1. Porównanie wasnoci typowych materiaów kompozytowych.
Czym jest kompozyt?
Kompozyt jest to materia utworzony, z co najmniej dwóch komponentów majcy waciwoci nowe (lepsze) w stosunku do komponentów
Kompozyt skada si z osnowy i umieszczonego w niej drugiego skadnika (zbrojenia) o znacznie lepszych waciwociach mechanicznych.
Podzia kompozytów:
Kompozyty czsteczkowe:
Due czstki
Z wydzieleniami
Kompozyty wzmacniane wóknami:
Cige
Uporzdkowane
Niecige
przypadkowe
strukturalne:
laminaty
warstwowe
Ze wzgldu na wielka rónorodno materiaów kompozytowych dzieli si je ze wzgldu na rodzaj:
-osnowy,
-zbrojenia,
-wókna.
Zadania osnowy:
zabezpiecza zbrojenie przed mechanicznym uszkodzeniem,
przenosi naprenie zewntrzne na zbrojenie,
zatrzymywa rozprzestrzenianie si pkni,
nadawa wyrobom dany ksztat.
OSNOWA
najczciej polimer
- duroplasty
- termoplasty
moe by to metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu)
bd ceramika (np..AlO3,SiO2,SiC,TiO2)
Polimer |
Charakterystyka |
epoksydowy |
dobre waciwoci elektroizolacyjne, odporno chemiczna, dua wytrzymao mechaniczna, bardzo may skurcz podczas utwardzania |
Melaminowo-formaldehydowy |
bardzo dobre waciwoci elektroizolacyjne, dobre waciwoci cieplne i odporno cieplna |
poliestrowy |
bardzo dobre waciwoci wytrzymaociowe, izolacyjne, duy skurcz podczas utwardzania, niska cena, proste przetwórstwo |
Fenolowo-formaldehydowy |
dobre waciwoci elektroizolacyjne, odporno termiczna i chemiczna, niepalno, niska cena |
silikonowy |
wysoka odporno termiczna, dobre waciwoci elektroizolacyjne, odporno na chemikalia |
Przykadowe duroplasty stosowane jako osnowa i ich charakterystyka:
Przykadowe termoplasty wykorzystywane jako osnowy kompozytów:
poliamid 6,6 (PA6,6), poliamid 6 (PA6), polistyren (PS), poli (chlorek winylu) (PVC), polipropylen (PP), poliimid (PI), poliw?glan (PC), poliformadehyd (POD).
Dodanie do polimerów termoplastycznych zbrojenia w postaci wókien powoduje wzrost ich wytrzymaoci, natomiast wzmocnienie w postaci kulistej zwiksza odporno na kruche pkanie oraz nadaje polimerom szczególnych wasnoci, np. smarne lub elektroprzewodzce.
Waciwoci poliestrów wzmacnianych rónymi wóknami
Waciwoci |
Rodzaj wókna |
||
|
szklane |
wglowe |
aramidowe |
, g/cm2 |
2,07 |
1,52 |
1,38 |
Rm, MPa |
1080 |
1670 |
1370 |
E, MPa E || E |
39,2 8,9 |
130,0 6,2 |
75,5 5,5 |
Rc, MPa Rc || Rc |
- 590 137 |
- 1100 137 |
- 270 137 |
Kierunek dziaania siy - wzdu osi wókien ||, prostopadle do osi wókien
Polimery jako osnowa speniaj w kompozytach nastpujce funkcje:
umoliwiaj przenoszenie obcie na wókna,
nadaj wyrobom dany ksztat,
decyduj o waciwociach cieplnych i chemicznych oraz o palnoci kompozytów,
wywieraj wpyw na metody wytwarzania kompozytów.
Zalety kompozytów metalowych
maa gsto,
dua wytrzymao i sztywno,
okrelone wartoci wytrzymaoci i sztywnoci,
okrelona warto przewodnoci i rozszerzalnoci cieplnej.
Kompozyty z osnow metalow wytwarzane s w ukadach:
metal - metal,
metal - ceramika.
Jako osnow stosuje si:
Stopy metali lekkich ( Al, Mg)
Stopy srebra i miedzi
Stopy niklu
Stopy oowiu i cynku
Materiay ceramiczne stosowane na osnow dzieli si na:
materiay budowlane, np.:
- gips
- szko
- cement
materiay hutnicze, np.:
- materiay krzemionkowe
- materiay szamotowe
- wysokoglinowe
- dolomitowe
materiay stosowane w elektronice
GIPS
Gips to uwodniony siarczan wapnia, biay lub ótawy minera o szklistym poysku wystpujcy gównie w postaci wóknistej, ziarnistej lub drobnokrystalicznej i zbitej.
Ma t szczególn waciwo, i sproszkowany i wymieszany z wod tworzy po zaschniciu substancj tward i nieprzeroczyst.
SZKO
Szko jest substancj, zwykle nieorganiczn, która w procesie ochadzania przechodzi w sposób cigy ze stanu ciekego do stanu, w którym uzyskuje ona bardzo du lepko i wiele waciwoci mechanicznych ciaa staego o strukturze nieuporzdkowanej.
CEMENT
Cement jest rodzajem spoiwa, twardniejcego po zarobieniu z wod i po stwardnieniu nieulegajcego dziaaniu wody. Otrzymywany jest przez wypalanie odpowiednich surowców w wysokiej temperaturze i zmielenie produktu tego procesu na bardzo drobny proszek.
Waciwoci osnowy ceramicznej
Waciwoci ceramiki róni si wyranie w stosunku do metali czy polimerów m.in. du twardoci i sztywnoci, ale jednoczenie du kruchoci. Zasadniczym powodem wytwarzania kompozytów ceramicznych jest zwikszenie m.in. odpornoci na pkanie. Ceramika wykazuje wytrzymao na ciskanie prawie 15-krotnie wiksz ni na rozciganie.
Zastosowanie
technika lotnicza i kosmiczna - dysze rakiet, osony termiczne, hamulce,
przemys samochodowy - hamulce,
techniki wytwarzania - narzdzia skrawajce, cigada do drutu, izolacje cieplne,
medycyna - implanty, pytki ustalajce koci, endoprotezy.
ZBROJENIE
Zadaniem zbrojenia jest:
Wzmacnianie materiau,
poprawianie jego waciwoci mechanicznych.
Rodzaje kompozytów ze wzgldu na zbrojenie:
kompozyty zbrojone czstkami,
kompozyty zbrojone wóknami,
kompozyty zbrojone wóknami cigymi.
Kompozyty wzmacniane czstkami:
wzmacniane duymi czstkami innej fazy (np. polimer z wypeniaczem lub beton),
materiay utwardzane dyspersyjnie (czstki zbrojenia maj mniej wicej rednice 0.01-0.1µm (np. stopy metali, gdzie osnow jest metal a zbrojeniem jaka twardsza faza: tor w Ni, Al/Al2O3).
Waciwoci kompozytów wzmacnianych czstkami zale od:
osnowy,
zbrojenia.
Parametry zbrojenia:
rozkad,
koncentracja,
orientacja,
ksztat,
wielko.
Aby zbrojenie miao optymalnie moliwe waciwoci to:
czstki powinny mie jednakowe rozmiary,
powinny by równomiernie rozoone,
procent objtoci zajtej przez zbrojenia zaley od konkretnych potrzeb.
WÓKNA
Kompozyty wzmacniane wóknami:
jest to najwaniejszy rodzaj kompozytów,
wókno jest obiektem anizotropowym, o symetrii cylindrycznej.
Kompozyty wzmacniane wóknami:
wókno ma zazwyczaj dugo znacznie wiksz od rednicy, s to obiekty podune,
przewanie stosuje si wókna szklane, wglowe lub aramidowe (np.Kevlar).
Wymagania stawiane wóknom:
musi by znacznie silniejsze ni materia osnowy,
musi mie du wytrzymao na rozciganie.
Rodzaje wókien stosowanych do produkcji kompozytów:
Struktura |
Materia |
Przykad wókien |
Amorficzna |
szko, bor, krzemionka |
wókna szklane, kwarcowe, borowe |
Monokrystaliczna |
ceramiczny, metaliczny |
wókna Al2O3 , SiC, wiskery metali |
Polikrystaliczna |
ceramiczny, wgiel metaliczny |
Al2O3 , SiC, Al2O3 * SiO2 |
Wielofazowa |
|
borsic, bor osadzony na wóknie wolframowym lub wglowym, wgliki |
Wieloczsteczkowa |
polimer |
kevlar, polietylen, poliamid |
Waciwoci wókien zale od ich rodzaju i struktury.
Waciwoci mechaniczne kompozytu zale od:
mechanicznych waciwoci wókna,
wielkoci naprenia, które jest przekazywane przez osnow (zaley od siy wizania midzy wóknem a osnow),
istnieje pewna krytyczna dugo wókna, poniej której wókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt (zaley od rednicy wókna, wytrzymaoci na rozciganie i siy wizania z osnow).
rednica wókna:
przyczyn duej wytrzymaoci wókien jest równie ich maa rednica,
we wóknach o rednicach powyej 15 µm istnieje znacznie wiksze prawdopodobiestwo pojawienia si wad powierzchniowych, co sprzyja pkaniu.
Wókna dnia dzisiejszego: KEVLAR
Kevlar to nazwa polimeru, a nie kompozytu jako caoci, (co nie zmienia faktu, e tak wanie si zazwyczaj nazywa kompozyt)
Kevlar to jedno z wókien aramidowych
POLIAMIDY AROMATYCZNE (aramidy) to polimery zawierajce w acuchu grup -CONH-, poczon z obydwu stron z fragmentami aromatycznymi: fenylowymi, naftalowymi, heterocyklicznymi,
odznaczaj si du udarnoci i odpornoci na cieranie oraz du zdolnoci do tumienia drga,
bardzo dobra jest take ich odporno na czynniki atmosferyczne i chemiczne.
Zalety Kevlaru
wytrzymao waciwa piciokrotnie wiksza ni stali,
modu sprystoci E=126 GPa,
dua odporno na efekty zmczeniowe,
odporno na czynniki chemiczne,
materia samogasncy,
gsto d=1750 kg/m3,
odporno na temperatury do 700 K,
trudny do przecicia.
Nomex
wókna z kwasu izoftalowego i m-fenylenodiaminy nie jest to tak wytrzymae mechanicznie wókno jak Kevlar, jest jednake odporne na wysokie temperatury i mona je stosowa w temperaturach powyej 200 °C,
znalazo zastosowanie w niektórych ubiorach straackich i kierowców samochodów wycigowych (tkaniny termo-i ogniotrwae),
powyej temperatury rozkadu przeksztaca si w grafit, zachowujc pierwotne waciwoci ochronne.
Kompozyty wglowe:
wókna karbonizowane, wókna otrzymywane w wyniku pirolizy wókien organicznych; rozrónia si 2 rodzaje wókien karbonizowanych
wókna wglowe, zawierajce 90-96% wgla pierwiastkowego, o nie w peni zorientowanej strukturze krysztaów
wókna grafitowe o zawartoci powyej 96% (czsto bliskiej 99%) wgla o krystalicznej, zorientowanej strukturze;
Kompozyty konstrukcyjne
Pojcie kompozyty konstrukcyjne stosuje si w odniesieniu do kompozycji polimerowych o wysokich parametrach mechanicznych, stosowanych w przemyle (gównie lotniczym)
Typy:
laminaty,
kompozyty warstwowe
Kompozyty warstwowe
dwie silne warstwy zewntrzne rozdzielone warstw sabszego i mniej gstego materiau (rdze). Uywa si w konstrukcji dachów, cian, skrzyde samolotów.
rol rdzenia jest przeciwdziaa deformacjom spowodowanym si prostopad do powierzchni zewntrznych. Czsto rdze ma struktur plastra miodu
Wókna naturalne
Wókna naturalne su gównie do zbrojenia polimerów. S to m.in.: juta, sizal, len, bawena, konopie i kokos.
Zaletami tego zbrojenia s:
dostpno,
odnawialno zasobów,
biodegradowalno,
niska cena,
niewielka gsto,
atwiejszy recykling.
Wókna naturalne stosowane s do zbrojenia m.in.:
rur, elementów budowlanych, mebli, pojemników, elementów nadwozi samochodowych np.: nadkoli, zderzaków.
Porównanie typowych wasnoci kompozytów z innymi materiaami na podstawie mapek Ashby'ego:
wykres wpywu PRZEWODNOCI CIEPLNEJ (W/(m·K)) na WSPÓCZYNNIK LINIOWEJ ROZSZERZALNOCI CIEPLNEJ (10-6·K-1)
wykres wpywu WYTRZYMAOCI (MPa)na GSTO (g/cm-3)
wykres wpywu WYTRZYMAOCI W PODWYSZONEJ
TEMPERATURZE (MPa) na TEMPERATURE (°C)
TEST
1. Prawidowo zbudowany kompozyt skada si z:
a) osnowy i osnowy,
b) zbrojenia i zbrojenia,
c) wókna i zbrojenia,
d) osnowy i zbrojenia
2. Zadaniem osnowy jest:
a) aby nie istniaa wyrana granica midzy komponentami,
b) spajanie zbrojenia i przekazywanie obcie zew. na wókna,
c) wzrost wytrzymaoci na skrcanie,
d) podnoszenie wasnoci plastycznych
3. Platery nale do materiaów kompozytowych typu:
a) metal-metal,
b) metal- ceramika,
c) ceramika-tworzywo sztuczne,
d) tworzywo sztuczne-metal
Wyszukiwarka