszkodzeniem, po drugie powoduje lepsze powiązanie włókien z osnową.
Włókna podstawowe można ze sobą łączyć bez skrętu i wówczas uzyskuje się włókna rowingowe. Można takie włókna podstawowe pociąć na krótkie odcinki i wówczas otrzymamy włókno cięte. Z włókien rowingowych wytwarza się tkaniny, z włókien ciętych wykonuje się maty.
Tkaniny różnią się, między innymi, splotem. Pokazano trzy różne sploty : płócienny rządkowy i satynowy.. W zależności od rodzaju splotu tkaniny mają różną giętkość. Giętkość tkaniny ma duże znaczenie w przypadku konieczności odwzorowania powierzchni wyrobu o skomplikowanej geometrii.
Przykładem kompozytu naturalnego jest drzewo.
Jak można zrobić kompozyt poprzez nakładanie ręczne. Zobrazowano prosty przykład.
Nakładanie ręczne - metoda najpowszechniej stosowana do wytwarzania wyrobów jednostkowych, nie wymagająca specjalnego oprzyrządowania. W foremniku układa się zbrojenie np. w postaci tkaniny, przesącza się je za pomocą pędzla mieszaniną żywicy i utwardzacza, a następnie całość zagęszcza za pomocą gumowego wałka. Wyrób wyjmuje się z formy po utwardzeniu polimeru.
Jedną z metod, którą wykonywane są wieloseryjne wyroby z kompozytów na skalę przemysłową, jest metoda o nazwie SMC. Metoda ta jest dwuetapowa. W pierwszym etapie pomiędzy dwie folie polietylenowe, na których rozprowadzona jest cienka warstewka mieszaniny żywicy i utwardzacza z innymi środkami jak np. barwniki podawane jest cięte włókno szklane. Całość prasowana jest za pomocą wałków i nawijana na rolkę. Następnie materiał ten jest sezonowany. Po upływie około tygodnia wycina się kawałki materiału o żądanej objętości, które układa się w formie i metodą prasowania wykonuje się wyroby kompozytowe. Pod wpływem działania podwyższonej temperatury i ciśnienia skóropodobny materiał rozpływa się w formie. Po utwardzeniu polimeru wyrób można usunąć z formy.
Stosując matematyczne metody obliczeniowe, znając właściwości składników kompozytu, ich kształt, sposób rozmieszczenia i udział objętościowy można przewidywać właściwości kompozytów. Nie jest to jednak sprawa prosta, gdyż są to materiały niejednorodne.