6. Materiały kompozytowe, charakterystyka, własności, zastosowanie.
Kompozyt- materiał utworzony z co najmniej dwóch osobnych komponentów (faz), który posiada własności lepsze niż każda z nich osobno i lepsze od wynikających z prostego sumowania tych wartości. Jedna z faz tworzy osnowę (matrycę), a druga wzmocnienie (zbrojenie). Zarówno osnowa jak i zbrojenie mogą być metalami, ceramiką, polimerami. Osnowa polimerowa jest stosowana w ponad 90% wszystkich kompozytów; zwykle polimery te to duroplasty, głównie żywice: poliestrowe nienasycone (80%), winyloestrowe, epoksydowe. Jako zbrojenie stosuje się przede wszystkim włókna: szklane (tanie, 90%), węglowe (duża wytrzymałość, duża sprężystość), aramidowe (bardzo mocne, drogie- kevlar), polietylenowe, naturalne.
Osnowa ma za zadanie spojenie włókien, ochronę ich przed czynnikami chemicznymi i jako tworzywo plastyczne zapobieganie rozprzestrzenianiu się pęknięć w materiale. Musi być odpowiednio szorstka względem zbrojenia, aby włókna nie ślizgały się w niej i musi mieć podobny współczynnik rozszerzalności cieplnej, aby nie dopuścić do rozwarstwień.
Najważniejsze są kompozyty włókniste. Włókna dzielą się na wiskery (bardzo cienkie i długie monokryształy, zwykle z grafitu, węglika krzemu i tlenku aluminium) i zwykłe włókna. Im włókna są dłuższe, tym kompozyt jest bardziej wytrzymały, co wynika z rozkładu naprężeń w pojedynczym włóknie. Im włókna są cieńsze, tym mają mniejszą powierzchnię boczną i jest mniejsza szansa na powstanie defektu powierzchniowego, więc mogą przenosić większe obciążenia- tłumaczy to stosowanie wiskerów- mają duży stosunek długości do średnicy. Decydujący wpływ na własności ma rozmieszczenie włókien w osnowie- gdy są ułożone równolegle względem siebie (zorientowane w jednym kierunku), to kompozyt uzyskuje maksymalną wytrzymałość na rozciąganie w kierunku ułożenia włókien, ale w kierunku prostopadłym wytrzymałość jest bardzo małą, może być nawet mniejsza niż bez wzmocnienia. Innym wariantem ułożenia włókien w osnowie jest losowe rozrzucenie krótkich włókien, co zapewnia niezależność właściwości od kierunku, ale kosztem wytrzymałości.
Stosuje się je tam, gdzie wymagane są szczególne właściwości nieosiągalne dla tradycyjnych materiałów inżynierskich: do budowy samolotów, samochodów, łodzi, sprzętu sportowego.
Przykłady kompozytów:
drewno- osnowa: lignina, wzmocnienie: celuloza; jego właściwości są anizotropowe (zależą od kierunku) i różne ze względu na rodzaj i wilgotność
beton- osnowa: cement, wzmocnienie: kruszywo (żwir i piasek); ma bardzo dużą wytrz. Na ściskanie, ale małą na rozciąganie; można ją polepszyć stosując zbrojenie siatką metalową, prętami itp.