3. KOMPOZYTY

Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych

właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze od możliwych do uzyskania

w każdym z komponentów osobno oraz lepsze niż wynik prostego ich sumowania.

Kompozyty:

· materiały wielofazowe (zwykle dwufazowe),

- najczęściej wyróżniamy:

- osnowa kompozytu (faza ciągła i otaczająca cząstki innej fazy nazywanej umacniającą),

- faza umacniająca o różnej geometrii i względnej ilości, otoczona osnową,

- istotne znaczenie ma wytrzymałość granic międzyfazowych (przyczepność, kohezja),

· kompozyty naturalne „stworzyła przyroda” (na drodze ewolucji),

- wszędzie tam gdzie warunkiem istnienia było przenoszenie dużych obciążeń,

- łodygi roślin, gałęzie i pnie drzew,

- kości zwierząt, ptaków oraz człowieka,

- mięśnie,

·kompozyty sztuczne są wytwarzane od tysięcy lat, np:

- suszona na słońcu gliniana cegła wzmacniana słomą i końskim włosiem,

- asfalt naturalny wzmacniany słomą, końskim włosiem, tkaninami itp.,

- polska kopia husarska (ok. 5 m długości, sklejane wydrążone połówki z drewna

osiki owijane następnie pasmami włókien i rzemieni nasączanych klejem),

- najczęściej celem tworzenia kompozytu jest podwyższenie własności mechanicznych:

- sztywności,

- wytrzymałości,

- odporności na pękanie,

- odporności na ścieranie,

- różnorodność celów tworzenia kompozytów jest bardzo duża, np:

- obniżenie ciężaru,

- obniżenie kosztów,

- obniżenie modułu sprężystości, np. pianki (polimer + powietrze),

- zmiana przewodności cieplnej i elektrycznej,

- zmiana współczynnika rozszerzalności cieplnej,

⨪Osnowa: zadania jakie spełnia osnowa:

• utrzymanie całego układu w zwartej formie,

• przekazanie obciążenia na komponenty zbrojące,

• zabezpieczenie zbrojenia przed uszkodzeniami i innymi negatywnymi oddziaływaniami otaczającego środowiska.

Komponenty zbrojące: zadania jakie spełniają komponenty zbrojące:

• uzyskania materiału o podwyższonej granicy plastyczności lub wytrzymałości i to zarówno w temperaturach otoczenia, jak i w temperaturach podwyższonych,

• zmiany odkształcalności materiału osnowy,

• zaoszczędzenia materiału osnowy, o ile komponent zbrojący jest od niej tańszy; w tych przypadkach komponent taki spełnia często rolę przede wszystkim wypełnienia i dlatego nazywany jest wówczas wypełniaczem.

Umocnienie włóknem krótkim

Wytrzymałość kompozytów zbrojonych włóknem krótkim, jednokierunkowo zależy od wytrzymałości włókien.

Efektywna wartość wytrzymałości wnoszona przez włókna zależy od wytrzymałości połączenia włókna z osnową τ oraz od geometrii włókien (stosunku długości włókien do ich średnicy).

Podstawą do wyznaczenia wytrzymałości kompozytów zbrojonych włóknem krótkim jest analiza rozkładu naprężeń we włóknie umocowanym w osnowie.

W literaturze znaleźć można kilka modeli rozkładu naprężeń normalnych i stycznych. Najbardziej znanym modelem jest model Coxa, Rosena i Dowa. Każdy z tych modeli prowadzi do wyznaczenia tzw. do wyznaczenia tzw. efektywnego naprężenia przenoszonego przez włókno oraz wyznaczenia tzw. długości krytycznej włókna lkr.

Umocnienie włóknem krótkim - model Coxa

Rozkład naprężenia normalnego na długości włókna

Kiedy naprężenie σ_w osiaga wartość maksymalną odpowiadającą wytrzymałości włókna rozpoczyna się pękanie włókna.

Połączenie pomiędzy komponentami

Połączenie mechaniczne jest najsłabszym połączeniem pomiędzy komponentami powstającym najczęściej w układach nie reagujących z sobą. Wywołane jest skurczem osnowy, naprężeniami ściskającymi występującymi w procesach wyciskania, ciągnienia i walcowania. Wytrzymałość połączenia mechanicznego zależy również od stopnia rozwinięcia powierzchni włókien. Często przy słabym połączeniu włókna poddaje się procesowi trawienia celem rozwinięcia jego powierzchni zewnętrznej, np. utlenianie włókien węglowych.

Połączenia adhezyjne powstają najczęściej w technologiach z ciekłą osnową. Adhezja jest zjawiskiem przylegania dwu faz na powierzchni ich zetknięcia. Zachodzi ona pod wpływem sił międzycząsteczkowych. Mogą to być fazy stała i ciekła, dwie fazy stałe i dwie fazy ciekłe. Istotą tworzenia połączenia adhezyjnego z udziałem jednej fazy ciekłej jest występowanie zjawiska zwilżania.

- zwilżanie

Jeśli na powierzchnię ciała stałego wprowadzona zostanie kropla cieczy, to tworzy ona układ równowagowy. Układ ten charakteryzowany jest wartością skrajnego kąta zwilżania Θ. Jeśli skrajny kąt zwilżania jest większy od 90° (Θ >π/2), przyjmuje się, że wówczas ciecz nie zwilża ciała stałego. Dla kąta zwilżania jest mniejszego od 90° (Θ < π/2) ciecz zwilża ciało stałe. Gdy Θ → 0 ciecz zwilża całkowicie ciało stałe.

Warunki równowagowe położenia kropli na podłożu stałym opisywane są przez równanie Younga

Połączenia dyfuzyjne pomiędzy komponentami

Połączenie dyfuzyjne komponentów uwidacznia się w momencie pojawienia się warstwy pośredniej.

Jej grubość może wynosić od 0,01 µm do kilkudziesięciu mikrometrów.

W zależności od jej właściwości różnie będzie wpływała na właściwości kompozytu. Połączenia dyfuzyjne pojawiają się najczęściej w układach metal-metal, metal-ceramika i ceramika-ceramika. Mogą to być roztwory stałe bądź związki międzymetaliczne. Powstanie warstwy pośredniej poprzedzone jest procesami adsorpcji i dyfuzji.

W układach, w których jeden z komponentów jest ceramiką występowanie ich jest korzystne.

Osnowa - jest to najczęściej polimer, może to być także metal ( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika ( np. tlenek glinu). Wymienione materiały różnią się znacznie właściwościami takimi jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, odporność na kruche pękanie, temperatura użytkowania, a przede wszystkim różnią się ciężarem właściwym. Najczęściej osnową są polimery, ze względu na ich mały ciężar właściwy i łatwość kształtowania.

Kompozyty wzmacniane włóknami są jednak najważniejszym rodzajem kompozytów.

Włókno ma zazwyczaj długość znacznie większą od średnicy. Są to obiekty podłużne.

Przeważnie stosuje się włókna szklane, węglowe lub aramidowe (np. Kevlar).

Wymagania stawiane włóknom:

● Musi być znacznie silniejsze niż materiał osnowy,

● Musi mieć dużą wytrzymałość na rozciąganie.

Długość włókna

Istnieje pewna krytyczna długość włókna, poniżej której włókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt (zależy od średnicy włókna, wytrzymałości na rozciąganie i siły wiązania z osnową).

Właściwości mechaniczne kompozytu zależą także od wielkości naprężenia, które jest przekazywane przez osnowę (zależy od siły wiązania między włóknem a osnową).

Średnica włókna

● przyczyną dużej wytrzymałości włókien jest również ich mała średnica

● we włóknach o średnicach powyżej 15 μm istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo pojawienia się wad powierzchniowych, co sprzyja pękaniu.

Objętość włókien

Optymalna zawartość włókien
w kompozycie zbrojonym włóknami zawiera się w granicach od 45 do 70%.

Kompozyty strukturalne

Kompozyty strukturalne często noszą nazwę warstwowych, gdyż ich budowa składa się z kilku warstw, najczęściej są to wytrzymałe warstwy wierzchnie, które stanowią jakby ścianę lekkiego rdzenia umieszczonego w środku kompozytu.

Kompozyty warstwowe:

Dwie silne warstwy zewnętrzne rozdzielone warstwą słabszego i mniej gęstego materiału (rdzeń). Używa się w konstrukcji dachów, ścian, skrzydeł samolotów.

Rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym siłą prostopadłą do powierzchni zewnętrznych. Często rdzeń ma strukturę plastra miodu.

Kompozyty te nazywa się także konstrukcyjnymi.

Pojęcie kompozyty konstrukcyjne stosuje się w odniesieniu do kompozycji polimerowych o wysokich parametrach mechanicznych, stosowanych w przemyśle (głównie lotniczym).

Najczęściej stosuje się kompozyty o osnowie polimerowej (żywice) wzmacniane włóknami szklanymi, węglowymi lub aramidowymi.

Innym rodzajem kompozytów warstwowych są tzw. laminaty.

Wiele dwuwymiarowych warstw, różnie zorientowanych względem siebie.

Charakterystyka laminatu:

● wysoka wytrzymałość mechaniczna

● wysoka odporność na warunki atmosferyczne

● wysoka twardość powierzchni

● odporność na zabrudzenia

● odporność na środki chemiczne

● produkt naturalnego pochodzenia

⨪ Największe naprężenie normalne występuje w połowie długości włókna, największe naprężenie styczne przy końcach włókien.

W części środkowej włókna naprężenie styczne bliskie jest zeru lub nie występuje

Rozkład naprężenia stycznego na długości włókna zależy od właściwości sprężysto-plastycznych osnowy.

---