Kompozyty polimerowe 2, Studia, AiR, SEMESTR II, TSiIW, materiały


POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY

INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

0x01 graphic

Instrukcja dla studentów

Temat:

KOMPOZYTY POLIMEROWE - WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIE, WYTWARZANIE

  1. Wstęp

Kompozyty to materiały uzyskiwane przez połączenie z sobą co najmniej dwu różnych materiałów o różnym charakterze i postaci, w wyniku którego mają właściwości będące wypadkową właściwości składników (komponentów) i ich udziałów objętościowych.

Osnową materiałów kompozytowych mogą być zarówno materiały metaliczne, ceramika oraz tworzywa sztuczne. Polimerowe kompozyty tworzy się przez połączenie polimerowej osnowy z włóknami bardzo sztywnymi i wytrzymałymi, w przeważającej większości nieorganicznymi, wykazującymi właściwości niemal idealnej sprężystości.

  1. Wiadomości podstawowe

    1. Polimery

Polimery to materiały organiczne złożone ze związków węgla. Tworzone są przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne tj.: C, N, O, F, Si. W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy, antyutleniaczy i innych.

Stosowane do produkcji kompozytów żywice posiadają krótkie łańcuchy o budowie liniowej. Dopiero w wyniku procesu utwardzania następuje ich sieciowanie. W przypadku zbrojenia włóknami o bardzo małej średnicy lepkość oraz napięcie powierzchniowe żywic decydują o wypełnieniu każdej pustej przestrzeni, o wypieraniu przez ciecz pęcherzyków gazowych. Pozostające w osnowie pomiędzy włóknami gazy tworzą pustki stanowiąc zarodki mikropęknięć, obniżając wytrzymałość kompozytu.

Polimery charakteryzują się:

    1. Materiały osnowy kompozytów polimerowych

W kompozytach polimerowych jako osnowę wykorzystuje się:

Kompozyty termoutwardzalne swoje rozpowszechnienie zawdzięczają między innymi łatwości formowania wyrobów. Płynna postać żywicy ułatwia skutecznie zapełnianie przestrzeni pomiędzy włóknami w temperaturze otoczenia. Ich atutem jest w wielu przypadkach sztywność, ponieważ podwyższa wytrzymałość kompozytów na ściskanie. Wadą żywic termoutwardzalnych jest nasiąkliwość wodą, słaba odporność na uderzenie i małe wydłużenie.

Kompozyty o osnowie żywic chemoutwardzalnych określa się jako laminaty epoksydowe lub poliestrowe, zależnie od rodzaju osnowy. Wytwarza się je metodami ręcznymi i maszynowymi. Główną postacią zbrojenia są tu maty lub tkaniny.

Z grupy tworzyw termoplastycznych stosowanych do produkcji kompozytów wykorzystuje się przede wszystkim poliamidy, do których wprowadza się 20 lub 30% włókna szklanego. Wprowadzenie zbrojenia do termoplastów ma przede wszystkim podwyższyć ich właściwości wytrzymałościowe. Termoplasty niezbrojone wykazują stosunkowo niskie właściwości mechaniczne. Wprowadzenie do nich zbrojenia w postaci włókna krótkiego lub cząsteczek ceramicznych pozwala podwyższyć ich wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie. Pogarszają się jednak inne właściwości takie jak przewodność elektryczna czy palność.

    1. Materiały wzmocnienia

Podstawą produkcji nowoczesnych kompozytów na osnowie polimerowej są włókna ceramiczne. Włókna te wytwarza się w postaci włókien ciągłych metodą wyciągania z fazy ciekłej, a następnie przerabia metodami tkackimi lub innymi w wygodną postać do stosowania w technologiach produkcji kompozytów.

Podstawowym surowcem do produkcji ciągłych włókien szklanych jest najczęściej specjalne, bezalkaliczne, glinowo-krzemowe szkło typu E. Szkło to zawiera mniej niż 1% alkaliów w postaci związanych tlenków sodu i potasu. Do najważniejszych właściwości włókien szklanych należą:

Wszystkie włókna przeznaczone do zbrojenia kompozytów polimerowych mają nałożoną w procesie produkcji apreturę (powierzchniowo czynne związki silanowe). Pokrycia te zabezpieczają włókna przed zanieczyszczeniami, zabrudzeniami, oddziaływaniem z sąsiednimi włóknami (np.: sklejaniem się włókien).

Włókna węglowe otrzymuje się przez pirolizę związków organicznych, którymi najczęściej są: włókno poliakrylonitylowe PAN czy syntetyczne włókno celulozowe. W zależności od prędkości nagrzewania, czasu i temperatury karbonizacji uzyskuje się włókna węglowe o różnych właściwościach. Włókna te wykazują minimalną, czasami ujemną rozszerzalność cieplną i są stosowane przede wszystkim do otrzymywania kompozytów o dużej wytrzymałości i sztywności oraz dużej odporności chemicznej i cieplnej.

Często na zbrojenie kompozytów polimerowych wykorzystywane są włókna organiczne. Obecnie produkowane są dwa typy włókien poliaramidowych: włókna typu nomex i włókna kevlar. Włókna nomexowe stosuje się do celów filtracyjnych, elektroizolacyjnych i izolacji cieplnej. Włókna kewlarowe stosuje się jako materiały wzmacniające tworzywa sztuczne. Produkuje się je w postaci rovingowej, tkanin i mat, często również w połączeniu z innymi typami włókien jako tzw. tkaniny hybrydowe.

Najnowszym osiągnięciem przemysłu chemicznego są włókna polietylenowe. Do zalet tych włókien należą: mała gęstość, duża energia zniszczenia, mała nasiąkliwość wodą, duża odporność na ścieranie. Włókna polietylenowe mogą być stosowane do temperatury 130°C.

    1. Właściwości kompozytów polimerowych

Właściwości kompozytów polimerowych zależą głównie od gatunku włókien i żywicy osnowy. O ich wyborze decydują wytrzymałość, sztywność, trwałość i inne własności wynikające z potrzeb określonego zastosowania konstrukcyjnego.

Przy wyborze żywicy uwzględnia się zarówno walory eksploatacyjne jak i technologiczne. Żywica o wyższym module sprężystości sprzyja otrzymaniu tworzywa mniej podatnego na odkształcenia. Natomiast żywica bardziej elastyczna podwyższa zdolności tłumienia drgań mechanicznych i powstrzymuje propagację pęknięć zmęczeniowych.

Najwyższą wytrzymałość kompozytów polimerowych uzyskuje się w przypadku rozciągania wzdłuż osi włókien, wówczas udział osnowy żywicznej jest pomijalnie mały.

Wpływ temperatury dotyczy głównie żywic osnowy. W miarę jej obniżania żywice stają się bardziej wytrzymałe i sprężyste, ale równocześnie bardziej kruche. Maleje również zdolność tłumienia drgań mechanicznych. Podwyższanie temperatury powoduje stopniowe pogorszenie wytrzymałości i sprężystości.

Zalety tworzyw sztucznych zbrojonych włóknami to m.in.:

Do wad kompozytów polimerowych zaliczamy: