Kompozyty: ogólne wiadomości

Materiały kompozytowe znane są ludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym” sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniania sklejka. Kompozyty zdefiniowano dotąd jako tworzywa powstałe przez połączenie co najmniej dwóch składników o różnych właściwościach: osnowy (materiału wiążącego) i fazy wzmacniającej (zbrojenia), przenoszącej obciążenia. W wyniku otrzymuje się materiał konstrukcyjny o właściwościach lepszych lub nowych (dodatkowych) w porównaniu z właściwościami zwykle mechanicznymi poszczególnych składników. Istotną cechą kompozytów jest możliwość projektowania ich struktury i właściwości stosownie do wymagań konstruktora. W technologii wytwarzania kompozytów realizują się najpełniej zasady nowoczesnej inżynierii materiałowej. Technologia kompozytów stwarza możliwości spełniania najbardziej nawet wygórowanych wymagań stawianych materiałom przez rozwijającą się dynamicznie technikę.

Ważnym wskaźnikiem budowy kompozytu jest stosunek objętościowego lub masowego udziału w nim materiału zbrojącego. Materiał ten może występować w postaci cząstek lub włókien i stąd wyróżnia się:

• kompozyty zbrojone dyspersyjnie,

• kompozyty zbrojone cząstkami,

• kompozyty zbrojone włóknami.

W kompozytach dyspersyjnych faza zbrojąca występuje w postaci cząsteczek o wielkości poniżej 1 um, a jej udział objętościowy nie przekracza 15%. Efekt umocnienia w tych tworzywach uzyskuje się dzięki hamowaniu przez cząsteczki ruchu dyslokacji w osnowie, co powoduje znaczne umocnienie materiału na gorąco i na zimno. Zwiększa się tym samym odporność materiału na pełzanie. Przykładem takiego kompozytu jest stop Ni-Cr, umocniony dyspersyjnie tlenkiem toru, stosowany na części turbin gazowych.

W kompozytach zbrojonych cząsteczkami (rys. 1) te ostatnie mają wymiary od kilku do kilkuset mikrometrów, ich udział objętościowy przekracza 25%, dochodząc w niektórych przypadkach do 60%. Mechanizm umacniania osnowy w tym przypadku polega na wytwarzaniu w osnowie, wokół cząsteczek, hydrostatycznego pola naprężeń. Obciążenie w kompozytach tych jest przenoszone również przez cząsteczki.

Kompozyty zbrojone włóknami wytwarzane są przez włókna o bardzo małej średnicy, zwykle poniżej 100 µm i znacznej na ogół długości (rys. 2), a ich udział objętościowy sięga 60%. Włókna w niektórych przypadkach mogą być krótkie (cięte).

W zależności od kierunku ułożenia włókien rozróżnia się kompozyty zbrojone włóknami równoległymi (rys. 2), nierównoległymi (rys. 3÷5), matami, plecionkami, tkaninami itp. Zbrojenie włókniste zapewnia największą wytrzymałość kompozytów. Kompozyty mogą wykazywać, w zależności od postaci fazy zbrojącej, cechy materiałów izo- bądź anizotropowych. Materiałami izotropowymi mogą być jedynie kompozyty zbrojone cząsteczkami pod warunkiem ich równomiernego rozmieszczenia w objętości osnowy. Odrębnym rodzajem kompozytu jest laminat, w którym faza zbrojąca ma postać warstw.

Kompozyty w zależności od rodzaju osnowy można podzielić na:

• kompozyty o osnowie metalowej,

• kompozyty o osnowie ceramicznej, kompozyty o osnowie polimerowej.

Materiały stosowane jako zbrojenie umacniające mieszczą się w tych samych grupach Kompozyty w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami odznaczają się dużą wytrzymałością względną (R_m/δ) i względnego modułu sprężystości (E/ δ) (rys. 6).

Spośród materiałów (rys. 6) najkorzystniejszy zespół właściwości mechanicznych wykazują kompozyty na osnowie żywicy epoksydowej zbrojone włóknem węglowym. Natomiast kompozyty o osnowie aluminium wyróżniają się spośród kompozytów o osnowie metalowej. Rozważając możliwości zastosowania poszczególnych kompozytów należy uwzględniać, obok ich właściwości, również koszty ich wytwarzania. Złożona technologia wytwarzania i duży koszt materiałów zbrojeniowych, a zwłaszcza włókien, powodują bowiem, że cena kompozytów jest znacznie wyższa od ceny konwencjonalnych materia-łów konstrukcyjnych. W Tabeli 1 porównano zakresy właściwości fizycznych i mechanicznych ważniejszych materiałów konstrukcyjnych, używanych jako osnowy kompozytów.

Tabela 1 Porównanie różnych materiałów konstrukcyjnych

Materiał	Gęstość kg/m^3	Rm., MPa	Rc MPa	E GPa	G GPa	ε %	Rm/δ km	E/δ km
Metale	1800-7850	127-2058	98-686	39-343	13-39	0,5-40	4-53	2200-3600
Polimery	900-1800	0,98-343	2-58	0,5-0,17	0,76-2,45	0,2-800	0,1-30	100-1000
Ceramika	1900-4900	137-372	29-294	89-490	0,98-19,6	1-14	2-100	4700-13500
Polimery zbrojone włóknem szklanym	1600-2200	342-1764 117-735	5,88-58,8 58,8-290"	12,7-68 6-57	1,2-19,6	1,5-2,8 0,5-1,5	30-100	1100-3340
Polimery zbrojone włóknem węglowym	1300-1900	784-1666	9,8-44 79-137	117-196	9,8-15	0,4-1	33-82	10800-12000
Polimery zbrojone włóknem borowym	1600-1900	882-1372	13,7-24,5 78-110	176-264	10-13	0,3-0,7	74-84	12500-14200
Polimery zbrojone włóknem organicznym	1200-1350	784-1470	10-25 96-170	59-76	2,4-15	2-7	66-110	5000-5800

Tabela 2 Porównanie różnych materiałów konstrukcyjnych c.d.

Materiał	Udarność kJ/m^2	Współ. Poissona	Chłonność wody %	Współ, rozszerz cieplnej x10^-6, K^-1	Pojemność cieplna kJ/(kgK)	Przewod­ność cieplna W/(mK)	Przewod­ność temperatur x∙10^3, m^2/h
Metale	29,4	0,01-0,4	-	1,5-32	0,1-2,3	16-418	36-460
Polimery	0,6-519	0,16-0,4	0,005-7	4-550	0,5-2,9	0,09-1,1	0,1-1,5
Ceramika	0,2-29,4	0,13-0,3	0,0001	0,1-48	0,01-4,2	0,11-208	0,85-38
Polimery zbrojone włóknem szklanym	19,6-686	0,13-0,25 0,05-0,17	0,05-6	3,5-30	1,7-4,2	0,14-0,65	0,3-1
Polimery zbrojone włóknem węglowym	25,5-82-3	0,22-0,29	0,12-3	0,5-5 74	0,6-1,5 1-3,8	58-100 0,34-0,93	130-190 0,4-1,5
Polimery zbrojone włóknem borowym	44,1-88,2	0,22-0,24	0,06-3	4-5	1,1	0,5-0,7	0,24-0,58
Polimery zbrojone włóknem organicznym	156,8-1911	0,35	3-18	0,6-5,3	1,4-2,3	0,11-0,37	0,2-0,55

Bibliografia:

1. Krzemień Eugeniusz: Materiałoznawstwo. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 2001. ISBN 83-88000-01-2

2. Wikipedia: http://pl.wikipedia.org/