Uniwersytet Warmińsko-Mazurski

w Olsztynie

WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH

Kierunek

EDUKACJA TECHNICZNO-INFORMATYCZNA

MACIEJ WĄSIEWICZ

Praca magisterska

Nowoczesna materiały kompozytowe

Praca wykonana pod kierunkiem:

Dr inż. Andrzeja Lempaszka

University of Warmia and Mazury

in Olsztyn

FACULTY OF TECHNICAL SCIENCES

Course

TECHNICAL AND COMPUTER SCIENCE EDUKATION

MACIEJ WĄSIEWICZ

Master's thesis

Modern composite materials

Thesis performed under the supervision of

Andrzej Lempaszek, Ph. D, ENG.

1. Spis treści

I. Spis treści

1. Table of Contents

I. Table of Contents

2. Spis rysunków

Rys.1. Klasyfikacja materiałów inżynierskich…………………………………...……...11

Rys.2. Przykładowy schemat materiału kompozytowego……………………………….12

Rys.3. Budowa kompozytu………………………………………………………………14

Rys.4. Podział kompozytów ze względu na rodzaj zbrojenia……………………………16

Rys.5. Przykład kompozytu warstwowego………………………………………………16

Rys.6. Podział kompozytów ze względu na materiał komponentów…………………...17

3. Streszczenie

3. Abstract

1. Wprowadzenie

2. Cel i zakres pracy

2.1 Cel pracy

Celem pracy jest przedstawienie aktualnej problematyki związanej z wybraną gałęzią inżynierii materiałowej, jaką są nowoczesne materiały kompozytowe, a w szczególności dotyczącej:

1. opisu właściwości i charakterystyk różnych materiałów;

2. współczesnego praktycznego wykorzystania materiałów kompozytowych;

3. opracowanie tendencji i perspektyw rozwojowych tworzenia i wykorzystania tych materiałów w różnych dziedzinach techniki.

• 2.2 Zakres pracy

W zakres pracy wchodzi analiza dostępnej literatury dotyczącej materiałów kompozytowych ze szczególnym uwzględnieniem praktycznego wykorzystania materiałów.

W pracy uwzględniono również metody wytwarzania materiałów oraz nadawania im pożądanych, z punktu widzenia różnych dziedzin techniki i przemysłu, właściwości fizycznych i chemicznych.

3. Przegląd literatury

4. Podstawowe wiadomości o kompozytach

Do powstania materiałów kompozytowych doprowadziło poszukiwanie, przez rozwijający się przemysł, nowych materiałów o właściwościach lepszych od tych cechujących tradycyjne materiały stosowane w technice takie jak stopy metali czy ceramika budowlana itp.

Usytuowanie kompozytów na tle innych materiałów inżynierskich przedstawia ogólna klasyfikacja pokazana na Rys.1.

Rys.1. Klasyfikacja materiałów inżynierskich.

4.1 Co to jest kompozyt ?

W literaturze można znaleźć wiele definicji materiałów kompozytowych, których przykładowy schemat pokazano na Rys.2..

Rys.2. Przykładowy schemat materiału kompozytowego.

Najczęściej cytowaną jest czteroczłonowa definicja stworzona w 1967 r. przez Krocka i Broutmana, nieobejmująca jednak kompozytów naturalnych np. drewna, które jest rodzajem mikrokompozytu składającego się ze zorganizowanych w skręcone pęczki włókien celulozowych połączonych ligniną. Definicja ta mówi, że:

1. kompozyt jest materiałem wytworzonym sztucznie,

2. kompozyt musi się składać, z co najmniej dwóch różnych pod względem chemicznym materiałów z wyraźną granicą rozdziału między komponentami tzw. fazami,

3. komponenty charakteryzują kompozyt swymi udziałami objętościowymi,

4. kompozyt powinien mieć właściwości różne od jego komponentów.

Kolejną definicją materiału kompozytowego jest definicja stworzona w 1965 r. przez Javitza. Jest ona mało precyzyjna a jednocześnie bardzo szeroka i podaje, że materiałem kompozytowym może być każdy materiał, który nie jest czystą substancją.

Obie definicje są często modyfikowane i rozszerzane na potrzeby nowoczesnej nauki o materiałach. Dlatego też za najpełniejsza uznaje się definicje podaną przez wydawnictwo PWN w „Encyklopedii popularnej” z zgodnie, z którą kompozytem nazywa się materiał zewnętrznie monolityczny wytworzony, z co najmniej dwóch składników (faz), z makroskopowo widocznymi granicami między nimi, o różnych właściwościach w taki sposób, że ma on właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno, lub wynikające z prostego sumowania tych właściwości.

4.2 Historia kompozytów

Historia materiałów kompozytowych sięga IX wieku p.n.e. gdy zaczęto wytwarzać gliniane cegły wzmacniane słomą. Za początek współczesnych kompozytów uważa się rok 1931, kiedy to powstał pierwszy patent na wytwarzanie włókien szklanych. W 1942 roku po raz pierwszy połączono żywicę epoksydową z włóknem szklanym, a następnie zaczęto stosować materiały kompozytowe do celów wojskowych.

Kolejnymi przełomowymi datami są lata 1961, w którym to roku otrzymano włókna węglowe, oraz 1972 gdy wytworzono włókna aramidowe.

Wprowadzanie elementów kompozytowych do konstrukcji samolotów i helikopterów następowało stopniowo od lat 60-tych ubiegłego stulecia. Początkowe zastosowania wiązały się z wykorzystaniem kompozytów wzmacnianych włóknem szklanym następnie wprowadzono znacznie wytrzymalsze i sztywniejsze kompozyty wytwarzane na bazie włókien węglowych i aramidowych. W latach 70-tych rozpoczęto produkcję pierwszych, całkowicie kompozytowych łopat do śmigłowców zaś w latach 80-tych zapoczątkowano stosowanie materiałów kompozytowych do budowy odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych dużych samolotów pasażerskich (np. stateczniki poziome samolotu Boeing 737-200) oraz wojskowych (struktura płatowca bombowca B-2).

4.3 Budowa kompozytów

Zgodnie z podaną wcześniej definicją Krocka i Broutmana kompozyt składa się z dwóch różnych materiałów (faz), z których jeden nazywany jest osnową lub matrycą a drugi zbrojeniem (umocnieniem). Budowa kompozytu pokazana została na Rys.3., gdzie zbrojenie jest w postaci nieregularnych ciemniejszych miejsc na jasnym tle osnowy.

Rys.3. Budowa kompozytu.

Osnowa stanowi zwykle od 10 do 80% objętości materiału i jest to mniej lub bardziej jednorodny materiał wypełniający przestrzeń pomiędzy elementami wzmacniającymi. Osnowa spełnia następujące funkcje:

• utrzymuje cały układ w zwartej formie,

• zapewnia wytrzymałość na ściskanie,

• przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,

• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć,

• zabezpiecza zbrojenie przed uszkodzeniami mechanicznymi,

• nadaje wyrobom żądany kształt.

Umocnienie materiału kompozytowego, może być w postaci drobnych cząstek (proszku), krótkich włókien lub płatków, a także włókien ciągłych. Zbrojenie ma następujące funkcje:

• polepszenie właściwości wytrzymałościowych,

• zwiększenie odporności na zużycie ścierne,

• zmniejszenie rozszerzalności cieplnej,

• wzrost odporności na szoki termiczne,

• zatrzymanie rozprzestrzenia się pęknięć.

4.3.1 Podział kompozytów

Kompozyty dzieli się m.in. w zależności od rodzaju osnowy, rodzaju zbrojenia, sposobu wytwarzania, przeznaczenia, właściwości technologicznych.

Podział w zależności od pochodzenia:

• „kompozyty naturalne” (drewno, tkanka kostna),

• kompozyty wytwarzane i zaprojektowane przez człowieka.

Podział według przeznaczenia:

• kompozyty konstrukcyjne,

• kompozyty o szczególnych właściwościach fizycznych lub chemicznych.

Podział według rodzaju osnowy:

• kompozyty o osnowie nie metalicznej:

• polimerowej (PMC),

• ceramicznej (CMC),

• kompozyty o osnowie metalicznej (MMC),

• kompozyty o osnowie półprzewodnikowej,

• kompozyty o osnowie organicznej (OMC).

Podział uwzględniający wpływ kształtu i wymiarów komponentu zbrojącego na mechanikę pracy kompozytów konstrukcyjnych:

• kompozyty zbrojone włóknem:

• ciągłym - Rys.4a.,

• krótkim (ciętym) - Rys.4b.,

• kompozyty umocnione dyspersyjnie,

• kompozyty umocnione cząsteczkami - Rys.4c..

Rys.4. Podział kompozytów ze względu na rodzaj zbrojenia: a) kompozyt wzmocniony włóknem ciągłym,

b) kompozyt wzmocniony włóknem krótkim (ciętym), c) kompozyt wzmocniony cząsteczkami.

Podział kompozytów metalicznych według struktury lub sposobu połączenia komponentów:

• kompozyty umocnione (zbrojone) cząstkami, włóknem lub siatką:

• zbrojenie wprowadzone do osnowy w procesie wytwarzania kompozytu,

• zbrojenie zorientowane odpowiednimi procesami technologicznymi (np. krystalizacja zorientowana, przeróbka plastyczna),

• kompozyty umocnione wydzieleniowo,

• kompozyty warstwowe (Rys.5.), platerowane lub powlekane.

Rys.5. Przykład kompozytu warstwowego.

Podział kompozytów metalicznych według technologii wytwarzania:

• metodą inkludowania, infiltracji, oblewania, powlekania, natryskiwania włókien lub cząstek,

• za pomocą zgrzewania, zwłaszcza dyfuzyjnego,

• za pomocą przeróbki plastycznej (zgrzewanie, orientowanie),

• metodami metalurgii proszków,

• metodą krystalizacji zorientowanej (pierwotnej lub wtórnej).

Podział kompozytów zależnie od tego, w jaki sposób powstaje faza zbrojąca:

• kompozyty „in situ” - gdzie zbrojenie powstaje w trakcie procesu krystalizacji i może przyjmować różny kształt (cząstki, nitki),

• kompozyty „in vitro” - gdzie faza zbrojąca zostaje wprowadzona do ciekłej osnowy, (faza zbrojąca wytworzona poza „ustrojem”, poza materiałem kompozytowym).

Możliwe jest także dokonanie podziału uwzględniającego sposób rozmieszczenia komponentów w kompozycie lub sposób łączenia ich w całość. Podział kompozytów ze względu na materiał komponentów przedstawiono na Rys.6..

Rys.6. Podział kompozytów ze względu na materiał komponentów.

5. Nowoczesne materiały kompozytowe

6. Podsumowanie

4. Bibliografia

1. Ashby M. F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.

2. www.wikipedia.pl

3. Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

4. Encyklopedia popularna PWN, Państwowe Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1995.

5. http://mif.duo.netstrefa.pl/inznow_files/INM_05_12.pdf

6. Mackiewicz S., Góra G.: Ultradźwiękowe badania konstrukcji kompozytowych w przemyśle lotniczym, Jedenaste Seminarium: Nieniszczące badania materiałów, Zakopane 2005.

6. Przybyłowicz K., Przybyłowicz J.: Repetytorium z materiałoznawstwa, część 3 - materiały niemetalowe i kompozyty., Politechnika Świętokrzyska, Kielce 1997.

7. Bednarek P., Danelska A.: Kompozyty ceramika-polimer - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Politechnika Warszawska, Warszawa.

Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.

www.wikipedia.pl

Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

Tamże.

Encyklopedia popularna PWN, Państwowe Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1995.

Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

http://mif.duo.netstrefa.pl/inznow_files/INM_05_12.pdf

Mackiewicz S., Góra G.: Ultradźwiękowe badania konstrukcji kompozytowych w przemyśle lotniczym, Jedenaste Seminarium: Nieniszczące badania materiałów, Zakopane 2005.

Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.

http://mif.duo.netstrefa.pl/inznow_files/INM_05_12.pdf

Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

Przybyłowicz K., Przybyłowicz J.: Repetytorium z materiałoznawstwa, część 3 - materiały niemetalowe i kompozyty., Politechnika Świętokrzyska, Kielce 1997.

Tamże.

Akademia Morska w Szczecinie - Zakład Inżynierii Materiałów Okrętowych: Materiałoznawstwo Okrętowe - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Szczecin.

Bednarek P., Danelska A.: Kompozyty ceramika-polimer - Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego, Politechnika Warszawska, Warszawa.

Tamże.

17

Olsztyn 2010 r.

Olsztyn 2010 r.

---