POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY

INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Instrukcja dla studentów

Temat:

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

1. Wstęp

Kompozyty to nowa grupa materiałów, której szybki rozwój obserwuje się od lat sześćdziesiątych. Zainteresowanie kompozytami wynika z dwóch podstawowych przesłanek: pierwsza - to ich doskonałe parametry mechaniczne i wytrzymałościowe, a druga - to mały ciężar właściwy. Z jednoczesnym występowaniem tych cech mamy do czynienia w zasadzie tylko w przypadku materiałów kompozytowych, stąd rosnące w ostatnich latach ich wykorzystanie w konstrukcjach, dla pracy których ta kombinacja ma znaczenie pierwszorzędne.

2. Wiadomości podstawowe

1. Definicje i budowa kompozytu

Według encyklopedii PWN kompozyt [łac. compositus - złożony], to tworzywo złożone z co najmniej 2 składników (zw. komponentami, fazami) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) nowe w porównaniu z właściwościami poszczególnych składników lub w porównaniu z sumą właściwości tych składników. Kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z makroskopowo widocznymi granicami między składnikami.

Inną definicję materiału kompozytowego zaproponował Berghezan: kompozyty są to materiały złożone, które różnią się od stopów tym, że poszczególne komponenty zachowują swoje właściwości i są tak dobrane i połączone, aby mogły być wykorzystane ich zalety, a nie ujawniły się ich wady.

Głównymi składnikami kompozytu są: osnowa i zbrojenie (wzmocnienie).

Osnowa to materiał wypełniający przestrzeń między elementami wzmacniającymi. Jego udział w kompozycie wynosi średnio od 20 do 80% objętości. Osnowę mogą stanowić metale (grupa kompozytów metalicznych) lub niemetale (grupa kompozytów polimerowych i ceramicznych). Aby konstruować i wytwarzać kompozyty niezbędna jest znajomość charakterystyk fizycznych i chemicznych materiałów osnowy zarówno pod względem poziomu własności jak i technik przetwórstwa.

W osnowie rozmieszczany jest drugi składnik, zwany ze względu na dużo lepsze wskaźniki wytrzymałościowe niż wskaźniki osnowy, zbrojeniem, komponentem wzmacniającym albo fazą wzmacniającą.

Wyboru odpowiednich komponentów dokonuje się biorąc pod uwagę docelowe przeznaczenie kompozytu, warunki jego eksploatacji oraz w pewnym zakresie również przewidywaną technologię wytwarzania kompozytu

Niezmiernie ważne dla prawidłowej pracy kompozytu jest dobre połączenie osnowy ze zbrojeniem. W wielu przypadkach wymaga to specjalnego przygotowania powierzchni zbrojenia (np. pokrycia specjalnymi warstewkami, trawienia) i odpowiednich warunków technologicznych łączenia.

Podstawowym elementem składowym kompozytu jest pojedyncza warstwa, nazywana również laminą. Tworzą je włókna połączone między sobą żywicą. Włókna te są zasadniczym elementem nośnym warstwy, a osnowa oprócz funkcji spoiwa pełni rolę osłony i zapewnia dystrybucję odciążenia między poszczególne włókna. Układ włókien w warstwie może przyjmować bardzo różne formy i w zależności od kierunku ich ułożenia wyróżniamy kompozyty umacniane włóknami równoległymi, nierównoległymi, matami, tkaninami, plecionkami itp. Zbiór warstw (lamin) ułożonych jedna na drugiej i połączonych trwale z sobą to laminat. Rysunek 1 przedstawia schemat laminy z włóknami równoległymi oraz budowę laminatu.

Rys 1. Budowa kompozytu, a) lamina, b) laminat warstwowy

Kopiowanym przez człowieka kompozytem naturalnym jest drzewo (drewno) zbudowane z włókien celulozy i ligniny, spełniającej rolę wypełniacza i spoiwa zarazem. Właściwości mechaniczne drewna są gorsze niż stopów metali. Jednak biorąc pod uwagę stosunek właściwości do jednostki masy materiału to okazuje się, że właściwości drewna są lepsze niż miękkiej stali i porównywalne z właściwościami wielu stopów Al. Nie dziwi więc fakt, że wiele elementów samolotów zostało wykonane z drewna.

2. Historia kompozytów

Zapisy historyczne wykazują, że kompozyty stosowano już od bardzo dawna. Izraelici przy wznoszeniu domów wykorzystywali bloki z mieszanki błotnej wzmocnionej słomą i końską sierścią, a Egipcjanie stosowali sklejkę drewnianą. Beton znany był już w czasach rzymskich. Mongolskie łuki wykonywane były przez połączenie klejem drewna, ścięgien zwierzęcych i jedwabiu, miecze damasceńskie lub japońskie uzyskiwały swoją jakość przez przeróbkę plastyczną, odpowiednio kształtującą strukturę. W średniowieczu wykonywano miecze i tarcze składające się z warstw różnych materiałów, aby zapewnić im jak największą trwałość i wytrzymałość.

Powstanie i rozwój nowoczesnych materiałów kompozytowych wiąże się z rozwojem technologii wytwarzania włókien sztucznych. Ich początek przypada na okres II wojny światowej, kiedy to postały włókna szklane. Dalszy rozwój związany jest z włóknami węglowymi. Kolejnym etapem rozwoju kompozytów było pojawienie się włókien aramidowych, znanych pod handlową nazwą Kevlar.

3. Podział i klasyfikacja kompozytów

Kompozyty stanowią tak liczną grupę, że można je dzielić na grupy i klasyfikować. Biorąc za podstawę klasyfikacji materiał osnowy, wyróżniamy kompozyty:

• o osnowie metalowej,

• o osnowie polimerowe,

• o osnowie ceramicznej.

Istnieje również odwrócenie roli tych materiałów i wykonania z nich zbrojenia. Czyli przy kombinacji każdy z każdym osnowa - zbrojenie otrzymuje się 9 grup kompozytów (rys 2).

Umocnienie Osnowa	METAL	POLIMER	CERAMIKA
METAL	M - M	M - P	M - C
POLIMER	P - M	P - P	P - C
CERAMIKA	C - M	C - P	C - C

M - metal, P - polimer, C - ceramika

Rys 2. Schemat możliwych kombinacji materiałów kompozytowych

Podstawą innej klasyfikacji kompozytów jest budowa wewnętrzna. Kompozyty dzielimy wówczas na:

• warstwowe - zbudowane z kolejno ułożonych warstw materiału i zbrojenia,

• włókniste - umacniane włóknami (ciągłymi lub krótkimi) o średnicy od ułamka μm do kilkuset μm i udziale objętościowym od kilku do 70%, a także siatką, tkaniną, rovingiem,

• umacniane cząstkami, w tym również dyspersyjnymi o wielkości 0,01-1 μm i więcej oraz udziale objętościowym przeważnie 2-25%.

1. Zastosowanie kompozytów

W życiu codziennym najczęściej spotykanymi artykułami wykonanymi z kompozytów są artykuły sportowe. W wyrobach tego typu wykorzystuje się niski ciężar oraz sztywność. Praktycznie wszystkie wiosła kajakowe i wioślarskie wykonane są z kompozytów. Z kompozytów wykonuje się maszty żeglarskie, deski surfingowe, narty ramy i osprzęt rowerowy, kadłuby łodzi i statków.. Materiały te służą do wytwarzania m.in. płyt, profili, rur, kół zębatych, osłon i obudów, kabin, kiosków, pokryć dachowych i zbiorników.

Kompozyty znalazły szerokie zastosowanie jako materiały konstrukcyjne w wielu dziedzinach techniki, m.in. w budownictwie (np. beton, żelbet), w technice lotniczej i astronautyce (np. elementy samolotów, helikopterów, rakiet, sztucznych satelitów), w przemyśle środków transportu kołowego i szynowego (np. resory i zderzaki samochodowe, okładziny hamulcowe), w produkcji części maszyn, urządzeń.

3. Przebieg zajęć

• Sprawdzian wiadomości studentów z zakresu podstawowych informacji dotyczących materiałów kompozytowych

• Realizacja tematu laboratorium:

- Omówienie poszczególnych zagadnień na podstawie slajdów prezentacji,

• Rozmowa na temat historii rozwoju materiałów kompozytowych,

• Dyskusja na temat podział materiałów kompozytowych,

• Rozwiązanie zadania,

- Podsumowanie omówionych treści.

4. Pytania kontrolne

1. Jakie materiały nazywamy kompozytowymi?

2. Jak zbudowane są kompozyty?

3. Jaką rolę pełni w kompozycie osnowa?

4. Jak można sklasyfikować materiały kompozytowe?

5. Gdzie znajdują zastosowanie materiały kompozytowe?

5. Literatura uzupełniająca

1. Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S. „Kompozyty”, WPW, Warszawa 2000

2. Śleziona J. „Podstawy technologii kompozytów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998

3. Wojtkun F., Sołncew J.P. „Materiały specjalnego przeznaczenia”, Politechnika Radomska 2001

4. Blicharski M. „Wstęp do inżynierii materiałowej”, Wydawnictwo AGH, Kraków 1995

5. Krzemień E. „Materiałoznawstwo”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001

---