Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J. i J. Śniadeckich w Bydgoszczy

SPRAWOZDANIE nr4

Badanie struktury kompozytów

... gr. A

Data oddania sprawozdania: Ocena za sprawozdanie:

Badanie struktury kompozytów

1) Definicja kompozytów

Kompozyt- to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i nowe stosunki do faz użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości.

Składnikami kompozytu są:

• faza ciągła (umacniająca)- matryca (osnowa),

• faza rozproszona- zbrojenie.

Kompozyt to materiał , którego właściwości można zaprojektować. Przy projektowaniu i wytwarzaniu kompozytów wykorzystuje się pożądane do danego celu właściwości faz kompozytu, z jednoczesną eliminacją ich wad. Kompozyty charakteryzują się zatem:

• doskonałymi parametrami wytrzymałościowymi i sztywnością,

• doskonałymi właściwościami mechanicznymi,

• niewielką gładkością.

2) Rodzaj kompozytów

• Kompozyty strukturalne - w których występują ciągłe struktury komponentów konstrukcyjnych - warstwy (np. sklejka), pręty (np. żelbet) lub regularne struktury trójwymiarowe np. przypominające plaster miodu,

• laminaty - które składają się z włókien zatopionych w lepiszczach - w zależności od sposobu uporządkowania włókien rozróżnia się taśmy kompozytowe - włókna ułożone w jednym kierunku - maty kompozytowe - w dwóch prostopadłych kierunkach - lub nieuporządkowane np. pykret,

• mikrokompozyty i nanokompozyty - w których regularna struktura dwóch lub więcej składników jest zorganizowana już na poziomie nad cząsteczkowym - tego rodzaju kompozyty występują w organizmach naturalnych - np. drewno - jest rodzajem mikrokompozytu, w skład którego wchodzą zorganizowane w skręcone pęczki włókna celulozowe, "sklejone" ligniną - współcześnie próby sztucznego otrzymywania tego rodzaju kompozytów są prowadzone w ramach badań nanotechnologicznych,

• stopy strukturalne - które są rodzajem stopów metali, metali z niemetalami, polimerów między sobą oraz polimerów z metalami i niemetalami o bardzo regularnej mikrostrukturze - przykładem tego rodzaju kompozytu jest stal damasceńska i duraluminium.

3) Klasyfikacja kompozytów

Klasyfikacja kompozytów w zależności od kryterium:

1. podział w zależności od pochodzenia:

• kompozyty naturalne,

• kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka;

1. podział według przeznaczenia:

• kompozyty konstrukcyjne,

• kompozyty szczególnych właściwościach fizycznych (lub chemicznych);

1. podział według rodzaju osnowy:

• kompozyty o osnowie niemetalicznej:

• polimerowej,

• ceramicznej,

• półprzewodnikowej,

• kompozyty o osnowie metalowej;

1. podział uwzględniający wpływ kształtu i wymiarów fazy rozproszonej (zbrojenia, komponentu zbrojącego) na mechanikę kompozytów konstrukcyjnych:

• kompozyty zbrojone włóknami:

• ciągłym,

• krótkim (ciętym),

• wyrobami z włókien (tkaniny, maty, itp.),

• kompozyty umocnione cząstkami,

• kompozyty umocnione dyspersyjnie.

4) Kompozyty poznane na zajęciach

• Struktura kompozytu o osnowie miedzi Cu (70%) z 30% udziałem cząstek grafitu

• Struktura kompozytu o osnowie aluminium z 20% udziałem cząstek Al_2­O₃

Przykładem kompozytu umacnianego dyspersyjnie jest SAP (sintered aluminium powder). Jest to kompozyt na osnowie aluminium umacniany trójtlenkiem glinu Al₂O₃. Materiałem wyjściowym do produkcji tego kompozytu jest uzyskany poprzez mielenie proszek płatkowy aluminium lub jego stopy. Cząstki tego proszku powinny mieć grubość od 0,1 µm do 1 µm i być pokryte warstewką tlenku aluminium o grubości 10 nm. Są to wartości krytyczne. Proszek prasuje się na zimno pod ciśnieniem od 100 MPa do 200 MPa. Wypraski są następnie umieszczane w aluminiowych pojemnikach i nagrzewane wolno do temperatury 600°C i wytrzymywane w tej temperaturze przez określony czas. Podczas nagrzewania 73 uwodniony tlenek aluminium, którego warstwa znajduje się na powierzchni cząstek proszku, uwalnia parę wodną reagującą z aluminium co daje dodatkowy tlenek aluminium i wodór. Tak przygotowane wypraski poddaje się ponownemu prasowaniu, tym razem na gorąco, pod ciśnieniem ponad 100 MPa, a następnie kształtki są wyciskane. Podczas tych operacji warstwa tlenkowa ulega rozbiciu na cząstki o submikronowej wielkości, rozproszone w osnowie aluminium. Zawartość trójtlenku glinu w kompozycie można kontrolować poprzez zmianę wielkości cząstek proszku aluminium użytego do produkcji kompozytu. Produkowane w ten sposób materiały zawierają do 15% dyspersyjnego trójtlenku glinu. Rozpuszczalność trójtlenku glinu w aluminium w stanie stałym jest pomijalnie mała, zatem materiał ten ma znaczną wytrzymałość w podwyższonych temperaturach, co odróżnia go od stopów aluminium utwardzanych wydzieleniowo.

• Struktura przełomu kompozytu o osnowie stopu EN AC-AlSi 11 wzmacnianego drutami ze stali typ X15 Cr NiSi 25-20-2

Jest to forma przestrzenna- przełom, obraz jest ukazany za pomocą mikroskopu skalingowego. druty są ułożone równolegle do siebie, czyli struktura jest uporządkowana.

• Struktura przełomu kompozytu o osnowie stopu EN AC-AlSi 11 wzmacnianego drutami ze stali austenitycznej w postaci siatki.

Druty ze stali austenitycznej w postaci siatki są równolegle na płaszczyźnie przełomu, część drutów jest równoległa do siebie, natomiast reszta jest prostopadła

• Nanokompozyt Zr O_2­-Al₂O₃-Fe

Wydzielenia jasne przypominają orzeszki ziemne, które ułożone są prostopadle względem siebie.

• Mikrostruktura PA 6 z 30% włókna szklanego, która ma postać prętów chaotycznie rozmieszczonych w pewnych obszarach

a) przełom próbki wyjściowej

Polimad (PA) - półkrystaliczny polimer o naturalnym, jasnym zabarwieniu – poliamid, może występować z wieloma dodatkami polepszającymi jego właściwości. Materiały służące do modyfikacji tworzywa to: dwusiarczek molibdenu, olej mineralny i włókno szklane.

WŁAŚCIWOŚCI PA 6

• kolor - występuje jako naturalny lub barwiony

• posiada trwałą temperaturę użytkowania - 100° C

• gęstość - 1,13 g/cm^3 ( DIN 53479 )

• granica plastyczności - 85/60* MPa ( DIN EN ISO 527 )

• wydłużenie przy zerwaniu - 70/200* MPa ( DIN EN ISO 527 )

• moduł sprężystości z próby zrywania - 3000/1800* MPa ( DIN EN ISO 527 )

• twardość kulkowa - 160/70* MPa ( DIN 53 456 ,ISO 2039/1 )

• udarność ( DIN EN ISO 179 ) - bez złamania

• wytrzymałosć zmęczeniowa po 1000h przy obciążeniu statycznym - 45 MPa

• granica pełzania dla wydłużenia 1% po 1000h - 4,5 MPa

• współczynnik tarcia ślizgowego p=0,05 N/mm^2, v=0,6m/s na stali hartowanej i szlifowanej - (0,38-45)

ZASTOSOWANIE PA 6

• Poliamid PA 6 - tworzywo sztuczne o dobrej odporności na ścieranie, dużej wytrzymałości mechanicznej oraz wysokiej zdolności tłumienia drgań. Optymalne połączenie wszystkich właściwości stawia poliamid w grupie tworzyw do bardzo wszechstronnego zastosowania.

• MODYFIKACJE :

• Z modyfikacij poliamidu PA 6 najpopularniejszą jest poliamid PA 6 + MoS2 (dwusiarzczek molibdenu)

• PA 6 + MoS2 posiada - w stosunku do PA 6 - podniesioną odporność na ścieranie i obniżony współczynnik tarcia przy zachowaniu wysokiej udarności i wytrzymałości mechanicznej.

• PA 6 GF 30 - tworzywo wzbogacone w 30% włóknem szklanym, poprawiającym sztywność i wytrzymałość mechaniczną

• Mikrostruktura kompozytu o osnowie Al

Stop AK 7/5,7%wag cząsteczkowych grafitu

Stopy odlewnicze wg normy PN-76/H-88027

AK7 (AlSi7Mg)

Zastosowanie - ogólnie:

Stop stosuje się na odlewy o skomplikowanym kształcie, dużej wytrzymałości i ciągliwości, średnio obciążone, w tym, między innymi, na:

- kadłuby silników,

- bloki cylindrów,

- zewnętrzne części silników,

- kadłuby skrzyń biegów,

- korpusy przekładni,

- korpusy automatycznych skrzyń przekładniowych,

- obudowy osi samochodów ciężarowych,

- koła samochodów ciężarowych,

- osprzęt okrętowy,

- korpusy pomp,

- korpusy zaworów,

- armatura cystern kolejowych,

- osprzęt zbiorników magazynowych,

- elementy wież chłodniczych,

- głowice cylindrów schładzarek cieczy,

- łopatki wentylatorów,

- części mostów kolejowych,

- części dla przemysłu zbrojeniowego,

- elementy pocisków,

- części samolotów, o skomplikowanym kształcie,

- elementy architektoniczne, anodowane na kolor szary,

- elementy narzędzi pneumatycznych,

• Mikrostruktura osnowy kompozytu (faz Ni₃Al)

• Przełomy kompozytów PA + krótkie włókna szklane lub kulki szklane , SEM

• PET (Politereftalan etylenu) + M40 (kulki szklane)

Z grupy PET tworzywa sztuczne innaczej Polimery

• PC + (GF15+10) - gaf fiber, rozmiar 15, 10-to kulki szklane)

PC- poliwęglan

5) Wnioski

    - Kompozyty metalowe wzmocnione cząstkami mają zarówno wady i zalety. Do wad należy m.in. niszczenie z udziałem cząstek lub krótkich włókien spowodowane pęknięciami w cząstkach, w granicy cząstka-osnowa lub powstanie porów w osnowie w miejscach przylegających do cząstek

      - Ważnym efektem, który uzasadnia celowość stosowania kompozytów z cząstkami jest ich wyższa, w porównaniu do zwykłych stopów, odporność na ścieranie.

      - Właściwości mechaniczne kompozytów w układzie metal-cząstki zbrojące zależą nie tylko od udziału objętościowego zbrojenia, ale również od charakterystyk mechanicznych łączonych ze sobą komponentów. Odlewnicze stopy aluminium cechują się stosunkowo małą wytrzymałością na rozciąganie i niewielkim odkształceniem plastycznym, natomiast stopy przerabiane plastycznie osiągają duże właściwości na rozciąganie. Wprowadzenie, zatem cząstek ceramicznych do stopów aluminium, w zależności od typu osnowy, wywołuje różne skutki.

      - W odróżnieniu od kompozytów zbrojonych cząstkami, metalowe kompozyty włókniste mają bardzo wysokie właściwości wytrzymałościowe. Udział objętościowy włókien w tych materiałach jest bardzo duży 35-50%, co zapewnia uzyskanie wytrzymałości na rozciąganie powyżej 1500 MPa.

- Obecnie materiały kompozytowe o osnowie metalowej cieszą się największą popularnością w takich branżach przemysłu jak:

• przemysł lotniczy,

• przemysł kosmiczny,

• przemysł motoryzacyjny,

• przemysł elektroniczny,

• sport i rekreacja.