SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska Spec. Inżynieria Mineralna	Podstawy nauk o materiałach
Damian Krupa (254492) Andrzej Kałkowski (254491)	IV. Wytrzymałość teoretyczna i rzeczywista włókien ceramicznych
Termin zajęć: 19.11.2015 Wersja poprawiona

1. Wstęp

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie wytrzymałości włókien szklanych na rozciąganie oraz ich modułu sprężystości.

2. Podstawy teoretyczne

1.1 Podstawowe wiadomości

Kompozyty składają się z dwóch części składowych: osnowy i drugiej fazy, której postać zależy od pożądanych właściwości – sztywności, twardości, odporności na korozję, itp. Druga faza może być rozmieszczona w kompozycie na różne sposoby, dzięki czemu wyróżniamy kompozyty wzmacniane cząstkami, włóknami i laminaty.

Włókna szklane są najczęściej wykorzystywane w kompozytach, w których osnową są polimery organiczne. Włókna przenoszą obciążenia, a osnowa przenosi obciążenie na włókna i zabezpiecza ich powierzchnię przed wpływem środowiska. Dzięki temu uzyskany kompozyt ma wysoką wytrzymałość i sprężystość.

1. Wytrzymałość teoretyczna (maksymalna)

Wytrzymałością teoretyczną nazywamy odporność wiązań w materiale na zrywanie pod wpływem przyłożonej do nich siły rozciągającej. Wiązanie następuje z momentem rozsunięcia atomów z strukturze włókna na taką odległość, że siła oddziałująca na atom by powrócił do swojej pierwotnej pozycji wynosi zero.

Teoretyczną wytrzymałość materiału na rozciąganie szacuje się wzorem:

σ_t=$(\frac{2E \bullet \gamma}{r_{0}})$^0,5, gdzie

σ_t – teoretyczna wytrzymałośc materiału na rozciąganie

E – moduł sprężystości

γ – energia powierzchniowa

r_o – równowaga międzyatomowa

1.3 Wytrzymałość rzeczywista

Prawo Hooke’a:

σ=E∙ε , gdzie:

σ – odkształcenie

E – moduł sprężystości

ε – odkształcenie względne

Dzięki prawu Hooke’a wiemy, że materiały powinny pękać przy ok. 10% wydłużeniu, co dla materiałów kruchych oznacza pojawienie odkształcenia plastycznego. Włókna również ulegają zniszczeniu w sposób plastyczny – wykazują zmniejszenie przekroju. Dotyczy to również włókien szklanych – pękają przez przewężenie i zmniejszenie przekroju czynnego włókna. Mogą osiągać wartości wytrzymałości bliskie E/20 (3-4 GPa). Większość materiałów ceramicznych pęka przy naprężeniach rzędu E/1000. Tłumaczy to teoria Griffitha – włókna posiadają w swojej strukturze szczeliny, które rozszerzają się pod wpływem naprężeń rozciągających. Inna koncepcja zakłada występowanie koncentracji naprężeń na ich silnie zakrzywionych końcach. Obie teorie nieznacznie się różnią i pozwalają na szacowanie wytrzymałości niektórych materiałów ceramicznych, w tym włókien.

3. Wyniki i obliczenia

3.1 Pomiar średnicy włókien.

Pomiaru średnicy włókien dokonano za pomocą mikroskopu optycznego typu „Lanametr”, stosując obiektyw o przybliżeniu 40x. Oprócz tego można stosować mikroskop optyczny ML-5, wyposażony w okular mikrometryczny o powiększeniu 15x i obiektywy o powiększeniach 5, 8 lub 40x. Wyniki obserwacji mikroskopem typu „Lanametr” wraz z obliczonymi na ich bazie polami przekroju poprzecznego włókien, przy założeniu że włókna mają okrągły przekrój poprzeczny zestawiono w poniższej tabeli:

Lp.	d [μm]	S [μm^2]	S [m^2]
1	14,5	165,13	1,65 x10^-10
2	14	153,94	1,53 x10^-10
3	15	176,71	1,76 x10^-10
4	13,5	143,14	1,43 x10^-10
5	14	153,94	1,53 x10^-10
6	19	283,53	2,83 x10^-10
7	14	153,94	1,53 x10^-10
8	13,5	143,14	1,43 x10^-10
9	16	201,06	2,01x10^-10
10	42,5	1418,63	1,42x10^-9

3.2 Pomiar siły zrywającej pojedyncze włókno szklane

Pomiaru siły zrywającej dla pojedynczego włókna szklanego dokonano na przyrządzie z jednym uchwytem na włókno zamocowanego na sprężynie o znanych parametrach, oraz drugim uchwycie na włókno w postaci suwaka posiadającego wskaźnik pokazujący działającą siłę, poruszającego się na dwóch prowadnicach. w celu dokonania pomiaru należy zamocować włókno długości ok. 2-3cm jednym końcem do jednego uchwytu na sprężynie, a drugim do ruchomego uchwytu z podziałką. Odczytuje się wartość Gp w położeniu zerowym (włókno lekko napięte, sprężyna w stanie spoczynkowym), oraz wartość Gk, przy której nastąpiło zerwanie włókna. Urządzenie podaje wyniki w jednostce gram-siła, co do dalszych obliczeń wymaga przeliczenia:

1G = 0,0098N.

Pomiary zestawiono w poniższej tabeli:

Lp.	Fp [G]	Fk [G]	F [G]	F [N]
1	31	46	15	0,147
2	15	37,2	22,2	0,218
3	22	33	11	0,108
4	25	34	9	0,088
5	16	30	14	0,137
6	21	40	19	0,186
7	19	26	7	0,069
8	19	30	11	0,108
9	23	31	8	0,079
10	20	46	26	0,255

3.3 Obliczenie wytrzymałości włókien na rozciąganie

Posłużono się tutaj następującym wzorem:

σ=F/S ,gdzie

σ – wytrzymałość włókna

F – siła zrywająca pojedyncze włókno

S – pole przekroju poprzecznego włókna

Wyniki obliczeń zestawiono w poniższej tabeli:

Lp.	σ[GPa]
1	890,90
2	1424,84
3	613,63
4	615,38
5	895,42
6	657,24
7	450,98
8	755,24
9	393,03
10	179,58

4. Podsumowanie i wnioski

Dzięki dużej wytrzymałości kompozyty oparte na włóknie szklanym mają sporo zastosowań w bardzo wielu dziedzinach. Pomiar odporności włókien na zrywanie użytym przyrządem jest metodą niezbyt precyzyjną. Przykładem na to może być choćby wyślizgiwanie się włókna spod taśmy klejącej, która służy, jako przymocowanie, oraz uszkodzenia włókna powstałe w trakcie mocowania go w uchwytach urządzenia. Także skala była niedokładna (tabliczka ze skalą krzywo umocowana) a sprężyna z pewnością rozregulowana, aczkolwiek idea tego ćwiczenia została przez badaczy w pełni pojęta.

Materiały typu kompozyty włókniste wykazują różne własności mechaniczne w zależności także od działającej zewnętrznej siły na nie. Przy wyginaniu (siła np. prostopadła do włókna) materiał wykazuje cechy elastycznego, sprężystego, lecz przy wektorze siły skierowanym równolegle (ściskanie/rozciąganie) do włókien, materiał włóknisty może zachowywać się zupełnie inaczej, np. tracąc elastyczność a zyskując dzięki temu sztywność.

Ostatni pomiar wykazał niską wytrzymałość włókna, ponieważ na aparacie skończyła się skala, a włókno pękło po dłuższej chwili, więc wynik ten można uznać za niemiarodajny.

Jedno z włókien wykazało ponadprzeciętną średnicę. Fakt ten wg nas pretendował na miano przypadku niezwykłego, toteż został sfotografowany (zał. 6.1).

5. Literatura

J. Białoskórski i in., Laboratorium z nauk o materiałach, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydatktyczne, Kraków 2000

6. Załączniki

6.1 Załącznik nr 1 – niezwykła średnica włókna

6.2 Załącznik nr 1 – zdjęcie z podpisem